mercredi 27 février 2008

Voir les pensées dans le cerveau ?

Revenons un peu à la neuroimagerie
...suite à la conférence de Gazzaniga (cf bio-review précédente) et
...juste avant la semaine du Cerveau : 10 au 16 mars cf détails ici

Depuis quelques années on assiste à une explosion de découvertes produites par des méthodes d'imagerie cérébrale avec l'IRM et l'IRMf, ... à l'intersection de la biologie, de la psychologie, avec des apports de la physique et des applications en médecine... contenter tout ce monde va être difficile, et cet article est rédigé d'abord pour des biologistes.

Qu'est-ce que l'IRM ?

En gros, disons que l'IRM exploite le fait que les protons de certains atomes peuvent avoir leur spin (... une sorte de magnétisme sorry les copains physiciens...) alignés - dans un champ magnétique très très puissant - par des ondes radio de la bonne fréquence d'excitation. Pour chaque type d'orbitale électronique et donc de molécules on peut trouver la fréquence d'excitation. Très souvent c'est l'hydrogène : les lipides en contiennent beaucoup les sucres et le protides aussi. Au moment où on interrompt ces ondes radio, les électrons reprennent leur orientation aléatoire (on parle de relaxation) et cela produit un très petit signal radio (RF) qui est détecté et permet de savoir combien on avait de ces électrons dans cette orbitale particulière-là (donc de cette molécule-là), dans la zone excitée par les ondes radio.
Figure 1 : Le "scanner" IRM a la forme d'une sorte de tunnel dans lequel on introduit l'organe à étudier. Source http://www.actinnovation.com

On place donc le sujet dans une sorte de tunnel qui produit le champ magnétique très fort, on excite une toute petite zone (un voxel = volume pixel) et on "écoute" la relaxation sous forme de signal RF qui nous informe sur combien il y avait de la molécule excitée. Ensuite on excite la zone juste à côté et on répète l'opération ; on balaie (scanne) successivement les voxels de tout le volume à étudier. Un programme informatique traduit ensuite ces signaux successifs en une image 3-d du volume étudié.

L'IRM classique
Cette forme d'IRM est celle que nous subissons assez fréquemment de nos jours : elle a permis d'étudier les tissus mous. (Les rayons X révèlent bien les mais ne distinguent pas bien les tissus mous.)
Fig2 : un scan par IRM classique de l'encéphale. On peut la voir comme une succession d'images animées

Voir le cerveau en action : l'IRMf ?
Un IRM classique prend une mesure statique de l'état des tissus. Pour voir la dynamique et l'activité par exemple d'un cerveau, on a recours à différentes techniques (CT, TEP, etc cf McGill). Mais celle qui a (r)ouvert à l'exploration de nombreuses questions de recherche et fait le plus souvent les titres est l'IRM fonctionelle (IRMf ou en anglais fMRI).
Son principe : lorsqu'une aire cérébrale est plus active, on a des changements dans les flux de sang et d'oxygène qu'on peut détecter par IRMf : p. ex. si on fait parler quelqu'un, les aires du langage vont être plus actives et on pourra visualiser cette différence d'activité par IRMf.
On d'atteint des résolutions spatiales de l'ordre du millimètre cube et temporelles de l'ordre la seconde. Et on progresse encore.

L'activité des aires cérébrales mesurée par l'IRMf BOLD
"Actuellement, la technique d'IRMf la plus utilisée détecte les variations d'oxygénation et de flux sanguins liés à l'activité neuronale, et a été appelée BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)." (source : SERVAL)
Elle est une variante d'IRM qui exploite
a) une variation magnétique de l'hémoglobine selon son état d'oxygénation et
b) les variations de flux sanguin dans les aires du cerveau lorsqu'elles sont plus actives.

Des variations magnétiques de l'hémoglobine selon l'oxygénation ?
Selon si elle est chargée en O2 elle les atomes de Fer qu'elle contient ont un comportement magnétique différent. La déoxy-hémoglobine dévie le champ magnétique (paramagnétique) alors que l'hémoglobine chargée en O2 (l'oxy-hémoglobine, donc) n'a aucun effet magnétique (diamagnétique).


Figure 3 les propriétés magnétiques de l'hémoglobine varient avec le champ magnétique img (source : SERVAL)

Des variations de flux sanguin dans les aires du cerveau lorsqu'elles sont plus actives.
Quand une aire est plus active, on a -c'est paradoxal- une moindre baisse d'oxygène dans les capillaires en aval.
En effet les changements dans la cellule produisent "une dilatation locale des vaisseaux. Il s'ensuit une augmentation secondaire du flux sanguin et du volume sanguin, dont le délai varie entre 0,1 s et 4 s et atteint son maximum en 8 à 10 s."

Figure 4 : L'activation d'une aire produit une dilatation et finalement une hémoglobine moins appauvrie en O2. img. (source : http://theses.univ-lyon2.fr )
"Lors de l'activation cérébrale, cette augmentation importante du flux sanguin local surcompense l'augmentation modérée de la consommation d'oxygène. La résultante de ces deux phénomènes est une hyperoxygénation sanguine paradoxale sur le versant veineux des capillaires en aval de la région activée." (source : SERVAL)

De nouvelles méthodes bientôt ?

Dans un article de juillet 2007 dans La Recherche, Le Bihan, D. (2007) fait une bonne synthèse des techniques actuelles et en développement (intranet1.jpg, intranet2.jpg) . L'IRM de diffusion IRMd semble très prometteuse. A suivre...


Pour comprendre il faut connaître les limites de l'IRMf
Pour interpréter correctement ces données il faut avoir compris les techniques qui les ont produites. Et en particulier en connaître les limites.
Comme les images produites par l'IRMf ont une grande puissance d'évocation, savoir les lire est particulièrement important. Gazzaniga avait insisté sur ce point là.


Fig 7 : Un exemple d'image très évocatrice tiré d'un article sur les bases neurales de la morale humaine Sans interprétation ces images pourraient suggérer qu'on connaîtrait les "aires du bonheur", de la tristesse etc Si on lit l'ensemble de l'article il en est tout autrement. (source Moll, J. et Al. 200 intranet.pdf).

Comprendre c'est mettre en perspective...
D'après Wiggins & McTighe, (2000), comprendre ce n'est pas seulement avoir des connaissances, mais beaucoup plus, et notamment savoir les mettre en perspective...

Si il semble bien que "le couplage entre activité neuronale, métabolisme et débit sanguin soit vérifié soit vérifié dans la plupart des cas" (Le Bihan, D., 2007), les images issues de cette technique doivent être regardées d'un oeil critique.
"La méthode BOLD, basée sur des modifications de perfusion secondaires à l'activation neuronale, est une méthode indirecte. La réponse hémodynamique est retardée de quelques secondes par rapport à l'activité neuronale qui est de l'ordre de la centaine de millisecondes. La résolution temporelle de l'IRMf, bien que supérieure à celle de toutes les autres techniques d'imagerie fonctionnelle, est donc intrinsèquement limitée.
Les changements de signal peuvent être extrêmement faibles, et une absence de rehaussement local du signal n'implique pas une absence d'activation." (source : SERVAL)

Quelques limites

a) Fondamentalement le lien entre l'activité neuronale et la fonction testée doit être évalué à chaque fois. Bien souvent ce lien est pertinent, mais pas forcément : on a affaire à une corrélation, la causalité doit être vérifiée.
Par exemple, si par la pensée on fait un IRMf d'une école ou une université on va mesurer une grande activité toutes les 45 minutes durant 10-15 minutes. Il ne faudrait pas forcément en déduire que l'essentiel de l'activité scolaire se produit à ces moments-là.

b) on a un retard entre l'activité neuronale et la mesure. Souvent on le compense en décalant dans le temps les signaux mesurés pour les rapporter aux stimulus. C'est déjà une forme d'interprétation et les images doivent être lues avec cette modification en tête.

c) on mesure des différences d'activité et comme ces signaux sont très faibles on fait souvent une moyenne des mesures sur plusieurs personnes ou dans la durée. Il y a "le bruit " physiologique ", lié aux pulsations cardiaques et du LCR, aux mouvements respiratoires, et à l'activité cérébrale de "repos". Différentes stratégies peuvent être tentées pour minimiser ces sources de bruit, qui ne peuvent cependant pas être supprimées, et risquent de masquer une activation." (source : SERVAL). Là aussi les images produites reflètent une certaine interprétation des données.

d) On mesure un certain volume dans lequel de très nombreux neurones peuvent avoir des fonctions différentes.

e) La tête ne doit pas bouger. Tout déplacement peut fausser les mesures ou "flouter " les images. Ca limite les expériences.

f) La mesure se passe dans une sorte de gros tunnel bruyant qui limite les mouvements et exclut toute présence d'objets métalliques. Cela place le sujet dans un environnement très particulier qui pourrait bien influencer le phénomène mental observé. On peut tenter de compenser ces effets.

