Les modèles d'étude
Pourquoi des modèles ?
Tous les êtres vivants partagent des principes de fonctionnement de base. Etudier des animaux simples, dits “modèles”, peut donc renseigner sur la biologie et la santé des organismes plus complexes. Ils permettent de réaliser des expériences qui seraient impossible à appliquer sur des humains. Certains sont des plantes et des microbes mais la plupart sont des animaux. Ils sont utilisés pour mieux comprendre les processus biologiques et améliorer notre connaissance des principes fondamentaux en biologie.
Les animaux utilisés comme modèles ont des systèmes simples. Leur croissance rapide offre la possibilité de réaliser des expériences sur plusieurs générations. Souvent, ils peuvent être manipulés génétiquement, ce qui permet alors de travailler sur mutants. On peut changer une partie de leur ADN pour en étudier ses caractéristiques.
Les organismes modèles classiques utilisés en génétique sont largement utilisés dans tout le réseau. Nous pouvons citer le poulet, la souris (Mus musculus), le poisson-zèbre (Danio rerio), la mouche des fruits (Drosophila melanogaster), la levure (Saccharomyces cerevisiae), le ver nématode (Caenorhabditis elegans) et le Xénope (Xenopus tropicalis). Plusieurs espèces de poissons, sauvage ou d’élevage, des milieux tropicaux, tempérées et polaires sont également à l’étude. Des espèces de poissons économiquement importants sont utilisés, ainsi que certains mollusques (Haliotis tuberculata, Crassostrea gigas, Crassostrea rhizophorae, Sepia officinalis), annélides (Sabellaria alveolata), diatomées et coraux (Acropora muricata, A. palmata, Porites lutea, P . astreoides).
En voici quelques uns…
Ciona intestinalis
Les ascidies
Un organisme modèle souvent utilisé dans le réseau André Picard est l’ascidie. Ces invertébrés marins simples sont en fait des chordés, le plus proche parent des vertébrés. Ils ont une morphologie très simple, un génome compact et ils fournissent diverses options pour l’embryologie moléculaire et génomique fonctionnelle.
Trois espèces sont actuellement utilisés dans des conditions de laboratoire
Ciona intestinalis
Phallusia mammillata
Botryllus schlosseri
Ils sont utilisés par plusieurs branches de la recherche, par exemple pour élucider le processus de la méiose, la fécondation et le développement embryonnaire. Toutes les cellules répondent aux signaux leur indiquant quand se diviser, et dans quelle direction. Le contrôle temporel du cycle cellulaire est obtenu par un mécanisme nucléaire universellement conservé qui est modifié en fonction des types de cellules spécifiques. Le contrôle spatial de la division cellulaire est également très réglementé. Au cours de la méiose deux clivages successifs inégaux créent deux cellules minuscules (organismes polaires) et un gros œuf haploïde. Des erreurs dans ce processus conduisent à des aneuploidie, une fertilité réduite, et une progéniture non viable. Après la fécondation, une bonne régulation de la durée du cycle cellulaire et l’orientation des plans de clivage déterminent le nombre et la taille des cellules, qui régit la forme de l’embryon en développement et souvent la différenciation des types de tissus (tels que les muscles, les neurones, les cellules germinales). L’absence de coordination temporelle et spatiale des divisions cellulaires embryonnaires conduit à des pathologies du développement et de la tumorigenèse. Les œufs et embryons de ascidies sont d’excellents organismes modèles pour l’étude de ces mécanismes de contrôle du cycle cellulaire et leur intégration dans les processus de la méiose, la fertilisation et le développement embryonnaire.
Comprendre la capacité de régénérer des organes et des tissus est l’objectif à long terme de la recherche sur la biologie des cellules souches et la médecine régénérative. Ceci est particulièrement intéressant à la lumière de l’absence de la conservation des capacités régénératrices au cours de l’évolution: une salamandre peut régénérer un membre amputé, mais un être humain ne le peut pas. Les chordés coloniaux offrent un potentiel régénératif expérimentalement accessible et fiable qui peut faciliter notre compréhension de la biologie de la régénération. Les ascidies coloniales comme Botryllus schlosseri sont les parents les plus proches des vertébrés qui, à côté de l’embryogenèse, peut adopter des voies de développement distinctes pour régénérer leur corps tout entier, y compris tous les tissus somatiques et la lignée germinale.
