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Posté par Michel le Vendredi 23/12/2011 à 00:00
Le "bruit" silencieux des gènes bactériens...
Des chercheurs de l'Inra, d'AgroParisTech, du CNRS, de l'Inserm, et de l'Université de Montpellier ont réussi à observer l'expression de gènes bactériens avec une précision inégalée. Par des techniques de fluorescence et de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des...), les chercheurs ont pu compter le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protéines synthétisées à la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) près, et dans chaque bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries...) individuelle d'une population. En observant une étape précoce de l'expression génique, ils sont également parvenus à associer les fluctuations de l'expression d'une cellule à l'autre avec les mécanismes moléculaires spécifiques de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) à l'?uvre sur les gènes étudiés. Cette avancée pourrait permettre à l'avenir de prédire le type de mécanisme de contrôle de l'expression d'un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide...) sur la base du profil de fluctuation de son expression. C'est aussi une perspective intéressante pour la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles...) synthétique (1) puisque cela permettra de mieux maîtriser la part aléatoire de l'expression dans les constructions synthétiques. Ces résultats ont été publiés le 22 décembre 2011 dans la version en ligne des PNAS.

Le niveau d'expression de la plupart des gènes d'une cellule dépend de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) dans lequel est placée cette cellule. De nombreux mécanismes de contrôle de l'expression génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) ajustent l'expression de chaque gène en fonction de l'environnement présent et permettent ainsi l'adaptation de la cellule à cet environnement. Mais, même dans un environnement stable, un gène donné n'est pas toujours exprimé au même niveau dans chaque cellule d'une population. En effet le mécanisme d'expression des gènes est un processus largement stochastique (2), largement "bruité". C'est-à-dire que ce n'est pas un processus continu, régulier et totalement déterminé mais au contraire un processus pour partie aléatoire. A l'échelle d'une cellule unique, ceci est en partie dû au faible nombre de molécules mises en jeu: une seule copie du gène, quelques molécules régulatrices de ce gène, quelques molécules disponibles pour transcrire ce gène en ARN messager, puis quelques molécules disponibles pour enclencher la traduction de ce messager en protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En...), etc. La stochasticité de l'expression des gènes peut ainsi conduire dans certains cas à une hétérogénéité de phénotypes au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du...) d'une population parfaitement identique génétiquement: schématiquement, une sous-population devient "verte" tandis qu'une autre devient "rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.)" alors qu'elles sont génétiquement identiques et placées dans un environnement identique.


Niveaux d'expression différents d'un même gène au sein des bactéries d'une même population, représentés par des couleurs différentes.
© CNRS/CBS

Une équipe de microbiologistes de l'Inra et d'AgroParisTech, une équipe de biophysiciens du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...), de l'Inserm et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Montpellier et un mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute personne faisant des mathématiques la base de son activité...) du CNRS se sont associés pour développer une nouvelle méthode permettant de mesurer au fil du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) l'expression d'un gène donné, aussi faible soit-elle, dans chaque cellule bactérienne d'une population. Et cela, sans les détruire et en comptant directement, de manière absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus...), le nombre de molécules produites. Ils se sont focalisés sur la première étape de l'expression, la transcription du gène en ARN messager, pour déterminer le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) et les caractéristiques du processus aléatoire relevant de cette étape précise. Ils ont étudié un petit ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de gènes impliqués dans les voies de dégradation et de synthèse du glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est symbolisé par Glc. Il est directement assimilable par l'organisme.) lors d'un changement environnemental précis chez la bactérie modèle Bacillus subtilis et dont ils avaient précédemment étudié les mécanismes moléculaires de contrôle. Un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des résultats...) basé sur la connaissance préalable de ces mécanismes a permis d'analyser et d'interpréter leur impact sur le caractère aléatoire de l'expression des gènes étudiés, à l'état basal ("veille") ou induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) ("éveillé").

Des travaux récents ont pu montrer que l'expression génique avait lieu par "impulsions", séparées par des périodes d'inactivité. La fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) et la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) » et...) de ces impulsions permettent de caractériser l'expression d'un gène donné à l'échelle d'une cellule et de mieux comprendre le processus d'adaptation cellulaire impliquant ce gène. En particulier, il est important d'identifier ces caractéristiques lorsque le gène est exprimé au niveau basal ? c'est-à dire lorsque les conditions ne nécessitent pas son expression ? car les effets de la stochasticité sont a priori les plus marqués (puisque dans ces conditions le nombre de molécules impliquées dans l'expression est plus faible). Ceci permet de comprendre comment la sélection naturelle a "préparé" au mieux la population cellulaire à s'adapter à la survenue d'une condition environnementale dans laquelle ce gène donné devra être exprimé. Il s'agit en quelque sorte de caractériser la "respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre « gaz carbonique », et absorption de...) basale" d'un gène en "veille", dans chaque cellule, pour mieux comprendre comment il est "réveillé", à l'échelle de la population, lorsqu'un changement environnemental le nécessite. Plus généralement, les chercheurs ont pu associer les caractéristiques des mécanismes moléculaires spécifiques de contrôle de l'expression de chacun des gènes étudiés aux caractéristiques de la stochasticité de l'expression de cellule en cellule.

Ce travail a permis la mise au point (Graphie) d'une méthode puissante d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de la part aléatoire de l'expression génétique à l'échelle d'une cellule bactérienne (utilisable aussi pour des cellules eucaryotes). Ce type de mesure permet d'affiner la modélisation de l'expression des gènes et donc d'une part de comprendre, et d'autre part de prédire plus précisément leur comportement selon les conditions environnementales. Par ailleurs, dans une perspective de biologie synthétique, il est important de pouvoir associer à tel mécanisme de contrôle de l'expression génétique un profil de variation de cette expression entre chaque cellule d'une même population clonale, c'est-à-dire contenant exactement la même information génétique.


Notes:

(1)Biologie synthétique: approche globale d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) biologique et de synthèse de nouveaux systèmes biologiques.

(2)Stochastique: qui relève du hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause...), de la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu...).


Référence:

Matthew L. Ferguson, Dominique Le Coq (Le coq est le représentant mâle adulte, principalement de plusieurs espèces presque exclusivement de galliformes, en partіculier le coq domestique. Sa...), Matthieu Jules, Stéphane Aymerich, Ovidiu Radulescu ; Nathalie Declerck & Catherine A. Royer. Reconciling molecular regulatory mechanisms with noise patterns of bacterial metabolic promoters in induced and repressed states. PNAS, 22 décembre 2011, DOI:10.1073/pnas.1110541108


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Source: CNRS