Un article de Nature met en garde comme Gazzaniga l'avait fait contre la puissance émotionnelle des images IRMf Ethicists urge caution over emotive power of brain scans | Intranet.pdf
Un article de Blond, Olivier (2001) L'imagerie cérébrale à coeur ouvert La Recherche janvier 2001 |intranet.pdf


Prudents mais ...ne pas jeter le bébé avec l'eau du bain !
Cela ne veut pas dire que toutes les études IRMf sont farfelues ou inutilisables, mais qu'il faut -ici comme ailleurs- prendre du recul par rapport aux images, les déconstruire, les comparer à d'autres, les mettre en perspective pour en comprendre la portée.

On voit bien que la science progresse, et que par conséquent que ce qu'on pourra dire demain sera différent de ce qu'on peut dire aujourd'hui. On sait bien qu'en sciences il n'y a pas vraiment de "vérité" définitive et que les connaissances scientifiques sont des hypothèses courantes.
Le corollaire est qu'il faut lire de nombreux travaux avant de porter un jugement, et se méfier de ceux qui un peu naïvement citent "une étude sérieuse qui montre bien que ..."

Un exemple intéressant : l'empathie étudiée par IRMf
Cet exemple montre à la fois la puissance d'investigation de l'IRMf ( étudier l'empathie) et le risque d'une analyse simpliste.
Une étude récente de Tania Singer, et al. (2004) sur des femmes et leur partenaire a montré qu'une partie des aires activées lors de la douleur sont aussi activées lorsqu'on voit un proche subir la même douleur (sur la main) .

Résumée en une image cela pourrait donner ça :

 http://media2.s-nbcnews.com/i/msnbc/Components/Photos/020419/040219_scyimst_empathy_hlrg.jpg

Figure 8 On voit bien pour la douleur une activation près du sommet du cerveau et un autre au milieu du flanc. Et pour la spectatrice de la douleur on voit seulement une activation similaire mais moins intense au milieu de ce même flanc.(source : T. Singer)

Pour comprendre cette image, il faut connaître les aires sensorielles qui sont celles près du sommet, activées seulement en cas de douleur, et les aires impliquées dans le traitement affectif de la douleur qui sont aussi activées : il s'agit probablement de l'ACC et l'insula... mais comment peut-on le voir dans cette image-là ?

Homonculus sensitif de l'aire somesthésique primaire
Production Chantal PROULX
Fig 9 les aires sensorielles (bleu) : l'activation de la zone correspondante à la main est en effet vers le sommet du cerveau ()(sourcehttp://www.cours-pharmacie.com/physiologie/systeme-nerveux.html)



 
Fig 10 . Une image tirée de l'article de Singer : On y voit en jaune - orange les zones qui s'activent dans les 2 cas (lors d'une douleur comme en voyant un proche subir la douleur). L'ACC et l'insula sont les principales aires qui ont une activité accrue dans les 2 cas (Si je comprends bien : ACC = Cortex Cingulaire Antérieur, une partie du Gyrus cingulare (Cf Purves) qui est connue pour participer à la gestion affective , notamment de la douleur ; Insula cf Purves )

Pour aller plus loin sur ce cas particulier :
L'article complet est ici
  • Empathy for Pain Involves the Affective but not Sensory Components of Pain | Intranet.pdf
Des commentaires en français pour susciter l'intérêt et le questionnement des élèves
Des interprétations diverses...
On peut l'interpréter pour y voir la preuve de l'existence du généreux sentiment d'altruisme et plus précisément de l'empathie. "La douleur de l'autre était devenue leur propre douleur. Leur cerveau se l'était appropriée (1)" Servan-Schreiber, D. (2007)

On a pu interpréter cette image comme signifiant que nous souffrons réellement mais seulement de voir la douleur d'autrui. Certains y ont vu le signe que l'indignation face à la souffrance des autres ne reflétait que notre propre douleur. Que cela expliquerait pourquoi on s'émeut plus de voir souffrir un chat blessé que de savoir que meurent des milliers de personnes au Darfour...

Ainsi depuis une image sur l'activation de l'ACC on construit un discours sur l'altruisme... Il y a tout un débat à faire ici... Pourquoi pas en interaction avec le prof' de Philo ou de français ?

En ce qui concerne la biologie , il n'est peut-être pas inutile d'apprendre à nos élèves à remonter à la source et à lire avec prudence mais ouverture les articles de vulgarisation scientifique.


Pour d'autres articles avec IRMf en neurosciences

Des sujets susceptibles d'accrocher l'intérêt des élèves abondent, mais en voici quelques uns...
Sources :
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mercredi 20 février 2008

Sommes nous vraiment maîtres de nos décisions ?

Vous avez manqué la conférence, regardez-la chez vous par vidéo !
La conférence de Michael Gazzaniga de lundi passé : "le libre-arbitre en question" a connu un tel succès qu'une deuxième salle de 500 places a du être ouverte et malgré cela certains n'ont pas pu y assister.
Voici donc un enregistrement vidéo de la conférence accessible ici
Centrée sur la question de la liberté de nos décisions sa conférence a mis en évidence combien nous sommes proches de développer une vision mécaniste du fonctionnement du cerveau et combien cela touche des questions éthiques, juridiques et nous renvoie à notre vision du libre arbitre.
Pour Gazzaniga, on accepte bien que nos cellules, nos organes aient un fonctionnement qu'on peut expliquer de plus en plus, que l'on arrive de plus en plus à prédire les réactions d'une cellule, les effets sur le muscle de telle impulsion électrique ou sur le foie de telle molécule. Cette vision réductionniste ne nous gène pas tellement.
Aussi l'idée que le fonctionnement du cerveau soit prévisible heurte selon lui notre idée de libre arbitre, et le principe d'autonomie qui sous-tend notre fonctionnement en société et la responsabilité individuelle qui est une des bases de notre système juridique...

Nous sommes câblés à l'envers ?!


Fig 1 L'hémisphère gauche commande la main droite et vice-versa. Le demi-champ visuel droit des deux yeux innerve l'hémisphère gauche et vice versa. Source http://instruct.uwo.ca/anatomy/530/

Où un hémisphère justifie très mal une action de l'autre.
Il illustre d'abord son propos d'expériences anciennes effectuées chez des patients

Split-brain : des épileptiques chez lesquels on avait coupé le corps calleux qui relie normalement les hémisphères.

Fig 2 Le cors calleux relie normalement les deux hémisphères. Il est sectionné chez les patients split-brain. Evidemment les hémisphères ne s'écartent pas comme sur cette image !

Etonnamment cela ne produit presque pas d'effet sur leur comportement dans la vie de tous les jours. Mais dans des circonstances particulières cela permet de faire parvenir des stimuli différents aux 2 hémisphères et ensuite d'observer les réactions différentes des 2 hémisphères parce qu'ils ignorent chacun ce que l'autre "sait".

Fig 2 : Expériences classiques sur les patients "split-brain". le dispositif projette dans chaque hémisphère une image différente : on peut ensuite interroger la personne par oral (hémisphère Gauche) ou lui demander de saisir l'objet vu avec la main gauche (Hémisphère droit). Actuellement on utilise des dispositifs basés sur un ordinateur pour le même effet.


Une vidéo d'un patient "split-brain" , Joe, interrogé par Gazzaniga qui montre bien comment chaque hémisphère est indépendante de l'autre. Et comment l'hémisphère gauche donne une explication de la raison de ses actions qui est de toute évidence reconstruite : il dit qu'il a vu une patte de poulet, puis interrogé sur la pelle a neige qu'il tient dans sa main droite, il dit sans hésiter que c'est "pour enlever le fumier des poules".

