2.1: Une introduction à la génétique du développement

Le développement de chaque organisme est guidé par l’information génétique codée dans son ADN. En étudiant comment les gènes contrôlent les processus de développement, tels que la migration et la différenciation cellulaires, les scientifiques dans le domaine de la génétique du développement tentent de mieux comprendre comment les structures complexes des organismes multicellulaires se forment.

Cette vidéo présentera quelques-unes des découvertes majeures dans ce domaine, un certain nombre de questions fondamentales posées par les généticiens du développement, les principaux outils que les scientifiques utilisent pour répondre à ces questions et, enfin, des études spécifiques menées aujourd’hui sur la génétique du développement.

Commençons par passer en revue certaines des découvertes importantes qui ont façonné le domaine de la génétique du développement.

En 1865, un moine autrichien, Gregor Mendel, a effectué des expériences de sélection avec des pois. Il a observé que les traits visibles ou « phénotypes » des pois, tels que la couleur des graines, étaient hérités selon des règles cohérentes. En proposant que ces phénotypes sont en fait contrôlés par des facteurs héréditaires invisibles et discrets, Mendel a planté les graines du domaine de la génétique.

Ces facteurs d’hérédité ont été nommés « gènes » par le botaniste danois Wilhelm Johannsen en 1909. Puis, en 1910, Thomas Hunt Morgan et ses étudiants ont utilisé la mouche des fruits Drosophila comme organisme modèle pour découvrir que les gènes se trouvent sur des structures physiques du noyau cellulaire appelées chromosomes.

En 1938, Salomé Gluecksohn-Waelsch a montré qu’un gène spécifique était nécessaire au développement d’une structure embryonnaire connue sous le nom de notochorde. C’était l’une des premières preuves que les gènes contrôlent les processus de développement précoces.

En 1940, Conrad Hal Waddington a proposé que les cellules d’un embryon se différencient le long de voies, ou « destins », qui sont contrôlés par des gènes. Il a formulé une métaphore de ce processus, affinée au cours des 17 années suivantes, appelée le « paysage épigénétique », où une cellule est vue comme une bille roulant sur une colline vers différents destins cellulaires. Les chemins empruntés par la cellule suivent les crêtes et les vallées du paysage, qui sont à leur tour contrôlées par les gènes et leurs modes d’expression.

En 1952, Wolfgang Beermann a confirmé que si les différentes cellules d’un organisme ont le même contenu génétique, différentes régions des chromosomes sont actives, et cette expression génétique différentielle définit l’identité cellulaire.

Une fois qu’il a été déterminé que l’expression des gènes influence le développement, la question suivante était de savoir quels gènes. Pour répondre à cette question, dans les années 1970, Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard et Eric Weischaus ont utilisé des produits chimiques pour faire muter au hasard des gènes chez les mouches des fruits. Grâce à ces criblages de mutations, les scientifiques ont identifié un grand nombre de gènes contrôlant chaque étape du processus de développement.

En 2007, un consortium international de scientifiques a commencé à travailler sur la création d’une collection de souris dans laquelle chaque gène, un chez chaque souris, est supprimé ou « knock-out ». Le phénotype de chacune de ces souris est actuellement en cours de caractérisation et nous donnera le premier catalogue de la fonction de tous les gènes chez un mammifère.

Maintenant que nous avons passé en revue les racines du domaine, examinons quelques questions clés auxquelles les généticiens du développement tentent de répondre.

Certains chercheurs se concentrent sur les événements précoces lors de la transformation des ovules fécondés, ou zygotes, en embryons multicellulaires. Ces événements dépendent des ARN et des protéines qui sont déposés dans l’œuf par la mère, dans un phénomène connu sous le nom de « contribution maternelle » ou « effet maternel ». Les scientifiques s’intéressent à savoir comment le génotype d’une mère influence le phénotype d’un embryon.

Une autre question centrale en génétique du développement est la suivante : comment des cellules génétiquement identiques adoptent-elles des destins cellulaires différents ? Les scientifiques identifient les nombreux facteurs qui contrôlent l’expression différentielle des gènes entre les différentes cellules, y compris les voies de signalisation qui indiquent à la cellule quels gènes exprimer et quand les exprimer au cours du développement.

