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Activite 2 spé terminale

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Chapitre 1 : La conservation des génomes : stabilité génétique et évolution clonale

L'attaque des clones

Objectif: Comprendre la notion de clone à partir de divers exemples tirés de l’agriculture ou du domaine de la santé

A l'aide des documents montrez que l'organisme esten réalité une mosaïque de clones cellulaires

Immunologie

Science fiction

C'est quoi un clone?
clone = ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques, aux mutations près.

Clonage animal

Clonage végétal

Les anticorps monoclonaux

Hela : l'incroyable destin d'une immortelle

Clonage moléculaire

Sous-clones

Jusqu'à l'arrivée de la technique des anticorps monoclonaux, il était très difficile de produire, d'isoler et de purifier des anticorps tous réellement identiques. En thérapeutique, des mélanges d'anticorps sont utilisés depuis longtemps. Ce sont par exemple les sérums antitétaniques ou encore contre les morsures de serpent. Ces mélanges sont réalisés en inoculant des antigènes (toxine tétanique, substances toxiques des venins de serpent) à un animal (souvent le cheval). Ce dernier va s'immuniser et fabriquer des anticorps contre l'antigène reçu mais ces anticorps ne seront pas tous identiques. On récupère ensuite un mélange d'anticorps que l'on peut utiliser chez l'homme pour le protéger rapidement avant que son propre système immunitaire réagisse. Le problème majeur de ces sérums est la difficulté à garantir une composition et donc une efficacité constante. De plus, ces substances provoquent parfois des réactions allergiques très graves.


Anticorps monoclonaux kesako ?

Un anticorps monoclonal est un anticorps qui a été fabriqué par une seule et même cellule, clonée en plusieurs milliers de cellules identiques. A la différence des anticorps jusque-là produits qui étaient des mélanges d'anticorps proches mais différents.

La spécificité des anticorps en fait leur intérêt thérapeutique. La plupart des médicaments "traditionnels" sont actifs aussi grâce à cette particularité : ils vont agir sur une cible et provoquer une réaction.


Encore faut-il trouver la molécule qui va se fixer sur la cible voulue et agir dans le sens souhaité. Lorsqu'on connaît la molécule sur laquelle on veut agir, il est relativement simple de créer des anticorps qui vont se fixer sur celle-ci.


Il suffit d’injecter à une souris, la molécule sur laquelle on veut agi, qui va s'immuniser et produire des anticorps. Après purification des cellules qui produisent l'anticorps voulu, on les traite pour les transformer en cellules cancéreuses qui vont se diviser à l'infini ou presque.

On obtient donc énormément de cellules identiques capables de produire le même anticorps en grande quantité. C'est une seule et même cellule qui a été cloné au départ d'où l'appellation d'anticorps monoclonal.


En cancérologie notamment, ce type d'effet est très recherché pour agir directement et plus ou moins spécifiquement sur les cellules d'une tumeur cancéreuse. Ils servent en quelque sorte de marqueurs pour indiquer à l'organisme quelles sont les cellules à éliminer.

Dans le cancer du sein, l’Herceptin est déjà disponible depuis quelques années. C'est un anticorps monoclonal dirigé contre le récepteur d’un facteur de croissance épidermique humain (HER2) qui est surexprimé à la surface des cellules cancéreuses.

Utilisé dans la polyarthrite rhumatoïde et la maladie de Crohn, le Rémicade est un anticorps spécifique du TNF-alpha. En se fixant sur cette cytokine, il bloque son action inflammatoire et ralentit considérablement l'évolution de ces deux maladies très invalidantes.

Les anticorps monoclonaux sont donc une voie d'avenir précieuse notamment pour des pathologies qui n'ont pas de traitement ou des traitements peu satisfaisants. Certains sont aujourd'hui en cours de développement notamment dans le rejet de greffe de rein, les leucémies aiguës myéloïdes et les leucémies lymphoïdes chroniques.






























Le clonage animal : entre mythes et réalité


"S'il te plait, clone-moi mon Toutou"... Il y a 20 ans, le 5 Juillet 1996, naissait Dolly, la brebis mondialement connue, que des chercheurs écossais, Keith Campbell et Ian Wilmut, avaient obtenue par clonage. C’était une grande première : un mammifère naissait sans qu’il y ait eu fécondation d’un ovule par un spermatozoïde. Depuis Dolly, les techniques se sont améliorées et le clonage d’autres animaux domestiques, vaches, chevaux, chèvres, porcs, lapins … est devenu courant. Les animaux de compagnie ne sont pas en reste, Carbon copy, le premier chat cloné, est né aux Etats Unis en 2001, Snoopy, le premier chien, en 2005 en Corée du Sud. Depuis, tout ou presque n’est qu’une affaire d’argent.


Vous avez dit clonage. En quoi ça consiste ?

