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Chiens-guides
Le chien boxer idéal est fort, carrément bâti, lisse. Les éleveurs l'apprécient pour sa tête ciselée. La beauté de la tête dépend de la proportion harmonieuse du museau au crâne, lisez les normes de l'American Kennel Club pour la race. Le museau émoussé mesure un tiers de la longueur de la tête de l'occiput à la pointe du nez, et les deux tiers de la largeur du crâne. Intelligent et alerte, un boxer transmet la grâce à chaque mouvement.
La structure du génome qui sous-tend la silhouette gracieuse du boxeur est également magnifique, déclare Kerstin Lindblad-Toh, la biologiste moléculaire qui a dirigé les efforts pour séquencer le génome du chien. En tant que codirectrice du programme de séquençage et d'analyse du génome au Broad Institute for Genomic Medicine, Lindblad-Toh a également supervisé des projets impliquant la souris et l'opossum, elle est donc bien qualifiée pour évaluer la beauté génomique du boxeur. La source de cette beauté est un manque relatif de diversité génétique, résultat de cent ans d'élevage étroitement contrôlé pour des traits comme des crânes aux proportions harmonieuses. L'homogénéité génétique au sein des races de chiens et l'étroitesse des différences entre elles signifient que le génome du chien contient des indices précieux sur les causes des maladies courantes chez les chiens et les humains.
Le génome du chien a une longueur d'environ 2,4 milliards de bases, mais le groupe de Lindblad-Toh a pu le séquencer en seulement six mois. Le Broad Institute, géré conjointement par le MIT et l'Université de Harvard, est une centrale génétique, capable de séquencer 60 milliards de bases (les lettres de l'alphabet génomique) avec une précision de 99% chaque année, l'équivalent de plusieurs projets du génome humain. Il a une plus grande capacité de séquençage que presque tout autre établissement public ou universitaire dans le monde.
Aujourd'hui, une grande partie de cette capacité est allouée au projet de génome des mammifères de Broad. The Broad est l'un des trois centres de recherche financés par les National Institutes of Health dans le cadre d'un effort majeur visant à porter à environ 30 le nombre de mammifères dont le génome a été séquencé au cours des prochaines années. (Les deux autres centres se trouvent au Baylor College of Medicine à Houston et à la Washington University School of Medicine à St. Louis.) Lindblad-Toh supervise des projets de séquençage et d'analyse pour plus de 20 animaux au Broad, fournissant des ressources aux chercheurs qui s'appuyer sur des modèles animaux pour étudier les maladies humaines. Les efforts de son équipe permettront de mieux comprendre comment notre propre génome est régulé et de combler les lacunes dans notre compréhension de l'histoire de l'évolution humaine. En fin de compte, ce travail pourrait aider à répondre à certaines questions convaincantes : qu'est-ce qui fait d'un mammifère un mammifère, d'un primate un primate et qu'est-ce qui fait de nous des humains ?
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Voir des images du Broad Institute et de leur travail.
Sélection non naturelle
En 2002, lorsque des chercheurs canins ont interrogé Lindblad-Toh sur le séquençage du génome de l'animal, elle a pensé : Oh, wow, ce doit être le modèle idéal. L'élevage dirigé par l'homme a produit des shar-peis ridés, des ridgebacks rhodésiens mohawks et des barzois minces avec de belles lignes. Mais lorsque vous enrichissez pour des traits souhaitables spécifiques, vous capturez souvent, malheureusement, des traits de maladie avec eux, explique Lindblad-Toh. En plus de ses traits distinctifs, chaque race présente des vulnérabilités génétiques distinctes : défauts de développement, maladies cardiaques, problèmes de hanche, cancer. Les chiens souffrent de bon nombre des mêmes maladies que les humains, de sorte que les chercheurs peuvent utiliser leur génome pour identifier les causes génétiques des maladies chez les deux espèces.
Lindblad-Toh et ses collaborateurs du National Human Genome Research Institute (qui fait partie du NIH) ont d'abord dû déterminer quelle race séquencer. Les humains ont considérablement réduit la diversité génétique de certains chiens en n'élevant, par exemple, que les bouledogues les plus arqués et les boxeurs à la mâchoire la plus carrée. Le séquençage d'une race avec peu de diversité génétique est plus facile, car les deux copies de chaque chromosome - l'une de la mère, l'autre du père - sont similaires l'une à l'autre. Ainsi, lorsqu'une analyse préliminaire a suggéré que les boxeurs sont parmi les races de chiens les moins diversifiées sur le plan génétique, les chercheurs avaient leur sujet.
