{"id":7178,"date":"2012-07-25T19:45:09","date_gmt":"2012-07-25T17:45:09","guid":{"rendered":"http:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/?p=7178"},"modified":"2012-08-28T22:31:41","modified_gmt":"2012-08-28T20:31:41","slug":"technologies-sequencage-genome-humain-1","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2012\/technologies-sequencage-genome-humain-1\/","title":{"rendered":"Les technologies de s\u00e9quen\u00e7age du g\u00e9nome humain – 1"},"content":{"rendered":"

Depuis quelques ann\u00e9es, je profite de l\u2019\u00e9t\u00e9 pour creuser un sujet un peu hors des sentiers battus. En 2009, c\u2019\u00e9tait sur la capture d\u2019images d\u2019Apollo 11<\/a> \u00e0 l\u2019occasion du quaranti\u00e8me anniversaire des premiers pas de l\u2019homme sur la Lune. L\u2019ann\u00e9e derni\u00e8re, c\u2019\u00e9tait sur les racines anciennes<\/a> du retard fran\u00e7ais dans l\u2019adoption des technologies de la communication. Cette ann\u00e9e, changement de braquet. On passe \u00e0 la g\u00e9n\u00e9tique ! Ce sont un peu mes \u201cdevoirs de vacances\u201d. Chacun son truc\u2026 !<\/p>\n

Dans le Rapport du Consumer Electronics Show de Las Vegas de 2012<\/a>, j\u2019avais rapidement \u00e9voqu\u00e9 le cas d\u2019une machine permettant le s\u00e9quen\u00e7age du g\u00e9nome humain de mani\u00e8re relativement abordable et en une journ\u00e9e :<\/p>\n

\u201cEnfin, on pouvait voir ce <\/strong>Proton de la soci\u00e9t\u00e9 Ion Torrent,<\/strong>\u00a0 un analyseur d\u2019ADN<\/strong> (semiconductor sequencer) sur le stand de Scientific American. Ce s\u00e9quenceur ADN d\u00e9code votre g\u00e9nome en une journ\u00e9e et pour $1000 avec tout cela comporte comme implication dans la d\u00e9tection de pathologies et terrain g\u00e9n\u00e9tique favorable ou pas. Il fonctionne avec un capteur CMOS voisin de celui d\u2019un appareil photo capable de d\u00e9coder 660 millions de g\u00e9nomes en une journ\u00e9e. Comment \u00e7a marche ? Assez compliqu\u00e9 \u00e0 comprendre et \u00e0 expliquer. Ces capteurs CMOS ont des transistors \u00e0 effet de champs qui d\u00e9tectent la quantit\u00e9 d\u2019ions d\u2019hydrog\u00e8nes g\u00e9n\u00e9r\u00e9s par la polym\u00e9risation de l\u2019ADN. On peut mettre un peu plus d\u2019un million de ces transistors sur ces capteurs CMOS. La machine est vendue $150K. Comme l\u2019impression 3D, encore un truc qui va devenir mainstream dans peu de temps ! Litt\u00e9rature sur la question ici<\/a> et l\u00e0<\/a>. Avec les technologies de big data, ce n\u2019est rien de moins que la gu\u00e9rison des cancers gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019analyse g\u00e9n\u00e9tique et \u00e0 des traitements cibl\u00e9s qui est anticip\u00e9e\u201d.<\/p><\/blockquote>\n

\"Proton<\/a><\/p>\n

J\u2019ai voulu en savoir plus pour comprendre comment ce genre d\u2019engin pouvait fonctionner. C\u2019est bien le tout d\u2019\u00e9voquer un capteur CMOS et ses millions de pixels. Mais l\u00e0, ce n\u2019est pas de la photo. Il s\u2019agit d\u2019identifier les centaines de millions de s\u00e9quences de nucl\u00e9obases qui s\u2019enchainent dans l\u2019ADN de nos chromosomes. Conceptuellement, c\u2019est assez complexe, et bien plus que la m\u00e9canique de d\u00e9tection des fameux bosons de Higgs qui repose sur l\u2019envoi les uns contre les autres de protons ultra-\u00e9nergis\u00e9s dans l\u2019\u00e9norme LHC du CERN de Gen\u00e8ve.<\/p>\n

Comment ces pixels de CMOS font-ils donc pour d\u00e9tecter les s\u00e9quences d\u2019ADN ? Comment la machine les met-elle dans l\u2019ordre ? Quelle diff\u00e9rence il y-a-t-il entre le s\u00e9quen\u00e7age g\u00e9n\u00e9rique du g\u00e9nome humain et celui, personnalis\u00e9, de tout un chacun ? Quelles pathologies peut-on traiter gr\u00e2ce \u00e0 un s\u00e9quen\u00e7age pour tous ? Comment ces technologies vont-elles ou peuvent-elles se commoditiser ? A quel prix ? Et avec quels types de machines ?<\/p>\n

Quel est donc le lien avec la ligne \u00e9ditoriale de ce blog ? La biologie y est clairement hors-sujet. Elle pourrait m\u00eame nous emmener loin dans les m\u00e9andres des d\u00e9bats entre \u00e9volutionnistes et cr\u00e9ationnistes. En effet, la biologie mol\u00e9culaire est incroyablement complexe et riche de mol\u00e9cules et processus chimiques divers. Quand on les d\u00e9cortique un par un, on leur trouve tous une causalit\u00e9 scientifique et leur origine peut souvent s\u2019expliquer par des processus de nature \u00e9volutionniste. Mais on peut facilement \u00eatre fascin\u00e9 par le g\u00e9nie du vivant et lui chercher un \u201ccr\u00e9ateur\u201d. D\u2019o\u00f9 les th\u00e9ories du \u201cdesign intelligent\u201d largement d\u00e9battues aux USA.<\/p>\n