Où on voit qu'une décision d'action est prise bien avant que nous en ayons conscience.
D'autre part on sait que la planification d'action précède sa commande et finalement son exécution dans les muscles


Fig.4 Les mouvements sont planifiés avant d'être commandés par l'aire motrice. (Source www.lecerveau.mcgill.ca)

Il a aussi fait référence à des travaux montrant qu'on peut détecter par IRM l'intention d'action avant même que les signaux partent vers les muscles et bien avant qu'on sache qu'on a décidé

Qu'est-ce que l'IRM ?

Figure 4 : Le "scanner" IRM dans lequel on introduit l'organe à étudier. Source unige

Nous y reviendrons très bientôt mais, vous le savez, c'est un appareil permettant de détecter les différences d'activité des aires du cerveau à un moment donné.
(intranet.jpg)
Fig 6 C'est le cerveau qui nous rend conscients de ses décisions et non l'inverse ( Science & Vie date indéterminée) img
Ainsi se dessine une vision assez mécaniste du processus de décision où certaines parties de l'encéphale prennent des décisions sans que nous en soyons conscient et qu'ensuite nous (la conscience) justifions.

Des décisions plus complexes nous échappent aussi ?
Certains vont même plus loin : Antonio Damasio a montré avec l'expérience du pari d'Iowa que nous pouvons prendre des décisions correctes et donc appliquer une stratégie bien avant d'en avoir conscience et de pouvoir dire pourquoi nous décidons !
Il développe une théorie dite des "marqueurs somatiques". Il constate que nos sensations visuelles ou autres (nous l'avions vu dans une Bio-Review récente Le Thalamus sous-estimé ! ) sont interprétées par le thalamus et que l'amygdale commande des effets somatiques : En effet voir une décision produire un résultat agréable ou effrayant déclenche une émotion qui se manifeste dans le corps et qu'on peut souvent mesurer (tension artérielle ou transpiration, ou au contraire détente musculaire, ...) .

Les marqueurs somatiques sont le sixième sens ?
Selon Damasio la mémoire de ces effets (marqueurs somatiques) des décisions précédentes nous incite à éviter de répéter les décisions qui ont eu des effets désagréables ou à rechercher celles qui ont été agréables. Ainsi ce ne serait pas tellement une décision consciente, mais nos émotions, qui guideraient nos décisions. Il décrit le cas de patients qui ont un intellect en parfait état, mais qui prennent dans la vie courante des décisions très désavantageuses. (cf Pannes d'émotions, pannes de décisions LeCerveau@McGill)(fr)
Il met en rapport des lésions du lobe frontal (cortex préfrontal) connues pour intervenir dans la perception des émotions : ces patients sont incapables de prendre en compte leurs émotions. Et prennent des décisions très mauvaises pour eux-même.
Le cas le plus fameux est celui de Phineas Gage : il a été blessé par une barre à mine qui a traversé son crâne au niveau justement de ce cortex préfrontal et

lui qui était sérieux et fiable, dont les décisions étaient réputées est devenu grossier, inconstant et capricieux, et s'est mis à prendre des décisions très défavorables. Damasio parle aussi d'un Elliott, qui se met à faire de placements très douteux, et dont les décisions sont aberrantes. Il est déconnecté de ce émotions et ne peut plus "sentir" ses décisions.
Cette théorie est présentée en français sur le site de Radio-Canada Cerveau et émotions.

Et développée dans plusieurs ouvrages de Damasio : notamment "l'erreur de Descartes". Cela s'inscrit dans un mouvement - assez large il me semble- où les émotions ne sont plus vues comme irrationnelles et "pas sérieuses" mais comme des objets valables d'analyse scientifique. Peut-êtr parce que nous avons de nouveaux moyens de les analyser.
Le National Centre of Competence in Research NCCR sur les Sciences Affectives de l'UniGe en est un signe clair.

C'est pas moi c'est mon cerveau qui l'a fait !?
Revenons à la conférence. Cette vision réductrice et mécaniste du cerveau qui émerge des recherches en neurosciences risque selon Gazzaniga paradoxalement d'augmenter les risques de déresponsabilisation.
Il a parlé d'une dérive juridique aux USA de cette interprétation : Un avocat a a pu dire en substance "ce n'est pas lui , c'est son cerveau -qui a une lésion - qui a tué : il n'est donc pas responsable... "
Il a aussi mis en garde contre la puissance émotionnelle des images IRMf qui dépasse parfois l'information qu'elles portent vraiment mais nous y reviendrons.
Nous saisirons l'occasion de faire très bientôt une bio-review sur la neuroimagerie fonctionelle à laquelle il fait référence a plusieurs reprises .

Pour aller plus loin ?
Il y a un numéro spécial de La Recherche sur la conscience justement en ce moment dans les kiosques et les bibliothèques de nos établissements.
On lira avec bonheur L'erreur de Descartes de Damasio, (2001)
Gazzaniga, M.S. and Heatherton, T. Psychological Science: Mind, Brain, and Behavior. W. W. Norton, New York, (2nd Edition)
Pour des infos générales sur le système nerveux, le Purves, et Al. (2001) Neurosciences est remarquable.

Sources et liens :
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mercredi 13 février 2008

Libre? Neurosciences et mécanique de la décision

Michael S. Gazzaniga est une "grosse pointure " d'un des domaines de la biologie (à l'intersection avec d'autre domaines d'ailleurs) qui se développe le plus... et pour lequel il est facile de susciter l'intérêt des élèves : les neurosciences.


Pour ouvrir le semestre de printemps, une leçon inaugurale sera donnée lundi soir prochain par le le prof. Michael S. Gazzaniga, directeur du SAGE Center for the Study of the Mind de l'Université de Californie et chef de file d'un des domaines les plus en vue de l'étude du vivant: les neurosciences cognitives. Vous y êtes cordialement invités.

A la frontière entre la recherche sur le fonctionnement moléculaire du cerveau et celle sur les comportements humains, les avancées de cette discipline pourraient bien, dans les années à venir, autoriser l'identification d'une posture éthique de base, "naturelle" et commune à toute l'espèce humaine.

La conférence du prof. Gazzaniga marquera également le lancement du Centre interfacultaire de neuroscience de l'UNIGE, une structure qui propose aussi la première maîtrise universitaire interdisciplinaire en neurosciences de Suisse.

"Libre? Neurosciences et mécanique de la décision"
Conférence donnée en anglais avec traduction simultanée en français
Vidéo de la VO en Anglais
Lundi 18 février à 18h30
Auditoire Piaget - Uni Dufour

Retransmission d'un message du recteur Jean-Dominique Vassalli
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mercredi 6 février 2008

le "gène des yeux bleus" trouvé ?!

bebe-bleu-eyesEn fait il n'y a pas de gène des yeux bleus...
Dans une news ScienceNOW du 1 February, Elizabeth, Quill, (2008) Don't It Make Your Brown Eyes Blue? (An) décrit une recherche qui répond - enfin - à la question de la base génétique des yeux bleus

Un classique des exercices de génétique

Alors que tous nos problèmes de génétique supposent les yeux bleu être un allèle récessif par rapport à l'allèle brun, nous savons que cela n'est pas tout à fait vrai depuis longtemps.

Et il n'est pas sans risques de suggérer que cela soit absolument vrai, car il en est résulté des drames familiaux (E. M. Robert raconte un cas ici où l'application mécanique de cette règle a semé le doute dans un couple et brisé le ménage(fr).)

OCA2 et la couleur des yeux...

L'existence d'un allèle "bleu" est donc hypothétique. On sait depuis un certain temps que le gène OCA2, aussi appelé protéine P joue un rôle crucial dans la pigmentation.

Son fonctionnement correct est nécessaire à la production de la mélanine qui est la base de la couleur de la peau et des yeux. Des variantes de ce gène causent différentes nuances de couleur brun, noisette, ou verts etc. On sait aussi que l'absence de pigmentation brune révèle la couleur bleue de l'iris et un dosage intermédiaire du brun pâle (=jaune) produit du vert. Un défaut de cette protéine OCA1 à 4 produit des formes d'Albinisme qui ont les yeux bleus. Cf figure 3 (Sturm et al. 1998). Mais on n'avait jamais réussi à trouver la variante de ce gène qui codait pour les yeux bleus. Même si Science et Vie semblait l'annoncer (C. Tourbe Août 2004 p. 12)
On a donc la situation troublante où un défaut de OCA2 cause bien des yeux bleus chez certains albinos mais on n'arrive pas à mettre la main sur la variante qui cause les yeux bleus habituels.


