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Petit rappel de génétiquegénétique... La mouche, la drosophile en particulier, matériel bon marché qui se reproduit beaucoup et qui ne suscite pas vraiment la compassion du public, est un animal de choix pour la génétique et ce depuis que Morgan mit en évidence le crossing-overcrossing-over sur des mouches de ce type.
Le crossing-over ou enjambement chromosomique
La méioseméiose est précédée par une interphase au cours de laquelle chacun des chromosomeschromosomes se réplique et se retrouve constitué de deux chromatideschromatides-sœurs, parfaites copies l'une de l'autre. Il s'ensuit une longue prophase 1, au cours de laquelle apparaissent les chromosomes homologueschromosomes homologues doubles de chaque paire, sous forme de longs filaments (stade leptotène), ils s'alignent (stade zygotène) puis se raccourcissent, s'épaississent (stade pachytène) et s'associent en une structure faite de quatre chromatides-sœurs appelée tétrade.
Les chromosomes homologues semblent ensuite se repousser, surtout au niveau des centromèrescentromères, mais sont retenus ensemble par des zones appelées chiasmas, dans lesquelles les chromatides homologues sont attachées l'une à l'autre et où s'opèrent des échanges de matériel génétiquematériel génétique entre chromatides homologues, phénomènes d'enjambement appelés aussi « crossing-over » (stade diplotène).
Le résultat en est une recombinaison des gènesgènes portés par chaque chromatide. En réalité, les échanges ont commencé lors de l'alignement des chromosomes homologues, mais les chiasmas ne deviennent visibles au microscopemicroscope que lors de la phase de répulsion de ces chromosomes.
Les différents types de mutations
Les mutations géniquesgéniques sont des modifications aléatoires de l'information génétique. Elles affectent la molécule d'ADN au moment de la réplicationréplication. Si la mutation n'affecte qu'un triplet de nucléotidesnucléotides, on dit qu'elle est ponctuelle.
Il en existe différents types : les substitutions sont des échanges entre deux nucléotides (par exemple A devient TT ou C devient G). Les délétionsdélétions sont caractérisées par la suppression d'une séquence ou d'un nucléotide. Les additions sont caractérisées par l'ajout d'une séquence ou d'un nucléotide.
Une mutation peut ou non avoir des conséquences :
- si la substitution change le codoncodon et donc l'acide aminéacide aminé, la protéineprotéine finale est changée et n'a donc plus la même fonction ;
- il se peut que la substitution ne change rien à l'acide aminé transcrit, auquel cas la mutation n'aura aucune conséquence on dit qu'elle est silencieuse ;
- si la mutation déclenche l'arrêt de la synthèse de la protéine, il s'agit d'une mutation non-sens ;
- s'il y a une modification de l'acide aminé mais que la protéine est fonctionnelle, la mutation est dite neutre ;
- si la protéine est non fonctionnelle, il s'agit d'une mutation faux-sens.
Il peut y avoir aussi des mutations chromosomiques qui affectent une partie de chromosome, par exemple la perte d'un petit morceau ou délétion, l'inversion d'un petit morceau qui ne codera donc plus pour la même protéine puisque le sens de lecture sera inversé ! L'insertion ou doublement d'un morceau... mais aussi la fusion de deux chromosomes de paires différentes est possible, c'est semble-t-il ce qui expliquerait les quelques différences de chromosomes entre le chimpanzéchimpanzé et l'Homme...
Variations génétiques ou conséquences des mutations
Les variations génétiques sont dues à des mutations, ce sont donc des modifications dans l'expression des gènes et, pour être héréditaires, il faut qu'elles se produisent au niveau des cellules germinalescellules germinales, elles modifient alors la synthèse d'une protéine de génération en génération.
ArthropodeArthropode, InsecteInsecte, Diptère : une tête avec une paire d'antenne, un thoraxthorax composé de trois segments portant trois paires de pattes, une paire de balanciers sur le second segment et une paire d'ailes sur le troisième et enfin un abdomenabdomen avec huit segments.
Voici, à titre d'exemple, deux mutations de la Drosophile :
1. Mutation antennapedia
Mutation qui fait apparaître une paire de pattes au niveau des antennes. Cette mutation fut observée pour la première fois en 1948. Cette mutation provoque l'expression du gène antennapedia au niveau de la tête, ce qui provoque l'apparition de pattes à la place des antennes.