On va tout de m\u00eame revenir \u00e0 la technologie \u201cde base\u201d avec les capteurs CMOS et les traitements num\u00e9riques de l\u2019information. Il y aura m\u00eame des morceaux de big data dedans, m\u00eame si ce n\u2019est pas ma tasse de th\u00e9. Et on parlera aussi d\u2019initiatives d\u2019IBM et de Google dans le domaine.<\/p>\n

Alors, allons-y ! Cela n\u00e9cessitera plusieurs parties : d\u2019abord, un rappel des basiques de l\u2019ADN fa\u00e7on cours de sciences naturelles du secondaire, puis sur les techniques de son s\u00e9quencement et enfin, un tour dans la partie num\u00e9rique des op\u00e9rations.<\/p>\n

D\u00e9cortiquer l\u2019ADN<\/strong><\/p>\n

L\u2019ADN, tout le monde en a une id\u00e9e g\u00e9n\u00e9rale. On en a tous entendu parler \u00e0 l\u2019\u00e9cole. C\u2019est une mol\u00e9cule qui contient le code g\u00e9n\u00e9tique \u00e0 l\u2019origine de la vie animale et v\u00e9g\u00e9tale, qui permet la reproduction mais qui explique aussi certaines pathologies dites g\u00e9n\u00e9tiquement transmissibles.<\/p>\n

Avant de voir comment on d\u00e9code l\u2019ADN, on va tout de m\u00eame reprendre les basiques de la biologie mol\u00e9culaire pour \u00e9tablir le vocabulaire, assez riche, du sujet. Nous allons pour ce faire emboiter une \u00e0 une les poup\u00e9es russes du vivant en allant du plus petit au plus grand, sachant que je me suis tr\u00e8s largement appuy\u00e9 sur Wikipedia pour reconstituer cette s\u00e9rie, mais pas seulement, ayant trouv\u00e9 pas mal de litt\u00e9rature sur le sujet dont un article fondamental publi\u00e9 en f\u00e9vrier 2001 dans Nature : \u201cInitial sequencing and analysis of the human genome<\/a>\u201d. Je vous \u00e9pargne tout de m\u00eame l\u2019\u00e9chelle subatomique !<\/p>\n

Quand j\u2019en trouve la trace, j\u2019indique la date et le ou les auteurs de la d\u00e9couverte de la structure en question, qui sont tr\u00e8s souvent devenus des prix Nobel de m\u00e9decine. Je fais aussi le parall\u00e8le c\u00f4t\u00e9 dimensions entre le code g\u00e9n\u00e9tique et les micro-processeurs d\u2019aujourd\u2019hui, histoire de comprendre le d\u00e9fi qui se pose dans le d\u00e9codage du g\u00e9nome. A vrai dire, l\u2019\u00e9criture de cette s\u00e9rie d\u2019articles m\u2019a fait d\u00e9couvrir un monde fascinant de connaissances, qui se d\u00e9veloppe de mani\u00e8re exponentielle depuis des d\u00e9cennies. La connaissance que l\u2019on a des m\u00e9canismes du vivant est incroyablement d\u00e9taill\u00e9e, et en m\u00eame temps toujours insatisfaisante au vu de la difficult\u00e9 \u00e0 trouver des traitements ad\u00e9quats \u00e0 certaines pathologies (myopathies, cancers, diab\u00e8te, maladies tropicales, etc).<\/p>\n

Dans nous allons examiner dans l\u2019ordre croissant d\u2019int\u00e9gration les \u00e9l\u00e9ments suivants : nucl\u00e9obases, nucl\u00e9otides, ADN, codons, s\u00e9quences codantes, g\u00e8nes, nucl\u00e9osomes, nucl\u00e9osomes, nucl\u00e9ofilaments, chromatine, chromosome, nucl\u00e9ole avec un petit d\u00e9tour par les mitochondries, noyau, g\u00e9nome et enfin cellule. C\u2019est parti\u2026<\/p>\n

Nucl\u00e9obases<\/span><\/p>\n

Ce sont les mol\u00e9cules de base de la construction de l\u2019ADN et de l\u2019ARN qui est cr\u00e9\u00e9 \u00e0 partir de l\u2019ADN. Il y en a cinq diff\u00e9rentes : l\u2019ad\u00e9nine (A), la cytosine (C), la guanine (G), la thymine (T) et l\u2019uracile (U). Les quatre premi\u00e8res se trouvent dans l\u2019ADN et la derni\u00e8re se trouve dans les diff\u00e9rentes formes d\u2019ARN, en lieu et place de la thymine. Ces mol\u00e9cules sont \u00e0 base d\u2019azote, d\u2019hydrog\u00e8ne, d\u2019oxyg\u00e8ne et de carbone. L\u2019identification de ces mol\u00e9cules date de 1929 par le russo-am\u00e9ricain Phoebus Aaron Levene.<\/p>\n

\"Nucleobases\"<\/a><\/p>\n

Nucl\u00e9otides <\/span><\/p>\n

Ce sont des mol\u00e9cules organiques qui constituent les brins d\u2019ADN. Elles s\u2019appuient sur une des quatre nucl\u00e9obases de l\u2019ADN, un sucre (un pentose, soit une mol\u00e9cule monosaccaride dot\u00e9e de cinq atomes de carbone) et des groupements phosphat\u00e9s (mono, di ou triphosphates).<\/p>\n

Plus pr\u00e9cis\u00e9ment, l\u2019ADN s\u2019appuie sur des nucl\u00e9otides monophosphat\u00e9es : le dAMP <\/strong>(d\u00e9soxyad\u00e9nosine monophosphate), le dTMP <\/strong>(d\u00e9soxythymidine monophosphate), le dGMP <\/strong>(d\u00e9soxyguanosine monophosphate) et le dCMP <\/strong>(d\u00e9soxycytosine monophosphate). Mais lorsque l\u2019on parle du d\u00e9codage de l\u2019ADN, on utilise comme syst\u00e8me de notation celui des nucl\u00e9obases (A, C, G et T) que contiennent ces nucl\u00e9otides (dAMP, dCMP, dGMP et dTMP). Les chromosomes humains comprennent pr\u00e8s de 6 milliards de nucl\u00e9otides.<\/p>\n

