Paris, 12 mai 2011

Comment les abeilles adaptent-elles leur vitesse pour éviter les obstacles ?
A l'inverse des humains, les abeilles sont dotées d'une vision dorsale leur permettant d'esquiver les obstacles situés au-dessus de leur tête. Cette vision dorsale participe-t-elle au contrôle de leur vitesse ? Eh bien oui ! L'abeille se révèle capable d'ajuster sa vitesse en fonction des distances qui la séparent des obstacles, y compris dorsaux. Cela lui est possible grâce au défilement visuel perçu, notamment au-dessus de sa tête. C'est ce que viennent de démontrer expérimentalement des bioroboticiens de l'Institut des sciences du mouvement (CNRS / Université de la Méditerranée). Pour parvenir à ces résultats, les chercheurs ont, au préalable, modélisé la navigation en vol de cet insecte dans les trois dimensions. Leurs travaux sont publiés le 12 mai 2011 dans la revue PLoS One.
Comment une créature aussi minuscule que l'abeille, dont le cerveau est plus petit que celui d'un oiseau, parvient-elle à contrôler son vol et ainsi, à éviter les obstacles en vol ou au sol ? On sait aujourd'hui que les prouesses sensori-motrices de ces miniatures volantes reposent sur un système nerveux composé de cent mille à un million de neurones. Lorsque l'insecte vole au-dessus du sol, l'image de l'environnement défile d'avant en arrière dans son champ visuel, créant ainsi un flux optique défini comme la vitesse angulaire à laquelle défilent les contrastes présents dans l'environnement. Par définition, ces flux optiques sont fonction du rapport entre la vitesse et les distances aux surfaces.

Pour prédire le vol des abeilles, les chercheurs ont conçu, il y a un an, un modèle de simulation appelé ALIS. A partir de données essentiellement visuelles (objets présents, déplacement de ces objets…), ce dispositif permet après traitement informatique, de reproduire les trajectoires des insectes. Ces spécialistes en biorobotique ont ensuite construit une chambre de vol aux formes géométriques complexes que les abeilles butineuses ont appris, petit à petit, à traverser pour aller récolter une récompense d'eau sucrée. Cette chambre est dotée de plusieurs rétrécissements où le sol et le plafond, puis les parois latérales se rapprochent. Les chercheurs ont ainsi observé que l'abeille diminue sa vitesse proportionnellement à la section minimale de la chambre de vol, que la section minimale soit horizontale ou bien verticale. Autrement dit, l'animal ralentit sa vitesse de vol dès lors qu'un obstacle se rapproche. Sa vitesse dépend de l'encombrement de son champ visuel et donc de la distance aux obstacles. Ce comportement est parfaitement prédit en simulation par le modèle ALIS : les trajectoires d'abeille volant dans la chambre de vol correspondent parfaitement aux trajectoires d'insecte virtuel prédites par modélisation.

Les scientifiques proposent l'existence de régulateurs qui maintiennent les flux optiques, en d'autres termes les rapports vitesse/distances perçus visuellement, à des valeurs constantes. Ainsi, si l'insecte vole dans un environnement qui devient de plus en plus encombré, son « régulateur automatique » le contraindrait à diminuer sa vitesse de manière à maintenir constant le rapport vitesse/distances. Le modèle de « régulateur de flux optique » permet de comprendre comment une abeille parvient à voler sans jamais avoir besoin de mesurer ni sa vitesse, ni sa position par rapport aux parois. Elle s'affranchit ainsi des capteurs de l'aéronautique traditionnelle, comme les radars doppler qui délivrent la vitesse par rapport à sol. Ces capteurs ultra-précis présentent l'inconvénient d'être encombrants, onéreux et gourmands en énergie. Ces travaux illustrent le double enjeu, fondamental et appliqué, de la biorobotique et pourraient trouver des applications dans l'aérospatial, tant sont cruciales les phases où un avion vole en environnement confiné.