Clytia Hemispherica
Clytia Hemispherica
Clytia hemispherica est une petite méduse (5-20mm) présente dans tous les océans du monde. Elle s’est avéré être un excellent modèle expérimental et est maintenant couramment cultivée et manipulée en laboratoire. Les intérêts scientifiques couvrent les phases zygotiques et maternelles de la structuration de l’axe du corps, ainsi que la biologie des lignées germinales et des cellules souches. Le génome est connu et est utilisé pour répondre aux questions fondamentales sur l’évolution des mécanismes du développement de la structuration.
La première partie du cycle de vie de Clytia est une colonie de polypes fixés sur les algues, les rochers ou les coquillages. Certains polypes vont se spécialiser dans la reproduction, les bébé méduses sont produits par bourgeonnement et rejoignent le plancton de l’océan jusqu’à se fixer quelquepart pour former une nouvelle colonie de polypes. Il ya trois parties dans le cycle de vie: méduse mature, larve planula et polype. Toutes les étapes peuvent être commodément maintenus en laboratoire.
larve d'oursin
Les Oursins
L’embryon de l’oursin (Paracentrotus lividus) est utilisé comme un modèle pour les études sur le contrôle des premiers stades de développement.
Les oursins sont très bien adaptés pour les études en laboratoire, grâce à leur ponte contrôlable et à une fécondation externe. Ils conviennent aux traitements pharmacologiques et à la micro-injection, permettant la création d’animaux transgéniques transitoires et le knock-down fonctionnel spécifique ou la surexpression de gènes ciblés.
Mirocaris fortunata
Les crevettes hydrothermales
Les environnements chimiosynthétiques dans l’Océan profond, tels que sources hydrothermales ou suintement d’hydrocarbures ainsi que les bois coulés ou carcasses de grands vertébrés sont des habitats difficiles d’accès et caractérisés par des conditions bien particulières.
Parmi les symbioses les plus originales figurent celles associant des invertébrés marins à des bactéries accomplissant une production primaire reposant sur l’oxydation de composés réduits (chimioautotrophie). Elles sont à la base des fortes productivités observées autour de nombreuses sources hydrothermales, sources de fluides froids, ou substrats organiques coulés.
Parce que les symbioses chimiosynthétiques sont apparues à de multiples reprises au cours de l’évolution des bactéries et des animaux, nous utilisons des approches comparatives et des modèles au sein des arthropodes, des mollusques et des annélides.
Nos outils vont de la biologie moléculaire à la microscopie (électronique et photonique) en passant par l’analyse isotopique, et nous réalisons des expérimentations in vivo grâce aux aquariums pressurisés développés dans l’équipe.
La dispersion et la colonisation se font généralement au stade larvaire. Mais les adultes, notamment Rimicaris exoculata, qui doit veiller à l’approvisionnement de ses symbiontes en composés chimiques, doivent être capable de détecter les émissions de fluide.
Évaluer les capacités de réponse au stress et d’acclimatation des crevettes hydrothermales suite à des variations environnementales, afin d’évaluer leur capacité à supporter des perturbations environnementales, et leur potentiel de résilience.
Évaluer le rôle de la pression dans la tolérance thermique des crevettes hydrothermales.
Amphioxus
L’amphioxus
Plusieurs laboratoires du réseau utilisent l’amphioxus, un céphalochordé représentant la première lignée divergente des chordés. Il a gardé toutes les caractéristiques morphologiques définissant la lignée des chordés (nerf dorsal creux corde, notocorde dorsale, fentes pharyngée maillants) mais reste un organisme extrêmement simple, à la fois anatomique et génomiquement.
Les vers xenacoelomorph
Ces animaux, comme Xenoturbella Bocki et Paratomella rubra, appartiennent aux deuterostomes, mais ont considérablement simplifiées leur morphologie rapport à d’autres membres existants.