\"Nucleotides\"<\/a><\/p>\n

ADN<\/span><\/p>\n

Acide d\u00e9soxyribonucl\u00e9ique, c\u2019est la longue chaine qui contient le code g\u00e9n\u00e9tique dans les chromosomes de nos cellules. Sa structure mol\u00e9culaire de base est en double h\u00e9lice qui comprend une suite de paires de bases entour\u00e9es de leur sucre-phosphate qui sont reli\u00e9s entre elles par des liaisons sucre-phosphate.<\/p>\n

C\u00f4t\u00e9 bases, chaque c\u00f4t\u00e9 de l\u2019h\u00e9lice est le miroir de l\u2019autre : une base A est toujours associ\u00e9e \u00e0 une base T\u00a0 (via deux liaisons hydrog\u00e8ne) et une base G \u00e0 une C (via trois liaisons hydrog\u00e8ne). Cet agencement a \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvert gr\u00e2ce \u00e0 une technique de diffraction aux rayons X mise en \u0153uvre en premier sur l\u2019ADN par Rosalind Franklin en 1952. Il s\u2019appuyait sur la d\u00e9couverte ant\u00e9rieure, de Chargaff, en 1949, de la proportion \u00e9quivalente des bases A et T puis G et C dans les cellules, et constante pour chaque esp\u00e8ce vivante. Les liaisons hydrog\u00e8ne – qui relient les paires de bases dans l’ADN – sont de faible \u00e9nergie, ce qui facilite la s\u00e9paration des brins d’ADN et leur r\u00e9plication. On peut ainsi s\u00e9parer les deux brins d’un ADN par simple r\u00e9chauffement alors que celui-ci ne s\u00e9parera pas les nucl\u00e9otides les uns des autres car ils sont reli\u00e9s par une liaison de forte \u00e9nergie (oxyg\u00e8ne-phosphate).<\/p>\n

Les deux h\u00e9lices de l\u2019ADN ne sont pas espac\u00e9es de mani\u00e8re \u00e9gal\u00e9e : le grand sillon fait 2,2 nm de haut et le petit, 1,2 nm. Comme tout s\u2019explique, cela vient de l\u2019angle des liaisons hydrog\u00e8ne qui associent les paires de bases. Un peu comme si on tirait vers le haut ou vers le bas une des h\u00e9lices de l\u2019ADN.<\/p>\n

C\u2019est en 1958 que Meselson et Stahl d\u00e9couvrent le processus de r\u00e9plications dite semi-conservative de l\u2019ADN qui voit chaque bras de l\u2019h\u00e9lice r\u00e9pliqu\u00e9 pour cr\u00e9er une mol\u00e9cule d\u2019ADN identique \u00e0 celle d\u2019origine. Sachant n\u00e9anmoins que l\u2019on distingue toujours un bras \u201coriginal\u201d et un bras contenant une sorte de n\u00e9gatif, un peu comme dans la photo argentique. Le bras original est identifi\u00e9 par le sens des liaisons phosphate-sucre entre les nucl\u00e9otides.<\/p>\n

\"Agencement<\/a><\/p>\n

Il y a environ deux m\u00e8tres lin\u00e9aires d’ADN dans chaque cellule humaine sachant que l\u2019ADN y est tr\u00e8s dense comme nous allons le voir plus loin. La d\u00e9couverte de L\u2019existence de l\u2019ADN et de son fonctionnement a pris plus d\u2019un si\u00e8cle avec pour commencer son identification en 1869 par Miescher et la mod\u00e9lisation de sa structure en h\u00e9lice et paires de bases par Watson et Crick en 1953. Le fonctionnement de la machinerie de la reproduction des cellules ainsi que celle de la cr\u00e9ation des prot\u00e9ines ont \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvertes dans les d\u00e9cennies suivant 1953.<\/p>\n

Codons<\/span><\/p>\n

Identifi\u00e9s par Brenner et Crick en 1960 puis Nirenberg et Matthaei en 1961, il s\u2019agit du niveau d\u2019int\u00e9gration suivant dans l\u2019ADN et la chaine du vivant. Ce sont des s\u00e9quences de trois nucl\u00e9otides sp\u00e9cifiant l’un des 22 acides amin\u00e9s qui sont eux-m\u00eames les primitives de constitution des prot\u00e9ines qui servent de base au fonctionnement interne des cellules vivantes. Les acides amin\u00e9s ont \u00e9t\u00e9 d\u00e9couverts entre le d\u00e9but et la fin du 19i\u00e8me si\u00e8cle. D\u2019o\u00f9 viennent-ils dans le corps humain ? 12 sont synth\u00e9tis\u00e9s par le processus m\u00e9tabolique par d\u00e9coupage des prot\u00e9ines de notre alimentation et 9 sont d\u2019origine externe.<\/p>\n

Ces s\u00e9quences de codons se trouvent dans l\u2019ADN. Elles sont transmises \u00e0 de l\u2019ARNm (acide ribonucl\u00e9ique messager) lors de la transcription des g\u00e8nes de l\u2019ADN qui s\u2019appuie sur de l\u2019ARN polym\u00e9rase. L\u2019ARNm sort du noyau des cellules pour atteindre le cytoplasme o\u00f9 il est transform\u00e9 en prot\u00e9ines gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019action de ribosomes, des prot\u00e9ines complexes et de l\u2019ARNt (ARN de transfert).<\/p>\n

 <\/p>\n

\"Transcription<\/a><\/p>\n

La composition de l\u2019ARN a \u00e9t\u00e9 d\u00e9couverte par Volkin et Astrachan en 1956. Le r\u00f4le de l\u2019ARNm a \u00e9t\u00e9 identifi\u00e9 en 1961 par les fran\u00e7ais Monod et Jacob. Autre mani\u00e8re de d\u00e9crire cette belle m\u00e9canique : l\u2019ARNm est un code qui est exploit\u00e9 par les outils que sont les ribosomes et l\u2019ARNt pour cr\u00e9er les prot\u00e9ines.<\/p>\n