Même lorsque la diversité génétique est limitée, rédiger un génome, c'est comme assembler un très grand puzzle très difficile dont les pièces sont éparpillées dans toute la maison, coincées entre des coussins de canapé ou sous un pot de moutarde au fond du réfrigérateur. Premièrement, les chercheurs doivent localiser et identifier toutes les pièces ; alors ils font face à la corvée redoutable d'assembler le puzzle. Lindblad-Toh et ses collaborateurs ont passé six mois à séquencer des segments du génome d'une boxeuse, et trois ou quatre fois plus de temps à les assembler et à les analyser. Ils ont publié le génome du chien, ainsi qu'une analyse approfondie le comparant aux génomes de la souris et de l'homme, dans le journal La nature en décembre 2005.
Lindblad-Toh et son équipe ont également comparé le génome du boxeur avec la séquence d'enquête existante du génome du caniche et des séquences partielles de neuf autres génomes de races de chiens qu'ils avaient préparés à cet effet. Comme ils s'y attendaient, bien que chaque race ait ses propres traits distinctifs et mutations, toutes les races sont toujours très similaires les unes aux autres. (Les races domestiques n'existent pas depuis assez longtemps pour qu'une grande diversité s'y glisse.) Ces similitudes au sein et entre les races de chiens devraient faciliter la détection des mutations liées à la maladie. Des chercheurs du Broad et d'ailleurs découvrent actuellement des gènes de maladies chez les chiens avec l'aide de l'American Kennel Club/Canine Health Foundation et de la Morris Animal Foundation. Les chercheurs vont à des expositions canines pour collecter des échantillons de sang et des pedigrees, ou ils obtiennent des échantillons auprès de vétérinaires. À l'aide de puces à ADN, ils recherchent ensuite les différences génétiques entre les chiens en bonne santé et ceux atteints de maladies.
Lindblad-Toh dit qu'elle et d'autres chercheurs de Broad ont identifié environ 10 gènes pour des traits simples comme la couleur du pelage et des maladies complexes comme le cancer ; ils étudient également les gènes associés à la cardiomyopathie et au diabète. Bien sûr, lorsque vous trouvez un gène de maladie chez le chien, vous recherchez immédiatement des personnes atteintes de la même maladie, dit-elle. Les chiens et les humains sont assez étroitement liés et partagent des versions de la plupart des mêmes gènes.
Cependant, il est beaucoup plus facile de découvrir les mutations de la maladie chez les chiens. Deux rottweilers aléatoires sont beaucoup plus étroitement liés que deux humains aléatoires. Si les deux rottweilers développent tous deux un cancer des os, ce qui est courant dans leur race, la maladie sera probablement causée par plusieurs mutations portées par les deux chiens. Mais deux humains atteints d'un cancer des os sont moins susceptibles d'avoir en commun des mutations pathogènes. Pour les études sur le cancer, nous avons eu environ 50 à 100 chiens malades, dit Lindblad-Toh. Vous auriez besoin d'un échantillon beaucoup plus important d'humains - des milliers de patients et de personnes en bonne santé - pour voir des modèles similaires. Comprendre quelles mutations provoquent une maladie chez le chien aide les chercheurs à déterminer où rechercher les mutations causant la maladie chez l'homme.
Près de deux ans après la publication du génome du chien, sa promesse comme outil d'étude des maladies humaines commence à se concrétiser. Lindblad-Toh dit que son groupe espère identifier des mutations impliquées dans l'ostéosarcome, un cancer rare mais mortel à l'adolescence. Ce sera très excitant au cours de la prochaine année de voir si l'application [des informations de l'étude des mutations génétiques du chien] à des patients humains atteints des mêmes maladies vous montrera également des mutations dans les mêmes gènes, dit-elle. Ma prédiction est oui. Je pense que si vous pouvez trouver des facteurs de risque importants chez les personnes en utilisant des chiens, ce serait un grand avantage.
Au-delà des gènes
Lorsque nous avons analysé les génomes de la souris et de l'homme, nous avons constaté qu'ils sont fonctionnels à 5 %, explique Lindblad-Toh. C'est-à-dire que 5 pour cent du génome de chaque créature est très similaire à 5 pour cent de celui de l'autre, ce qui suggère que les séquences apparentées doivent servir à quelque chose. Le génome du chien s'est avéré avoir les mêmes 5 pour cent qui se chevauchent chez les humains et les souris, ce qui confirme qu'il ne s'agit pas d'une simple coïncidence. La plupart de ces 5 pour cent, cependant, ne sont pas des gènes.
