Un programme informatique capable de détecter et d’identifier automatiquement des lésions cérébrales

COMMUNIQUÉ | 11 JUIN 2018 - 11H05 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

NEUROSCIENCES, SCIENCES COGNITIVES, NEUROLOGIE, PSYCHIATRIE | TECHNOLOGIE POUR LA SANTE




La radiologie du futur viendra-t-elle du machine learning ? C’est en tous cas ce que pensent des chercheurs de l’Inserm et d’Inria qui travaillent en collaboration au sein d’Univ. Grenoble Alpes et qui ont développé un programme capable de localiser et de diagnostiquer différents types de tumeurs cérébrales par analyse d’images d’IRM. Ces analyses ont montré des résultats de haute fiabilité avec 100% de localisations exactes et plus de 90% de diagnostics corrects du type de tumeurs. Cette méthode innovante et ses résultats font l’objet d’une étude publiée dans la revue IEEE-TMI.

L’IRM, ou imagerie par résonance magnétique, est la technique d’imagerie médicale de référence dans l’obtention d’images très détaillées du cerveau car elle permet de mettre en évidence de nombreuses caractéristiques des tissus cérébraux.  L’IRM peut produire des images dites quantitatives, c’est-à-dire qui cartographient chacune un paramètre mesurable du cerveau (par exemple le débit sanguin, le diamètre vasculaire…). Bien que la qualité de ces images quantitatives soit plus indépendante du calibrage des appareils de mesure que celle des images classiques obtenues par IRM et qu’elle soit donc plus fiable, ce type de technique est encore peu utilisé en IRM clinique.
C’est sur des protocoles d’exploitation de ces images quantitatives que travaillent des chercheurs de l’Inserm en collaboration avec une équipe de recherche de d’Inria au sein d’Univ. Grenoble Alpes. Les chercheurs ont combiné différents outils mathématiques innovants, pour apprendre à un programme informatique à analyser les images quantitatives issues d’IRM cérébraux et à diagnostiquer d’éventuelles tumeurs.

Dans un premier temps, le programme a appris à reconnaître les caractéristiques de cerveaux en bonne santé. Confronté ensuite à des images de cerveaux atteints de cancers, il est ainsi devenu capable de localiser automatiquement les régions dont les caractéristiques divergent de celles des tissus en bonne santé et d’en extraire les particularités.
Enfin, pour apprendre à l’intelligence artificielle à discriminer les différents types de tumeurs, les chercheurs lui ont ensuite indiqué le diagnostic associé à chacune des images de cerveaux malades qui lui avaient été présentées.
Afin de tester les capacités du programme à différencier les tissus sains des tissus pathologiques, l’équipe de recherche lui a fourni des images qui lui étaient inconnues, issues tantôt de cerveaux en bonne santé, tantôt de cerveaux malades. Le programme devait indiquer si une tumeur était présente dans ces images et être capable de la caractériser. Et l’intelligence artificielle s’est montrée très bonne élève en réussissant à localiser parfaitement (100%) les lésions et à les diagnostiquer de façon très fiable (plus de 90%).

« Aujourd’hui, l’obtention d’images quantitatives ne correspond pas à ce qui se fait en routine clinique dans les services d’IRM », précise Emmanuel Barbier, chercheur Inserm responsable de l’étude. « Mais ces travaux montrent l’intérêt d’acquérir ce type d’images et éclairent les radiologues sur les outils d’analyse dont ils pourront disposer prochainement pour les aider dans leurs interprétations. »

D’ici là, l’équipe de recherche va s’intéresser aux images les plus pertinentes à acquérir pour diagnostiquer le plus finement et avec la plus grande fiabilité possible les tumeurs cérébrales. Elle va donc poursuivre le développement des outils mathématiques destinés à l’amélioration des capacités d’auto-apprentissage de ce programme ; l’objectif à terme étant de parvenir à étendre le potentiel diagnostique de cette intelligence artificielle à d’autres pathologies cérébrales, telles que Parkinson.
Ces outils de machine learning par IRM quantitative appliqués aux tumeurs cérébrales sont actuellement en cours d’évaluation dans le cadre du Plan Cancer porté par l’Inserm, au sein du Programme Hétérogénéité Tumorale et Ecosystème.

Leur développement dans le cadre du diagnostic de la maladie de Parkinson est également en cours via le projet pluridisciplinaire NeuroCoG sur financement IDEX de l’Université Grenoble Alpes.

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Début de la vie : comment la symétrie entre en jeu ?

COMMUNIQUÉ | 04 JANV. 2016 - 14H49 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

BIOLOGIE CELLULAIRE, DÉVELOPPEMENT ET ÉVOLUTION
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La première division embryonnaire, qui suit la fusion des gamètes (ovule et spermatozoïde), lance le développement d’un nouvel individu, la genèse d’un organisme adulte fonctionnel. Cette division est symétrique chez l’embryon au stade 1-cellule (aussi appelé zygote) ; elle donne lieu à la formation de deux cellules filles de taille identique. A l’inverse, elle est asymétrique chez l’ovule, qui a pourtant la même taille, et la même forme que l’œuf. Pourquoi ? Qu’est-ce qui oriente le zygote vers une division symétrique alors que l’ovule se divise au cours de la méiose de manière asymétrique ? Telles sont les questions que se sont posées Marie-Emilie Terret, chercheuse à l’Inserm, et Marie-Hélène Verlhac, chercheuse au CNRS et directrice de l’équipe Divisions asymétriques ovocytaires au Centre interdisciplinaire de recherche en biologie (Inserm/CNRS/Collège de France)[1]. En combinant biologie, physique et mathématiques, les chercheuses ont réussi à montrer, chez la souris, la mécanique de régulation qui détermine en un temps très court la géométrie et donc la destinée (division symétrique ou asymétrique) de la cellule. Les éléments issus de ces travaux pourraient dans le futur contribuer à améliorer l’efficacité de la fécondation in vitro.

Le détail de ces résultats est publié aujourd’hui dans la revue Nature communications.
 
L’embryon au stade 1-cellule ressemble énormément à un ovule : c’est une cellule ronde, isolée, d’une taille proche de celle de l’ovule. La géométrie de division d’une cellule est déterminée par la position du fuseau de microtubules, machinerie qui transporte et sépare les chromosomes. Dans la plupart des cellules animales, les centrosomes organisent le réseau de microtubules, essentiel à la formation et au positionnement du fuseau de division. Or, les ovules et zygotes sont dépourvus de centrosomes. Une différence majeure entre ces deux types de cellules réside cependant dans la géométrie de leurs divisions. En effet, les ovules se divisent de manière extrêmement asymétrique en taille au cours de la méiose, permettant la formation principale d’un énorme ovule unique et l’expulsion de « globules polaires » contenant le matériel génétique excédentaire. Le zygote au contraire se divise de manière parfaitement symétrique, conduisant à la formation de deux cellules filles de tailles identiques.

(Consulter  le  LIEN )

Ovule et embryon de souris au stade 1-cellule. Les images du haut montrent les réseaux d’actine, celles du bas les fuseaux de microtubules avec les chromosomes alignés.
(c) Marie-Emilie Terret
La géométrie de la division est déterminée par la position du fuseau de microtubules : excentrée dans les ovules, centrée chez les zygotes. L’équipe Divisions asymétriques ovocytaires a montré précédemment que le positionnement excentré du fuseau de division dans l’ovule dépend de la mécanique de réseaux d’actine. Dans le travail publié ce jour, l’équipe de chercheurs montre que la localisation centrée du fuseau de division chez le zygote est due également à la mécanique de réseaux d’actine, mais régulée différemment.
Trois étapes sont nécessaires à cette division symétrique :
1.Le centrage grossier des pronoyaux mâles et femelles, nécessitant un réseau d’actine et la myosine-Vb.
2.Le centrage fin du fuseau de division requérant une forte rigidité de l’ovocyte.
3. Le maintien passif du fuseau au centre de la cellule.
La mécanique de réseaux d’actine/myosine permet donc de passer d’une division asymétrique à une division symétrique, changement de géométrie requis pour la transition ovule-embryon.
 
L’équipe de recherche formule déjà des hypothèses quant au mode d’action de l’actine, qui intervient dans les caractéristiques physiques de la membrane paroi de la cellule (rigide ou molle), celles-ci influant sur la géométrie de la division.« Nos prochains travaux porteront sur l’étude plus fine des interactions entre actine et microtubules pour tenter de comprendre leurs rôles respectifs sur l’architecture de la cellule au moment de sa division, et les potentielles interventions d’autres protéines intermédiaires », explique Marie-Emilie Terret.

Mieux comprendre les caractéristiques physiques et le comportement de l’ovule, fécondé ou non, pendant sa division apportera potentiellement de nouveaux éléments utiles pour la procréation médicalement assistée. Lors de la fécondation in vitro (FIV) par exemple, la température de conservation des ovocytes pourrait avoir un impact sur la qualité des réseaux d’actine, et par conséquent affecter la division, et donc la formation d’un zygote.

Accroître l’efficacité de la FIV pourrait donc représenter un objectif à long terme pour cette équipe de recherche, une des seules en France à travailler sur cette thématique.

[1] En collaboration avec des chercheurs du Laboratoire analyse et modélisation pour la biologie et l’environnement (CNRS/CEA/Université d’Evry Val d’Essonne/Université de Cergy Pontoise), du Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (CNRS/UPMC), du Laboratoire Physico-chimie Curie (CNRS/Institut Curie/UPMC).

