500 trOiSiÈMe partie La génétique
que la séquence de la protéine. Par conséquent, les scientifiques qui analysent les protéines comparent souvent la
séquence prédite des acides aminés d’une protéine avec celle
d’autres protéines.
Parfois, une séquence nouvellement décodée correspond,
du moins en partie, à la séquence d’un gène ou d’une protéine dont la fonction est déjà bien connue. Par exemple, un
fragment d’un nouveau gène peut s’apparenter à un gène
connu codant pour une protéine importante intervenant
dans une voie de communication cellulaire, comme le fait la
protéine kinase (voir le chapitre 11) ; les similitudes laissent
alors supposer que le nouveau gène code aussi pour cette
protéine. Il est également possible que la séquence du nouveau gène soit semblable à une séquence déjà rencontrée,
mais dont la fonction est encore inconnue. Il arrive aussi que
la séquence soit entièrement différente de tout ce qui a été
vu auparavant. C’est ce qui s’est avéré pour près du tiers
des gènes d’E. coli lorsque son génome a été séquencé. Dans
le dernier cas, on déduit habituellement la fonction de la
protéine par le biais d’une série d’études biochimiques et
fonctionnelles. La biochimie vise à déterminer la structure
tridi mensionnelle de la protéine, de même que d’autres propriétés, comme les sites de liaison potentiels avec d’autres
molécules. Les études fonctionnelles portent habituellement
sur le blocage ou l’inhibition du gène, afin de déterminer
comment le phénotype est affecté. L’interférence par ARN
(ARNi) décrite au chapitre 20 est un exemple de technique
expérimentale utilisée pour bloquer la fonction d’un gène.
pour comprendre les gènes et l’expression
génique au niveau des systèmes
La capacité de traitement impressionnante des outils de la
bio-informatique permet l’étude de jeux complets de gènes
et de leurs interactions, de même que la comparaison des
génomes provenant d’espèces différentes. La génomique
est une extraordinaire source de nouveaux éclairages sur
des questions fondamentales concernant l’organisation du
génome, la régulation de l’expression génique, la croissance
et le développement, et l’évolution.
Un projet de recherche appelé ENCODE (Encyclopedia of
DNA Elements), lancé en 2003, a fait appel à une stratégie
informationnelle, qui permettrait de collecter le maximum
d’informations. Les chercheurs ont d’abord analysé en profondeur 1 % du génome humain et ont tenté d’apprendre
tout ce qu’ils pouvaient sur les éléments fonctionnels
importants dans cette séquence. Ils ont cherché les gènes
codant pour des protéines, les gènes pour les ARN non
transcrits, ainsi que les séquences participant à la régulation
de la réplication de l’ADN, de l’expression génique (comme
les amplificateurs et les promoteurs) et des modifications de
la chromatine. Le projet pilote s’est terminé en 2007, livrant
de nombreuses informations. Une des découvertes les plus
étonnantes (nous l’avons abordée au concept 18.3) est que
plus de 90 % de la région était transcrite en ARN, même si
moins de 2 % de cette région code pour des protéines. Le
succès de cette approche a ouvert la voie à deux études
complémentaires, l’une étendant l’analyse à l’ensemble du
génome humain et l’autre analysant d’une façon similaire
les génomes des deux organismes modèles, le nématode
Caenorhabditis elegans et la mouche du vinaigre, Drosophila
melanogaster. Étant donné qu’il est possible de réaliser des
expériences de génétique et de biologie moléculaire sur ces
espèces, les tests effectués sur les activités d’éléments d’ADN
potentiellement fonctionnels dans leurs génomes révéleront
beaucoup d’informations sur le mode de fonctionnement
du génome humain.
Les succès enregistrés dans le domaine du séquençage
des génomes et de l’étude d’ensembles de gènes ont incité
les scientifiques à se lancer dans l’étude systématique de
jeux complets de protéines (protéomes) codés par un génome.
Ce nouveau domaine de recherche porte le nom de protéomique. Les protéines, et non les gènes qui les codent, sont
les molécules qui assurent la plupart des diverses fonctions
cellulaires. Il faut donc découvrir à quel moment et dans
quels lieux elles sont produites dans un organisme et déterminer leurs modes d’action dans des systèmes biologiques,
si l’on veut comprendre le fonctionnement des cellules et
des organismes.
