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 (Gallus gallus), 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 laevis et tropicalis). Plusieurs espèces de poissons, sauvage ou d’élevage, des milieux tropicaux, tempérés 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 et les plus proches parents des vertébrés. Ils ont un génome compact et des embryons dont la taille et la transparence sont des outils pour les études d’embryologie moléculaire et de génomique fonctionnelle.
Trois espèces sont principalement utilisées dans les laboratoires des équipes du réseau :
- Ciona intestinalis
- Phallusia mammillata
- Botryllus schlosseri
Elles sont utilisées 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. Le contrôle spatial de la division cellulaire est également très contrôlé. 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 aneuploidies, une fécondité réduite et une progéniture non viable. Après la fécondation, une bonne régulation de la durée du cycle cellulaire et de l’orientation des plans de clivage détermine le nombre et la taille des cellules, ce 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 modèles pour l’étude de ces mécanismes de contrôle du cycle cellulaire et leur intégration dans les processus de la méiose, la fécondation 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, peuvent 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 hemisphaerica
Clytia hemisphaerica 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 quelque part pour former une nouvelle colonie de polypes. Il y a trois parties dans le cycle de vie: méduse mature, larve planula et polype. Toutes ces stades 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 aux 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.
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 (tube nerveux dorsal creux, notochorde dorsale, fentes pharyngées) mais reste un organisme extrêmement simple, à la fois anatomiquement 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 choisie comme un modèle car elle possède un petit génome et présente un certain nombre de caractéristiques qui la rendent bien adaptée 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 nôtre, et celui-ci peut être manipulé plutôt facilement. Elles sont très importantes dans la recherche par exemple 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 sa petite taille et son 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 nôtre. Nous pouvons donc identifier des homologues de gènes humains dans le génome de la mouche des fruits. Nous disposons chez la drosophile d’outils inégalés pour manipuler les gènes et leur expression ce qui permet des analyses fonctionnelles extrêmement fines. Son développement embryonnaire a été analysé en profondeur et a mis en évidence d’importants processus conservés chez les humains, certains impliqués dans des pathologies.