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Acide aminé : petite molécule, unité élémentaire des protéines. Au nombre de vingt, ils possèdent à la fois des fonctions chimiques identiques et chacun une partie qui lui est propre, le distinguant des autres et le rendant de ce fait potentiellement porteur d'information.

Acide nucléique : terme désignant une substance constituée d'un enchaînement linéaire de nucléotides. Il en existe deux catégories : les acides désoxyribonucléiques (ADN) et les acides ribonucléiques (ARN).

Acides gras : composés entrant dans la composition des lipides. Les acides gras interviennent dans la constitution de certaines hormones et dans le transport du cholestérol. Ils sont présents dans les membranes plasmiques et contribuent à une grande partie de la production d’énergie.

Acromégalie : maladie due à une hypersécrétion d'hormone de croissance qui entraîne un développement important (taille plus grande) de certaines parties du corps (main, pied, visage).

ADN : abréviation d’Acide DésoxyriboNucléique. Cette molécule, de structure hélicoïdale, est plus ou moins longue selon les espèces (cyclique chez les bactéries, finie chez les organismes pluricellulaires). Elle se compose d’un unique ou de deux brins appariés. Elle est classiquement composée de quatre paires de bases azotées : adénine associée à la thymine, et cytosine associée à la guanine. Sa longueur est exprimée en nombre de bases.

ADNc : ADN "complémentaire", copie d'un gène dépourvue des introns (séquences non codantes) de ce gène.

Agoniste : substance qui se lie à un récepteur et qui déclenche sa réponse.

Allèle : une des différentes formes que peut prendre un même gène. Les allèles occupent la même position (locus) sur les chromosomes homologues.

Allergène : substance qui déclenche ou favorise l'allergie, ensemble de réactions inadaptées ou excessives du système immunitaire de l'organisme, suite à un contact, une infection, une ingestion ou une inhalation.

Amplification génique : dite aussi PCR ("polymerase chain reaction"). Technique permettant de recopier de manière exponentielle un fragment d'ADN, grâce à l'utilisation d'une enzyme (polymérase).

Angiogenèse : développement de nouveaux vaisseaux sanguins par bourgeonnement à partir de vaisseaux existants.

Antagoniste : dite aussi PCR ("polymerase chain reaction"). Technique permettant de recopier de manière exponentielle un fragment d'ADN, grâce à l'utilisation d'une enzyme (polymérase).

Anticorps : molécules de défense de l'organisme, protéines (immunoglobulines) fabriquées par les lymphocytes (globules blancs du sang), en réponse à la présence d'un corps étranger, l'antigène.

Antigène : molécule étrangère à l'organisme, qui déclenche une réaction de défense (réponse immunitaire) de ce même organisme, caractérisée par la production d'anticorps.

Antioncogène : ou encore gène suppresseur de tumeur, gène dont la fonction est d'empêcher l'emballement de la division cellulaire (cas du gène P53).

Apoptose : mort cellulaire programmée (selon un programme génétique établi). C'est une composante normale du développement d'un organisme multicellulaire, qui aboutit à la mort de cellules particulières, à certains endroits, à un moment précis. L’apoptose sert notamment à éliminer les cellules "usées".

ARN : Acide RiboNucléique, molécule servant à transférer les instructions génétiques inscrites dans l'ADN du noyau vers le cytoplasme (chez les eucaryotes), où ces instructions sont exécutées par la cellule. L'ARN est également formé par un enchaînement précis de nucléotides.

ARNm : acide ribonucléique messager, forme sous laquelle le message génétique codé dans les gènes est transféré du noyau vers le cytoplasme. Cet ARN est une sorte de "copie" d'un gène, destinée à être utilisée, dans le cytoplasme, comme modèle (par les ribosomes), pour la synthèse d'une protéine.

ARNr : acide ribonucléique ribosomal, l'un des deux constituants des ribosomes.

ARNt : acide ribonucléique de transfert. Courte molécule d'ARN de structure complexe, qui joue un rôle fondamental dans la synthèse des protéines. Il apporte les acides aminés au ribosome.

ATP : adénosine triphosphate molécule de l'énergie.

Bactérie : micro-organisme unicellulaire sans noyau (procaryote) dont le génome est constitué d'ADN circulaire. La bactérie contient un seul chromosome et éventuellement des plasmides.

Bactériophage : virus parasites des bactéries qui peuvent entraîner leur destruction (lyse).

Bases azotées : molécules entrant dans la composition des acides nucléiques (ADN et ARN), ce sont les éléments porteurs de l'information des nucléotides. L'ADN est constitué des 4 bases suivantes : A = adénine ; G = guanine ; C = cytosine ; T = thymine.
L'ARN est constitué des 4 bases suivantes : A = adénine ; G = guanine ; C = cytosine ; U = uracile.

Bicaténaire : qui est constitué de deux chaînes complémentaires. C'est le cas de l'ADN : deux chaînes nucléotidiques complémentaires.

Canaux ioniques: chez les cellules animales et végétales, ce sont de petits pores transmembranaires constitués de protéines qui sont responsables du transport des ions. Les canaux ioniques permettent le transport des ions tels que : Na+, K+, Ca+ ou Cl-. Ils présentent souvent une séléctivité aux ions, permettant à certains ions de passer mais pas à d'autres.

Cancer : le cancer se caractérise par l'apparition de tumeurs malignes constituées par la prolifération anarchique et indéfinie des cellules d'un tissu. Les cellules tumorales sont des cellules transformées suite à des anomalies génétiques. Ces cellules peuvent migrer dans des tissus voisins et y former des métastases.

Caryotype : représentation, formule et ordonnancement (taille) des chromosomes du noyau d'une cellule, obtenus par microscopie ou microphotographie.

Cellule souche : cellule indifférenciée, capable de s'autorenouveler, de se différencier en d'autres types cellulaires et de proliférer en culture. Les cellules souches sont issues soit de l'embryon, soit du foetus, soit de tissus adultes. Elles peuvent aussi être obtenues par transfert de noyau.
Il existe plusieurs types de cellules souches :
-des cellules souches multipotentes (cellules foetales et adultes) capables de donner naissance à plusieurs types cellulaires, comme par exemple les cellules souches myéloïdes de la moelle osseuse qui sont à l'origine des cellules sanguines (érythrocytes, monocytes, granulocytes...).
-des cellules souches pluripotentes (cellules souches embryonnaires ou cellules ES), issues d'un embryon de 5 à 7 jours, capables de donner naissance à plus de 200 types cellulaires représentatifs de tous les tissus de l'organisme
-des cellules souches totipotentes, cellules issues des premières divisions de l'oeuf fécondé (jusqu'au 4eme jour), capables de donner naissance à tous les types de cellules de l'organisme, ce sont les seules à permettre le développement complet d'un individu.

Cellule souche germinale : les cellules souches germinales (diploïdes, 2n) sont des cellules embryonnaires indifférenciées. Elles sont les précurseurs de la lignée germinale. Les cellules souches germinales sont très rapidement isolées des autres cellules embryonnaires avec les cellules à l’origine des gonades. Ces cellules vont se spécialiser en gamètes, spermatozoïdes ou ovules, suivant la nature des hormones en présence.

Cellule totipotente : une cellule totipotente est une cellule indifférenciée, elle peut être à l’origine de n’importe quelle cellule. L’embryon a un stock de cellules totipotentes, qui vont petit à petit se différencier en l’un des 200 types cellulaires que compte le corps humain. L’adulte possède aussi des cellules totipotentes. Elles sont engagées dans la production d'un type cellulaire donné. Par exemple : les cellules souches hématopoïétiques (cellules de la moelle osseuse) renouvellent la population des cellules sanguines, les cellules souches nerveuses susceptibles de générer des cellules du système nerveux.

Centromère : structure particulière du chromosome dont la fonction est d'en assurer la ségrégation lors des divisions cellulaires. Le centromère est le point de fixation du chromosome sur le réseau mitotique.

Chromatides : lors du phénomène d'autoreproduction (durant les mitoses et les méioses) un chromosome donne naissance à deux chromatides qui deviendront ensuite deux nouveaux chromosomes indépendants.

Chromatine : substance de base des chromosomes des eucaryotes, correspondant à l'association de l'ADN et des protéines histones.

Chromosomes : structures différenciées apparaissant dans une cellule en cours de division, sous forme de bâtonnets. Chez les eucaryotes, ils sont situés dans le noyau de la cellule. Constitués d'ADN et de protéines, ils renferment le matériel génétique des cellules. Le génome de la cellule est donc fragmenté entre les différents chromosomes. Ils sont le support de l'hérédité. Ils sont doués du pouvoir d'autoreproduction.

Clonage : multiplication in vitro d'un organisme, d'une cellule souche ou d'un gène, en grand nombre d'exemplaires identiques.

Clone : groupes de cellules ou d'individus issus d'une même unité ancestrale, par simple multiplication végétative. Les membres d'un clone sont en principe (sauf mutations) génétiquement identiques.

CMH : groupes de cellules ou d'individus issus d'une même unité ancestrale, par simple multiplication végétative. Les membres d'un clone sont en principe (sauf mutations) génétiquement identiques.

