Dossier - le séquençage des génomes

Apport des génomes séquencés

Gilles Furelaud, Yann Esnault (Genoscope)

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A quoi bon dépenser beaucoup d'argent public ou de dons pour séquencer des génomes ? C'est une question que l'on peut - et que l'on doit - se poser. La réponse n'est pas simple, car les séquençages complets de génomes peuvent avoir des utilités très diverses, aussi bien pour la médecine, la recherche appliquée que pour la recherche fondamentale (sans laquelle, rappelons-le, il ne peut exister de recherche appliquée).
Nous proposons ici, en guise de conclusion sur ce dossier sur le séquençage des génomes, quelques exemples succints d'apports possibles des séquençages génomiques.

connaissance des gènes
recherche liées aux maladies génétiques
diagnostics ADN
recherche de susceptibilités
puces à ADN et transcriptome

Connaissance des gènes

La détermination de la séquence complète d’un génome n'est que la première étape de son étude. Il est en effet nécessaire de déterminer ensuite où, exactement, se situent les gènes et leurs régions régulatrices. Cette « annotation » est toujours en cours pour le génome humain, même si de très nombreux gènes ont déjà été repérés. On peut espérer dresser dans un avenir proche un inventaire relativement exhaustif et précis des gènes humains. Le séquençage complet du génome constitue une étape nécessaire pour arriver à ce résultat. L'étude des seuls ARN messagers s’est en effet avérée rapidement insuffisante. De plus, l'obtention d'une séquence complète du génome humain permet d'éviter que les chercheurs du monde entier se lancent dans des recherches de gènes de manière redondante, et donc moins efficace et plus onéreuse.

Cette connaissance exhaustive des gènes humains est un effort de recherche fondamental. De manière directe, ces résultats n'ont pas d'application. Toutefois, cette connaissance des gènes permet, ensuite, d'aboutir à de nombreuses application pratiques.

Par ailleurs, la connaissance des génomes de plusieurs organismes permet d’une part de faciliter l’identification des gènes via des comparaisons entre séquences génomiques, et d’autre part, de comparer les gènes eux-mêmes. Ces recherches, qui peuvent être menées sur des gènes présents dans des organismes phylogénétiquement très distants (de nombreux programmes de séquençage étant en cours), permettent de mieux cerner la fonction et l’importance de ces gènes, ainsi que leur histoire évolutive. Ces futures découvertes devraient être profitables à toutes les branches des sciences de la vie, que cela soit le développement embryonnaire, l'immunologie, les neurosciences, etc.

Recherche liée aux maladies génétiques

De nombreuses maladies humaines sont dues à l'expression (ou au défaut d’expression) d'allèles d’un unique gène (on parle en général d'allèles "mutés", même si cette terminologie est discutable) : ce sont les "maladies génétiques". Pour espérer soigner et surtout diagnostiquer ces maladies, il est important de savoir quel est le gène impliqué (il arrive que ce ne soit pas toujours le même gène d’un malade à un autre), et quel est l'allèle (ou les allèles) responsable(s).
Sans séquence complète du génome, la tâche est souvent très difficile : à partir d'études menées sur des familles atteintes de ces maladies, les chercheurs remontent jusqu'à une "région" chromosomique portant la mutation en question. Il faut ensuite chercher "à l'aveugle" les centaines de gènes de cette région, pour essayer de trouver le gène impliqué. Avec la séquence complète annotée, dès lors qu'une région chromosomique est impliquée, on dispose immédiatement de la liste des gènes présents dans cette région. En se basant sur les propriétés connues (ou supposées, par analogie) de ces gènes, on peut alors très rapidement orienter les études vers les quelques gènes « candidats » qui ont le plus de chance d'être impliqués dans la pathologie étudiée (il arrive toutefois que le gène affecté soit un gène qu’aucun indice ne pouvait faire suspecter, et que seule l’étude génétique pouvait donc impliquer, ce qui fait toute la puissance de cette approche du « clonage positionnel »). L'ensemble de l'analyse est ainsi plus rapide, moins chère à réaliser.

Ceci devrait donc se traduire dans un avenir proche par l'isolement de très nombreux gènes responsables de maladies génétiques. Ces découvertes pourront alors être le premier pas vers la mise au point de meilleurs traitements de ces maladies, voir de propositions de thérapies définitives. C'est ainsi qu'un traitement prometteur de l'Ataxie de Friedreich, directement issu de la connaissance du gène et de sa fonction, a été développé en 1999 par une équipe française à l'Hôpital Necker.