La succession des codons sur l’ARNm d\u00e9termine la structure primaire de la prot\u00e9ine qui sera synth\u00e9tis\u00e9e, soit l\u2019enchainement lin\u00e9aire des mol\u00e9cules. La \u201cstructure secondaire\u201d d\u00e9crit son organisation tridimensionnelle et la \u201cstructure tertiaire\u201d d\u00e9crit la mani\u00e8re dont la mol\u00e9cule se replie sur elle-m\u00eame, ce qui donne \u00e0 la prot\u00e9ine sa fonctionnalit\u00e9. Ces repliements sont la cons\u00e9quence physique et chimique de la composition en acides amin\u00e9s des prot\u00e9ines. Dans certains cas se cr\u00e9ent des sites actifs que l\u2019on appelle les enzymes.<\/p>\n

Les ARN messagers cr\u00e9\u00e9s par transcription de l\u2019ADN sont constitu\u00e9s d’une succession de plusieurs dizaines \u00e0 centaines de nucl\u00e9otides. Nous avons vu que dans l\u2019ARN, quatre bases nucl\u00e9iques d\u00e9terminent la s\u00e9quence d’un codon : ad\u00e9nine, guanine, uracile et cytosine. Ce qui donne 43<\/sup> = 64 codons diff\u00e9rents, servant au codage de 22 acides amin\u00e9s diff\u00e9rents (formules chimiques ci-dessous <\/em>).<\/p>\n

\"Acides<\/a><\/p>\n

La table de correspondance ci-dessous a \u00e9t\u00e9 identifi\u00e9e en 1961 par Nirenberg. Un codon \u201cstart\u201d (ATG en notation ADN ou AUG en notation ARN) commande le d\u00e9part de la synth\u00e8se des prot\u00e9ines et trois codons \u201cstop\u201d en commandent l’arr\u00eat. Mais il existe une s\u00e9quence pr\u00e9alable au codon start qui annonce les g\u00e8nes : le \u201cpromoteur\u201d. C\u2019est sur lui que se fixe l\u2019ARN polym\u00e9rase qui va d\u00e9clencher la copie de l\u2019ADN en ARNm. Un peu comme le d\u00e9but d\u2019une fermeture \u00e9clair.<\/p>\n

Mais d\u2019o\u00f9 viennent ces ribosomes qui utilisent l\u2019ARNm et les acides amin\u00e9s pour construire les prot\u00e9ines ? Pour r\u00e9soudre le probl\u00e8me de la poule et de l\u2019\u0153uf, les mol\u00e9cules de ribosomes sont elles-m\u00eames construites \u00e0 partir d\u2019ARNr (ARN ribosomique) obtenu par transfert de g\u00e8nes de l\u2019ADN. Mais le processus de leur cr\u00e9ation est assez complexe car l\u2019ARNr est obtenu via une pr\u00e9-ARNr qui est d\u00e9coup\u00e9e en trois ARNr.<\/p>\n

Les 52 prot\u00e9ines constitutives des ribosomes sont quant \u00e0 elles produites par le cycle normal via de l\u2019ARNm et d\u2019autres ribosomes. Ce sont ces prot\u00e9ines qui sont associ\u00e9es avec les les ARN ribosomiques pour cr\u00e9er des pr\u00e9-ribosomes. Enfin, cela se termine par un processus de maturation. Le tout dans diff\u00e9rentes parties des cellules. Bon, et les 52 prot\u00e9ines constitutives des ribosomes, elles viennent d\u2019o\u00f9 ? Elles aussi de la transcription d\u2019ADN en ARNm et de leur utilisation pour l\u2019assemblage d\u2019acides amin\u00e9s\u2026 par d\u2019autres ribosomes !<\/p>\n

\"Correspondance<\/a><\/p>\n

S\u00e9quence codante<\/span> (CDS ou Coding DNA Sequence, aussi simplifi\u00e9 en cDNA<\/em>)<\/p>\n

Partie d’un g\u00e8ne qui, apr\u00e8s avoir \u00e9t\u00e9 transcrite en ARNm dans le noyau des cellules, est traduite en prot\u00e9ines. Les g\u00e8nes sont en effet constitu\u00e9s dans l\u2019ADN de suites alternant des s\u00e9quences codantes (exons<\/strong>) et des s\u00e9quences non codantes (introns<\/strong>, d\u00e9couverts en 1993). Les exons commencent par le codon ATG (trois nucl\u00e9otides \u00e0 bases ad\u00e9nine-thymine-guanine) et se terminent par un codon stop (TAA, TAG, ou TGA). Le processus de cr\u00e9ation des prot\u00e9ines via l\u2019ARNm implique une m\u00e9canique d\u2019\u00e9limination des introns qui ne servent \u00e0 rien que l\u2019on d\u00e9nomme l\u2019\u00e9pissage et qui est lui-m\u00eame un m\u00e9canisme tr\u00e8s compliqu\u00e9.\u00a0Les g\u00e8nes occupent environ 0,5% de l’ADN humain et \u00a0les s\u00e9quences codantes des g\u00e8nes n’en repr\u00e9sentent qu’environ 5%, soit 0,025% de nos chromosomes. Ce qui ne veut pas dire pour autant que le reste ne sert \u00e0 rien, mais le niveau de connaissance est moins bon sur la partie “hors g\u00e8nes” de l’ADN que dans les g\u00e8nes.<\/p>\n