Code génétique : ensemble des règles de correspondance (code) permettant au message génétique d'être traduit par une cellule. A chaque séquence de trois bases consécutives portées par l'ARN messager, correspond un acide aminé donné et un seul. C'est le code génétique qui permet donc la traduction des messages codés dans le génome en protéines ayant des fonctions bien précises.

Cône de croissance : élargissement situé à l'extrémité d'un prolongement (neurite) de la cellule nerveuse embryonnaire. Le cône de croissance, expansion du neurite, avance d'environ 1 mm par jour et pilote celui-ci vers sa future cible.

Cytocinèse : phase finale de la division cellulaire (une cellule mère donnant deux cellules filles) qui correspond à la séparation physique des deux cellules filles.

Cytokines : "hormones" du système immunitaire, ces molécules polypeptidiques sont produites en réponse à différents stimulus. Elles sont impliquées dans la régulation des fonctions immunitaires, mais aussi dans l'hématopoïèse, l'hémostase. Les plus connues sont les interleukines (IL), les interférons (IFN), les facteurs de croissance hématopoïétiques (CSF), les facteurs de nécrose des tumeurs (TNF).

Cytoplasme : compartiment cellulaire limité par la membrane plasmique. Chez les eucaryotes, le cytoplasme contient de nombreux organites dont le noyau.

Dénaturation : la dénaturation (de l'ADN) est un processus qui consiste à séparer les deux brins complémentaires d'une molécule d'ADN en l'exposant à une température ou un PH élevé. C'est la rupture des liaisons hydrogènes entre les bases qui provoque cette séparation.

Dendrite : arborescence du neurone sous forme de filament court et ramifié servant à recevoir et conduire l'influx nerveux (signal) provenant d'autres cellules nerveuses.

Désoxyribose : sucre, pentose, provenant du ribose et qui a subi la perte d'un atome d'oxygène (désoxygénation). Le désoxyribose entre dans la composition des nucléotides qui constituent l'ADN.

Développement : ensemble des phénomènes ayant cours depuis la cellule œuf jusqu’à la mort d’un organisme. On l’appelle aussi ontogenèse. La partie du développement ayant lieu avant la naissance, ou l’éclosion, est appelée embryogenèse.

Diaphyse : partie moyenne (centrale) dans les os longs.

Différenciation germinale : cette différenciation correspond à la spécialisation des cellules souches embryonnaires, jusqu’alors totipotentes, en cellules sexuelles. Les cellules souches germinales (diploïdes, 2n) subissent une méiose pour donner des cellules germinales, également appelé gamètes (haploïdes). Ces gamètes sont les principaux acteurs de la fécondation.

Diploïde : organisme dont les noyaux des cellules somatiques, possèdent deux jeux de chromosomes (2n).

Dominant : se dit d'un caractère ou d'un allèle qui s'exprime à l'état hétérozygote, c'est-à-dire, lorsqu'il est présent en une seule copie dans le génome. Caractère dominant par opposition à caractère récessif.

Ectoderme : au bout de trois semaines d’existence, les cellules de l’embryon se différencient en trois feuillets embryonnaires : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. La formation de ces différents feuillets résulte de nombreuses migrations cellulaires. Chez l'homme, les cellules de ces différents feuillets sont à l’origine des futurs membres et organes. L’ectoderme correspond à la région dorsale de l’embryon. Il est à l’origine de la peau, des phanères et du système nerveux.

Electrophorèse : cette technique permet de séparer des molécules en fonction de leur taille et de leur charge en utilisant un courant électrique. On peut ainsi analyser et purifier dans un milieu gélifié (gel d'agarose, gel de polyacrylamide..) l'ADN, l'ARN, les protéines.

Embryon : l’embryon correspond à un stade du développement. Il débute à la première segmentation de l’œuf fécondé (zygote). Le stade embryonnaire prend fin, chez la femme, à la huitième semaine de grossesse (gestation).

Endocytose : aussi appelée internalisation, l’endocytose correspond à l’absorption par la cellule de substances extracellulaires qui ne diffusent pas à travers la membrane. Cette ingestion a lieu grâce à l’invagination de la membrane plasmique qui forme ainsi des vésicules d’endocytose.

Endoderme : au bout de trois semaines d’existence, les cellules de l’embryon se différencient en trois feuillets embryonnaires : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. La formation de ces différents feuillets résulte de nombreuses migrations cellulaires. Chez l'homme, les cellules de ces différents feuillets sont à l’origine des futurs membres et organes. L’endoderme correspond à la région ventrale de l’embryon. Il est à l’origine de l’appareil digestif, de l’appareil respiratoire et de certaines parties de l’appareil urinaire.

Endosome : Les endosomes sont des compartiments délimités par une membrane résultant du phénomène d'endocytose après fusion avec les vésicules nées à partir d'une invagination de la membrane plasmique. Ces vésicules transportent des substances prélevées dans le milieu extracellulaire pour la nutrition de la cellule.

Enzyme : protéine (ou ARN) qui catalyse, accélère une réaction biochimique.

Enzyme de restriction : sorte de ciseaux moléculaires servant à couper l'ADN en des sites bien précis, correspondant pour chacune d'elles à une séquence particulière de bases nucléotidiques.

Epigénétique : on parle souvent de modifications épigénétiques. Ces modifications, qui se passent aux niveaux des gènes, se traduisent par une modulation de leur activité. Une des modifications les plus connues est la méthylation (adjonction d'un groupement méthyle).

Epiphyse : partie terminale renflée des os longs, constituée de tissu spongieux.

Epissage : mécanisme permettant à un ARN transcrit à partir d'un gène, de se débarrasser des séquences introniques, pour donner de l'ARN messager (qui sera ensuite traduit en protéine).

Epitope : partie d'un antigène reconnu par un récepteur situé à la surface d'un lymphocyte.

Espèce : au sens biologique du terme, une espèce se définit par l’interfécondité de deux individus mais également par la fécondité de la première génération. Bien entendu, en paléontologie, cette définition est limitée à l’anatomie.

Eubactérie : les eubactéries sont les bactéries dites « vraies », contrairement aux Archaebactéries. Elles possèdent une paroi rigide et comptent 500 espèces.

Eucaryote : les eucaryotes existent sous forme unicellulaire ou pluricellulaire. Les cellules eucaryotes sont caractérisées par la présence d’un noyau contenant l’information génétique.

Evolution : paradigme en vigueur actuellement, selon laquelle, au fur et à mesure des générations, une espèce se modifie.

Exocytose : l’exocytose correspond à la libération des éléments produits par la cellule. Les macromolécules destinées à être exportées sont enfermées dans des vésicules de sécrétion formées par le bourgeonnement de la membrane plasmique.

Exogène : qui provient de l’extérieur de la cellule.

Exon : fragment de gène dont la séquence d'ADN, après transcription se retrouve dans les ARNm maturés. Cette partie du gène est le plus souvent codante.

Expression : on dit d'un gène qu'il "s'exprime" quand il est actif, c'est à dire, quand il est transcrit sous forme d'ARN messager, puis traduit sous forme de protéine.

Facteur de croissance : substances sécrétées (protéines) par différents types de cellules, necessaires à la croissance (prolifération, différenciation..) cellulaire. Font partie de cette famille : l'insuline, la somatotropine (ou hormone de croissance), la prolactine, certaines cytokines....

Fécondation : fusion des cellules sexuelles mâles et femelles (gamètes). La fécondation va permettre la formation d’un œuf fécondé contenant deux lots de chromosomes. Cette nouvelle cellule diploïde est aussi appelée zygote.

Fibroblaste : cellule du tissu conjonctif qui sécrète les composés de la matrice extracellulaire (laminine, fibronectine, collagène...) et les protéines du tissu conjonctif.

Flagelle : prolongement, filament mobile de certaines cellules (bactéries, algues, champignons, spermatozoïdes) qui leur sert d'organe locomoteur.

Gamètes : cellules germinales (reproductrices), ovule ou spermatozoïde, qui lors de la fécondation, fusionnent pour former le zygote (oeuf).

Géne : unité d'hérédité contrôlant un caractère particulier. Cet élément génétique correspondant à un segment d'ADN ou d'ARN (virus), situé à un endroit bien précis (locus) sur un chromosome. Chaque région de l'ADN qui produit une molécule d'ARN fonctionnelle est un gène. Le gène est responsable d'une fonction spécifique, correspondant le plus souvent à la synthèse d'une protéine. Chez les eucaryotes les gènes sont portés par les chromosomes mais aussi par l'ADN extranucléaire, cas des mitochondries et des chloroplastes. Chez les procaryotes, les gènes sont localisés dans un chromosome circulaire et éventuellement dans des plasmides.

Génétique : science de l'hérédité. La génétique étudie les caractères héréditaires des individus, leur transmission au fil des générations et leurs variations (mutations). C'est l'étude de cette transmission héréditaire qui a permis l'établissement des lois de Mendel.

Génome : ensemble du matériel génétique d'un individu. Patrimoine héréditaire d'un individu.

Génomique : science des génomes. La génomique regroupe un ensemble d'analyses qui vont de l'établissement de cartes du génome (cartographie) à l'identification de nouveaux gènes, à l'étude de leurs fonctions et au séquençage des molécules d'ADN. Dans ces analyses, l'informatique joue un rôle important : des logiciels spécialisés permettent, par exemple, de classer les gènes en fonction des homologies (ressemblances) de leurs séquences et donc de leurs fonctions.