2. Mutation bithorax et postbithorax
On observe sur cette mouche deux paires d'ailes, les balanciers ayant été transformés en ailes. La mutation bithorax a provoqué la transformation de la partie antérieure du balancier en aile, alors que la mutation postbithorax a transformé toute la partie postérieure du troisième segment thoracique en partie postérieure de second segment thoracique ainsi le balancier est transformé en aile.
Bref historique de la génétique et collection de prix Nobel
- 1751 : René Antoine de Réaumur découvre que la polydactyliepolydactylie (présence d'un sixième doigt chez l'Homme) est sous contrôle d'un caractère dominant.
- 1865 : À partir d'expériences sur le croisement de plantes (petits poispetits pois), Johann Gregor MendelGregor Mendel jette les bases de la génétique moderne. Il comprend qu'un caractère héréditaire peut exister sous différentes versions (allèlesallèles), les unes dominantes, les autres récessives. Il en déduit les notions d'homohomo- et d'hétérozygotie et énonce les lois de la transmission de certains traits héréditaires. Ses résultats ont été ignorés pendant près de 30 ans.
- 1869 : Découverte par Friederich Miescher de la nucléïne, composant principal du noyau des cellules.
- 1880 : Sur la base d'observations faites au microscope et de raisonnements théoriques, les biologistes allemands Oskar Hertwig et Eduard Strasburger déduisent que le noyau des cellules est le siège de l'hérédité.
- 1910 : L'Américain Thomas Hunt Morgan découvre pour la première fois une drosophile (mouche du vinaigremouche du vinaigre) mutante aux yeux blancs (les drosophiles normales ont les yeux rouge sombre). Ces expériences permettront d'édifier les bases de la théorie chromosomique de l'héréditéthéorie chromosomique de l'hérédité.
- 1913 : Publication par Thomas Hunt Morgan et Alfred Sturtevant de la première carte génétique du chromosome X de la drosophile montrant l'ordre et la succession des gènes le long du chromosome. Pour ces travaux, Morgan recevra le prix Nobel de physiologie et de médecine en 1933.
- 1927 : Hermann Muller, issu du laboratoire de Thomas Morgan, met au point l'induction artificielle de mutations par les rayons X chez la drosophile. Cette technique permettra d'améliorer considérablement la précision des cartes génétiques et de fournir la première estimation du nombre de gènes présents dans un organisme. Hermann Muller recevra le prix Nobel de médecine en 1946.
- 1944 : À partir d'expériences sur des bactériesbactéries, Oswald Théodore Avery démontre formellement que l'ADNADN est une molécule associée à une information héréditaire.
- 1953 : Premiers déchiffrages du code génétiquecode génétique : James Watson, Francis CrickFrancis Crick et Rosalind Franklin élucident la structure en double hélice de l'ADN. James Watson et Francis Crick recevront, avec Maurice Wilkins, le prix Nobel de médecine pour ces travaux en 1962.
- 1965 : Jacques MonodJacques Monod, François JacobFrançois Jacob et André Lwoff reçoivent le prix Nobel de médecine pour leurs travaux sur les mécanismes de la régulation génétique, l'opéron lactoselactose.
- Années 1960 - 1970 : Découverte des outils du génie génétiquegénie génétique (enzymes de restrictionenzymes de restriction, polymérasespolymérases, ligasesligases, etc.)
- Années 1970 - 1980 : La biologie devient rapidement une science d'intérêt économique et industriel majeur. Grâce au génie génétique, il devient possible d'obtenir des molécules d'intérêt médical très difficiles, voire impossibles à préparer par voie chimique ou à isoler par voie naturelle (ex. hormonehormone de croissance, insulineinsuline...).
- Années 1992 - 1996 : Publication des premières cartes du génome humain.
Recherches passées et à venir : la cartographie génétique…
Jusqu'en 1913, Morgan ne voyait en la cartographie génétique qu'un sujet d'études pour ses étudiants. Lui devait poursuivre les recherches qui lui semblaient plus importantes : la mise en évidence des interactions entre facteurs génétiques au cours du développement, ses étudiants pensaient au contraire qu'il fallait donner la priorité aux recherches de cartographie génétique. Elles représentaient en effet la voie idéale pour de jeunes gens ambitieux mais inexpérimentés. La traque et la cartographie des mutants étaient un travail extrêmement productif, demandant rapiditérapidité et efficacité plutôt qu'expérience et maturité. Morgan participait au projet mais laissait carte blanche à Sturtevant, BridgesBridges et Muller. Ce sont eux qui ont inventé les bases techniques de la cartographie et ont reconstruit D. melanogaster en un outil standard.
