Poissons, gènes et puces : liberté d'expression face à la pollution
2006/04/01 Cancio Uriarte, Ibon - Biologian doktorea | Bilbao Castellanos, Eider - Biokimikan lizentziatua Iturria: Elhuyar aldizkaria
(Photo: Laboratoire de Poisson Zèbre de ZFIN et Oregon)
Au fur et à mesure que la pollution augmente, la nécessité de savoir quels sont les dommages causés par ces polluants dans les organismes, comment ils conditionnent le comportement de l'organisme et comment ces effets peuvent être envisagés. Pour l'étude de ces dommages, même si les études se sont concentrées sur plusieurs niveaux, ceux réalisés au niveau moléculaire se sont matérialisés, promus et rendus indispensables en connaissant toute la séquence génomique des êtres eucariotes (mouche de fruit, ver de terre ou être humain).
La raison de cette importance réside dans la fonction et les caractéristiques du génome lui-même, qui peut être considéré comme une bibliothèque qui abrite toutes les informations (phénotype) pour former chaque organisme. Cette bibliothèque est organisée en livres ou gènes qui stockent l'information pour produire des protéines qui remplissent la plupart des fonctions de cellules. Ainsi, les changements dans les gènes et/ou dans l'expression de ces gènes peuvent entraîner des altérations dans le fonctionnement normal de la cellule.
Régulation de l'expression génique
Les différences phénotypiques entre les espèces (architecture corporelle, métabolisme, comportement...) doivent être comprises à un double niveau. D'une part, chaque espèce a sa propre bibliothèque (génome); certaines espèces sont dotées de nombreux livres (gènes) et d'autres moins. D'autre part, et comme nous venons de le connaître, les génomes de l'homme et du singe sont dotés de façon similaire, donc autre chose doit conditionner les différences notables entre ces deux espèces. Dans cette seconde variable participe la régulation de l'expression génique.
Dans une large mesure, les livres que nous avons dans la bibliothèque sont lus d'une manière ou d'une autre. Cela devient clair si nous regardons notre queue. Les êtres humains sont des êtres pluricellulaires et, bien que toutes nos cellules aient le même génome, il est difficile de marquer les similitudes entre un hépatocyte et un neurone, puisque les cellules pendant le développement, selon les conditions du milieu, expriment (lisent) certains gènes (livres). C'est pourquoi, pour gagner dans la compétition entre espèces, nous utilisons les voies métaboliques de chaque instant, toujours dans le but d'obtenir le rendement énergétique maximal.
Par exemple, les habitants du premier monde font trois repas par jour. Par conséquent, pour remplir nos obligations énergétiques, d'une part nous recourons au métabolisme des hydrates de carbone à travers les enzymes de la glycolyse, mais d'autre part nous accumulons des lipides à travers la production de triglycérides. Par conséquent, nous n'avons pas besoin du catabolisme des lipides jusqu'à ce que nous ressentons la faim. Quand une grève de la faim commence, par exemple, les gènes producteurs d'enzymes provenant des voies métaboliques qui interviennent dans le catabolisme des triglycérides commencent à s'exprimer rapidement. C'est ce qui est connu comme régulation de l'expression génique.
Pour réaliser ce règlement, les êtres multicellulaires sont dotés de protéines spéciales, facteurs de transcription, qui travaillent à l'exploration continue du milieu cellulaire. La fonction de ces protéines est de faire face aux changements qui se produisent dans le milieu (changements dans la concentration des aliments, facteurs physiologiques, hormones, parasites, maladies...) par des changements dans l'expression génique.
Tous les composés polluants et toxiques présents dans l'environnement sont donc une variable environnementale pour ces facteurs de transcription. Prenons un exemple : la plupart des animaux peuvent distinguer des spécimens mâles et femelles. Les principales différences entre mâles et femelles dépendent de deux hormones dans la plupart des espèces : la testostérone chez les mâles et l'estradiol chez les femelles. L'estradiol met en place des alternatives de développement représentatives chez les femelles grâce à un facteur de transcription appelé récepteur d'oestrogènes. Cela provoque la production de vitelogenine, la lipoprotéine de réserve la plus importante des ovocytes des poissons femelles (également dans d'autres groupes). Ils produisent des poissons femelles, pas mâles, mais ils ont aussi le gène qui produit la vitelogenine.
En grande quantité, nos rivières sont composées d'une structure chimique similaire à l'estradiol, comme les locphénols de savons utilisés dans nos nettoyages, les phtalates utilisés dans les plastiques ou les hormones artificielles que nous prenons dans les pilules contraceptives.