Génotype : ensemble des constituants génétiques d'un organisme, qu'ils soient exprimés ou non.

Gliales : les cellules gliales entourent les neurones et participent au contrôle de l'environnement chimique et électrique de ces mêmes neurones.

Glycolipides : les glycolipides font partie de la famille des lipides. Ils ont de nombreux rôles au sein de l’organisme. Ils interviennent notamment dans les mécanismes de reconnaissance des réactions immunitaires et entrent dans la constitution des membranes cellulaires.

Golgi : (appareil de Golgi) organite membranaire du cytoplasme des cellules eucaryotes constitué d'empilement de saccules (un peu comme une pile d'assiettes). Sa fonction principale est de servir de lieu de transit et de réservoir pour les protéines et lipides fabriqués dans le réticulum endoplasmique. Cet appareil fait partie du réseau de membranes internes que les cellules eucaryotes ont mis en place pour effectuer le transport des macromolécules.

Haploïdie : chez les eucaryotes, présence d'un jeu unique de chromosomes dans le noyau.

Haptène : molécule incapable à elle seule, de provoquer la production d'anticorps.

Hélicases : familles d'enzymes capables de dérouler l'hélice de l'acide nucléique (ADN ou ARN).

Hérédité : transfert des caractères d’une génération à une autre par l’intermédiaire des gènes.

Hétérozygote : un individu est hétérozygote pour un gène quand il possède deux allèles différents de ce gène.

Histones : protéines s'associant à l'ADN pour former la structure de base de la chromatine. Les histones jouent un rôle important dans l'empaquetage et le repliement de l'ADN.

Homéogènes : génes régulateurs du développement embryonnaire, découverts chez la drosophile, puis chez le xénope, la souris et l'homme, et qui déterminent le plan de l'organisme (mise en place spatio-temporelle).

Homozygote : un individu est homozygote pour un gène quand il possède deux allèles identiques de ce gène.

Hybridation moléculaire : technique permettant de mettre en évidence au sein d'une cellule ou d'un tissu, une séquence d'acide nucléique, par exemple de localiser un locus sur un chromosome. Elle est basée sur le principe de complémentarité des bases nucléiques, plus particulièrement entre l'ADN et le brin d'ARN de séquence complémentaire. Le brin de séquence complémentaire est aussi appelé sonde et généralement "marqueur" pour le localiser. Il existe donc des "sondes radioactives" et des "sondes froides".

Hyperplasie : prolifération anormale des cellules d'un tissu, il en résulte une augmentation de la taille de ce tissu.

Induction : mécanisme par lequel un tissu embryonnaire est formé sous l'action d'un signal émanant d'un autre tissu.

Influx nerveux : signal électrique parcourant les axones et leurs prolongements (voir neurone), véhiculant un message, qui est ensuite traité au niveau du cerveau.

Insuline : hormone polypeptidique intervenant dans le cycle du glucose. Elle est synthétisée dans le pancréas. Elle permet l'absorption du glucose par les cellules musculaires et les adipocytes. Lorsque sa sécrétion est insuffisante, il y a apparition du diabète. C'est une hormone hypoglycémiante. Son rôle est de maintenir constante la concentration du sang en glucose.

Interférons : protéines naturelles fabriquées par les cellules de l'organisme et qui exercent des effets variés sur les cellules du système immunitaire. Elles activent notamment les macrophages (phagocytose) et possèdent des propriétés antivirales, antiprolifératives et antifibrotiques. Il existe plusieurs types d'interférons : a, b et g.
Les interférons a et b sont produits en réponse à une infection virale (VIH, hépatites).

Interleukines : substances solubles (messagers) sécrétés par les macrophages et certains lymphocytes qui permettent à d'autres cellules du système immunitaire de communiquer entre elles. Elles servent notamment de médiateurs dans les interactions locales entre les leucocytes (globules blancs).

Interphase : période du cycle cellulaire située entre deux mitoses. Pendant l'interphase les chromosomes sont décondensés et distribués dans tout le noyau. Trois phases se succèdent pendant l'interphase : une phase de croissance de la cellule (G1), une phase de réplication de l'ADN (S) et une phase de croissance et de préparation à la mitose (G2). Voir l'animation " cycle cellulaire"

Intron : fragment d'un gène situé entre deux exons. Les introns sont présents dans l'ARNm immature et absents dans l'ARNm mature. Fragment "non codant" du gène.

Ischémie : arrêt ou insuffisance de la circulation sanguine dans une partie du corps ou un organe, qui prive les cellules d'oxygène et entraîne leur nécrose. Les ischémies peuvent être dues à l'obstruction d'un vaisseau (thrombose) ou à la compression d'une artère (sténose). Les infarctus sont consécutifs à des ischémies.

Kinase : une protéine kinase est une enzyme capable de déposer un groupement phosphate sur un site spécifique d’une protéine. Ce mécanisme, appelé phosphorylation, inhibe ou active la protéine. Il a une importance capitale dans de nombreux mécanismes biologiques comme le cycle cellulaire.

Kératinocyte : cellule constitutive de la couche superficielle de la peau (épiderme) et des phanères (ongles, cheveux, poils, plumes, écailles). Elle synthétise la kératine, protéine fibreuse et insoluble dans l'eau, qui assure à la peau sa propriété d'imperméabilité.

Laminines : protéines de la membrane basale des cellules jouant un rôle dans l'attachement et la migration des cellules lors de l'embryogenèse.

Ligand : molécule qui se lie à une protéine jouant le rôle de récepteur. Les hormones, les facteurs de croissance en sont des exemples.

Lipides : ensemble des corps gras. Ils sont constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Les lipides sont insolubles dans l'eau et solubles dans les solvants organiques. Ce sont les des principaux constituants des membranes plasmiques. Les lipides regroupent : les acides gras, les glycérides, les phospholipides, les glycolipides...

Lipoprotéine : association moléculaire formée par des lipides et des protéines. Ces molécules permettent aux lipides, peu solubles dans l'eau, de circuler dans le sang (notamment elles assurent le tansport des triglycérides et du cholestérol).

Liposome : vésicule lipidique artificielle (dont la membrane est constituée d'une ou plusieurs bicouches de lipides) qui possède la capacité d'encapsuler et de protéger, par exemple, des protéines ou du matériel génétique. Cette propriété fait que les liposomes sont utilisés comme vecteurs ou transporteurs en pharmacologie (vectorisation de principes actifs) et en génétique (transfert de gènes).

Locus : emplacement précis d'un gène sur un chromosome.

Lymphocytes : variété de globules blancs du sang. Ils interviennent dans la réponse immunitaire. Ils sont de deux sortes : les lymphocytes B (production d'anticorps) et les lymphocytes T (immunité à médiation cellulaire).

Lysosome : vésicule intracytoplasmique, pourvue d'une membrane, qui contient des enzymes (hydrolases) capables de digérer des molécules intracellulaires.

Macromolécule : Molécule organique de très haut poids moléculaire. Elles sont associées au fonctionnement de la cellule à tous les niveaux : informationnel (mémoire génétique) ,métabolique et structural (organisation cellulaire). On, peut distinguer trois grandes familles de macromolécules : acides nucléiques (ADN et ARN), protéines et glycosaminoglycanes.

Macrophage : cellule d'origine sanguine (monocyte) localisée dans les tissus (foie, poumons, ganglions lymphatiques, rate...) qui possède trois fonctions principales : activité de sécrétion (cytokines...) ; coopération cellulaire (c'est une cellule présentatrice d'antigènes, relation avec les lymphocytes) ; phagocytose (ingestion de bactéries, levures, débris cellulaires...).

Méiose : la méiose est une double division cellulaire. Elle permet de passer d’une cellule à deux lots identiques de chromosomes (cellule diploïde, 2n), à quatre cellules contenant un seul lot de chromosomes (cellules haploïdes, n). Chez les animaux, cette division est à l’origine des gamètes.

Mésoderme : au bout de trois semaines d’existence, les cellules de l’embryon se différencient en trois feuillets embryonnaires : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. La formation de ces différents feuillets résulte de nombreuses migrations cellulaires. Chez l'homme, les cellules de ces différents feuillets sont à l’origine des futurs membres et organes. Le mésoderme correspond à la couche cellulaire médiane, il est compris entre l’endoderme et l’ectoderme. Le mésoderme émet des protéines vers l’ectoderme pour influencer sa différenciation. Il est à l’origine de l’appareil circulatoire, du squelette, du système musculaire, de l’appareil urinaire et de l’appareil reproducteur.

Métabolisme : C’est l’ensemble de toutes les réactions chimiques s’effectuant dans la cellule vivante. On définit le métabolisme par trois fonctions précises :
• L’extraction et le stockage de l’énergie
• La transformation des molécules exogènes en matériaux précurseurs, à la base de la construction de la cellule
• L’assemblage de ces précurseurs en macromolécules indispensables au fonctionnement de la cellule.

Microsatellites : courtes séquences d'ADN des chromosomes formées de la répétition d'un motif lui-même constitué de une à quatre bases. Les plus étudiés sont les répétitions (CA)n. Très polymorphes, ce sont de bons marqueurs pour la cartographie génétique.
Mitochondrie : organites cytoplasmiques des cellules eucaryotes où se déroule la respiration cellulaire, productrice d'énergie.