Dans son principe, la méthode se rapproche de la triangulationtriangulation utilisée en cartographie topographique : on établit une distance de référence en mesurant très précisément la distance entre deux gènes donnés, en recensant un très grand nombre de recombinants. On choisit une origine sur chacun des chromosomes cartographiés. Historiquement, ce sont les gènes black et pupil qui ont été respectivement choisis pour les chromosomes 2 et 3 de la Drosophile.
D'autres gènes marqueurs sont ensuite sélectionnés et positionnés sur toute la longueur du chromosome. Sur cette trame, chaque nouveau mutant découvert est positionné en fonction des marqueurs qui l'entourent sur le chromosome.
La mesure des distances sur un chromosome est toutefois moins directe que la mesure des distances au sol : la donnée qui est accessible aux chercheurs est en fait le taux de recombinaison observé entre deux gènes. Par définition, la distance, exprimée en centimorgans, est le ratio en % entre le taux de recombinaison observé et le taux de recombinaison que l'on aurait obtenu dans le cas où les gènes ne seraient pas liés.
Cela suppose que le taux de crossing soit constant sur toute la longueur du chromosome (ce qui est rarement le cas) et que le taux de recombinaison finalement obtenu ne dépende que de la distance. De plus, des corrections doivent être faites pour tenir compte des doubles crossing-over, qui deviennent significatifs quand la distance entre les gènes devient importante. La constructionconstruction de la trame de base pour les chromosomes 2 et 3 a pris environ deux ans. Les premières liaisons entre gènes sont identifiées entre (pink) et (maroon) en avril 1912 et la carte du chromosome 3 commence à être opérationnelle en décembre 1912. En janvier 1914, les cartes des chromosomes 1 (X), 2 et 3 sont quasiment achevées et sont publiées en 1915 dans le fameux livre The Mechanism of Mendelian Heredity (T. H. Morgan, A. H. Sturtevant, H. J. Muller, E. B. Bridges).
L'étude du vol de la mouche
Les laboratoires de recherche de l'armée américaine financent l'étude du vol de la mouche, dans le but de construire une mouche espion artificielle. Objectif avoué : la surveillance clandestine des zones urbaines.
Dans ce cadre, l'agence américaine Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency) et l'Office de Recherches navales (Office of Naval Research) financent l'équipe du biologiste Michael Dickinson (Université de Berkeley) à hauteur de 2 millions d'euros. La miniaturisation d'un robotrobot volant présente des limites de tailles incontournables : pour Michael Dickinson, la mouche s'avère être le meilleur des engins volants naturels. À partir de là, après avoir décrypté les principes de vol de l'insecte, les roboticiens de son équipe ont réalisé un prototype au corps en acier inoxydable, doté d'un œilœil et de quatre ailes en mylar. Ces dernières devraient être prochainement activées par un micromoteur piézoélectriquepiézoélectrique alimenté à l'énergieénergie solaire, au rythme de quelque 180 battements par seconde. L'avancée des nanotechnologiesnanotechnologies devrait par ailleurs permettre d'équiper rapidement le robot espion d'un système de vol et de communication microscopique, par exemple un gyroscopegyroscope d'un millimètre de diamètre. La mouche devrait peser 100 mg !
La mouche à l'oreille
Une mouche parasiteparasite pourrait venir en aide aux développeurs de prothèsesprothèses auditives, d'après une équipe de l'université de Toronto.
D'après leur étude, Ormia ochracea une mouche parasite mesurant moins d'un centimètre, peut déterminer la direction d'un son jusqu'à une échelle de 2°. « Leur ouïe est extrêmement fine car leurs oreilles sont très proches », explique Andrew Mason, Professeur de zoologie. Pour son travail, il a été aidé par deux chercheurs, Michael Oshinsky de Thomas Jefferson University et Ron Hoy de Cornell University. La plupart des mouches n'ont pas d'ouïe du tout, mais Ormia est une spécialiste pour détecter la présence d'un grillon, sur lequel elle dépose ses œufs qui s'en nourriront de l'intérieur. Pour cela, la mouche possède un jeu de tympanstympans unique en son genre situé derrière la tête. Le mécanisme auditif unique de la mouche a inspiré une nouvelle génération de prothèses auditives et de microphones nanométriques. Cette nouvelle génération sera composée d'appareils auditifs directionnels, plus petits, plus simples et moins chers que ceux actuellement utilisés. Les mouches ont seulement une centaine de cellules nerveuses dans chaque oreille, comparée aux milliers de l'oreille humaine. Certaines expériences utilisent des électrodesélectrodes pour montrer que le système nerveux simple de la mouche peut traiter une information sonore avec une très grande acuité. « Nous comprenons maintenant comment le système nerveux convertit le mouvementmouvement des tympans en une information directionnelle. » Les oreilles de la mouche agissent comme un très simple microphone unidirectionnel. Les prothèses auditives qui intégreraient des microphones directionnels apporteraient une aide précieuse pour une écoute sélective plus efficace.