Ectocarpus
Les algues
Les Mamiellophyceae sont des algues vertes unicellulaires marines. Ces picoalgues servent de modèles pour divers projets de recherche, allant de leur physiologie à leur histoire évolutive. Nous étudions leurs interactions avec l’environnement et leurs relations avec les grands virus à ADN.
L’algue brune filamenteuse Ectocarpus siliculosus a été choisi comme un modèle car elle possède un petit génome et présente un certain nombre de caractéristiques qui le rendent bien adapté pour les approches génétiques.
Bien qu’un pourcentage élevé des modèles du réseau soient marins ou aquatiques, les modèles terrestres les plus familiers, comme la souris (Mus musculus) et la drosophile (Drosophila melanogaster) ont également leur place.
La souris
La souris est populaire en laboratoire car elle a toutes les caractéristiques d’un bon modèle d’étude (les organismes modèles doivent être petits, faciles à élever, à faibles coûts de maintenance, avec un cycle de vie relativement court). Mais c’est surtout un des plus important systèmes modèles mammifères en raison du pourcentage élevé de similitudes avec les humains, à la fois génétiquement, immunologiquement et physiologiquement. Ils partagent environ 95% de leur génome avec le notre, et celui ci peut être manipulé plutôt facilement. Elles sont très importantes dans la recherche sur le cancer, le diabète et Alzheimer.
La drosophile
La mouche Drosophila melanogaster est un organisme modèle récurrent dans les études génétiques et la biologie du développement. Elle est utilisée depuis plus d’un siècle et a été l’un des premiers organismes modèles scientifiques utilisés. Vu leur petite taille et un temps de génération très court, elle permet des expériences à grande échelle et sur plusieurs générations. Utilisée depuis longtemps, nous disposons maintenant d’une énorme quantité de données est connaissons parfaitement la biologie de ce petit animal.
Sa composition génétique montre une grande ressemblance avec la notre. Nous pouvons donc identifier de nouveaux gènes humains à partir du génome de la mouche à fruit. Son développement embryonnaire a été analysé en profondeur et a mis en évidence d’importants processus de développement et de malformations congénitales chez les humains.
Les mathématiques
Une autre façon de mieux comprendre le processus historique de l’évolution animale, est de passer par des techniques de calcul. Celles-ci sont utilisées pour étudier les génomes et les structures de protéines, en particulier ceux des animaux d’une importance évolutive particulière.
Modélisation mathématique en biologie du développement
Avec le célèbre article d’Alan Turing en 1952 « The chemical basis of morphogenesis », une première explication générale est donnée pour expliquer l’apparition de formes naturelles.
Ce modèle de réaction-diffusion permet par exemple d’expliquer l’apparition de ‘patterns’ sur la peau des animaux et est proposé comme mécanisme de segmentation lors du développement embryonnaire. Dans les années 1960, L. Wolpert introduit le French Flag Model (FFM) en supposant qu’un gradient de morphogène permet une localisation spatiale précise plus réaliste. Ce sont des points de vue généraux qui sont actuellement poursuivis en caractérisant la localisation de la frontière entre deux expressions de gènes différents (travaux de A. Prochiantz, B. Perthame, C. Quininao and J. Touboul)
D’autres travaux actuels s’intéressent à des domaines plus précis. Une collaboration entre les laboratoires de Biologie du Développement, INRIA (Mycenae) et le Laboratoire Jacques-Louis Lions (mathématiques) traite de la neurogenèse du cortex cérébral en vue d’expliquer certaines pathologies du cil primaire, un organite cellulaire sensoriel. Le modèle mathématique multi-échelle est confronté aux expériences sur des souris sous-exprimant le gène correspondant (F. Clément, M. Postel, S. Schneider-Maunoury, A. Karam).
Un autre exemple concerne la contraction de structures d’acto-myosine qui joue un rôle clef dans la déformation de cellules et tissus biologiques et peut-être associée à des mouvements par courbure moyenne. Plus généralement ce processus intervient dans la morphogénèse et la réparation tissulaire de plusieurs organismes (L. Almeida, A. Jacinto, B. Ladoux).