DOCUMENT            CNRS          LIEN

Paris, 3 janvier 2012

Notre système endocrinien a de la mémoire !
Quand on vous parle de mémoire, vous pensez au cerveau ! Peut-être aussi à notre système immunitaire qui garde en mémoire certaines informations pour réagir de manière plus efficace lorsqu'un virus ou une bactérie nous infecte une deuxième fois. Mais auriez-vous imaginé que nos glandes endocrines se souviennent également de certaines choses ? A l'instar du cerveau, une équipe de chercheurs de l'Inserm et du CNRS dirigée par Patrice Mollard à l'Institut de génomique fonctionnelle1(Montpellier) vient de montrer, chez la souris, que les cellules endocrines hypophysaires qui régulent la lactation s'organisent en réseau lors d'un premier allaitement. Ce réseau est alors conservé, comme « mis en mémoire » pour être encore plus opérationnel lors de l'allaitement d'une seconde portée. C'est la première fois qu'une forme de mémoire dans le système endocrinien est mise en évidence.
Ces travaux font l'objet d'un article publié dans la revue Nature communications datée du 3 janvier 2012.
La plasticité des systèmes biologiques permet à des organismes de modifier dynamiquement leur physiologie de façon à s'adapter aux conditions environnementales existantes. Au niveau cellulaire, ce processus est associé habituellement au système immunitaire ; au niveau tissulaire, il a été caractérisé il y a plusieurs années dans le cerveau et est au cœur d'une intense recherche en neurobiologie.
En dehors de ces deux systèmes permettant de garder en mémoire des informations à long terme, rien n'indiquait que d'autres cellules pouvaient fonctionner de façon similaire.
L'hypophyse est un organe qui constitue un modèle idéal pour vérifier cette hypothèse car elle comprend des populations distinctes de cellules endocrines organisées en réseaux et qui régulent une multitude de fonctions physiologiques par la sécrétion de différentes hormones.
L'équipe de Patrice Mollard à Montpellier a travaillé avec celle de Paul Le Tissier à Londres (NIMR-MRC2) afin de déterminer si les réseaux de cellules endocrines possèdent des capacités de mémorisation. Ils ont pris comme modèle les cellules qui sécrètent la prolactine (l'hormone de la lactation). La sécrétion de prolactine commande un éventail de réponses cruciales pour permettre de nourrir des souriceaux, comprenant la production de lait.

DOCUMENT            CNRS          LIEN

Paris, 29 janvier 2012

Le gardien de l'horloge biologique en cause dans le diabète
Depuis quelques années, on sait que les troubles du sommeil augmentent le risque de devenir diabétique. Une équipe franco-britannique coordonnée par Philippe Froguel du laboratoire Génomique et maladies métaboliques (CNRS /Université Lille 2/Institut Pasteur de Lille, Fédération de recherche EGID) (1), en collaboration avec l'équipe de Ralf Jockers (Institut Cochin, CNRS/Inserm/Université Paris Descartes, Paris), vient d'établir la responsabilité d'un gène clé de la synchronisation du rythme biologique dans le diabète de type 2. Les chercheurs lillois ont montré que des mutations du gène du récepteur de la mélatonine, l'hormone de la nuit qui induit le sommeil, augmentent près de 7 fois le risque de développer un diabète. Publiés le 29 janvier 2012 dans Nature Genetics, ces travaux pourraient déboucher sur de nouveaux médicaments pour soigner ou prévenir cette maladie métabolique.
Le diabète le plus fréquent est celui de type 2. Caractérisé par un excès de glucose dans le sang et une résistance croissante à l'insuline, il touche 300 millions de personnes dans le monde, dont 3 millions en France. Ce chiffre devrait doubler dans les prochaines années du fait de l'épidémie d'obésité et la disparition des modes de vie ancestraux. Lié à une alimentation riche en graisses et glucides, ainsi qu'au manque d'activité physique, on sait aussi que certains facteurs génétiques peuvent favoriser son apparition. Par ailleurs, plusieurs études ont montré que des troubles de la durée et la qualité du sommeil sont aussi des facteurs à risque importants. Par exemple, les travailleurs faisant les « trois huit » ont plus de risques de développer la maladie. Jusqu'à présent, aucun mécanisme reliant le rythme biologique et le diabète n'avait été décrit.

Les chercheurs se sont intéressés au récepteur d'une hormone appelée mélatonine, produite par la glande épiphyse (2)  lorsque l'intensité lumineuse décroit. Cette hormone, aussi connue sous le nom d'hormone de la nuit, est en quelque sorte le « gardien » de l'horloge biologique : c'est elle qui la synchronise avec la tombée de la nuit. Les chercheurs ont séquencé le gène MT2 qui code pour son récepteur chez 7600 diabétiques et sujets présentant une glycémie normale. Ils ont trouvé 40 mutations rares qui modifient la structure protéique du récepteur de la mélatonine. Parmi ces mutations, 14 rendaient non fonctionnel ce récepteur. Les chercheurs ont alors montré que chez les porteurs de ces mutations, qui les rendent insensibles à cette hormone, le risque de développer le diabète est près de sept fois plus élevé.

On sait que la production d'insuline, l'hormone qui contrôle le taux de glucose dans le sang, décroit durant la nuit afin d'éviter que l'individu ne souffre d'une hypoglycémie. En revanche, durant le jour, la production d'insuline reprend car c'est le moment où l'individu s'alimente et doit éviter l'excès de glucose dans le sang. Le métabolisme et le rythme biologique sont intrinsèquement liés. Mais ces résultats sont les premiers à démontrer l'implication directe d'un mécanisme de contrôle des rythmes biologiques dans le diabète de type 2.