Mitose : division d’une cellule, dite cellule mère, en deux cellules filles analogues. Ces deux cellules ont une information génétique identique à celle de la cellule mère. La transmission de l’information génétique a lieu grâce à la duplication de l’ADN en deux molécules identiques suivie de la séparation de ces deux molécules d’ADN dans deux cellules filles. La mitose est responsable du renouvellement cellulaire, c’est un phénomène continu composé de quatre étapes (Prophase, métaphase, anaphase et télophase). Elle sinscrit dans le cycle cellulaire.

Molécule : une molécule est un ensemble électriquement neutre. Elle est constituée par un assemblement d’atomes identiques ou différents liés entre eux par des liaisons covalentes. L’ADN et la cellulose sont des molécules.

Monocaténaire : acide nucléique constitué d'une seule chaîne de nucléotides. L'ARN messager est monocaténaire.

Monocyte : globule blanc (leucocyte) du sang produit par la moelle osseuse. Le monocyte est une cellule jeune, lorsqu'il devient agée et qu'en même temps il quitte le sang, il devient un macrophage. Le monocyte intervient dans la phagocytose, l'hémostase (coagulation).

Monomère : unité de bases des polymères.

Morphogenèse : développement des formes d'un organisme au cours de l'embryogenèse.

Motoneurone : cellule nerveuse directement connectée à un muscle et qui commande sa contraction à l'aide d'une impulsion nerveuse (synapse neuromusculaire). Cette cellule peut agir sur un petit ou un grand nombre de fibres musculaires, l'ensemble étant appelé une unité motrice.

Mutation : altération du matériel génétique (ADN ou ARN) d'une cellule ou d'un virus qui entraîne une modification durable de certains caractères du fait de la transmission héréditaire de ce matériel génétique de génération en génération.

Myéline : spirale compacte de membrane plasmique de cellule gliale (oligodendrocyte, cellule de schwann), riche en lipides (70%), qui entoure certains axones en formant une gaine autour de ceux-ci (gaine de myéline). Cette gaine isole les axones les uns des autres et permet d'accroître la vitesse de propagation du message nerveux le long des fibres nerveuses.

Myélome : cancer de la moelle osseuse qui se caractérise souvent par une prolifération des lymphocytes B et entraîne la synthèse d'une immunoglobuline anormale.

Myocytes : cellules du muscle cardiaque (myocarde) qui ont la propriété de se contracter grâce à leurs myofibrilles.

Nanomètre : unité de longueur que l’on utilise pour mesurer l’infiniment petit. Un nanomètre équivaut à 10 –9 mètre.

Neurite : prologement cytoplasmique neuronal en cours d'élongation qui donnera à terme soit un axone soit une dendrite.

Neurone : cellule du système nerveux composée d'un corps neuronal comportant un noyau. Le corps neuronal est entouré de dendrites par lesquelles lui parvient l'information provenant d'autres cellules. Il est prolongé par une sorte de cible, l'axone, par lequel il transmet à distance l'influx nerveux à d'autres neurones ou à d'autres cellules (musculaires, sensorielles...). L'axone possède des prolongements axonaux permettant d'établir des connexions avec d'autres cellules à travers les synapses.

Neurotransmetteur ou neuromédiateur : molécule chimique qui assure la transmission des messages d'un neurone à l'autre, au niveau des synapses. Exemples de neurotransmetteurs : l'acéthylcholine, l'adrénaline, la noradrénaline, la dopamine, la sérotonine, l'histamine, le glutamate, les neuropeptides...

Nucléole : organite présent en nombre variable dans le noyau cellulaire. C'est le lieu de synthèse de l'ARN ribosomique (ARNr) et de l'assemblage des ces ARNr avec des protéines issues du cytoplasme, pour former les sous-unités des futurs ribosomes.

Nucléoside : élément constitutif des acides nucléiques (ADN et ARN) constitué d'une base azotée (purine ou pyrimidine), associée à un sucre (pentose : ribose pour l'ARN et desoxyribose pour l'ADN). Les quatre unités nucléosidiques de l'ADN sont : désoxyadénosine, désoxyguanosine, désoxythymidine et désoxycytidine.

Nucléotide : unité de construction des acides nucléiques, résultant de l'addition d'un sucre (ribose pour l'ARN et désoxyribose pour l'ADN), d'un groupement phosphate et d'une base azotée à l'origine de l'information. Il existe quatre nucléotides différents pour l'ADN : adénine (A), thymine (T), guanine (G), cytosine (C) et quatre nucléotides différents pour l'ARN : uracile (U), guanine (G), cytosine (C), adénine (A).
C'est la succession des bases résultant de l'enchaînement des nucléotides dans l'acide nucléique qui constitue le message génétique.

Organites : éléments différenciés contenus dans les cellules et qui ont des fonctions bien précises. (noyau, chloroplastes, mitochondries)...

Ovogenèse : l’ovaire est le siège de l’ovogenèse. C’est un long processus à l’origine des cellules germinales femelles à un lot de chromosome (gamètes), appelées ovules. L’ovogenèse est réalisée grâce à la méiose subie par les cellules souches germinales (ovogonies).

Ovule : cellule sexuelle (gamète) femelle résultant de la méiose subie par les cellules souches germinales (ovogonies). Cette cellule est fécondable par la cellule sexuelle mâle (spermatozoïde). L’ovule est souvent confondu avec l’ovocyte. L’ovocyte est bloqué en deuxième métaphase de méiose. La pénétration du spermatozoïde dans l’ovocyte permet à la méiose de s’achever. L’ovocyte devient alors un ovule prêt à fusionner son matériel génétique avec celui du gamète mâle.

Pathogénicité : pouvoir d'un organisme (virus, bactéries...), d'une substance à causer une maladie.

Peptide : molécule composée d'un petit nombre d'acides aminés (contrairement aux polypeptides et aux protéines), réunis par des liaisons peptidiques.

Phagocytose : mécanisme qui permet a certaines cellules spécialisées (macrophages, granulocytes neutrophiles) ainsi qu'a certains organismes unicellulaires (protistes) l'ingestion de particules étrangères tels que des bactéries, des débris cellulaires, des poussières... La phagocytose a un rôle important dans la fonction immunitaire, c'est en effet un moyen de défense de l'organisme, notamment lors d'infections bactérienne et parasitaire.

Phénotype : ensemble des caractères observables d'un individu. Le phénotype correspond à la réalisation du génotype (expression des gènes) mais aussi des effets du milieu, de l'environnement.

Phéromones : substance ou mélange de substances intervenant dans la communication chimique, et qui est susceptible de modifier chez un congénère, son comportement ou sa physiologie. Il en existe cinq types principaux : phéromones sexuelles, phéromones grégaires, phéromones de piste, phéromones d'alarme et phéromones d'espacement.

Phospholipides : les phospholipides sont les principaux lipides constituant la membrane plasmique. Ils sont constitués d’une partie hydrophobe et d’une partie hydrophile. Cette particularité permet la formation spontanée de la membrane plasmique (toutes les parties hydrophobes sont au centre de la cellule, les parties hydrophiles sont à l’extérieur).

Pluripotence : capacité que possède une cellule à se différencier en certains autres types cellulaires. C'est le cas, par exemple, des cellules souches myéloïdes de la moelle osseuse qui sont à l'origine des cellules sanguines.

Polymérase : enzyme capable d'enchaîner des nucléotides en polymères d'ADN ou d'ARN (ARN polymérase, ADN polymérase).

Polymère : un polymère est une grande molécule formée par la répétition d’un même motif de base, le monomère. L’indice de polymérisation des polymères est le nombre de fois où le monomère est répété.

Polypeptides : polymères constitués de plusieurs acides aminés. Les protéines sont de longues chaînes polypeptidiques.

Procaryote : une cellule ou un organisme procaryote sont caractérisés par l’absence de noyau. Le matériel génétique des procaryotes est sous forme d’un chromosome unique appelé nucléoïde.

Protéine : une des plus importantes classes de molécules présentes dans tous les organismes vivants et les virus. Elles assurent l'essentiel des fonctions de la cellule (architecture cellulaire, effecteurs au niveau du fonctionnement). On les retrouve sous différentes formes : enzymes, hormones, récepteurs, neurotransmetteurs... Les protéines sont des macromolécules constituées de longues chaînes d'acides aminés (les éléments de base). La protéine est la résultante du message génétique contenu dans un gène, elle est produite lors de la synthèse protéique. Voir l'animation "synthèse des protéines".

Protiste : organisme eucaryote unicellulaire. Exemple : la paramécie.

Proto-oncogène : gène impliqué dans le contrôle de la division cellulaire (stimulation) et dont la mutation est à l'origine de tumeurs (prolifération excessive des cellules).

Radical libre : fragment obtenu par scission d'une molécule et qui possède une très grande réactivité chimique.

Récepteur : protéine, généralement située à la surface des cellules, capable de fixer une molécule informative (médiateurs chimiques, neurotransmetteurs, hormones...) et de convertir ce message extracellulaire en signal intracellulaire, entraînant une réponse de la part de la cellule.

Récessif : se dit d'un caractère ou d'un allèle qui ne s'exprime qu'à l'état homozygote, c'est-à-dire que lorsqu'il est présent en deux copies dans le génome. Caractère récessif par opposition à caractère dominant.