\"ADN<\/a><\/p>\n

G\u00e8ne<\/span><\/p>\n

C\u2019est l\u2019unit\u00e9 de base d’information g\u00e9n\u00e9tique qui se pr\u00e9sente sous la forme d\u2019une s\u00e9quence d\u2019ADN qui sp\u00e9cifie la synth\u00e8se de cha\u00eenes de polypeptides (cha\u00eenes de 10 \u00e0 100 acides amin\u00e9s reli\u00e9s par des liaisons peptidiques) qui servent elles-m\u00eames \u00e0 la g\u00e9n\u00e9ration de prot\u00e9ines, qui sont des polypeptides \u201clongs\u201d (1941, Beadle et Tatum puis 1944-1946, Avery<\/em>). Mais leur activation (\u201cexpression\u201d) d\u00e9pend du type des cellules. L\u2019identification de la s\u00e9rie de bases qui d\u00e9marrent et terminent un g\u00e8ne date des ann\u00e9es 1970.\u00a0L\u2019ADN humain comprendrait environ 23000 g\u00e8nes selon les connaissances \u00e0 ce jour. Les estimations du nombre de g\u00e8nes ont \u00e9t\u00e9 tr\u00e8s variables ces 50 derni\u00e8res ann\u00e9es. Elle allaient jusqu’\u00e0 100000 mais leur nombre s’est ensuite r\u00e9duit apr\u00e8s le s\u00e9quen\u00e7age complet de l’ADN humain termin\u00e9 au d\u00e9but des ann\u00e9es 2000. Ce n’est pas le tout de s\u00e9quencer le g\u00e9nome, il faut comprendre \u00e0 quoi servent les s\u00e9quences d’ADN !<\/p>\n

\"Gene\"<\/a><\/p>\n

Dans chaque cellule humaine, il y a environ 10000 g\u00e8nes qui sont exprim\u00e9s et repr\u00e9sentent les fonctions communes de vie des cellules. Et environ 1000 g\u00e8nes sont exprim\u00e9s qui sont li\u00e9s au type de la cellule : musculaire, nerveuse, osseuse, sanguine, etc.<\/p>\n

Nucl\u00e9osomes <\/span><\/p>\n

C\u2019est un complexe d\u2019ADN et de prot\u00e9ines qui constitue une unit\u00e9 de base de la chromatine que nous verrons plus loin. C\u2019est le premier niveau de compaction de l\u2019ADN dans les chromosomes. Le nucl\u00e9osome est un enroulement d\u2019environ 140 paires de bases d\u2019ADN autour de prot\u00e9ines complexes dont les histones (en couleur ci-dessous<\/em>) qui sont tr\u00e8s riches en acides amin\u00e9s basiques. Il y a deux sortes d\u2019histones, les 2A, 2B 3 et 4 autour desquelles l\u2019ADN s\u2019enroule et l\u2019histone 1 qui se place \u00e0 l\u2019ext\u00e9rieur de l\u2019ensemble, comme un verrou.<\/p>\n

Un nucl\u00e9osome fait environ 11nm de diam\u00e8tre. Mais la partie de l\u2019ADN qui est ainsi condens\u00e9e n\u2019est pas transcriptionnelle, \u00e0 savoir qu\u2019elle ne sert pas \u00e0 la cr\u00e9ation d\u2019ARNm et de prot\u00e9ines. C\u2019est l\u2019ADN situ\u00e9e entre les nucl\u00e9osomes qui sert \u00e0 la transcription en ARNm pour cr\u00e9er des prot\u00e9ines. Par contre, lors de la division cellulaire, l\u2019ensemble de l\u2019ADN y compris la \u201cnon transcriptionnelle\u201d est copi\u00e9e \u00e0 l\u2019identique.<\/p>\n

\"Nucleosome\"<\/a><\/p>\n

Nucl\u00e9ofilament<\/span><\/p>\n

C\u2019est le niveau de compaction suivant de la chromatine qui voit la suite d\u2019ADN ponctur\u00e9e de nucl\u00e9osomes s\u2019enrouler elle-m\u00eame sous forme de sol\u00e9no\u00efdes. On a un nucl\u00e9osome toutes les 200 paires d’ADN ce qui veut dire qu’ils sont les uns contre les autres. Ces nucl\u00e9ofilaments font environ 30 nm de diam\u00e8tre. Eux-m\u00eames sont ensuite compact\u00e9s au sein des chromosomes mais leur compactage n\u2019est pas le m\u00eame pendant le cycle de vie de la cellule. La forme la plus compact\u00e9e se manifeste lors du processus de division cellulaire au moment de la prophase. Mais la r\u00e9plication de l\u2019ADN dite semi-conservative (ou la moiti\u00e9 du brin est conserv\u00e9e et chaque moiti\u00e9 compl\u00e9t\u00e9e par un r\u00e9plicat en n\u00e9gatif) a lieu pendant l\u2019interphase, soit la vie \u201cnormale\u201d de la cellule. En temps normal pendant l\u2019interphase, les nucl\u00e9ofilaments s\u2019\u00e9talent de mani\u00e8re libre au sein du noyau des cellules.<\/p>\n

\"Poupee<\/a><\/p>\n

Chromatine<\/span><\/p>\n

C\u2019est la forme sous laquelle se pr\u00e9sente l’ADN dans le noyau des cellules et les chromosomes. Cette substance de base des chromosomes associe un brin d’ADN, de l’ARN et des prot\u00e9ines. Dans la chromatine, on distingue\u00a0 l\u2019euchromatine qui contient la partie active de l\u2019ADN, utilis\u00e9e lors de la transcription en ARNm et en prot\u00e9ines et se situe g\u00e9n\u00e9ralement entre les nucl\u00e9osomes. Elle repr\u00e9sente 10% de l\u2019ADN chez l\u2019homme et comprend de 23000 \u00e0 25000 g\u00e8nes (27% du code), de l’ADN non codant r\u00e9p\u00e9t\u00e9 (50%), de l’ADN non codant non r\u00e9p\u00e9t\u00e9 (4%), de l’ADN codant dupliqu\u00e9 (7%) et des s\u00e9quences ind\u00e9termin\u00e9es qui sont inclassifiables \u00e0 ce stade des connaissances (5%). Il y a ensuite l’h\u00e9t\u00e9rochromatine qui est de l\u2019ADN condens\u00e9 sous forme de fibres de 20nm \u00e0 30nm de diam\u00e8tre mais qui ne sert pas \u00e0 la transcription de l\u2019ADN en ARNm et en prot\u00e9ines.<\/p>\n