Ces travaux pourraient déboucher sur de nouveaux traitements du diabète à visées préventive ou curatrice. En effet, en jouant sur l'activité du récepteur MT2, les chercheurs pourraient contrôler les voies métaboliques qui lui sont associées . Par ailleurs, ces travaux démontrent l'importance du séquençage du génome des patients diabétiques afin de personnaliser leur traitement. En effet, les causes génétiques du diabète sont nombreuses et l'approche thérapeutique devrait être adaptée aux voies métaboliques touchées par une dysfonction chez chaque patient.

DOCUMENT             CNRS             LIEN

Paris, 17 janvier 2012

Récepteur de la vitamine D : première observation 3D en intégralité
Pour la première fois, une équipe de l'Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (IGBMC, Université de Strasbourg/CNRS/Inserm) a réussi à photographier en entier, en 3D et à haute résolution (1), une petite molécule vitale, enfermée au cœur de nos cellules : le récepteur de la vitamine D (VDR). Publiée le 18 janvier 2012 dans la revue The EMBO Journal, cette étude apporte des informations clefs sur la structure 3D et le mécanisme d'action du récepteur au niveau moléculaire. Ces données sont cruciales pour la recherche pharmaceutique, le VDR étant impliqué dans de nombreuses maladies, comme les cancers, le rachitisme et le diabète de type 1.
Appartenant à ce que les biologistes appellent « la grande famille des récepteurs nucléaires », des protéines actives dans le noyau des cellules, dont font aussi partie les récepteurs « stéroïdiens » (récepteurs aux hormones sexuelles, etc.), le récepteur de la vitamine D (VDR pour vitamine D receptor) joue un rôle primordial. Il régule l'expression de gènes impliqués dans diverses fonctions biologiques vitales (croissance des cellules, minéralisation des os,...).

Jusqu'ici, les chercheurs n'avaient pu étudier de près que deux parties de ce récepteur : la région en interaction avec l'ADN et le domaine liant la vitamine D. Ces deux morceaux avaient été produits en laboratoire et leur structure étudiée individuellement avec la technique de cristallographie. Cette méthode n'avait pas permis de visualiser le VDR en entier car il s'est avéré difficile à cristalliser.

Pour relever ce défi - qui mobilise plusieurs équipes dans le monde depuis plus de 15 ans -, les groupes de Bruno Klaholz et de Dino Moras, tous deux directeurs de recherche CNRS à l'IGBMC, ont utilisé une technique innovante : la cryo-microscopie électronique (cryo-ME), qui nécessite un microscope électronique de dernière génération, dit « à haute résolution ». Ce bijou de technologie permet de visualiser des objets biologiques à l'échelle moléculaire, voire atomique. En France, le premier a été installé en 2008 à l'IGBMC (2). Avant ces travaux, beaucoup pensaient impossible l'étude du VDR avec la cryo-ME. En effet, jusqu'ici, les plus petites molécules visualisées avec cette technique pesaient plus de 300 kilodaltons (3) (kDa), voire quelques milliers de kDa, soit beaucoup plus que le VDR, qui pèse 100 kDa et mesure tout juste 10 nm (10 x 10-9 m).

Concrètement, Bruno Klaholz et ses collègues ont produit en laboratoire de grandes quantités du récepteur VDR humain dans des bactéries Escherichia coli (l'un des modèles les plus utilisés en biologie pour produire des protéines). Puis ils ont isolé le récepteur dans une solution physiologique contenant de l'eau et un peu de sel. L'échantillon contenant le VDR a ensuite été congelé en le plongeant dans de l'éthane liquéfié, ce qui permet un refroidissement extrêmement rapide (en une fraction de seconde, l'échantillon passe de 25°C à environ -184°C). Il a fallu, enfin, prendre 20 000 photos de particules du VDR dans différentes orientations à l'aide du microscope. Ce sont ces images qui, alignées et combinées grâce à un programme informatique, ont fourni, au final, une reconstruction en 3 D du VDR.

Cette image apporte des informations inédites sur le fonctionnement du récepteur. Elle révèle que le VDR et son partenaire RXR (récepteur du rétinoïde X, un dérivé de la vitamine A) forment une architecture ouverte, avec le domaine de liaison de la vitamine D orienté presque perpendiculairement au domaine de liaison à l'ADN (voir figure ci-dessous). Cette structure suggère une coopération entre les deux domaines, qui agiraient ensemble pour induire une régulation très fine de l'expression des gènes cibles.

Pionnier, ce travail ouvre la voie à l'étude de plusieurs autres récepteurs nucléaires vitaux encore mal étudiés. Notamment, les biologistes pensent désormais à utiliser la cryo-ME pour révéler la structure des récepteurs stéroïdiens.

DOCUMENT           CNRS          LIEN