Les variations d'OCA2 causée par un autre gène : HERC2 !

Des chercheurs (Hans Eiberg et Al. de l'université de Copenhague) ont trouvé récemment qu'une mutation d'un gène (HERC2) proche de OCA2 le régulerait et serait la cause du phénotype Yeux bleus.

Figure 4 : A) yeux bleus (génotype rs12913832 G/G) , b-d diverses variantes de bleu et de brun (genotypes rs12913832 A/G). (Source Eiberg et al 2008)

Ils ont étudié une très grande famille danoise dans la banque de données d'ADN (Copenhagen Family Bank)
et quelques autresaux yeux bleus et aux cheveux noirs (Turquie et de Jordanie). Alors qu'on ne peut pas encore séquencer des populations entières, on a des banques qui recensent les innombrables variantes de l'ADN connues à différents endroits du génome : les SNP. Ces SNP -sortes de marqueurs de variation - nous permettent de détecter des variantes de séquences à ces endroits particuliers. Eiberge et al. ont comparé les phénotypes et les variantes des séquences d'ADN (les SNP) transmises de génération en génération. En comparant ceux qui avaient les yeux bleus ou bruns, ils ont pu mettre en évidence que les 155 individus aux yeux bleus du Danemark et les 7 autres de Turquie et de Jordanie avaient tous dans l'intron 86 dugène HERC2 (qui est 21'152 bases en amont du gène OCA2) les mêmes SNP (rs12913832 et rs1129038).
Tous les individus aux yeux bleus étudiés avaient donc 2 exemplaires du même allèle (rs12913832*G) (dans dbSNP) du gène HERC2.


Une analyse statistique leur a permis de conclure que tous les individus aux yeux bleus seraient issus d'une mutation qui se serait produite il y a 6'000 à 10'000 ans. Comme les yeux bleus ne se retrouvent pratiquement que chez des descendants de populations européennes, l'équipe de Eiberg suppose que la mutation remonterait à l'expansion néolithique où nos ancêtres ont migré vers L'Europe du nord.
D'autres publications récentes sur d'autres populations (Sturm 2008) sugèrent aussi que les yeux bleus seraient issus d'une seule mutation.

Une mutation qui inhibe OCA2

Pour confirmer leur hypothèse, Eiberg et al. ont vérifié l'action de cet allèle du gène HERC2 : ils ont trouvé qu'il inhibait l'activité du promoteur d'OCA2. Sturm dit qu'une telle régulation d'un gène par un autre n'est pas rare, et cite l'exemple de la régulation de la tolérance au lactose mais comme elles sont difficiles à mettre en évidence, on ne les connait pas bien, et probablement qu'elles contribuent plus à la diversité génétique qu'on ne l'avait pensé. Une application en criminologie est mise en évidence par Manfred Kayser de l'Erasmus University Medical Center à Rotterdam : une fois ces allèles bien compris, on pourrait déterminer la couleur des yeux d'un suspect sur la base de traces d'ADN trouvées sur les lieux du crime.

Pour mieux te plaire ?

Il reste des questions sans réponses : pourquoi cette mutation a-t-elle persisté ? On ne voit guère l'avantage environnemental; son sait que la peau claire favorise la formation de vitamine D dans les pays moins ensoleillés que notre Afrique ancestrale, on ne voit pas en quoi les yeux bleus auraient donné un avantage à ceux qui les portent. On a avancé la théorie de la sélection sexuelle :
Kayser suggère que les femelles auraient préféré les mâles aux yeux bleus ?

Des questions ouvertes !

Pourquoi l'iris est-il bleu en l'absence de mélanine ?
Comment ce gène HERC2 influence-t-il l'expression d'OCA2 ?

Mise a jour récente !

Comme le montre bien Sturm et Larsson 2009 intranet.pdf, la coloration des yeux n’est pas simplement l'effet d'un seul "gène".

Des textes en français pour susciter le questionnement chez les élèves ?

Liens


Références dans les bases de données
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mercredi 30 janvier 2008

un commando de 9 prend le contrôle de 273 !

Le VIH nous attaque avec 9 gènes à lui et 273 protéines à nous !

Le VIH contient 9 gènes qui produisent 15 protéines et bien sûr, comme tous les virus il exploite les mécanismes biochimiques de la cellule. Mais on ne savait pas exactement quelles protéines humaines lui étaient nécessaires pour son oeuvre maléfique. On ne connaissait que 36HIV dependency factors (HDF) dont bien sûr le récepteur CD4 des lymphocytes et les 2 co-receptors, CXCR4 ou CCR5 nécessaires à la fixation du virus.

Dans une publication qui pose les jalons d'une approche nouvelle, Brass et al (2008) ont utilisé les nouvelles librairies de RNA interférant (SiRNA) pour désactiver séparément chacun des gènes humains connus et voir si le VIH pouvait se reproduire dans ces cellules à un seul gène inhibé.

Le RNA interférant : un Nobel majeur ?
Le terme de RNA interférant est à peine connu depuis 10 ans et le prix Nobel de 2005 à Andrew Fire et Craig C. Mello consacrant l'importance de ce mécanisme à peine distribué, que des applications innombrables en recherche se développent et ouvrent de nouvelles perspective sur de nombreux problèmes.

Le RNA interférant en quelques mots


Figure 1 : le mécanisme de l'interférence ARN nobel.org

En très gros on peut résumer le mécanisme de l'interférence à RNA ainsi
- Si un ARN double-brin (DsRNA) apparaît dans la cellule (qu'il soit introduit, ou issu du génome), il est coupé par l'enzyme Dicer à une longueur précise de 21-23bases (cela devient un SiRNA)
- Un complexe enzymatique RISC le prend en charge, sépare les deux brins du SiRNA et lorsque le brin SiRNA trouve à s'apparier sur une ARN messager, une partie de RISC (slicer ou argonaute) coupe cet ARNm.
-L'ARNm ainsi exposé est rapidement dégradé par d'autres enzymes. En effet les nouvelles extrémités produites n'ont pas de 5' cap ni de terminaison polyAAAAAA qui protègent normalement ces extrémités contre les ribonucléases.
- Fin de la traduction de cet ARNm.

La possibilité de désactiver (ou au moins fortement limiter l'expression : on réduit de 80-90%) les gènes à un endroit et à un moment donné sans devoir créer un organisme génétiquement modifié est extrêmement féconde !

D'innombrables applications en recherche et bientôt en médecine ( désactiver des gènes pour lutter contre les virus, le cancer, ou comme thérapie génique paraît très prometteur).


Pour en savoir plus sur le RNAi
Le papier de la décennie ?

Robert Gallo - qui a joué un rôle décisif dans la découverte du VIH - déclare que ce papier sera un des plus décisifs de la décennie dans le domaine... En effet cette méthode peut être appliquée a de très nombreux autres virus ou pour étudier de manière analogue d'autres maladies, comme le cancer. De plus chaque dépendance du VIH peut constituer une piste pour limiter le développement du virus.




Fig. 1 : img Le VIH (tout en haut) dépend de plus de 250 protéines humaines pour infecter les cellules immunitaires, entrer dans le noyau, s'intégrer dans le noyau et produire des copies virales. (source A.L. Brass, Science)

Brass et al (2008) ont trouvé ces 273 gènes (HDF) en utilisant des librairies exhaustives de SiRNA dont on dispose depuis peu. L'article ne le dit pas , mais on a probablement cherché avec des outils bioinformatique une séquence de 21-25 bases qui soit spécifique à chacun des gènes, et on a produit une librairie avec ces séquences.

Ils ont pris des cultures de cellules humaines et les ont inactivé avec un SiRNA spécifique de chacun des gènes humains connus et ont testé si le VIH pouvait les infecter et se reproduire. Au total ils ont donc testé plus de 21'000 colonies de cellules désactivées pour un seul gène. La méthode de détection est illustrée en Figure 2A et il faut se référer à l'article pour une explication complète, mais on voit qu'ils ont réduit l'activité du gène par du SiRNA durant 72 heures, puis infecté avec le virus et mesuré avec un test en 2 parties pour mettre en évidence après 48 heures l'action éventuelle sur l'activité initiale du virus (entrée, -> premières traductions) et encore 24 h plus tard pour en évidence l'action sur les protéines tardives ( liées à l'assemblage et à la sortie du virus).



