Enfin un TP où les élèves peuvent explorer l'expression des gènes ?

L'expression des gènes est un concept difficile pour les élèves

Il nécessite d'abord qu'on distingue le gène de la protéine correspondante.
Ensuite il faut que l'élève comprenne que la présence du gène n'implique pas automatiquement la présence de la protéine, mais qu'une régulation détermine lesquels des gènes sont activés dans une cellule, à un moment donné.
Il lui faut aussi réussir à imaginer que cette activation est différente aussi bien dans le temps qu'à travers l'organisme, pour que l'action coordonnée des gènes dans les cellules, les tissus, les organes produisent les effets parfois visibles comme la couleur des yeux, mais souvent diffus comme la digestion, la croissance ou même l'ensemble des processus qu'on appelle la vie.
Appréhender que le fonctionnement global de l'organisme résulte (au moins en partie dirons-nous prudemment) de l'action des protéines produites dans les cellules est très certainement difficile à croire pour les élèves. Je dis bien croire, car le démontrer aux élèves est à peu près impossible, et même leur donner l'opportunité de l'éprouver au sens de De Vecchi - confronter ce qu'ils ont compris au réel - faute d'expériences ou de TP permettant d'explorer les mécanismes en jeu. L'expérimentation est donc une des méthodes qu'emploie la science pour vérifier et construire des connaissances.
Dans certains cas précis on peut faire éprouver la physiologie en mâchant du pain jusqu'à obtention d'un gout sucré et apparition d'une réaction positive au Test Fehling, par exemple.
En général quand on évoque les expériences en classe, on pense manips et éprouvettes, mais ici ils auront l'occasion de se frotter a des données authentiques pour vérifier leurs hypothèses. La différence est qu'on accède aux données par internet, ce qui est une forme d’"expérimentation" – du moins une forme de construction de connaissances publiables dans Nature et Science – de plus en plus courante à travers toute la biologie.
On aimerait avoir plus d'expériences qui permettent aux élèves de pratiquer ces allers-retours entre ce qu'ils ont compris et la réalité "si j'ai bien compris on devrait voir ceci ..." "Donc si je fais cela il devrait se passer ceci... " on obtient alors des données qui confirment ou infirment et ils peuvent construire une connaissance étayée à partir des données par un raisonnement qui justifie. Ce processus fondamental pour la science permet une construction et une progressive amélioration de leurs modèles explicatifs : c'est la modélisation. Elle nécessite à la fois des opportunités de manipuler ou d'observer et une compréhension de base du phénomène. Assez pour se poser des questions et les comprendre
On manque singulièrement d'opportunités pour les élèves de se confronter à des données sur l'expression des gènes. Or grâce a des chercheurs de l'université de Genève entre autres, on dispose de l'atlas
complet de l'expression des gènes de l'embryon de souris en développement.

Des données authentiques librement accessible en classe !

Pendant quatre ans, huit laboratoires de recherche, dont celui du professeur Stylianos Antonarakis de la Faculté de médecine de l’Université de Genève (UNIGE), ont travaillé à la création de cet impressionnant atlas d’expression génétique, absolument unique en son genre. L’étude a été financée par l’UE à raison de douze millions
d’euros.

Fig 1 : Le logo d'Eurexpress. [img]Source : http://www.eurexpress.org/ee/
Les chercheurs se sont partagés un travail colossal, qui consistait à localiser l'expression détaillée de 18’000 gènes codants dans l’embryon de souris, à 14 jours et demi de gestation. Avec l’aide de puissants outils de robotique et d’imagerie moléculaire, ces scientifiques ont réussi ensuite à traduire leurs découvertes visuellement, comme sur des planches d’anatomie, en faisant apparaître l’expression du gène, parfaitement localisée, en bleu. Ce qui est remarquable est que les élèves peuvent disposer de données authentiques pour interagir avec par un simple accès web.

Impressionnant, mais qu'en faire en classe ?