Recombinaison : échange d'information génétique (brin d'ADN) entre deux secteurs différents du génome. Un exemple fréquent se déroule lors de la méiose entre chromosomes homologues ("crossing over").

Régulation : contrôle de l'expression, ou activité, de ce gène.

Ribose : sucre, pentose, qui entre dans la composition des nucléotides qui constituent l'ARN.

Ribosome : organite du cytoplasme de la cellule où se déroule le processus de traduction de l'ARN messager en protéine. Cette fonction est commune à toutes les cellules vivantes.

Séquençage : procédé utilisé pour déterminer l'ordre (la séquence) des acides aminés d'une protéine ou des bases dans les acides nucléiques (ADN et ARN).

Soma : ensemble des cellules non sexuelles d'un organisme vivant.

Spermatogenèse : C’est un long processus à l’origine des cellules germinales mâles à un lot de chromosome (gamètes), appelées spermatozoïdes. La spermatogenèse est réalisée grâce à la méiose subie par les cellules souches germinales (spermatogonies). Le testicule est le siège de la spermatogenèse.

Spermatozoïde : cellule sexuelle (gamète) mâle résultant de la méiose subie par les cellules souches germinales (spermatogonies). Cette cellule est susceptible de féconder le gamète femelle, pour donner un zygote.

Symbiose : relation permanente entre deux organismes d'espèces différentes et qui se traduit par des effets bénéfiques aussi bien pour l'un que pour l'autre.

Synapse : espace entre deux cellules nerveuses qui constitue une aire de jonction par laquelle le message chimique passe d'un neurone à l'autre, entraînant l'excitation ou l'inhibition de ce dernier.

Télomères : extrémités d'un chromosome intervenant dans sa stabilité et dans les processus cellulaires intervenant dans le vieillissement.

Théorie chromosomique de l'hérédité : théorie établie par le généticien Thomas Morgan, affirmant que les gènes sont des éléments matériels portés par les chromosomes.

Thérapie génique : méthode consistant à introduire du matériel génétique (gène) dans les cellules d'un organisme pour y corriger une anomalie (mutation, altération...) à l'origine d'une pathologie. Il s'agit souvent d'apporter un gène normal et fonctionnel dans une cellule où le gène présent est altéré.
Totipotence : capacité que possède une cellule de se différencier en tous les types cellulaires. C'est le cas des cellules souches embryonnaires (embryon de moins de 8 jours).

Traduction : processus permettant la synthèse d'une chaîne polypeptidique (protéine) à partir d'un brin d'ARN messager. La traduction a lieu au niveau des ribosomes.

Transcription : processus permettant la copie de l'ADN en ARN. L'ARN synthétiser peut-être de type ARN messager, de transfert ou ribosomique. C'est la première étape du processus qui permet de passer de l'ADN à la protéine, ou plus concrètement du gène à son produit.

Transgène : gène étranger introduit dans le génome d'un organisme génétiquement modifié.

Transgénèse : technique servant à introduire un gène étranger (transgène) dans le génome d'un organisme, en vue d'obtenir un organisme génétiquement modifié. Pour être réussie la transgenèse nécessite :
-la pénétration du transgène dans les cellules-cibles
-son intégration dans le génome - son aptitude à s'exprimer dans les cellules (production d'une protéine)
-et enfin la possibilité d'obtenir la régénération d'individus entiers à partir de cellules génétiquement modifiée.

Transgénique : animal, plante... dont le génome a été modifié par introduction d'un gène étranger.

Translocation : échange de segments entre deux chromosomes. La myopathie de Duchenne en est un exemple : translocation d'une région du chromosome X sur le chromosome 21.

Vecteur : Molécule d'ADN capable de s'autorépliquer (plasmide, cosmide, ADN viral) dans laquelle on introduit (in vitro) de l'ADN étranger et que l'on utilise ensuite pour faire pénétrer cet ADN dans une cellule hôte.

Virus : particule microscopique infectieuse possédant un seul type d'acide nucléique (ADN ou ARN) qui ne peut se répliquer qu'en pénétrant dans une cellule et en utilisant sa machinerie cellulaire. Les virus sont en général des germes pathogènes.

Vitamines : molécules indispensables au bon développement et au fonctionnement normal de l'organisme, qui ne peut les synthétiser en quantité suffisante. Ces molécules n'ont pas de valeur énergétique et doivent être absorbées quotidiennement à faible dose. Différentes classes de vitamines existent : vitamine A, B, C, D, E, K, PP. Une alimentation équilibrée évite les carences vitaminiques. Quelques cas de carence : vitamine C : scorbut ; vitamine B1 : beri- béri ; vitamine D : rachitisme.

Xénogreffe : on dit aussi hétérogreffe, greffe entre deux individus, un donneur et un receveur, qui appartiennent à deux espèces différentes (exemple, greffe d'un foie de porc sur un homme).

YAC : Chromosome artificiel de levure ("yeast artificial chromosome"). Ce matériel, utilisé pour le clonage de grands fragments d'ADN, a permis notamment l'exploration du génome humain.

Zygote : chez les eucaryotes, c'est le résultat de la reproduction sexuée, l'oeuf, cellule provenant de la fusion des deux gamètes : un ovule et un spermatozoïde.
 
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 L'évolution biologique dans les théories et les faits


 
Hervé LE GUYADER
UMR CNRS 7622,
Laboratoire de biologie du développement
Université Pierre et Marie Curie     
 
 
 " Rien n’a de sens en biologie, si ce n’est à la lumière de l’évolution ". Ce célèbre aphorisme de Theodosius Dobzhansky (1900 – 1975) révèle bien ce qu’est la théorie de l’évolution pour un biologiste, le cadre conceptuel au sein duquel toute donnée scientifique trouve tout son sens.

LES GENES HOMEOTIQUES

Pour illustrer ce fait, prenons l’un des plus beaux exemples de la biologie moderne, celui des gènes homéotiques. Ces gènes particuliers de développement ont tout d’abord été mis en évidence, puis longuement étudiés, chez la drosophile.
Qui s’y intéressait jusqu’au milieu des années 80 ?
Principalement les généticiens et, surtout, les spécialistes de drosophiles. Puis on a découvert que les mêmes gènes (ou plus exactement des gènes homologues) structuraient également le développement antéro-postérieur des vertébrés. L’explication ? Elle est a priori simple : ces gènes ont été hérités d’un ancêtre commun.
Que disent alors les paléontologues ? Que cet ancêtre commun date au bas mot de 540 millions d’années. Subitement, cette dimension temporelle relativise complètement le premier résultat. Ce qui pouvait paraître à certains comme une caractéristique de la drosophile, voire des insectes, acquiert une grande généralité en devenant l’apanage d’une grande partie des animaux (en fait, seulement les bilatériens). La découverte des gènes homéotiques a alors été vulgarisée ; en 1995, Ed Lewis a reçu le Prix Nobel, avec Christiane Nüsslein-Volhard et Eric Wieschaus, un siècle et un an après la définition du concept d’homéose par William Bateson (1861 – 1926). C’est la théorie de l’évolution qui a permis d’appréhender l’importance considérable des gènes homéotiques, et c’est à ce moment qu’on les a popularisés. Pour généraliser cet exemple, toute démarche comparative en biologie ne brille de ses feux qu’à l’intérieur d’un schéma évolutif. En retour, de telles généralisations deviennent les principales preuves de la théorie de l’évolution qui reste le seul cadre conceptuel donnant son unité à l’ensemble de la biologie (paléontologie comprise), quelle que soit la sous-discipline ou le niveau d’organisation.

Reconnaître l’évolution conduit à constater l’existence d’une histoire, sur la Terre, de l’ensemble des organismes vivants. Comprendre l’évolution consiste à déceler les mécanismes qui ont présidé à la structuration actuelle de la biodiversité, en permettant les multiples adaptations des animaux, des végétaux, des organismes unicellulaires, adaptations qui sont parfois d’une telle précision qu’elles semblent défier l’imagination. Il s’agit donc tout à la fois de décrypter la manière dont les organismes se sont modelés dans leurs formes et leurs fonctions, et de rechercher l’origine des nouveautés et des potentialités évolutives. Ainsi les recherches sous-tendues par le concept d’évolution se séparent clairement en deux volets ; les unes visent la reconstruction de l’histoire de la vie, les autres tendent à comprendre les modalités et les processus de l’évolution.

Beaucoup de temps a été nécessaire pour qu’une telle ligne directrice puisse émerger. En effet, au cours de longs tâtonnements, il a fallu de la réflexion, et il a fallu des faits. Petit à petit, les éléments essentiels sont apparus pour donner un cadre conceptuel qui a acquis sa cohérence au milieu du XXème siècle, pour s’enrichir par les résultats les plus récents de la systématique et de la biologie moléculaire.