Fig. 2 A : La méthode de screening . (Source A.L. Brass, Science)

La méthode rigoureuse et bien étayée de ce papier promet d'être une référence pour guider bien des étudiants dans leurs recherches dit Warner Greene, qui dirige l'Institute of Virology and Immunology at the University of California, San Francisco.

Quel genre de protéines le VIH détourne-t-il à son profit ?

Ils ont catégorisés les protéines (HDF) en fonction de leur localisation intracellulaire et on voit qu'elles sont près d'un tiers dans le noyau (Réplication, transcription, régulation des gènes, etc. on peut présumer ?) Et un bon quart dans la membrane : pour l'assemblage et la libération du virus sans doute.


Fig. 2 D : La localisation cellulaire des HDF. (Source A.L. Brass, Science)

La recherche fondamentale, les pétunias et les priorités...

Les premières recherches faisant état de ce qu'on appelle maintenant RNAi ont été faites sur des pétunias dont on cherchait à rendre les pétales plus foncés. Et des ARNm en plus ont produit des zones blanches et non pas plus foncés ! D'autres travaux au début des années 1990 ont suivi et il semble qu'on n'a alors pas compris pleinement ce qui se passait (il y a une controverse encore) et on a parlé de "censeurs de gènes" ou homology-dependent gene silencing, et beaucoup pensaient avoir affaire à une bizarrerie de la nature de plus.
Link


Fig 3 Les premieres découvertes d'ARN alors appelé "antisens" ou censeurs se sont faites sur les pétunias (Source Matzke MA, Matzke AJM (2004) Planting the Seeds of a New Paradigm. PLoS Biol 2(5): e133 http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0020133

Ensuite Fire et Mello font des découvertes troublantes sur le ver Caenorhabditis elegans (animation) et finissent par élucider le mécanisme. Ils ont eu le prix Nobel pour cela.

Ces 2 exemples montrent bien comment la recherche fondamentale, paraît sur le moment inutile ( Qui aurait alors considéré comme prioritaire d'étudier la couleur des pétunias , ou cet affreux petit ver parasite... ) mais ouvre parfois des pans entiers de recherches nouvelles, l'espoir de thérapies nouvelles et des marchés énormes.

A méditer quand on juge de l'utilité de recherches qui ne sont pas immédiatement applicables !

Un "dogme" ébranlé ?

On le sait depuis peu, le RNAi est un coup de boutoir de plus contre ce que certains voulaient appeler le dogme central de la biologie :
1Gène -> 1 ARNm -> 1 protéine.

D'ailleurs le terme de "dogme" ne convient pas à une approche réellement scientifique, ...non ?

Avec ~20'500 gènes humains (au dernier décompte donné par M.-C. Blatter de Swiss-Prot au Cours de BIST) 100'000 transcrits ARN et plus d'un million de protéines différentes, il y avait de quoi être troublé de toutes façons.
Ce mécanisme n'est pas rare, ni anecdotique : il semble être conservé (= chez une très grand majorité des organismes sans doutes) participe activement à la régulation de l'expression des gènes chez nous aussi.
Donc de nombreux ARNm sont inactivés par ce mécanisme d'interférence avant d'avoir été traduits !

Le RNA interférant : une remise en question majeure de nos cours ?

Peut-on continuer à enseigner -parce que c'est déjà assez compliqué comme ça - sans le mentionner?

Faut-il tout bouleverser ? Entre ces extrêmes il faut peut-être trouver une réponse nuancée selon le degré... C'est sans doute indispensable en 4 ème OS... et peut-être moins en DF ou à l'ECG...

Peut-être aussi pourrait-on ne pas "verrouiller" le sujet lorsqu'on présente ce schéma ADN -> ARN-> Protéine, et laisser des portes ouvertes (dans le style "en simplifiant les choses, disons que ..." "Il y a d'autres mécanismes que nous ne verrons pas en df ..." "pour ceux qui en veulent plus j'ai mis un lien / un document d'approfondissement ici... '') pour que les élèves soient réceptifs à des développements ultérieurs sur ce point ?

Comment a-t-on pu l'ignorer si longtemps ?
On s'étonne a posteriori qu'un mécanisme si important n'ait pas été détecté plus tôt. Peut-être que cela révèle combien les paradigmes de recherche établis sont incontournables, difficiles à changer et combien on ne trouve que ce qu'on cherche... Or bien sûr on cherchait pas le RNAi !

Sources
Ressources didactique
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mercredi 23 janvier 2008

Le poisson-archer : des réflexes de gardien incroyables avec 6 neurones !

Le poisson archer spécialiste du tir de précision ...

Dans ces news de Science Pennisi, E. (2008) parle d'une recherche à propos de l'incroyable précision du Poisson archer (Toxotes jaculatrix) pour capturer les proies (insectes) qu'il détache d'une brindille pour les faire tomber dans l'eau.

Le poisson archer projette de l'eau pour détacher ses proies et les faire chuter dans l'eau. Source ScienceNow.

Le Science Podcast, du 4 janvier 2007 en parle aussi ( pour ne pas écouter idiot sur votre iPod?)

On sait depuis longtemps que ce poisson projette de l'eau sur des insectes (jusqu'à 2 mètres, ont mesuré les mêmes chercheurs cf ScienceNOW, 7 Septembre 2004) pour les faire chuter dans l'eau, et la précision de ce tir complexe n'est pas loin de celle de l'ex championne Suisse junior de tir à l'arc Tamara Strasser de Jussy Genève, je pense !

A faire baver les meilleurs gardiens de Foot ...

Ensuite, il se précipite et les attrape. S'il ne va pas assez vite, d'autres poissons pourraient lui chiper cette proie . et c'est de cette phase comparable à celle du gardien de foot proposent-ils que parle cet article-ci.

Video : une Video QuickTime le montre en pleine action et combien il faut agir vite pour devancer la concurrence!

Ce que la recherche de Schuster and Schlegel de l'uni d'Erlangen- Nurnberg ont montré est que ce poisson est extrêmement rapide et précis à se tourner précipiter vers une proie qui tombe de manière difficile à prédire. (Schlegel, Thomas. Schuster, S., 2007). (intranet.pdf)

Toxotes réagit parfois en moins de 40ms à l'apparition d'un insecte tombant dans l'eau ... De quoi faire rêver bien des gardiens de Foot !



 Figure 2 img le poisson archer doit se tourner très vite vers la proie délogée pour devancer les concurrents.

Apparemment, bien que leur cerveau soit bien minuscule a côté de celui des humains, ils réussissent mieux que nos as du ballon rond pour cet Euro 2008 que certains attendent avec impatience....




Figure 3 img Les poissons décident en très peu de temps (B) et avec précision (C).
 Source science légende complète ici

Ils ont projeté des insectes depuis une plate-forme qui les cachait à la vue des poissons avec des jets d'air.
Ils ont mesuré le temps pour que Toxotes se tourne et se dirige jusqu'à la proie.

Une vitesse et une précision à faire rêver !

Même pour des insectes qu'ils n'ont pas délogés eux-mêmes, ou projetés depuis des plate-formes hors de leur champ visuel, le poisson se tournait et s'élançait a la vitesse de l'éclair.
Même avec plusieurs plate-formes d'où ils ne pouvaient prévoir l'arrivée d'un insecte, cf Figure 3 : (A) les poissons arrivent au but avec une redoutable précision, et parfois en 40 milliseconde.
Quand il y avait deux proies, il en choisissait une - la plus proche en général- et l'attrapait avec autant de célérité que s'il n'y en avait eu qu'une.
En projetant 2 insectes à fois (D) pour tenter de les faire hésiter - une tactique qui marche bien avec certains prédateurs - les résultats sont encore excellents cf. Figure 3 (E et F))
Leur étude soutient qu'un réseau de 6 neurones -bien connu pour permettre d'échapper à un prédateur (Mauthner's cell-associated C-start escape circuitry) - s'activait ici dans un autre rôle.
On sait que dans la rétine un traitement de l'image extrait déjà les directions et mouvements, etc. Mais ils ont montré que depuis les yeux l'information (vitesse, angle, hauteur) est intégrée à la position du poisson et son orientation relative à la trajectoire de la proie dans le cerveau postérieur (hindbrain) puis arrive aux neurones moteurs.