Notre génome est composé de 46 chromosomes, qui sont de longues chaînes distinctes de composés organiques appelés A, T, C et G – les lettres de l'ADN. Le séquençage du génome signifie déterminer quelle lettre, ou base, se trouve à chaque point le long de chaque chaîne. Les gènes sont des segments où les bases énoncent un code qui peut être traduit en protéines ; ils représentent 1,5 pour cent du génome. Mais un étonnant 95% de notre génome est un charabia sujet aux mutations, l'équivalent génétique des phrases que vous pouvez faire en vous frappant la tête sur un clavier avec frustration.
Aujourd'hui, les biologistes tentent de caractériser les parties fonctionnelles du génome qui ne sont pas des gènes – des régions qui, selon eux, jouent un rôle important dans la régulation des gènes. Ils veulent identifier ces régions et découvrir quels éléments elles contiennent, comment les régions sont organisées et comment elles fonctionnent.
La meilleure façon de trouver les éléments réglementaires au milieu du charabia est de regarder ce qui est conservé - ce qui reste le même - à travers plusieurs espèces. La comparaison des génomes est presque comme la pierre de Rosette, explique Lindblad-Toh. Avec le même message gravé dans l'alphabet grec, les hiéroglyphes et l'écriture démotique (sorte de hiéroglyphes cursifs), la pierre de Rosette a permis de déchiffrer les deux derniers systèmes d'écriture. Dans les génomes, de la même manière, vous avez une chaîne de lettres ; tout ce qui est important restera le même.
La majeure partie du génome n'est qu'un espace mort entre les gènes, où la séquence des bases n'est pas importante pour les fonctions de la vie. Les mutations qui se produisent dans de tels tronçons produisent parfois des séquences fonctionnelles, mais elles ne sont généralement ni utiles ni nuisibles. Cela signifie qu'ils s'accumulent relativement vite : n'ayant aucune influence sur les chances de reproduction d'un individu, ils ne sont pas soumis à la sélection naturelle, ils se transmettent donc à un rythme beaucoup plus important que les changements de domaines fonctionnels, souvent néfastes.
Plus il y a de temps évolutif entre deux [espèces] de mammifères, plus les choses sans importance changeront, explique Lindblad-Toh. Mais une chaîne d'ADN dont la séquence est conservée inchangée à travers les espèces a probablement une fonction importante. Une fois que les chercheurs ont localisé ces séquences dans les zones entre les gènes, ils peuvent les tester individuellement pour déterminer leurs fonctions.
Comparer le génome humain avec celui d'un organisme lointainement apparenté comme la levure est cependant difficile : pour prolonger la métaphore de la pierre de Rosette, les deux textes véhiculent trop de messages différents. Comparer des génomes qui véhiculent bon nombre des mêmes messages, comme ceux de l'humain et du chien, est plus productif. Pour vraiment comprendre le génome humain, nous nous concentrons sur les mammifères, explique Lindblad-Toh. De vastes scientifiques, dont certains ont participé au projet du génome humain avant la création de l'institut en 2003, ont été impliqués dans le séquençage du chimpanzé, de la souris, du chien et du cheval, entre autres animaux. (voir La Ménagerie de Broad, p. M17) . Des travaux sur le cochon d'Inde, l'éléphant, le lapin, la petite chauve-souris brune, le bébé brousse et l'écureuil terrestre sont également en cours au Broad.
Les chercheurs ont initialement identifié les 5 pour cent fonctionnels du génome humain en le comparant à celui d'un seul autre animal, la souris. L'ajout du génome du chien a créé une puissante triade. Maintenant, les chercheurs se concentrent sur ce que font les éléments fonctionnels non génétiques. Il est de plus en plus prouvé qu'ils régulent le génome. Sans éléments régulateurs, un gène serait comme un livre non lu prenant la poussière dans le coin d'une salle de stockage de bibliothèque : juste une chaîne de lettres inerte.
Savoir ce que fait chaque gène est très important, mais ce n'est pas suffisant. Certaines maladies sont clairement dues à l'absence d'une protéine, explique Lindblad-Toh ; les déficiences enzymatiques en sont un exemple. Mais avec des maladies courantes comme le cancer ou le diabète, cela pourrait simplement dépendre de la quantité ou du peu de protéines que vous produisez, et si vous les produisez au bon moment ou non. Il semble probable que ces facteurs soient contrôlés par des éléments réglementaires.