CLASSER LES ORGANISMES

Il est indispensable de retracer les grandes lignes de l’histoire de cette théorie, afin de comprendre l’émergence difficile de ce cadre conceptuel a priori simple, mais d’une grande complexité dans le détail. Tout a commencé par la volonté de classer les organismes. Les premières classifications du monde vivant ont été de type utilitaire, étant donné que c’était d’un catalogue raisonné dont on avait besoin. Ainsi, en botanique, dès Théophraste (vers 372 – 287 av. J.–C.), on distinguait les arbres, les arbustes, les plantes médicinales, les plantes vénéneuses... De telles classifications, réalisées par les Grecs puis les Romains, perdurèrent jusqu’à la Renaissance, jusqu’à ce que l’on reconnaisse qu’elles n’étaient pas satisfaisantes.
Mais comment faire autrement ? Ce fut tout d’abord un constat d’échec - qui amena certains auteurs à donner une classification par ordre alphabétique -, puis de multiples tentatives (les systèmes et les méthodes), les unes basées sur la morphologie des feuilles ou des racines, d’autres sur la structure des fleurs, d’autres encore sur la nature des graines ou des fruits... Les résultats, bien que sensiblement différents suivant les approches, permettaient dans bon nombre de ces tentatives de retrouver les grandes familles de la botanique. Certains naturalistes, comme le Suédois Carl von Linné (1707-1778), affirmèrent que ce ne pouvait être une simple coïncidence ; il devait exister une classification unique, dite Classification Naturelle, peut-être inaccessible dans sa totalité, mais que l’on retrouvait localement de temps à autre. Il y avait donc bel et bien un "Ordre de la Nature" qui, dans la culture judéo-chrétienne de l’époque, correspondait bien sûr à celui de la création divine. C’est de cette époque que date la hiérarchie des taxons, à savoir pour le monde animal : Règne / Embranchement / Classe / Ordre / Famille / Genre / Espèce.

UNE ECHELLE DES ETRES

Parallèlement, une longue tradition remontant à l’Antiquité défendait l’existence d’une " Échelle des Êtres ", c’est-à-dire l’établissement d’une hiérarchie de l’ensemble des éléments figurés d’origine naturelle, dont les organismes vivants, suivant une complexité croissante. On trouvait en bas de l’échelle les quatre éléments, puis les minéraux, suivis des végétaux ; les animaux étaient rangés selon leur plus ou moins grande ressemblance avec l’Homme : vers, poissons, amphibiens et reptiles, oiseaux et mammifères. L’Homme était bien évidemment au plus haut de l’échelle des êtres matériels,... mais, à une certaine époque, plus bas que les anges et archanges. Au XVIIIème siècle, Gottfried Leibniz (1646 - 1718) popularise cette échelle des êtres, qui va être reprise par Charles Bonnet (1720 - 1793) en biologie. Dès lors, deux conceptions vont interférer, celle de l’Échelle des Êtres et celle de la Classification Naturelle.

LA SUBORDINATION DES CARACTERES

Les progrès vont être très importants quand, avant la Révolution, Bernard de Jussieu (1799-1876) et son neveu Antoine-Laurent (1748-1836) vont définir la notion-clé de subordination des caractères. Ils se rendent compte que, pour déterminer un taxon donné, une classe par exemple, l’idéal est d’avoir un (ou plusieurs) caractère(s) constant(s) à l’intérieur de cette classe et variable(s) dans toutes les autres. Un type de caractère est donc utile à un niveau précis de la classification, certains au niveau de l’ordre, d’autres au niveau du genre... Les caractères sont donc "subordonnés". On peut alors faire un tri parmi les caractères issus de descriptions détaillées, et faire surgir ceux qui sont pertinents d’un point de vue taxinomique, en les hiérarchisant. On pensait avoir trouvé la "Méthode Naturelle" menant à la Classification Naturelle. Si les Jussieu l’appliquent en otanique, dès la fin du XVIIIème siècle, Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) et Georges Cuvier (1769-1832) l’appliquent au monde animal, le premier essentiellement chez les mollusques et les animaux vermiformes, le second chez les vertébrés et pour l’ensemble des animaux.

LA NOTION DE TRANSFORMISME

C’est à ce moment qu’émerge, de façon structurée, la notion de transformisme, c’est-à-dire l’idée que les organismes vivants peuvent se "transformer", suivant le temps. Mais, pour que ce concept puisse être développé de façon pertinente, il faudra démontrer l’inanité de certaines croyances. Citons en deux. L’adhésion à l’existence de la génération spontanée empêchait évidemment la structuration d’un quelconque concept évolutif, car on pouvait alors imaginer des apparitions d’animaux de la même espèce à différents moments de l’histoire, par différents événements de génération spontanée. Dès 1765, Lazzaro Spallanzani (1729 – 1799) conteste ce dogme. Mais il faudra en fait attendre la controverse Pasteur–Pouchet pour qu’il soit définitivement enterré. On peut tenir le même raisonnement avec l’idée de métamorphose. En effet, au XVIIème siècle existait encore l’idée de la transformation d’un organisme adulte en un autre organisme adulte. Par exemple, les anatifes (crustacés cirripèdes) pouvaient se transformer en canards ; ou encore, en Afrique, existaient des arbres dont les feuilles se transformaient en poissons quand tombant dans l’eau d’une rivière ou en chauve-souris quand entraînées par le vent. Tout cela, évidemment, dut être réfuté pas à pas. Enfin, il y a le problème du temps ; Georges Buffon (1707 – 1788) bat en brèche les 6000 ans proposés par certains théologiens comme âge de la Terre, âge calculé à partir du recensement des générations décrites dans la Bible. Il propose plusieurs centaines de milliers d’années puis, dans une lettre, plusieurs millions. L’intérêt de cette proposition réside dans la démarche. Buffon se base sur une expérience. Il considère que la Terre a été à un moment une boule de roche en fusion. Il calcule le temps qu’un boulet de canon met pour se refroidir, et applique une règle de trois, connaissant la masse de la Terre. Même si le raisonnement et le calcul étaient simplistes, on abandonne des temps brefs qui n’autorisaient pas d’évolution.

LE CONCEPT D'HOMOLOGIE

L’application au monde animal des idées des Jussieu eut des résultats extrêmement positifs ; ainsi, on constata qu’au niveau des embranchements, le caractère pertinent était le plan d’organisation. Les quatre embranchements définis par Cuvier - les vertébrés (Vertebrata), les articulés (Articulata), les mollusques (Mollusca) et les radiaires (Radiata) - se trouvent caractérisés par des plans si différents qu’ils en paraissent irréconciliables, confirmant Cuvier dans son fixisme. Étienne Geoffroy Saint-Hilaire (1772-1844) va être amené à définir l’homologie - bien qu’à l’époque ce n’était pas ce terme qui fut utilisé -, notion essentielle qui permet de comparer des organismes ayant même plan d’organisation. Sont homologues deux organes qui ont même situation dans un plan d’organisation, ce qui sera interprété plus tard comme témoignant d’une même origine embryologique. Ce concept va briser la notion de similitude globale. En effet, deux organes peuvent être homologues et n’avoir ni même taille, ni même forme, ni même fonction. Les pattes antérieures des mammifères en sont un bon exemple : la patte du cheval, l’aile de la chauve-souris, l’aileron de la baleine sont homologues. Un tel critère va être employé avec succès en zoologie, puis va revenir en botanique, principalement par le botaniste suisse Augustin-Pyrame de Candolle (1778-1841).

LA "MORT DES ESPECES"

Parallèlement, Cuvier, par ses travaux de paléontologie, montrait que les espèces pouvaient disparaître, introduisant le concept crucial de " mort des espèces ". On ne pourra alors sauver le fixisme que par le biais de créations multiples. Etienne Geoffroy Saint-Hilaire, entreprenant des travaux d’embryologie, constatait avec Étienne Serres (1786-1868) qu’au cours de leur développement, les embryons des organismes " supérieurs " passaient transitoirement par des formes identiques à celles revêtues de manière permanente par des organismes " inférieurs ". Parallèlement, Karl von Baer (1792-1876) clamait que la comparaison devait se faire entre embryons différents et non entre l’embryon d’un animal et le stade adulte d’un autre. Il montrait qu’au cours de l’embryogenèse les caractères généraux, par exemple ceux caractéristiques de l’embranchement ou de la classe, apparaissent avant les caractères particuliers des taxons de bas rang, comme le genre ou l’espèce.

Pendant ce temps, Lamarck avait proposé la première hypothèse transformiste raisonnée, ceci dans sa leçon introductive de son cours au Muséum en 1901, puis publiée en 1809 dans sa Philosophie zoologique. Il admettait que les espèces se modifiaient progressivement au cours du temps, à partir d’un état primitif très simple apparaissant par génération spontanée. Les organismes étaient alors engagés dans un processus d’accroissement de la complexité. Son interprétation n’eut pas beaucoup de succès.

LE CONCEPT DE DESCENDANCE AVEC MODIFICATION

En introduisant le concept de descendance avec modification, Charles Darwin (1809-1882) va donner une toute autre vision de la Classification Naturelle. Pour lui, les caractères utiles en taxinomie - les caractères homologues -, sont ceux qui sont hérités d’un ancêtre commun ; ainsi, il affirme que toute classification doit être généalogique, et que la communauté de descendance est le lien caché que les naturalistes ont longuement cherché. Classer les animaux et faire de la phylogénie deviennent alors une seule et même chose ; Il ne peut y avoir qu’une seule classification naturelle, puisqu’il n’y a eu qu’une seule histoire de la vie sur Terre. La structuration de la biodiversité actuelle n’est que le résultat d’une longue histoire. Définir les liens de parenté entre espèces peut permettre de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent cette évolution.