Ces composés transcrivent par le récepteur des oestrogènes le gène qui codifie la vitelogenine chez les mâles. Mais le gène de la vitelogenine n'est pas le seul à répondre ; les composés oestrogéniques donnés à un mâle influencent l'expression de centaines de gènes. Par conséquent, ils existent dans le monde fluvial, où les poissons mâles produisent des protéines marquantes des femelles, dans lesquelles avec les spermatozoïdes ont également été trouvés ovocytes dans certains cas. Cet exemple montre donc les effets significatifs que peuvent avoir certains composés d'usage quotidien sur les populations de nombreux organismes.
Toxicologie et génomique ensemble
Un des objectifs actuels serait donc de connaître les obligations de tous ces gènes de différents génomes dans la cellule. Bien que nous soyons encore loin, année après année, nous connaissons le génome de plus en plus d'organismes et nous connaissons de plus en plus clairement les mécanismes de régulation de l'expression génique. La toxicogénomique vise donc à déterminer quels mécanismes de régulation de l'expression génique mettent en place certains polluants.
On sait que tous les individus exposés à des polluants environnementaux ne répondent pas de la même manière. Cette réponse est limitée par des facteurs internes de l'hôte lui-même (état de développement, caractère génétique, hormonal, métabolique...) et environnementaux (concentration du polluant et temps d'exposition). Par conséquent, en fonction de la combinaison entre polluant, présence de cofacteurs et sensibilité génétique, deux individus ou deux cellules du même individu peuvent donner une réponse différente à un effet particulier.
La réponse des organismes à une substance toxique donnée est la conséquence des interactions de l'expression de différents gènes. Ainsi, ces dernières années, de plus en plus de laboratoires étudient ces gènes. De là est née la toxicogénomique.
En toxicogénomique, l'analyse de l'expression génique, en plus d'informer sur l'état des cellules, nous montre comment ces cellules répondent à différents stimuli. Donc, en premier lieu, nous devrions connaître la séquence génomique de l'organisme d'intérêt ou, au moins, les troubles dans lesquels les variables du milieu peuvent s'exprimer en excès ou en excès et dans quelles voies métaboliques elles interviennent.
Ces dernières années, on a énormément progressé dans ce domaine et il est largement connu pour les différents types de composés, tels que ceux qui provoquent l'inflammation, les composés oestrogéniques, les immunosuppresseurs ou les carcinogènes, qui modifient l'expression des gènes. Ainsi, par exemple, quand on parle de estrogénicité, on sait que les principaux gènes à analyser sont ceux qui codifient la vitelogenine (dans les poissons) et les protéines de la matrice extracellulaire de l'œuf; quand on parle d'immunosuppresseurs, l'interleucine, la protéine du complément ou plusieurs types de cytokines; et quand on parle de carcinogènes, avec les génies Bcl-myc, p53, etc.
Pour déterminer quels sont les gènes à étudier, le travail des futurs toxicologiques serait d'enquêter sur les changements expressifs de ces gènes par rapport aux contaminants. Cependant, dans des cas inconnus, les toxicologues devraient rechercher de nouveaux gènes qui répondent aux effets du polluant.
Utilisation de poissons dans la toxicogénomique environnementale
Dire que les poissons sont les meilleurs organismes lors de l'analyse de la toxicologie environnementale n'est pas trop, puisque ces vertébrés ont le corps immergé dans l'eau et sont donc directement liés aux polluants présents dans le milieu, soit par les branchies ou le système intestinal hépatique. Le groupe de poissons est un grand groupe, tant dans le nombre d'espèces que dans le nombre d'individus dans l'espèce, ce qui en fait un groupe d'organismes avec différentes physiologies, formes de vie et divers systèmes d'adaptation.
Cette diversité se reflète également dans le génome, car les poissons présentent un génome beaucoup plus plastique et changeant que les autres vertébrés. Par conséquent, face aux changements qui se produisent dans le milieu, la pollution, en particulier le poisson, est plus sensible que de nombreux autres organismes. De même, l'utilisation du poisson comme modèle nous conduira à mieux comprendre le génome des mammifères lors de l'interprétation des génomes des autres taxons. En outre, il ne faut pas oublier que de nombreuses espèces de poissons, outre leur importance écologique ou scientifique, ont aussi une importance économique, en particulier dans les pays où le poisson est un aliment habituel.
Ainsi, on travaille actuellement avec de nombreuses espèces de poissons, dont le poisson zèbre, la médaille, la carpe, la truite, le saumon et la platine. Bien que notre connaissance du génome des uns et des autres soit radicalement différente, aujourd'hui (novembre 2005) nous connaissons plus de 10.000 séquences de gènes qui s'expriment en 14 espèces de poissons téléostéens. En outre, la séquence complète du génome des téléostéens Fgu rubripes , Danio rerio et Tetraodon nigroviridis est déjà connue.