\"Chromosome<\/a><\/p>\n

\"Niveaux<\/a><\/p>\n

Chromosomes<\/span><\/p>\n

Ce sont les longues mol\u00e9cules de chromatine int\u00e9grant de l\u2019ADN. Leur forme \u00e9volue lors du processus de reproduction des cellules comme indiqu\u00e9 ci-dessus. En temps normal, en fait, pendant la p\u00e9riode dite G1 de l\u2019interphase, un chromosome humain est un fil qui s\u2019\u00e9tend de part et d\u2019autre d\u2019un centrom\u00e8re, une longue chaine d\u2019ADN, de plusieurs milliers de paires de bases d\u2019ADN chez l\u2019humain, et dont la chromatine utilise une histone particuli\u00e8re. Le\u00a0 centrom\u00e8re fait le lien entre les chromatines d\u2019ADN qui se dupliquent lors de la division cellulaire.<\/p>\n

La forme en X bien connue n\u2019a lieu que lors de la reproduction des cellules dans une p\u00e9riode particuli\u00e8re de cette division qui s\u2019appelle la m\u00e9taphase et qui dure environ 10 minutes. L\u2019une des raisons pour lesquelles c\u2019est la mani\u00e8re dont on repr\u00e9sente le plus fr\u00e9quemment les chromosomes comme ci-dessous est que c\u2019est la plus facile \u00e0 photographier ! Les autres ? Je ne sais pas\u2026<\/p>\n

\"Chromosomes<\/a><\/p>\n

A l\u2019extr\u00e9mit\u00e9 des chromosomes se trouvent les t\u00e9lom\u00e8res (d\u00e9couverts en 1984 par les am\u00e9ricains Blackburn, Greider et Szostak), des s\u00e9quences non codantes d\u2019ADN qui sont r\u00e9p\u00e9t\u00e9es plusieurs fois. Ces t\u00e9lom\u00e8res se raccourcissent \u00e0 chaque division cellulaire pour la plupart des cellules humaines. Elles sont ainsi un marqueur de l\u2019\u00e2ge de l\u2019organisme vivant. Elles comportent jusqu\u2019\u00e0 12000 paires de base d\u2019ADN chez le nouveau n\u00e9 et tombent \u00e0 moins de 6000 paires pour l\u2019octog\u00e9naire en bonne sant\u00e9. Mais les globules blancs ainsi que les cellules canc\u00e9reuses quoi se dupliquent fr\u00e9quemment et rapidement b\u00e9n\u00e9ficient d’une enzyme particuli\u00e8re qui conservent leurs t\u00e9lom\u00e8res.\u00a0Des recherches visant \u00e0 limiter le ph\u00e9nom\u00e8ne de raccourcissement pour les cellules saines pourraient aboutir \u00e0 la cr\u00e9ation d\u2019\u00e9lixirs de jouvence, \u00e0 base de t\u00e9lom\u00e9rase ! Question taille, le premier chromosome humain mesure\u00a0 245 millions de bases x 0,34 nm (nanom\u00e8tre), soient environ 8 cm, une fois d\u00e9roul\u00e9 ! En pratique, un chromosome humain fait 1400nm (1,4 micron) de diam\u00e8tre pour environ 10 microns de long.<\/p>\n

G\u00e9nome<\/span><\/p>\n

D\u00e9crit le patrimoine g\u00e9n\u00e9rique d\u2019une cellule qui se mat\u00e9rialise sous la forme de l\u2019ensemble des g\u00e8nes que l\u2019on trouve \u00e0 la fois dans le noyau de la cellule avec ses chromosomes mais aussi, pour une part n\u00e9gligeable, dans ses mitochondries.<\/p>\n

Nucl\u00e9ole<\/span><\/p>\n

Partie du noyau des cellules o\u00f9 se produit la transcription des ARN ribosomiques (ARNr, issues de la transposition de l\u2019ADN), qui constituent avec des prot\u00e9ines, les deux sous-unit\u00e9s des ribosomes (exemple ci-dessous<\/em>), les mol\u00e9cules complexes qui servent elles-m\u00eames \u00e0 synth\u00e9tiser les prot\u00e9ines \u00e0 partir du code compris dans l\u2019ARNm.<\/p>\n

\"Exemple<\/a><\/p>\n

Noyau de la cellule<\/span><\/p>\n

Il contient les 23 chromosomes avec l\u2019essentiel du g\u00e9nome humain, qui sont sous forme de paires de chromosomes entre la phase S1 de l\u2019interphase et la m\u00e9taphase. C\u2019est au sein du noyau que l\u2019ADN est \u00e0 la fois dupliqu\u00e9e pendant la division cellulaire et aussi, qu\u2019il donne lieu \u00e0 la cr\u00e9ation des diff\u00e9rentes formes d\u2019ARN, et notamment l\u2019ARNm qui contient un double du code des g\u00e8nes et servira ensuite dans le cytoplasme (le reste de la cellule) \u00e0 g\u00e9n\u00e9rer les prot\u00e9ines, aid\u00e9 par les ribosomes et les ARN de transfert.<\/p>\n

\"Noyau\"<\/a><\/p>\n

Mitochondries<\/span><\/p>\n

Composantes des cellules, elles contiennent aussi un petit bout du code ADN des cellules avec 16 kilobases organis\u00e9es dans un g\u00e9nome circulaire et 37 g\u00e8nes qui \u201ccodent\u201d 13 prot\u00e9ines, 22 ARN de transfert et 2 ARN ribosomiques. Le d\u00e9codage de cette partie du g\u00e9nome permet de v\u00e9rifier les filiations m\u00e8re-enfants et de dater les lign\u00e9es car chez l\u2019homme, ces g\u00e8nes sont transmis uniquement par la m\u00e8re.<\/p>\n