Les relations entre embryologie et systématique s’éclairent alors différemment. Les intuitions de Geoffroy Saint-Hilaire et de Serres d’une part, de von Baer d’autre part s’interprètent dans un cadre historique. C’est ce qu'Ernst Haeckel (1834-1919) a proposé par sa "loi biogénétique fondamentale" :"La série des formes par lesquelles passe l’organisme individuel à partir de la cellule primordiale jusqu’à son plein développement n’est qu’une répétition en miniature de la longue série des transformations subies par les ancêtres du même organisme, depuis les temps les plus reculés jusqu’à nos jours".

LA SELECTION NATURELLE

Revenons à l’idée de descendance avec modification. En fait, Darwin l’eut lorsqu’il osa la comparaison entre certaines des observations qu’il fit dans la nature - en particulier pendant son voyage sur le Beagle (1831-1836) -, et les résultats obtenus par les sélectionneurs anglais - principalement de chevaux, de chiens et de pigeons. Il se rendit compte que ceux-ci, utilisant la variabilité des organismes au sein de l’espèce, choisissaient certains caractères héréditaires remarquables, en réalisaient par des croisements judicieux des combinaisons particulières, puis sélectionnaient les animaux porteurs de ces combinaisons en éliminant les autres. De cette manière, à l’intérieur d’une même espèce, des races étaient créées. La diversité des chiens est là pour en témoigner. Darwin fit l’analogie entre les différences entre races entretenues par le sélectionneur à l’intérieur d’une espèce et les différences qui existent dans la nature entre espèces proches. Il conclut que celles-ci ne pouvaient exister dans la nature que s’il y avait l’équivalent d’une sélection en œuvre. Pour lui, cette sélection est le résultat des conditions du milieu qui, dans leur ensemble, agissent à chaque instant en introduisant une inégalité entre les organismes qui, suivant leurs caractéristiques, seront plus ou moins favorisés. La résultante de toutes ces conditions environnementales - climat, prédateurs, parasites.. - a été appelée "sélection naturelle", pour insister sur l’analogie entre le rôle du sélectionneur et le rôle de la nature. Mais l’analogie s’arrête très vite : si le sélectionneur agit suivant un plan défini en vue d’un but précis, la sélection naturelle ne joue que dans l’instant.

L’idée-clé de Darwin a un corollaire : la variation des caractères est indépendante de la sélection et donc la précède, étant donné qu’on ne peut sélectionner que des caractères qui existent déjà. Le rôle du sélectionneur est de réaliser des combinaisons de caractères qui, naturellement, ont une faible probabilité d’apparaître, puis d’augmenter leurs occurrences en éliminant les autres organismes : ce qui était globalement rare devient alors localement fréquent. De même, la sélection naturelle va favoriser les organismes portant telle combinaison de caractères, et par là-même deux populations d’une même espèce soumises à deux environnements différents subiront des sélections naturelles différentes. Ils pourront donc présenter, après de nombreuses générations, des différences notables résultat d’un tri réalisé à partir des caractères existant déjà dans l’espèce. La sélection naturelle n’a donc pas créé de nouveauté ; elle n’a fait que trier parmi l’existant.

Une telle vision soulève certaines questions fondamentales. Elles sont en fait de deux ordres. On peut tout d’abord se demander comment ces caractères héréditaires passent de génération en génération, et comment en apparaissent des variations. D’autre part, on peut se demander comment ces caractères héréditaires, qui sont transmis de génération en génération de manière invisible uniquement par les cellules sexuelles, se mettent en place lors de la construction de l’organisme, au cours de son développement. Ce seront les buts respectivement de la génétique et de l’embryologie.

L'ESSOR DE LA GENETIQUE DES POPULATIONS

On comprend maintenant pourquoi Darwin n’a pas reçu les travaux de Gregor Mendel (1822-1884) comme on aurait pu le penser : Mendel avait trouvé en 1866 les lois de transmission des gènes, mais pas leur variation. Mendel amenait en fait des arguments aux fixistes, car il expliquait la manière dont les caractères sont immuablement transmis de génération en génération. En 1900, lors de la "redécouverte des lois de Mendel", suivant l’expression consacrée, Erich von Tschermak (1871-1962), Carl Correns (1864-1933) et Hugo de Vries (1848-1935) - surtout ce dernier - expliquèrent d’une part les règles de transmission des caractères héréditaires, d’autre part leur variation, c’est-à-dire la mutation. La génétique naissante pouvait alors se marier aux idées darwiniennes. Il suffisait d’affecter aux caractères héréditaires des coefficients de sélection. Qui plus est, on pouvait mathématiser cette démarche. Ce fut l’essor de la génétique des populations, initiée indépendamment en 1908 par Godfrey Hardy (1877-1947) et Wilhem Weinberg (1862-1937) et reprise entre les années 1920 et 1930 par la célèbre triade Ronald A. Fisher (1890-1962), John B. S. Haldane (1892-1964) et Sewall Wright (1889-1988).

L’ensemble de ces données permirent plus ou moins de régler une controverse qui faisait rage depuis la fin du siècle précédent. Les protagonistes, Karl Pearson (1857-1936) et William Bateson (1861-1926) n’étaient pas d’accord sur la nature de la variation. Le premier, élève du biométricien Francis Galton (1822-1911) et aidé du biologiste Walter Weldon (1860-1906), soutenait la notion très darwinienne du gradualisme, c’est-à-dire d’une variation continue au cours du temps. Le deuxième versait vers le saltationnisme, c’est-à-dire que la variation se faisait de manière discontinue, par saut. Il est clair que le mutationnisme de de Vries donnait des arguments à Bateson, tandis que la génétique quantitative plaidait pour le gradualisme. Cette controverse, qui fut à certains moments extrêmement violente, s’estompa avec le temps. La vision gradualiste gagna du terrain, pour plus ou moins s’imposer après la deuxième guerre mondiale avec la théorie synthétique de l’évolution.

ETUDIER LE SUPPORT DES CARACTERES HEREDITAIRES

L’étude du support des caractères héréditaires était alors patiemment entreprise. Ce furent : la théorie chromosomique postulée par E. Sutton en 1902, confirmée par l’équipe de Thomas Morgan (1866-1945) entre 1910 et 1920 ; la mutagenèse provoquée, réalisée par Hermann Müller (1890-1967) en 1926 ; le rôle fondamental de l’ADN par Avery, McLeod et McCarthy en 1944, confirmée par Hershey et Chase en 1951 ; enfin, la fameuse double hélice de l'ADN par James D. Watson et Francis Crick en 1953. Parallèlement, la fonction du gène était décortiquée. Haldane postulait en 1932 qu’il devait jouer un rôle dans le métabolisme. Avec Beadle et Tatum, la relation un gène-une enzyme était établie en 1941. Luria et Delbrück démontraient en 1943 l’indépendance entre mutation et sélection. Enfin, ce fut en 1960 la découverte de l’ARN messager par François Jacob et Jacques Monod (1910-1976).

Pendant ce temps, l’embryologie se développait et amenait des résultats importants. Outre les travaux de Haeckel, August Weissmann (1834-1914) rejetait l'hérédité des caractères acquis en montrant que la lignée germinale - celle qui produit les cellules sexuelles - était indépendante de la lignée somatique, celle qui produit l’organisme sensu stricto. D’autre part, Hans Spemann (1869-1941) démontrait le mécanisme-clé de l’embryologie, l’induction. À cette époque, de grands généticiens comme William Bateson (1861-1926), Morgan, puis plus tard Conrad Waddington (1905-1975), étaient aussi des embryologistes. Pourtant, paradoxalement, on voit se développer une opposition importante entre embryologistes et généticiens. Les premiers reprochent à leurs collègues de ne s’intéresser qu’à des futilités - comme la couleur des yeux -, et de ne pas tenir compte du rôle du cytoplasme en embryologie. Les derniers reprochent aux embryologistes de ne s’intéresser qu’à des caractères complexes, dont on ne connaît pas le soubassement génétique. L’animosité atteindra son paroxysme quand les généticiens se tournèrent vers les bactéries et les virus, organismes dépourvus d’embryologie...

LA THEORIE SYNTHETIQUE DE L'EVOLUTION

Les retrouvailles - correspondant au rêve des Bateson et Morgan - se feront par la génétique du développement à partir de 1980. Mais ne nous y trompons pas : il fallait pour cela les techniques de biologie moléculaire et de la phylogénie moderne pour pouvoir interpréter les données. Pour cela, le détour par les bactéries paraissait - a posteriori il est vrai - inévitable.

Entre 1950 et 1960, par coïncidence, se retrouvèrent à Harvard trois biologistes célèbres : le généticien Theodosius Dobzhansky (1900-1975), le systématicien Ernst Mayr et le paléontologiste George G. Simpson (1902-1984). La confrontation de leurs idées amena une convergence importante vis-à-vis des théories de l’évolution, et donna ce que l’on appela la "théorie synthétique de l’évolution". On se retrouve peut-être dans une autre période-clé au cours de laquelle une nouvelle vision unitaire de l’évolution peut être tentée. En effet, il faut maintenant intégrer de nombreuses données récentes. La génétique nous renseigne sur les sources de nouveauté au niveau du génome. La biologie du développement renseigne sur l’établissement des plans d’organisation. Les techniques de reconstruction phylogénétique amènent une description plus fine de l’histoire du vivant, en particulier sur les variations des rythmes évolutifs, scandés par des décimations et des explosions diversificatrices. Tout ceci nous permet de mieux comprendre cette biodiversité dont la structuration n’est pas que spatiale, mais spatio-temporelle.

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