Ma conviction profonde est que de nombreuses maladies courantes sont causées par des mutations régulatrices, déclare Lindblad-Toh. Les premières recherches du Broad Institute sur le génome du chien semblent étayer son hypothèse. De vastes chercheurs recherchent des mutations associées à plusieurs traits et maladies, notamment la couleur de la blouse blanche, les problèmes de thyroïde, le cancer des os, les problèmes cardiaques et la fièvre shar-pei. Pour plusieurs d'entre eux, il existe des preuves préliminaires que les mutations responsables se trouvent à l'extérieur des gènes, dans des éléments régulateurs.
Il est beaucoup plus facile de déterminer où se trouvent ces éléments dans le génome que de déterminer ce qu'ils font et comment. Un type de régulateur, appelé amplificateur, démarre le processus qui permet aux gènes de transmettre leurs informations. Les amplificateurs peuvent être à l'intérieur, à proximité ou très éloignés des gènes qu'ils régulent. Les chercheurs émettent l'hypothèse que les protéines se lient à un activateur et à une zone précédant immédiatement un gène ; ils se lient également les uns aux autres, tirant l'ADN en boucle et permettant le début de la transcription du gène. Mais de tels mécanismes commencent tout juste à être compris.
Ce qui fait de nous des mammifères
La comparaison du génome du chien avec les génomes de la souris et de l'homme a aidé les chercheurs à identifier une multitude d'éléments régulateurs ; une analyse plus approfondie a montré que chez les trois mammifères, la moitié de ces éléments sont regroupés autour d'environ 240 gènes seulement. En d'autres termes, 50 % de nos éléments les plus conservés semblent réguler à peine plus de 1 % de nos gènes.
Alors, que font ces gènes pour mériter un traitement aussi spécial ? Il s'avère qu'ils jouent un rôle central au cours du développement. Ils contrôlent notre plan corporel, l'équivalent biologique d'un plan. En dictant la configuration de nos épines, la structure de notre cerveau et la position de nos pouces opposables, ils font de nous des vertébrés, des mammifères, des primates.
Il est bien sûr extrêmement important que vous produisiez un pied là où votre pied va et non sur votre tête parfois par accident, explique Lindblad-Toh. Ce que nous pensons avoir découvert, c'est qu'environ ces 200 gènes environ représentent une grande partie de ces éléments régulateurs. Ils sont essentiellement les principaux régulateurs des gènes principaux qui font des mammifères des mammifères. Certains de ces éléments régulateurs regroupés sont si importants qu'ils sont mieux conservés entre les espèces que ne le sont les gènes.
Une analyse du génome de l'opossum publiée par le Broad en mai dernier confirme l'hypothèse de Lindblad-Toh selon laquelle il existe des régulateurs principaux chez les mammifères. Les opossums se trouvent sur une branche différente de l'arbre généalogique des mammifères : ce sont des marsupiaux, tandis que les humains, les chiens et les souris sont des eutherians – des mammifères avec placentas. Pour chaque génome que nous ajoutons, nous continuons à construire sur l'hypothèse que les 5 pour cent fonctionnels des génomes humains, de souris et de chiens sont spécifiques aux mammifères et aux eutheriens, explique Lindblad-Toh. En regardant l'opossum et les autres branches principales de l'arbre vertébré, nous voyons qu'il y a une innovation qui s'y ajoute. C'est-à-dire que les opossums ne partagent pas l'intégralité des 5 pour cent des mammifères placentaires. Une grande partie de la variation des éléments régulateurs chez les marsupiaux se situe autour des gènes du plan corporel. Ces variations peuvent être ce qui fait des marsupiaux opossums, et ce qui ne varie pas peut être une partie importante de ce qui constitue la nature mammifère.
Lindblad-Toh dit qu'il est trop tôt pour se demander ce qui fait d'un primate un primate, ou ce qui rend les humains humains. Il semble probable, cependant, que le développement des voies neuronales soit régulé par des gènes spécifiques aux primates. Chaque ordre, chaque espèce animale a probablement ses propres innovations, contrôlées par des maîtres régulateurs dans les zones non génétiques du génome.
À l'heure actuelle, dit Lindblad-Toh, elle et d'autres chercheurs de Broad essaient simplement d'assembler un catalogue de base de ces régulateurs principaux. Une fois que plus d'espèces auront été séquencées, il sera possible de commencer à répondre aux plus grandes questions. Alors que cette ménagerie de génomes continue de croître, les chiens – les meilleurs amis de l'homme de longue date sur le terrain et à la ferme – se révèlent également de précieux compagnons en laboratoire.