Enfin, les scientifiques se demandent également comment l’embryon précoce, une masse amorphe de cellules, se transforme en un organisme complexe avec des parties fonctionnelles distinctes. La formation de ce plan corporel s’appelle la morphogenèse, et les scientifiques tentent d’identifier les gènes et les voies qui régissent ce processus.

Maintenant que vous connaissez certaines des questions que se posent les généticiens du développement, passons en revue les techniques qu’ils utilisent pour répondre à ces questions.

Les scientifiques peuvent étudier le rôle de gènes spécifiques dans le développement en perturbant leur expression. Une façon d’y parvenir est d'« inactiver » le gène dans l’ADN de l’organisme en introduisant des mutations ou en le remplaçant par de l’ADN non fonctionnel. Alternativement, l’expression des gènes peut être « désactivée » en introduisant des oligonucléotides qui se lient aux séquences d’ARNm cibles et empêchent la production de protéines fonctionnelles.

Pour identifier les gènes responsables de phénotypes particuliers, les scientifiques peuvent effectuer des criblages génétiques. Dans un dépistage génétique avancé, les mutations sont générées aléatoirement dans les organismes par des radiations ou des produits chimiques appelés mutagènes. Lorsqu’un mutant présente un phénotype d’intérêt, le gène inconnu qui a été muté peut alors être identifié. L’approche opposée est un criblage génétique inverse, où les scientifiques ciblent d’abord un grand nombre de gènes candidats spécifiques pour la perturbation, puis examinent les phénotypes résultants des mutants.

Enfin, les biologistes s’intéressent également à la détermination de l’expression des gènes à différents stades de développement. L’un des outils permettant de mesurer l’expression des gènes est la puce à puce, qui est une puce parsemée d’oligonucléotides contenant des séquences des gènes à tester. Dans une expérience typique, l’ARN extrait d’organismes à deux stades de développement différents est utilisé pour générer deux ensembles différents de sondes marquées par fluorescence, qui sont ensuite hybridées à la puce. Les changements dans l’expression des gènes peuvent ensuite être interprétés à partir du signal fluorescent à chaque point de la puce.

En gardant ces techniques expérimentales à l’esprit, voyons comment les chercheurs les appliquent pour étudier la génétique du développement.

Les scientifiques effectuent des criblages génétiques à grande échelle dans des organismes modèles, tels que C. elegans, pour rechercher des gènes qui affectent le développement. Cela se fait généralement par interférence ARN, ou ARNi, un processus par lequel les gènes sont réduits au silence à l’aide de petites molécules d’ARN. Ici, les scientifiques ont nourri des vers avec des bactéries contenant une banque d’ARNi conçue contre un grand nombre de gènes de vers, et ont analysé l’effet de l’inactivation des gènes sur le développement des animaux.

D’autres chercheurs effectuent des criblages génétiques précoces en utilisant la mutagenèse aléatoire pour identifier les phénotypes de développement. Dans cette expérience, les chercheurs ont utilisé la technique du piège à gènes pour mutagéniser des embryons de poisson-zèbre, où une construction rapporteure est ciblée au hasard sur des introns de gènes et les rend non fonctionnels. Les scientifiques peuvent alors facilement identifier les animaux chez lesquels le gène est perturbé avec succès en recherchant le signal rapporteur, et ceux qui présentent un défaut de développement peuvent faire identifier le gène responsable.

Enfin, l’expression génique de différents types de cellules dans un organisme en développement peut être profilée par des microréseaux pour identifier quels gènes sont activés ou désactivés lors de la différenciation et de la spécialisation cellulaires. Dans cette étude, des cellules neuronales uniques de différents types de cellules ont été isolées de la rétine en développement. L’ARN a ensuite été extrait de ces cellules pour une analyse sur puce afin d’identifier les gènes qui jouent un rôle dans le développement de chaque type de cellule spécifique.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la génétique du développement. Cette vidéo passe en revue certains faits saillants historiques de ce domaine, les grandes questions posées par les généticiens du développement, quelques-unes des principales méthodes actuellement utilisées dans les laboratoires et les applications spécifiques de ces approches à l’étude de la biologie du développement. Comme toujours, merci d’avoir regardé !