Tout ça avec 6 neurones seulement !

Cela montre que des comportements complexes peuvent être produits avec des circuits de neurones très simples, déclare Russell Poldrack de l'University of California, Los Angeles dans cette news.

Notez qu'ils se sont abstenu de faire un commentaire sur les gardiens de but au football qui n'ont qu'un ballon à poursuivre.

Liens
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dimanche 13 janvier 2008

la recherche sur les phéromones à l'UniGE

Ce qu'on sait des phéromones chez l'homme ?

Il se trouve qu'un biologiste de notre UniGe , le professeur Ivan Rodriguez (I. R.) a apporté une contribution décisive à la compréhension de cette question. Le 3 décembre, il nous a accordé une interview pour les Bio-reviews. C'était l'occasion de faire un peu le point sur ce sujet, et de voir comment les recherches actuelles mêlent biologie in vitro, in vivo et in silico (BIST) et comment se sont construites les réponses qu'on peut donner actuellement.

Au départ, il s'intéresse à la neurobiologie et choisit de l'aborder d'un point de vue génétique en utilisant un système neuronal relativement simple et isolé, potentiellement plus facile à analyser, afin de comprendre des mécanismes qui pourraient être plus généraux. De plus les phéromones ont un côté fascinant : qui n'a pas eu un jour l'impression qu'une rencontre s'était faite ou manquée à cause de ces mystérieuses molécules...

Qu'est-ce qu'une phéromone ?

Pour lui c'est "Substance chimique que libère un organisme pour influencer le comportement ou la physiologie d'un autre individu de la même espèce."
Une définition stricte repose sur 5 critères ( Schaal et al. 2003)
  1. simplicité chimique,
  2. induction d'une réponse comportementale invariante ,
  3. sélectivité exclusive du stimulus,
  4. spécificité pour l'espèce, et
  5. absence d'apprentissage.
Ces substances organisent une large gamme de comportements chez les mammifères (notamment la reproduction, la dominance sociale, l'agression et l'attachement parental) (Shepherd, 2006)

L'odorat en général


Pour un bon review de l'odorat en général voir Bac-to-Basics de La Recherche (intranet: 1, 2, 3) ou plus pointu : (Shepherd, 2006 Smell images and the flavour system in the human brain | intranet.pdf) | très accessible : Comment fonctionne l'odorat et le goût @ Hopital Genève.



Anatomie de l'olfaction. Source :Comment fonctionnent l'odorat et le goût ?Hôpital de Genève

Phéromones chez les mammifères La plupart des biologistes pensaient alors que l'activité des phéromones était forcément liée à l'organe voméronasal (VNO) qui est anatomiquement distinct de la muqueuse olfactive (OE) principale.

Source  Kambere and Lane BMC Neuroscience 2007 8(Suppl 3):S2   doi:10.1186/1471-2202-8-S3-S2

Les effets des phéromones identifiés chez la souris sont nombreux : nous avions récemment vu les effets d'un seul gène bloquant les récepteurs phéromonaux sur le comportement sexuel de la souris (Cf Bio-Review lien ici) Dans la revue Campus de l'UniGe Anton Vos avait fait un article au titre provocant "Il est vraiment Phéromonal" qui est intéressant pour stimuler l'intérêt des élèves.

Des phéromones chez l'homme ?

Certains font l'amalgame entre? toutes sortes d'interactions médiées par des substances volatiles et constatées éthologiquement; Il distingue les phéromones stricto sensu, les molécules immunitaires MHC qui peuvent favoriser ou défavoriser les choix de partenaires, et les odorants pour lesquels on a pu acquérir une préférence par association avec des stimuli positifs comme le sexe par exemple. Nous ne traiterons ces effets-là que sommairement et à la fin cet article.

Les phéromones sont principalement perçues par l'organe voméronasal (VNO) chez les mammifères. Pendant longtemps, on a cru que l'activité des phéromones était forcément liée à cet organe, structure qui est anatomiquement distincte de la muqueuse olfactive (OE) principale. L'absence de VNO identifiable anatomiquement chez l'humain adulte, (il existe pourtant clairement chez l'embryon nous dit I. R.) faisait ainsi douter à beaucoup de la réalité d'un mécanisme phéromonal chez l'humain. On sait aujourd'hui que ceci est inexact, l'OE permettant la perception de certaines phéromones, et un effet de nature phéromonale ayant été mis en évidence dans notre espèce.

Jusqu'à 1997, les mécanismes d'action des phéromones à un niveau moléculaire étaient entièrement inconnus chez les mammifères. I. Rodriguez commence ses recherches sur la question au moment où les premiers récepteurs aux phéromones, les récepteurs de type V1R, viennent d'être identifiés chez le rat.

Il choisi d'abord (alors à l'institut Rockfeller aux USA avec P. Mombaerts) de visualiser les circuits utilisés pour la détection des phéromones. A cette fin, il génère des souris Knock-In (similaires aux souris Knock-Out (Cf Bio-Review sur les souri Knock-out ici), ), dans lesquelles un gène codant pour un marqueur fluorescent, intégré génétiquement, est coexprimé avec un gène spécifique de récepteur à phéromone. Cette approche permet de visualiser une population neuronale définie, ainsi que les projections axonales de ces neurones. Ceci a permis de commencer à comprendre comment l'information générée par la perception d'une phéromone est traitée par le cerveau.


V1r L'expression de différents récepteurs Phéromonaux dans le nez de la souris. gene expression within sensory neurons of the mouse VNO. (source Nature Neuroscience) Cf plus précisément (Rodriguez, I. & al. 2002)

Cela lui a permis a permis de comprendre dans quelles populations de cellules ces récepteurs étaient actifs. On a pu ainsi commencer à mettre en évidence les sous-populations de cellules impliquées dans l'activité phéromonale liées à ces récepteurs type VR (majoritairement exprimés dans le VNO) et la manière dont l'information est transmise au cerveau. Comme pour l'odorat en général, ce circuit est particulièrement direct puisque les neurones qui détectent les molécules odorantes projettent directement (sans synapse) à travers le crâne jusqu'au bulbe olfactif.

Comparaison des circuits principaux impliqués dans l'olfaction et les phéromones chez l'homme (b) et la souris (a) Source : Shepherd, G.(2006) (Nature)

Depuis le bulbe olfactif, et pour les informations de nature phéromonale, des neurones secondaire relaient l'information et projettent directement vers l'amygdale*, une structure directement impliquée dans le contrôle des émotions (Cf Bio-Review sur le Thalamus ici). Cette liaison directe ne passe pas par le cortex, n'y est donc pas traitée de manière consciente, mais induit ou participe à des réponses innées, par exemples émotionnelles. Les neurones olfactifs sont directemetn reliés au bulbe olfactif et une seule synapse les relie au Thalamus et à l'amygdale. Source : UQAM - PSY4050 Psychologie de la perception - Jacques Lajoie

On pense par ailleurs que l'amygdale contrôle l'aspect corporel des émotions, et cette liaison directe a fait écrire beaucoup sur les effets émotionnels supposés ou fantasmés des phéromones.

A l'époque (env 1999) I. Rodriguez exploite les techniques de wet-lab pour tenter d'identifier de nouveaux récepteurs à phéromones chez d'autres espèces (lapin, chien, rat etc). Il s'agissait alors de cloner en identifiant par homologie (par hybridation) dans des librairies d'ADN génomique, les fragments qui ressemblent le plus aux quelques gènes VR connus. A cette époque on travaille avec des fragments d'ADN maintenus et multipliés dans des colonies soigneusement identifiées de phages ou de bactéries. C'est un travail long et fastidieux.

I.R. identifie de nouveaux gènes VR et en particulier le premier gène de la famille V1R chez l'homme (et plus tard tous les autres membres de cette famille). (I. Rodriguez, P. Mombaerts, 2002) Novel human vomeronasal receptor-like genes reveal species-specific families. Le gène V1R dans mapviewer pour le situer dans son contexte ici.

Des années plus tard, il montrera que la délétion génétique d'une partie des gènes V1R provoque deux altérations spécifiques chez les souris: chez les femelles un manque de soin aux petits et chez les mâles un manque d'activité sexuelle envers les femelles.