Comment sont étudiés les systèmes : un exemple
Grâce à la génomique et à la protéomique, les biologistes
moléculaires sont en train d’acquérir une vision de plus en
plus globale du monde vivant. À l’aide des outils que nous
avons décrits, ils ont commencé à dresser des catalogues de
gènes et de protéines, des listes complètes de « pièces de
rechange » qui contribuent au fonctionnement des cellules,
des tissus et des organismes. Grâce à ces catalogues, les chercheurs ont pu détourner leur attention des composantes
individuelles pour se concentrer sur l’intégration fonctionnelle au sein des systèmes biologiques. Comme vous vous en
souvenez, le premier chapitre du manuel examine cette
approche de la biologie des systèmes, dont l’objectif est de
représenter par modèles le comportement dynamique de systèmes biologiques entiers.
Une application importante de l’approche de la biologie
des systèmes consiste à définir les circuits de gènes et les
réseaux d’interactions entre les protéines. Afin de cartographier le réseau d’interactions protéiques chez la levure Saccharomyces cerevisiae, par exemple, les chercheurs ont utilisé
des techniques perfectionnées pour neutraliser des paires
de gènes, une paire à la fois, créant des cellules doublement
mutantes. Ils ont ensuite comparé la compatibilité de chaque
double mutant (basée en partie sur la taille de la colonie de
cellules formée) à celle prédite à partir des compatibilités
des deux mutants uniques. Les chercheurs ont conclu que
si la compatibilité observée correspondait à la prédiction,
alors il n’y avait pas d’interaction entre les produits des
deux gènes. En revanche, si la compatibilité observée était
supérieure ou inférieure à celle prédite, c’est qu’il y avait eu
interaction dans la cellule entre les produits des gènes. À
l’aide d’un logiciel, ils ont alors cartographié les gènes par
rapport à la similitude de leurs interactions et ont représenté le tout sous forme d’une « carte fonctionnelle », comme
celle que montre la figure 21.5. Il a fallu se servir d’ordinateurs puissants et faire appel à des outils mathématiques et
des logiciels nouvellement mis au point pour arriver à traiter
le grand nombre d’interactions protéine-protéine générées
par cette expérience et à les intégrer dans la carte complétée.
que la séquence de la protéine. Par conséquent, les scientifiques qui analysent les protéines comparent souvent la
séquence prédite des acides aminés d’une protéine avec celle
d’autres protéines.
Parfois, une séquence nouvellement décodée correspond,
du moins en partie, à la séquence d’un gène ou d’une protéine dont la fonction est déjà bien connue. Par exemple, un
fragment d’un nouveau gène peut s’apparenter à un gène
connu codant pour une protéine importante intervenant
dans une voie de communication cellulaire, comme le fait la
protéine kinase (voir le chapitre 11) ; les similitudes laissent
alors supposer que le nouveau gène code aussi pour cette
protéine. Il est également possible que la séquence du nouveau gène soit semblable à une séquence déjà rencontrée,
mais dont la fonction est encore inconnue. Il arrive aussi que
la séquence soit entièrement différente de tout ce qui a été
vu auparavant. C’est ce qui s’est avéré pour près du tiers
des gènes d’E. coli lorsque son génome a été séquencé. Dans
le dernier cas, on déduit habituellement la fonction de la
protéine par le biais d’une série d’études biochimiques et
fonctionnelles. La biochimie vise à déterminer la structure
tridi mensionnelle de la protéine, de même que d’autres propriétés, comme les sites de liaison potentiels avec d’autres
molécules. Les études fonctionnelles portent habituellement
sur le blocage ou l’inhibition du gène, afin de déterminer
comment le phénotype est affecté. L’interférence par ARN
(ARNi) décrite au chapitre 20 est un exemple de technique
expérimentale utilisée pour bloquer la fonction d’un gène.
pour comprendre les gènes et l’expression
génique au niveau des systèmes
La capacité de traitement impressionnante des outils de la
bio-informatique permet l’étude de jeux complets de gènes
et de leurs interactions, de même que la comparaison des
génomes provenant d’espèces différentes. La génomique
est une extraordinaire source de nouveaux éclairages sur
des questions fondamentales concernant l’organisation du
génome, la régulation de l’expression génique, la croissance
et le développement, et l’évolution.