Diagnostics ADN

Connaître le génome humain dans son intégralité permet donc d'envisager la connaissance des allèles des gènes responsables de maladies génétiques. Ceci pourra faciliter la mise au point de test diagnostics à partir de l'ADN.
Pour les maladies les plus graves, le diagnostic génétique peut être pratiqué avant la naissance dans les familles à risque. De manière générale, la mise au point de diagnostics génétiques permet d'affiner l'identification précise de la maladie atteignant le patient ; ceci ne peut que conduire à une meilleure prise en charge de cette maladie.

Recherches de susceptibilités

Connaissant le génome humain, et après étude des positions variables d'une personne à une autre, il sera plus facile d'identifier les facteurs génétiques de susceptibilité à de nombreuses maladies.
Par exemple, des maladies comme le diabète ou l'artériosclérose, ont une composante génétique correspondant à une multitude de facteurs. Chaque facteur ne contribue à la maladie finale que pour une faible part. De plus, la maladie est en fait causée par l'interaction complexe entre ces facteurs et les conditions de l'environnement. Tout ceci fait qu'il est encore extrêmement difficile de dire à l'heure actuelle ce qui cause ces maladies...
Arriver à identifier les facteurs génétiques impliqués, et démêler cet écheveau devrait permettre de mieux comprendre la genèse de ces maladies, et par là même d'aboutir à de nouveaux traitements, à des mesures de prévention plus efficaces.

Puces à ADN et transcriptome

La connaissance de génomes complets, annotés, permet la réalisation de puces à ADN, et donc l'étude du transcriptome, au-delà de celle du génome. Les puces à ADN sont des outils permettant de mesurer et visualiser rapidement les différences d'expression entre les gènes, à l'échelle d'un génome complet. Il s'agit donc de l'étude directe et qualitative du transcriptome, c'est à dire de l'ensemble du matériel génétique exprimé dans une cellule donnée.

Les puces à ADN (qui n'ont strictement rien à voir avec les ordinateurs et les puces électroniques !) sont des lames recouvertes de sondes correspondant aux gènes compris dans le génome d'un organisme. Chaque sonde, donc chaque gène, est placé à un endroit précis et identifié sur la plaque. La puce permet ensuite de comparer l'expression des gènes entre deux souches de cellules (une souche sert de témoin, l'autre correspondant à l'étude menée) : pour cela, les ARN de ces cellules sont extraits, rétrotranscrits en ADN, et marqués à l'aide d'un fluorochrome (vert pour une souche, rouge pour l'autre). L'ensemble est alors incubé avec la puce à ADN : les ADNc correspondants aux ARN des cellules s'hybrident avec les sondes portées par la puce. La puce est ensuite lue, gène par gène, à l'aide d'un laser. On "lit" ainsi trois types de gènes : (1) des gènes exprimés de manière plus importante dans la première souche, dont les sondes ont fixé un plus grand nombre d'ADNc issus de la première souche, et qui fluorescent donc essentiellement en vert ; (2) des gènes exprimés de manière plus importante dans la deuxième souche, qui apparaissent eux plutôt en rouge ; (3) des gènes exprimés à des niveaux comparables.


Schéma résumant le principe des puces à ADN.
Les trois grandes étapes du processus sont schématisées : la fabrication des puces, l'hybridation, puis l'obtention des résultats. Attention : ce schéma est extrêmement simplifié par rapport à la réalité !

De nombreuses études utilisant ces puces à ADN sont d'ores et déjà menées chez la levure, dont le génome est maintenant connu depuis plusieurs années. De telles études sont appelées à se développer chez l'Homme, ainsi que pour toutes les espèces modèles dont le génome est séquencé intégralement.

Quelques informations, illutrations, etc. sont disponibles sur le site de la plate-forme transcriptome du service de génomique du département de biologie de l'Ecole Normale Supérieure : Ce service commun réalise et exploite des puces à ADN pour le compte des laboratoires de biologie de l'Ecole Normale Supérieure ou d'autres laboratoires du "pôle montagne Sainte Geneviève" à Paris essentiellement (Institut Curie, Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle).

Pour plus de questions sur le séquençage du génome humain, consultez l'excellente FAQ du Genoscope :
http://www.genoscope.fr/externe/Francais/Questions/FAQ.html

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