L'action cicatrisante des larves
Dès 1803, Larrey, chirurgien célèbre des armées de l'Empire, avait observé l'action cicatrisante des larveslarves sur les plaies.
Pendant la guerre 1914-1918, des médecins militaires avaient constaté que des plaies envahies par des asticots, loin de s'infecter, guérissaient. En 1930, W.S. Baer obtint des guérisonsguérisons spectaculaires de suppuration osseuse dans des cas d'ostéomyélite. Ces résultats surprennent alors que les mouches ont toujours été considérées comme de dangereux vecteurs de maladie et que leurs larves provoquent chez l'Homme ou les animaux des plaies fort dangereuses (myases). Seules certaines espècesespèces (dont Calliphora et Lucilia) peuvent être utilisées ; les antibiotiquesantibiotiques de leurs sécrétionssécrétions cutanées et buccales et ceux de leurs excréments sont actifs contre le staphylocoque doré et streptocoquestreptocoque pyogène. Pour le moment ces substances n'ont pas encore été exploitées.
Recherches appliquées en agriculture et élevage
Naturellement de nombreuses recherches appliquées en agricultureagriculture et élevage sont menées en France par l'Inrae entre autres.
L'entomologie forensique, police scientifique…
En Europe, différents entomologistesentomologistes ont publié de nombreux travaux traitant de la biologie des insectes nécrophagesnécrophages et de cas pratiques sur des cadavres humains. L'entomologieentomologie forensique est entrée au FBI et à la Gendarmerie nationale en France.
C'est à partir de 1993 que l'entomologie forensique a été développée en Suisse par Claude Wyss, inspecteur à la police de sûreté vaudoise. En même temps, une collaboration étroite a été mise en place avec les Instituts universitaires de zoologie (Prof D. Cherix) et de médecine légalemédecine légale (Prof P. Mangin) à Lausanne. En 2001, l'inspecteur Sylvain Chaubert a rejoint l'équipe et collabore aux expériences et aux expertises.
Un porc (pig 2003 c'est son nom !) de 50 kgkg environ est tué jeudi 14 août 2003 à 09 h 00 et déposé sur le sol à 10 h 20. Le site se trouve au bord du lac Léman, à 375 mètres d'altitude, dans un endroit « ouvert ». La moyenne des températures pour la journée est de 30 °C.
Une première Lucilia sp apparaît sur le substratsubstrat cinq minutes après sa pose ; moins d'une heure après, nous constatons des œufs de Diptères dans la bouche de l'animal. Des guêpes (Paravespala germanica) sont très actives et chassent les mouches. Elles mangent également les œufs et sucent le substrat. L'activité des Diptères fluctue de faible à moyen. Nous attrapons une cinquantaine de mouches et quelques coléoptères dont la liste figure ci-dessous.
- Lucilia illustris
- Lucilia caesar
- Lucilia sericata
- Lucilia ampullacea
- Orthellia cornicina
- Musca domestica
- Hydrotaea ignava
- Musca autumnalis
- Hydrotaea irritans
- Muscina sp
- Sarcophaga argyrostoma
- Sarcophaga sp
- SepsisSepsis punctum
- Fannia canicularis
- Paravespala germanica
- Hister quadrimaculatus
- Euoniticellus fulvus
- Onthophagus vitulus
Il s'agit du journal du premier jour de l'expérience, tenu par les chercheurs (l'intégralité a été publié sur InternetInternet, voir URL dans la bibliographie) lors de la décomposition du cochon servant d'expérimentation pour la détermination des cohortescohortes successives de mouches nécrophages sur les cadavres. Cette recherche est très importante car c'est le seul moyen qui reste aux enquêteurs quand la médecine légale ne peut plus rien...