Un projet de recherche appelé ENCODE (Encyclopedia of
DNA Elements), lancé en 2003, a fait appel à une stratégie
informationnelle, qui permettrait de collecter le maximum
d’informations. Les chercheurs ont d’abord analysé en profondeur 1 % du génome humain et ont tenté d’apprendre
tout ce qu’ils pouvaient sur les éléments fonctionnels
importants dans cette séquence. Ils ont cherché les gènes
codant pour des protéines, les gènes pour les ARN non
transcrits, ainsi que les séquences participant à la régulation
de la réplication de l’ADN, de l’expression génique (comme
les amplificateurs et les promoteurs) et des modifications de
la chromatine. Le projet pilote s’est terminé en 2007, livrant
de nombreuses informations. Une des découvertes les plus
étonnantes (nous l’avons abordée au concept 18.3) est que
plus de 90 % de la région était transcrite en ARN, même si
moins de 2 % de cette région code pour des protéines. Le
succès de cette approche a ouvert la voie à deux études
complémentaires, l’une étendant l’analyse à l’ensemble du
génome humain et l’autre analysant d’une façon similaire
les génomes des deux organismes modèles, le nématode
Caenorhabditis elegans et la mouche du vinaigre, Drosophila
melanogaster. Étant donné qu’il est possible de réaliser des
expériences de génétique et de biologie moléculaire sur ces
espèces, les tests effectués sur les activités d’éléments d’ADN
potentiellement fonctionnels dans leurs génomes révéleront
beaucoup d’informations sur le mode de fonctionnement
du génome humain.
Les succès enregistrés dans le domaine du séquençage
des génomes et de l’étude d’ensembles de gènes ont incité
les scientifiques à se lancer dans l’étude systématique de
jeux complets de protéines (protéomes) codés par un génome.
Ce nouveau domaine de recherche porte le nom de protéomique. Les protéines, et non les gènes qui les codent, sont
les molécules qui assurent la plupart des diverses fonctions
cellulaires. Il faut donc découvrir à quel moment et dans
quels lieux elles sont produites dans un organisme et déterminer leurs modes d’action dans des systèmes biologiques,
si l’on veut comprendre le fonctionnement des cellules et
des organismes.
Comment sont étudiés les systèmes : un exemple
Grâce à la génomique et à la protéomique, les biologistes
moléculaires sont en train d’acquérir une vision de plus en
plus globale du monde vivant. À l’aide des outils que nous
avons décrits, ils ont commencé à dresser des catalogues de
gènes et de protéines, des listes complètes de « pièces de
rechange » qui contribuent au fonctionnement des cellules,
des tissus et des organismes. Grâce à ces catalogues, les chercheurs ont pu détourner leur attention des composantes
individuelles pour se concentrer sur l’intégration fonctionnelle au sein des systèmes biologiques. Comme vous vous en
souvenez, le premier chapitre du manuel examine cette
approche de la biologie des systèmes, dont l’objectif est de
représenter par modèles le comportement dynamique de systèmes biologiques entiers.
Une application importante de l’approche de la biologie
des systèmes consiste à définir les circuits de gènes et les
réseaux d’interactions entre les protéines. Afin de cartographier le réseau d’interactions protéiques chez la levure Saccharomyces cerevisiae, par exemple, les chercheurs ont utilisé
des techniques perfectionnées pour neutraliser des paires
de gènes, une paire à la fois, créant des cellules doublement
mutantes. Ils ont ensuite comparé la compatibilité de chaque
double mutant (basée en partie sur la taille de la colonie de
cellules formée) à celle prédite à partir des compatibilités
des deux mutants uniques. Les chercheurs ont conclu que
si la compatibilité observée correspondait à la prédiction,
alors il n’y avait pas d’interaction entre les produits des
deux gènes. En revanche, si la compatibilité observée était
supérieure ou inférieure à celle prédite, c’est qu’il y avait eu
interaction dans la cellule entre les produits des gènes. À
l’aide d’un logiciel, ils ont alors cartographié les gènes par
rapport à la similitude de leurs interactions et ont représenté le tout sous forme d’une « carte fonctionnelle », comme
celle que montre la figure 21.5. Il a fallu se servir d’ordinateurs puissants et faire appel à des outils mathématiques et
des logiciels nouvellement mis au point pour arriver à traiter
le grand nombre d’interactions protéine-protéine générées
par cette expérience et à les intégrer dans la carte complétée.