L'examen de ces données magnifiques ne produit pas spontanément une connaissance, les élèves ont besoin d'être guidés. Là ou l'expert voit immédiatement du sens le novice ne voit rien. Il faut donner à l'élève le cadre qui lui permet de comprendre ce qu'il voit, de développer le regard "au-delà du sens commun" (Astolfi 2008).
Face à ces données nouvelles que la science produit depuis la révolution génomique, nous devons faire preuve d'imagination pour aider les élèves à comprendre la portée de ces recherches et développer ce regard qui "voit en profondeur et construit du sens"...
Pour cela il ne suffit pas de comprendre le mode d'emploi du site, ni même de connaître la logique d'organisation des données proposées il faut imaginer ce qu'on pourrait en faire en classe, à quelles questions il pourrait fournir des réponses. En somme, il faut une question qui guidera l'investigation.

La logique du site

Le site propose des coupes microscopiques sagittales de l'embryon à 14.5 dpc (days post coïtum, pour chaque gène on peut afficher une des 27 coupes sagittales de droite a gauche, et zoomer dans la coupe. De plus les structures anatomiques où le gène s'exprime ont été repérées et offrent l'accès direct aux coupes qui les montrent.

Un bref mode d'emploi

• Une aide contextuelle est disponible en cliquant l’icône .
• Parmi les 18'000 gènes étudiés, on peut choisir le gène dont on  veut visualiser l'expression en introduisant le symbole ou le nom dans "quick search for "
• Une
  liste de gènes et de leurs protéines que les élèves pourraient connaitre avec leurs symboles a été établie avec Marie-Claude Blatter de l'ISB SIB à l'université de Genève pour un autre cours, mais pourrait donner des idées aux élèves.
• Une ou plusieurs protéines apparaissent (ici la myosine). 
  Cliquer la vignette représentant une coupe (au milieu) permet d'accéder à un explorateur de coupes.
  img
  
• Le gène choisi est indiqué par son symbole. Amy1 pour l'amylase
  
• 
• On peut choisir (- et +) laquelle des coupes à travers l'épaisseur  de l'embryon (de la gauche à la droite) on veut visualiser.
  
• Un curseur permet de régler le degré de Zoom sur la coupe choisie
  
• A gauche un arbre anatomique présente les structures. Les coupes  présentant une expression forte du gène choisi sont indiquées en rouge pour faciliter leur repérage
  
• Lorsqu’une image est annotée, un code couleur indique le niveau d’expression de ce gène dans les différentes structures et ce code est conservé dans l’arbre anatomique (rouge pour forte expression, jaune pour expression modérée et bleu pour faible expression)
• La coupe elle-même apparait au centre : ici amylase 1 , section10 (presque au centre) avec une forte expression dans le pancréas qui  est bien visible en violet foncé
  

Fig 2 : La flèche indique le pancréas ou on voit bien le degré d'expression est élevé.
Il y a un artefact (une bulle) un peu plus haut à droite. [img]Source : Eurexpress

Un usage possible

Ce magnifique site peut devenir un outil dans notre palette d'enseignant une fois que nous nous construisons un usage, en imaginons les possibles dans les programmes et lui donnons du sens par rapport a nos objectifs. On devine qu'il y a un énorme potentiel en classe, mais il faut baliser quelques chemins, Bio-tremplins vous en a balisés quelques uns pour commencer.
Imaginons un usage pédagogique : faire découvrir "éprouver" aux élèves que les gènes ne s'expriment pas partout. Prenant un exemple de protéine exprimée de manière très localisée dans l'embryon, cette activité esquissée se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on vérifier que l'insuline est produite principalement dans le pancréas ? (Chez la souris)
  

On pourrait demander aux élèves de trouver où est exprimé le gène de l'insuline INS 2 ( il y a deux insulines chez la souris et le rat)

• On le trouve exprimé dans le pancréas section 11 solution : ici
  

Fig 3 : L'insuline s'exprime
fortement dans le pancréas. [img]Source : Eurexpress

La localisation de l'hémoglobine

Destinée a faire découvrir "éprouver" aux élèves que certaines protéines sont exprimée de manière très large dans l'embryon, cette activité esquissée se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on trouver où l'hémoglobine est produite ? (Chez l'embryon de souris)

On choisit Hbb-b1 (symbole de l'hémoglobine bêta "hemoglobin, beta adult major chain")

• Solution  ici on trouve qu'elle est exprimée un peu partout dans  l'embryon
  

Fig 4 : L'hémoglobine peu partout dans l'embryon . [img]Source : Eurexpress

La myosine : où y a-t-il déjà des muscles dans l'embryon ?