Cellule dites \u201cEucaryotes\u201d <\/span><\/p>\n

Que l\u2019on trouve dans les esp\u00e8ces animales et v\u00e9g\u00e9tales qui comprennent entre autres un noyau et des mitochondries. Et toute une artillerie de domaines sp\u00e9cialis\u00e9s. Ce sont de v\u00e9ritables usines chimiques qui transforment l\u2019\u00e9nergie, dans un sens pour l\u2019emmagasiner et dans l\u2019autre pour la restituer de mani\u00e8re chimique ou m\u00e9canique, comme dans les muscles.<\/p>\n

\"Cellule<\/a><\/p>\n

Dimension temps<\/strong><\/p>\n

Les cellules humaines ne suivent pas toutes le m\u00eame m\u00e9tabolisme. Certaines se reproduisent par division cellulaires mais d\u2019autres non, comme les globules rouges, les cellules musculaires du c\u0153ur ainsi que les nerfs. La dur\u00e9e de vie des cellules qui se reproduisent va de quelques journ\u00e9es (dans la peau ou le syst\u00e8me digestif) \u00e0 plusieurs mois voire ann\u00e9es (dans le pancr\u00e9as ou les os). On verra dans un prochain article \u00e0 quel stade de d\u00e9veloppement des cellules humaines on pr\u00e9l\u00e8ve leur ADN pour leur s\u00e9quen\u00e7age.<\/p>\n

\"Cycle<\/a><\/p>\n

Comparaison de tailles<\/strong><\/p>\n

Chaque paire de bases de l\u2019ADN est espac\u00e9e de 0,34 nm et l\u2019h\u00e9lice de l\u2019ADN fait 2 nm de diam\u00e8tre. Un tour complet de l\u2019h\u00e9lice d\u2019ADN se fait en 10 paires de bases. Comment cela se compare-t-il avec les microprocesseurs les plus r\u00e9cents en termes d\u2019int\u00e9gration ?<\/p>\n

Si on prend comme r\u00e9f\u00e9rence la derni\u00e8re g\u00e9n\u00e9ration de processeurs 22nm de la s\u00e9rie de processeurs Core \u201cIvy Bridge\u201d d\u2019Intel, chaque transistor est espac\u00e9 de 44 nm sur son substrat en silicium, le niveau d\u2019int\u00e9gration \u201c22nm\u201d correspondant au demi-espacement entre transistors. En faisant un petit calcul simple, on constate que cet espacement correspond \u00e0 l\u2019enfilement lin\u00e9aire de 129 paires de bases d\u2019ADN.<\/p>\n

Mais l\u2019ADN s\u2019enroule de mani\u00e8re complexe autour d\u2019histones, elle-m\u00eame compact\u00e9es dans des fibres de chromatine ce qui fait que la densit\u00e9 du code g\u00e9n\u00e9tique est encore plus forte que dans cette vue lin\u00e9aire. Ainsi l\u2019espace entre transistors dans ces processeurs (44nm) est-il voisin du diam\u00e8tre (33nm) des fibres de chromatine.<\/p>\n

En termes de condensation d\u2019information, l\u2019ADN est donc bien plus dense que ces microprocesseurs ou les m\u00e9moires qui utilisent des technologies similaires \u00e0 base de silicium. Ainsi, le petit bout de fibre de chromatine dans le sch\u00e9ma ci-dessous qui s\u2019ins\u00e8rerait entre deux transistors 22nm comprend-il 12 nucl\u00e9osomes avec 140 paires de bases d\u2019ADN chacun, soit en tout 1680 paires. Chaque paire de base est en \u00e9quivalent informatique un code \u00e0 2 bits (puisqu\u2019il y a quatre possibilit\u00e9s), ce qui donne 3 Kbits en tout.<\/p>\n

\"Comparaison<\/a><\/p>\n

A vrai dire, c\u2019est avec la densit\u00e9 d\u2019un disque dur qu\u2019il faudrait faire cette comparaison plut\u00f4t qu\u2019avec un processeur. Faisons-l\u00e0 donc. Dans les disques durs actuels de 2 To de 3,5 pouces utilisant la technologie de stockage perpendiculaire magn\u00e9tique (PMR) co-invent\u00e9e par le prix Nobel fran\u00e7ais Albert Fert, la distance entre chaque bit sur les plateaux magn\u00e9tiques est d\u2019environ 32 nm \u2013 sans rapport avec les technologies d\u2019int\u00e9gration de silicium en 32 nm.<\/p>\n

Elle va descendre \u00e0 court terme \u00e0 25nm et en dessous gr\u00e2ce \u00e0 la technologie Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR) qui s\u2019appuie sur l\u2019usage d\u2019un laser. Mais cette technologie pourrait en th\u00e9orie faire descendre la distance entre bits \u00e0 3,6 nm, soit l\u2019ordre de grandeur de l\u2019\u00e9paisseur d\u2019un brin d\u2019ADN. Sachant qu\u2019en parall\u00e8le, l\u2019espace entre transistors dans les circuits int\u00e9gr\u00e9s pourrait descendre \u00e0 20 nm (en technologie 10 nm).<\/p>\n

Le d\u00e9fi du s\u00e9quen\u00e7age<\/strong><\/p>\n

Reste \u00e0 d\u00e9coder tout cela\u2026 ce n\u2019\u00e9tait que l\u2019ap\u00e9ritif pour comprendre la suite des \u00e9v\u00e9nements. Alors, qu\u2019est-ce que le s\u00e9quen\u00e7age du g\u00e9nome humain ?<\/p>\n