Des années pour trouver un récepteur phéromonal puis la bioinformatique permet d'en trouver 110 en une semaine !

I. Rodriguez parle ensuite de révolution génomique 1999- 2002 qui a complètement changé les perspectives et les stratégies de recherche : D'un seul coup, il est possible d'accéder aux génomes de nombreuses espèce en un seul clic. En analysant ces banques de données grâce à des programmes de recherche d'homologie comme BLAST par exemple, il identifie en moins d'une semaine 110 nouveaux gènes chez la souris. Une incroyable jubilation !

Nous pouvons suivre un peu la démarche avec nos élèves et effectuer un BLAST a partir du gène humain VN1R5 (ici + choisir VN1R5_Human et cliquer BLAST) on trouve un gène chez le gorille qui est quasi-identique et de très nombreux gènes similaires chez la souris, le rat, et d'autres !

Ces techniques bioinformatiques ne s'opposent pas mais s'intègrent à l'activité d'un biologiste actuel : Il nous explique qu'afin de vérifier les informations obtenues in silico, on retourne au wet-lab avec ces nouvelles séquences identifiées par bioinformatique, puis on produit (ou on commande) les primers correspondants, on amplifie de l'ADN génomique par PCR (qui permet de "pêcher" la séquence recherchée), et on clone l'amplicon qui est ensuite séquencé; il est donc aujourd'hui possible d'effectuer en 3 jours ce qui demandait des mois il y a 10 ans.

Il parle des progrès extrêmement rapides des techniques de séquençage permettant aujourd'hui de séquencer très rapidement et pour un prix abordable des fragments très longs; le jour où le séquençage d'un génome entier sera une option expérimentale pour n'importe quel laboratoire est proche.

La possibilité de chercher rapidement et simplement dans les bases de données génomiques la présence de gènes similaires (orthologues -différentes espèces- ou paralogues -même espèce-) chez de nombreuses espèces a permis des comparaisons inter - espèces et des perspectives évolutives.

I. R. remarque que la séquence des récepteurs à phéromones est très variable entre espèces mais aussi à l'intérieur de la même espèce, et que cette diversité est favorisée par la sélection. Il propose que la variation des récepteurs V1R pourrait mener à une séparation chimique, et donc de représenter un outil de spéciation sympatrique. Les répertoires de ces gènes récepteurs sont très étendu chez les rongeurs comme la souris ou 150 gènes de type V1R ont étés identifiés (la majorité par IR), ou chez l'ornithorynque, alors que le répertoire du chien chez qui on en attendait un nombre de gènes important est beaucoup plus réduit. Dans le génome de notre espèce, il existe 4 ou 5 membres de cette famille. I.R. a d'ailleurs montré qu'un de ces récepteurs est exprimé dans l'épithélium olfactif. Comment savoir si ces récepteurs sont fonctionnels? Une simple analyse bioinformatique, examinant les séquences des gènes V1R humains et d'autres mammifères permet d'observer que certaines parties importantes des séquences sont toujours conservées: par exemple celles correspondant aux acides aminés créant des ponts disulfures dont la mutation produirait de grands changements dans la conformation de la protéine. La conservation de ces résidus indique une pression sélective sur ces acides aminés, pression négative qui reflète naturellement une fonction de ces protéines.

L'énorme taille du répertoire V1R chez la souris est difficilement explicable, sachant que seules 7 ou 8 phéromones ont été identifiées chez cette espèce à ce jour. Ceci - probablement - indique notre connaissance très partielle des molécules de nature phéromonale chez la souris, ou alternativement une fonction des récepteurs V1R qui n'est pas limitée à celle de récepteurs à phéromones. Le VNO semble permettre des apprentissages, en particulier des associations entre stimuli phéromonaux et odeurs qui sont en parallèle perçues par le MAO.

Chez la souris par exemple, le 2-Heptanone représente une phéromone. Celle-ci est perçue par le VNO mais a également une odeur très forte, et est donc en parallèle perçue par le système olfactif principal. IR, en collaboration avec un groupe Lausannois, a d'ailleurs identifié le récepteur V1R qui reconnaît cette phéromone; il s'agit aujourd'hui du seul couple phéromone-récepteur connu chez les mammifères. Un problème majeur de l'identification des ligands pour les récepteurs V1R est due à la difficulté de les exprimer in vitro; il faut donc les exprimer in vivo, en générant, pour chaque récepteur, des souris transgéniques.

La structure du 2-heptanone. Cliquer pour la voir en 3-d

I.R. mentionne que le role joué par le système VNO et le système olfactif majeur (MAO) est différent d'une espèce à l'autre et dépend des phases du développement Ainsi la suppression du VNO chez un individu nouveau-né a des effets totalement différents de sa suppression chez l'adulte. Pour lui le VNO est probablement un organe d 'apprentissage, et une fois les associations établies entre par exemple la 2-heptanone et des réponses comportementales, l'absence de récepteurs VNO n'a plus tellement d'effet.

Dans ces Bio-review, nous avions récemment vu les effets de l'absence d'un seul gène - un canal ionique (TRPC2) qui est commun à tous les récepteurs phéromonaux - sur l'orientation du comportement sexuel de la souris (Cf Bio-Review lien ici) Pour I. R. cela correspond à une sorte d'excision génétique complète du VNO. On a vu que cela supprime toute discrimination des genres lors de l'activité sexuelle, les mâles montant les mâles comme les femelles (il a été récemment montré que les femelles montent les femelles également).

On interprète cela comme l'inactivation par le VNO d'un circuit d'inhibition du comportement mâle chez les souris mutantes : les phéromones semblent donc pouvoir aussi inhiber et non seulement activer des comportements. Un bon review récent (en anglais) est ici Brennan, P. A., & Zufall, F. Pheromonal communication in vertebrates (2006)

Ne confondons pas phéromones, MHC et conditionnement olfactif.

Pour I. R. on a bien identifié quelques effets impliquant des phéromones chez l'homme, notamment la synchronisation des cycles menstruels féminins médiée par la sueur axillaire (des extraits inodores pris sous les aisselles d'autres femmes) (McClintock, 1971) (intranet)

Mais il se méfie passablement d'autres effets comme ceux présentés dans Le Parfum de Süsskind : il y a bien sûr des effets d'odeurs sur la physiologie humaine, mais ceux-ci sont généralement acquis. Par exemple, notre hypothalamus réagit à des dérivés stéroides produits notamment par la peau et les hommes / femmes y réagissent différemment. Mais cela ne prouve pas du tout que ce soit inné. Nous pourrions bien avoir acquis ces réactions : il donne un exemple visuel : les hommes ont des réactions à la lingerie féminine, qui sont mesurables au niveau cérébral et différentes chez les hommes et les femmes; ces réactions sont naturellement acquises et pas innées !

Il nuance donc le lien avec les phéromones d'un certain nombre de travaux, par exemple sur les préférences des femmes en fonction de leur cycle (intranet.pdf)

Dans le style, j'ai vu des références même à d'autres substances comme l'ocytocine qui induirait plus de confiance : (Hopkins, 2005 | intranet) ou la transpiration mâle qui relaxerait les femmes (Pilcher 2003 : Male sweat relaxes women |intranet). Ces expériences sont sans doute sérieuses, mais il ne faudrait peut-être pas les associer aux phéromones !

L'odorat détecterait la diversité génétique ?

Ensuite il faut pour lui également distinguer d'autres effets comportementaux induits par les MHC (Major Histocompatiblity Complex : CMH en français et HLA si on parle de l'humain seulement), dont les effets sont similaires : Les mammifères en général préfèrent -notamment comme partenaire sexuel - des individus qui ont un MHC assez différent, mais une trop grande différence induit au contraire une répulsion. Chez l'humain on observe aussi cette prédilection.