Micropuces : outils pour rechercher l'expression génique
Nous avons des poissons et des gènes que nous voulons étudier, que faire avec eux? Quelle est la méthodologie à suivre ? Les microbildumes d'ADN ou microchips sont des outils de travail actuels et futurs basés sur l'analyse holistique de l'expression génique, de plus en plus connues. Ces puces sont constituées de centaines ou de milliers de sondes d'ADN correspondant à des gènes d'intérêt unis sur un support solide.
Les micropuces ont seulement la taille des lames de verre qui sont utilisées au microscope et nous permettent de détecter simultanément toutes les séquences qui nous intéressent et sont connues. Avec eux, des molécules d'ADN et d'ARN supplémentaires peuvent être détectées avec différents marqueurs. Pour ce faire, l'ARN est extrait de chacun des organes des poissons (comme le foie) traités avec des contaminants et non traités, et synthétisé, par transcription inverse, l'ADN auxiliaire (cDNA). Ce cADN constitue le transcriptome de la cellule, c'est-à-dire la collecte de l'expression génique du génome de cet animal à ce moment-là. Ce cDNA peut être marqué avec des marqueurs fluorescents, l'un en vert et l'autre en rouge, en bref, afin de différencier le matériel génétique des deux organismes. Ensuite, nous combinons les mêmes quantités de cDNA des organismes que nous voulons analyser et comparer et le mélange est hybride avec micropuce. Ainsi, si au moment de l'extraction dans le poisson traité on exprimait beaucoup de vitelogenine et au moment de l'extraction où il ne s'agissait pas, on pourrait détecter cette différence par les différentes couleurs que la puce va présenter pour ce gène.
Dans les expériences de laboratoire menées dans le monde entier, certains types de poissons ont été exposés à certains composés toxiques. Dans ces cas, des microchips ont été développés sur l'un des organes du poisson, donc on connaît déjà le gène qui répond à l'exposition de ces espèces à ce type de polluants.
Ces modèles d'expression ne diffèrent pas beaucoup de ceux connus chez les mammifères. Aujourd'hui, si l'un de ces organismes que nous connaissons change le schéma d'expression des gènes est sous l'influence d'un composé inconnu au milieu, nous aurions la capacité d'identifier le type de polluant par rapport aux schémas d'expression que nous connaissons. Ainsi, avant que ce polluant puisse causer des dommages aux êtres vivants, nous aurions la possibilité de prendre des mesures locales pour les éviter. De la même manière, une fois fabriquées de nouveaux médicaments et composés, nous pouvons prévoir les changements qu'ils peuvent produire aux organismes avant leur mise sur le marché.
Mécanismes moléculaires de polluants et analyse de la qualité environnementale
Ces dernières années, les laboratoires qui appliquent des puces aux poissons sont de plus en plus nombreux, tant dans les expériences de laboratoire que dans les populations rurales. Dans les études menées au Royaume-Uni, par exemple, on tente de déterminer de nouveaux biomarqueurs moléculaires répondant à des polluants spécifiques et de définir quels sont leurs mécanismes.
Ainsi, on a comparé les expressions géniques des poissons platine qui habitent la rivière aride appelée Alde et dans le fleuve pollué de Tyne. Pour ce faire, après avoir cloné sur la platine des gènes liés à différents types de stress chez d'autres espèces, ils ont conçu une puce de 13.000 séquences. Après avoir hybridé le cDNA des poissons des deux zones avec des chipis, des différences expressives significatives ont été trouvées dans cent séquences. Les plus représentatifs de ceux induits en Tyn ont été liés à la présence de fortes concentrations d'hydrocarbures polycycliques aromatiques dans le milieu CYP1A1, paraoxonase (enzymes de la phase I du métabolisme de détoxification), UDPGT et aldéhyde déshydrogénase (enzymes de la phase II). Les changements trouvés dans le reste des gènes, cependant, répondent au stress global.
En outre, ils ont observé que dans l'estradiol sont induits, entre autres, les gènes qui codifient la vitelogenine et la coriogenine. Certains de ces changements expressifs ont été décrits dans d'autres expériences de laboratoire récentes. Par exemple, dans les mâles de platine maintenus pendant 21 jours sous l'estradiol d'éthnil, plus de 200 gènes ont manifesté une expression différente chez les animaux traités. Il convient de noter que parmi ces gènes on trouve induite l'expression du gène qui codifie la vitelogenine, l'UDPGT et la protéine de la matrice extracellulaire d'ovocytes, ZTP.
Les micropuces ADN sont donc de puissants outils pour caractériser les propriétés toxicologiques des substances chimiques. Comme toute autre technique en croissance, de nombreuses recherches sont encore nécessaires pour pouvoir définir et considérer l'utilisation de puces d'ADN dans le domaine/environnement du point de vue de l'écotoxicologie. Cependant, les microchips sont des photographies exactes de l'expression génique des organismes et peuvent montrer clairement comment la physiologie du poisson est réorganisée sous les effets des changements dans le milieu du poisson.
BIBLIOGRAPHIE