Il s\u2019agit de d\u00e9coder l\u2019ADN de nos chromosomes, soit plusieurs milliards de paires de bases not\u00e9es A, G, C et T sachant on l\u2019a vu qu\u2019elles sont int\u00e9gr\u00e9es dans des chromosomes qui ne se pr\u00e9sentent pas lin\u00e9airement mais en fibres elles-m\u00eames constitu\u00e9es de nucl\u00e9osomes. Et puis, ces chromosomes sont dans le noyau de nos cellules. Il faut les en extraire !<\/p>\n

\"DNA<\/a><\/p>\n

Au d\u00e9part, l\u2019objectif \u00e9tait de se concentrer sur le d\u00e9codage des g\u00e8nes, la petite partie de l\u2019ADN qui code la cr\u00e9ation des prot\u00e9ines, le reste de l\u2019ADN ayant une fonction autre, essentiellement de \u201csupport\u201d au sein de la chromatine et des chromosomes. Mais le s\u00e9quen\u00e7age du g\u00e9nome humain est tout de m\u00eame all\u00e9 au del\u00e0 et a couvert l\u2019ensemble de l\u2019ADN de nos chromosomes. La raison est que les s\u00e9quences non codantes qui sont parfois redondantes et r\u00e9p\u00e9titives pr\u00e9sentent aussi un grand int\u00e9r\u00eat scientifique.<\/p>\n

Premi\u00e8re utilit\u00e9, identifier les s\u00e9quences dites r\u00e9gulatrices qui influencent l\u2019expression des g\u00e8nes et notamment dans les maladies d\u2019origine g\u00e9n\u00e9tiques. On a encore beaucoup \u00e0 apprendre et d\u00e9couvrir de ce c\u00f4t\u00e9-l\u00e0. Ce d\u2019autant plus que les s\u00e9quences r\u00e9gulatrices d\u2019un g\u00e8ne peuvent se trouver n\u2019importe o\u00f9 dans le g\u00e9nome et pas simplement \u00e0 proximit\u00e9 des g\u00e8nes en question.<\/p>\n

Autre utilit\u00e9 : appr\u00e9hender l\u2019origine de mutations dans les esp\u00e8ces et retracer tout simplement l\u2019histoire de la vie sur terre. Cela sera d\u2019une plus grande utilit\u00e9 pratique lorsque l\u2019on se sera attaqu\u00e9 \u00e0 un s\u00e9quen\u00e7age du g\u00e9nome de nombreuses esp\u00e8ces animales et v\u00e9g\u00e9tales car aujourd\u2019hui seules quelques dizaines ont \u00e9t\u00e9 trait\u00e9es et plut\u00f4t pour des bact\u00e9ries et autres organismes monocellulaires. Mais le s\u00e9quen\u00e7age du g\u00e9nome du poulet, d\u2019une esp\u00e8ce de cochon domestique et du b\u0153uf ont d\u00e9j\u00e0 \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9s dans les ann\u00e9es 2000. Un s\u00e9quen\u00e7age qui permet de s\u2019attaquer aux dizaines de milliers d\u2019agents pathog\u00e8nes de ces animaux domestiqu\u00e9s afin de mieux traiter les \u00e9pid\u00e9mies les frappant. Avec des cons\u00e9quences macro-\u00e9conomiques et soci\u00e9tales majeures. Mais la comparaison de l\u2019ADN des esp\u00e8ces animales avec l\u2019ADN humaine permet aussi d\u2019en savoir plus sur les s\u00e9quences r\u00e9gulatrices.<\/p>\n

En guise de teasing pour la suite, pour faire simple, le proc\u00e9d\u00e9 du s\u00e9quen\u00e7age consiste \u00e0 d\u2019abord \u00e0 d\u00e9barrasser l\u2019ADN des prot\u00e9ines qui l\u2019entourent par traitement chimique puis \u00e0 la d\u00e9couper en morceaux. Chaque morceau est \u00e0 son tour d\u00e9coup\u00e9 en morceaux de taille variable, \u00e0 une base pr\u00e8s. Et un proc\u00e9d\u00e9 \u00e0 base de capteurs de fluorescence permet d\u2019identifier le nombre de morceaux de chaque taille et la nature de la base \u00e0 son bout. On en d\u00e9duit un grand nombre de s\u00e9quences d\u2019ADN redondantes qui se recouvrent. C\u2019est alors par logiciel que l\u2019on rassemble toutes ces s\u00e9quences pour reconstituer pas \u00e0 pas le g\u00e9nome humain. Le volume de donn\u00e9es est raisonnable (3 milliards de bases au plus), mais c\u2019est ce traitement de recombinaison des s\u00e9quences qui est tr\u00e8s lourd. Et ensuite, son exploitation.<\/p>\n

\u00c7a, c\u2019est l\u2019explication rapide. On en d\u00e9taillera le fonctionnement dans l\u2019article suivant<\/a> de cette s\u00e9rie. Et on examinera les machines qui r\u00e9alisent ce s\u00e9quen\u00e7age du g\u00e9nome tr\u00e8s rapidement en s\u2019appuyant sur des techniques de s\u00e9quen\u00e7age massivement parall\u00e8les.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Depuis quelques ann\u00e9es, je profite de l\u2019\u00e9t\u00e9 pour creuser un sujet un peu hors des sentiers battus. En 2009, c\u2019\u00e9tait sur la capture d\u2019images d\u2019Apollo 11 \u00e0 l\u2019occasion du quaranti\u00e8me anniversaire des premiers pas de l\u2019homme sur la Lune. L\u2019ann\u00e9e derni\u00e8re, c\u2019\u00e9tait sur les racines anciennes du retard fran\u00e7ais dans l\u2019adoption des technologies de la […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1570],"tags":[1564,1569,1563,1566,2470,1567,1088,1568,1565],"class_list":["post-7178","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-sante","tag-adn","tag-arn","tag-gene","tag-genome-humain","tag-google","tag-human-genome-project","tag-ibm","tag-ribosome","tag-sequencage"],"views":85553,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/7178","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=7178"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/7178\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=7178"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=7178"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=7178"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}