Ainsi de la préférence des femmes pour l'odeur de T-shirt portés par des hommes génétiquement plus proches de leur père a été beaucoup discutée (Jacob, McClintock, et al. 2002) (Jacob, McClintock, et al. 2002) (Nature news : intranet.pdf). (entrefilet dans La Recherche). Et une autre NatureNews sur le degré de différence génétique ( intranet.pdf)

je me permets de vous proposer quelques liens sur ce sujet : un article (Milinski,M. &al. 2001) qui avait fait pas mal de bruit aussi est celui sur l'influence du MHC sur les préférences de parfum (cf la news de John Whitfield (2001) (intranet.pdf)

I. Rodriguez met toutefois en garde : une corrélation n'est pas une causalité): Il n'est pas convaincu que ce soient vraiment les MHC qui sont détectés :

  • a) il faudrait qu'ils soient clivés -tout petits pour devenir volatiles - afin que nous puissions les détecter dans la muqueuse nasale.
  • b) Les molécules détectées pourrait être les peptides associés à ces MHC - qui sont des présentateurs moléculaires - et non les MHC eux-mêmes : là aussi ils seraient clivés en tout petits fragments (Boehm & Zufall 2006)
  • c) Il mentionne une autre hypothèse : le MHC - qui est évidemment au centre du système immunitaire - pourrait sélectionner un assortiment différent sur la peau selon les individus de levures et de bactéries qui elles produiraient des molécules volatiles spécifiques à chaque souche.
  • d) Une autre hypothèse serait que ces MHC fontionneraient comme des récepteurs: puisque ils sont capables de fixer des peptides, ils pourraient détecter une similitude entre les MHC de l'émetteur et du receveur. La taille des peptides présentés avec les MHC reste cependant peu compatible avec la volatilité nécessaire. Il est intéressant de noter qu'il existe des MHC particuliers qui sont exprimés par les neurones sensoriels du VNO.
  • e) Une dernière hypothèse se base sur le fait que les gènes des MHC sont physiquement très proches sur les chromosomes de certains récepteurs à odorants : ils sont donc liés génétiquement, et donc associés. Lorsqu'un individu a un MHC particulier, il possède donc également un jeu de récepteurs à odorants particuliers.
Ses recherches actuelles ?

Actuellement, I.R. essaie de comprendre comment, au niveau moléculaire, les divers systèmes de perception des phéromones sont mis en place. Il vient d'ailleurs de publier la première étude existante concernant la régulation des gènes V1R:
"The largest mammalian gene family codes for odorant receptors and is exclusively devoted to the perception of the outside world. Its expression is very peculiar, since olfactory sensory neurons are only allowed to express a single of its numerous members, from a single parental allele. How this is achieved is unknown, but recent work points to multiple regulatory mechanisms, possibly shared by pheromone receptor genes, acting at (a) a general level, via the expression of the chemoreceptor itself and (b) a more restricted level, defined by activator elements." (Rodriguez, Ivan 2007)
Il vient également de publier une review (Rodriguez, I. 2007) sur les mécanismes de régulation de l'expression des très nombreux gènes du système olfactif en général.
L'approche moléculaire de ce système est très récente, et de nombreuses questions majeures sont encore aujourd'hui sans réponses; il y a donc encore de belles découvertes à faire pour nos élèves dans ce domaine fascinant
Liens
Liens Sur les activités de I. Rodriguez
* Ne pas confondre avec les amygdales, au fond de la gorge, des structures immunes secondaires qui n'ont rien à voir avec le cerveau.
L'amygdale (qui est reliée à l'hippocampe et à l'hypothalamus) et qui fait aussi partie du système limbique est une structure bilatérale, comme le VNO ou l'hippocampe, et l'usage est généralement de faire référence à ces 3 structures au singulier.
Le nom amygdala n'est pas pluriel mais il arrive effectivement que l'on utilise le terme "amygdalae" (ici pluriel), souvent pour décrire les divers noyaux constituant l'amygdale.
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dimanche 6 janvier 2008

L'enzyme contre la GdB et l'évolution des levures !



A tous les biologistes intéressés à recevoir des bio-reviews
L'alcool ... hips ?
Avec les fêtes plusieurs d'entre nous auront testé les effets de l'alcool sur notre cerveau. Et ceux qui n'ont pas su "consommer avec modération " auront exploré les effets de la GdB
Une news @ Nature (Gramser, Siëlle (2005). Alcohol and science: The party gene) éclaire un peu la question de l'origine de ces boissons.

N.B Prolune a fait un article très complet "In vino veritas" avec une perspective historique, les effets physiologiques et les mécanismes.


Le rôle central des levures
On sait bien que l'alcool est produit par des levures (Saccharomyces cerevisiae : uniprot taxonomy) sur des sucres dans des fruits, notamment le raisin, à l'aide d'enzymes Alcool DesHydrogénases (ADH)
On sait aussi que cette levure est à la fois capable de produire de l'ethanol à l'aide d'une enzyme ADH1 (sur le chromosome XV @ mapviewer), et qu'elle peut aussi la dégrader avec ADH2 (sur le chromosome XIII @ mapviewer), pour l'exploiter comme source d'énergie.
On sait aussi qu'elle supporte des doses d'alcool bien supérieures aux autres organismes.
Il n'était pas très clair quel pourrait être l'intérêt de transformer des sucres en alcool puis de les reconvertir pour les faire entrer dans ses voies biochimiques classique et en faire de l'ATP.

L'arbre généalogique des ADH reconstitué chez les levures
Dans une recherche récente commenté dans une news de nature (Michael Hopkin (2007) Grape genome unpicked) une équipe menée par Benner, S. (2005) a troouvé les séquences de ces ADH chez 12 espèces de levures puis les a alignées et a pu reconstituer une séquence originelle probable d'où toutes les ADH seraient issues et un arbre évolutif : un cladogramme comme celui-ci.

Source Thomson et al. Nature Genetics.

La levure en compétition
La séquence originelle probable AdhA est très proche de l'ADH1 actuelle et les données leur ont permis de déduire que la duplication de l'ADH s'est produite il y a environ 80-60 mio d'années.
Cela élimine les hypothèses - chères à Bacchus et bien des vignerons - selon lesquelles l'homme aurait sélectionné les levures dans son travail. Benner observe que cela coincide avec le développement des plantes à fleurs (et donc à fruits ... ) et pense que dans ce monde soudain très riche en sucres cela aurait donné à ces levures un avantage sélectif sur lees frugivores et les autres candidats à la dégradation des fruits (bactéries etc) en éliminant des concurrents. Même s'il n'est pas efficace de convertir les sucres en alcool puis de les reconvertir pour les exploiter, cela vaut la peine si on élimine la concurrence !

Mais l'évolution ne s'arrête pas là !
Il note aussi que c'est vers cette époque que les drosophiles sont apparues et qu'elles sont actuellement munies d'une autre ADH qui les rend capables de supporter et d'exploiter l'alcool. Luciano Matzkina étudié les espèces différentes de Drosophila et trouvé qu'elles ont des variantes différentes d' ADH qui leur permettent de se nourrir des jus de fruits avec 4% d'alcool (comparable à la bière) et pas mal de levures.
On aurait ainsi une compétition protectionniste entre les différents décomposeurs et frugivores !

Drosophila melanogaster (Source Wikipédia)
Les enzymes proches de l'ADH sont fréquentes dans le vivant et ont des rôles assez divers. Selon Ary Hoffmann (2005) elles peuvent évoluer assez vite : il a observé en Australie qu'une variante (AdhS, plus résistante au chaud) s'est répandue sur 400km en 20 ans.
Et ADH chez l'humain ?
L'enzyme ADH que nous avons est encore un peu différente et est probablement présente depuis longtemps pour d'autres fonctions, encore peu claires selon Gramser, peut être pour dégrader le formaldéhyde (toxique). Sa mise a profit pour une des boissons les plus contrastées de notre temps (citons ses riches liens culturels profonds mais aussi la mortalité et les effets sur la santé qu'elle cause) est donc secondaire.
Cette enzyme a en tous cas permis d'écrire -ou de compléter temporairement- quelques pages de l'histoire évolutive de la levure, de la mouche à vinaigre et de l'humain.


Compléments
On dispose du génome de la levure Saccharomyces cerevisiae complète @ mapviewer : 16 chromosomes , 12 Mbases

Les 16 chromosomes de la levure @ mapviewer :



On dispose depuis peu du génome du raisin Vitis vinifera ils ont séquencé un Pinot Noir. Un commentaire dans nature news (Michael Hopkin 2007) : Grape genome unpicked nous apprend qu'il a environ 30'000 gènes -plus que nous - et on y a trouvé un très grand nombre (70-80 ) de gènes pour des terpènes dont on sait le rôle pour composer les arômes subtils.

Source nature news (Getty)

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