Dans les deux exemples l'expression était presque unique ou quasi-partout. Un exemple qui contraste par son expression liée à un tissus mais à plusieurs endroits de l'organisme est la Myosine (codée Myh3) exprimée dans les cellules musculaires et représentative des fonctions contractiles.
Destinée faire découvrir "éprouver" aux élèves que certaines protéine sont exprimées spécifiquement dans certains tissus dans l'embryon, cette activité esquissée se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on trouver où la myosine est produite ? (Chez l'embryon de
  souris)

On choisit Myh3
On voit qu'elle est exprimée fortement dans de nombreux tissus comme la
langue, le coeur, etc. Selon les coupes on distingue bien une expression
différentielle.

Fig 5 : La myosine est exprimée dans de nombreux tissues Coupe 13 à gauche ou la langue et le cœur apparaissent clairement et 17 à droite ou les muscles des vertèbres sont très distincts. [img] [img]Source : Eurexpress

La localisation de l'expression de l'amylase :

Destinée à faire découvrir "éprouver" aux élèves les différentes fonctions du pancréas, ou a montrer que l'amylase est aussi produite dans le pancréas (dans le cours de physiologie) cette activité esquissée
se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on trouver où l'amylase est produite principalement ? (Chez  l'embryon de souris)

On choisit AMY1 (symbole du gène trouvée sur Uniprot avec une recherche sur amylase)
On voit dans le panneau de gauche que l'expression est forte (rouge) dans les coupes 7-14 dans le pancréas. C'est malencontreux que ce soit a nouveau dans le pancréas, mais on peut observer que ce ne sont pas les mêmes zones du pancréas.

• Solution ici

Fig 6 : La flèche indique le pancréas ou on voit bien le degré d'expression est élevé. Les cercles irréguliers dans l'image sont des bulles et donc des artefacts à ignorer. [img]Source : Eurexpress

Conclusion

Bio-Tremplins a balisé pour vous quelques premiers usages possibles en classe, qui pourraient s'inscrire dans les chapitres de l'embryologie, de la génétique moléculaire ou lorsqu'on veut montrer les bases
génétiques de la vie. On peut en imaginer d'autres usages en physiologie comme celui sur l'amylase. Ceux qui en auraient balisés d'autres sont bienvenus de nous les soumettre.
Ce qui est intéressant est que l'accès à ces données rend possibles des activités – des TP - ou les élèves peuvent se confronter à des données authentiques de très haute qualité, ce qui en soi peut avoir un effet
motivant en montrant que les savoirs scolaires s'appuient sur la recherche, une biologie qui bouge.
Si on les guide, c'est aussi de nouvelles opportunités pour pratiquer certains aspects de la démarche scientifique en émettant des hypothèses et en les vérifiant.

Sources et liens

• Diez-Roux, G., Banfi, S., Sultan, M., Geffers, L., Anand, S.,
  Rozado, D., et al. (2011). A
  high-resolution anatomical atlas of the transcriptome in the
  mouse embryo. PLoS Biology, 9(1), e1000582.
• Le site Eurexpress
• Une  liste de gènes et de leurs protéines établie avec Marie-Claude
  Blatter de l'ISB SIB

Remerciements

• Dr. LIN MARQ Nathalie pour ses précieuses suggestions et son aide
  dans le choix des gènes présentés.
• Marie-Claude Blatter pour son aide, les discussions, la sélection
  et le maintien de ressources avec l'ISB