Il existe deux types de clonage aux finalités différentes, qui sont donc sujets à des enjeux différents : reproductif (humain et animal) et thérapeutique. La méthode de clonage consiste à prélever le noyau d'une cellule souche d’un organisme et le fusionner avec l’ovocyte énucléé d’un autre organisme, afin de former une nouvelle cellule qu’on laisse se multiplier pour former un embryon.
Dans le cadre du clonage reproductif, on implante directement l’embryon dans une mère porteuse.
Pour le clonage thérapeutique on laisse se poursuivre le développement de l’embryon afin d’en extraire des cellules souches. Puis on détruit l’embryon afin d’éviter toute tentative de clonage reproductif humain. Enfin on cultive les tissus obtenus.


Schéma explicatif de la méthode de clonage












La plupart des plantes sont des reproducteurs asexuées, pouvant se reproduire par une branche, racine ou même une feuille sans l’intervention des gamètes du sexe opposé. Les hommes s’inspirent de ce clonage naturel des végétaux pour créer des espèces de plantes supérieures qui peuvent résister aux facteurs qui entraînent des mauvaises récoltes. Quelques bonnes exemples seraient les plantes qui résistent aux insectes ravageurs ou qui s’adaptent aux différents types de sols.

Il existe 3 techniques de clonage végétal: le marcottage, le bouturage et le greffage. Chaque technique possède des différentes variations, en plus de leur version naturelle, qui sont le résultat de l’intervention de l’humain.


Le Marcottage
Lorsqu’une des branches ou tiges d’une plante est en contact avec le sol humide, elle peut se multiplier par marcottage. Le contact d’une partie de la plante avec la terre va former des nouvelles racines, qui vont former des nouvelles arbustes, alimentés par la plante-mère jusqu’à temps qu’ils peuvent produire leurs propres nutriments, grâce au développement des racines.


Le Bouturage
L’isolation d’une des branches, bourgeons, tiges, feuilles ou racines d’une plante permet la multiplication végétale par bouturage. Cette isolation engendre des nouvelles racines, qui forment de nouvelles plantes, qui peuvent être plantés dans la terre et eau.


Le Greffage
Le greffage est un technique de clonage où les plantes peuvent se multiplier en insérant un de ses fragments (greffon) dans une autre plante (plante-mère). Ensemble, ils se comporteront comme une seule plante ayant des caractéristiques du greffon et de la plante-mère. Par contre, cette technique ne fonctionne seulement si les deux plantes appartiennent à la même famille et genre végétal.


Pourquoi les cellules d'Henrietta Lacks sont immortelles

Utilisées dans de nombreux laboratoires, les cellules de la jeune Noire américaine morte en 1951 d'un cancer livrent encore leurs secrets.

Beaucoup de vaccins et de médicaments ont été testés, et des milliers d'essais thérapeutiques effectués, à partir des cellules prélevées sur Henrietta, une jeune femme américaine morte dans la misère en 1951, à l'âge de 31 ans, d'un cancer du col de l'utérus. Ce sont les cellules de ce cancer qui se sont avérées immortelles dans les cultures de laboratoire et qui ont permis d'évaluer nombre de produits de santé destinés à l'homme.

Avant qu'elle ne décède, un chirurgien a prélevé des échantillons de sa tumeur et les a déposés dans une boîte de Pétri. Les chercheurs tentaient depuis longtemps de maintenir en vie des cellules humaines en culture pour tester des remèdes et comprendre le fonctionnement humain. Mais les cellules séparées de leur corps d'origine finissaient toutes rapidement par mourir. Or, pour la première fois, celles d'Henrietta Lacks se sont tout de suite avérées différentes: une génération nouvelle de cellules apparaissait toutes les 24 heures. Depuis, elles n'ont jamais arrêté de se multiplier.

Les cellules HeLa - c'est sous ces deux syllabes que les scientifiques désignent ce matériel biologique - ont prospéré de manière fulgurante au point d'être, encore aujourd'hui, diffusées dans tous les laboratoires de la planète. Lorsque l'on tape «HeLa» sur un moteur de recherche scientifique, on découvre que 64.000 études récentes ont été faites à partir de ces cellules.

Selon l'estimation d'un scientifique, si l'on pouvait empiler sur une balance toutes les cellules HeLa produites depuis le début de la mise en culture, elles pèseraient plus de 50 millions de tonnes.

Pourquoi les cellules d'Henrietta Lacks ont-elles eu un tel potentiel de croissance?

Pour la première fois, les chercheurs de l'université de Washington apportent un début d'explication. Le cancer du col de l'utérus est dû à un virus, le papillomavirus, transmis sexuellement et qui s'intègre au génome de la cellule qu'il infecte pour la transformer en cellule cancéreuse. Dans le cas précis de ce cancer, le gène cancérigène du virus ayant infecté Henrietta se serait inséré dans une cellule du col de l'utérus d'Henrietta à côté d'un gène cellulaire dit oncogène capable lui aussi de déclencher un cancer.

La proximité de ces deux gènes cancérigènes (celui du virus et celui d'Henrietta) les aurait conduits à se stimuler mutuellement et à potentialiser leurs effets, induisant ainsi une tumeur d'une grande capacité de croissance et de diffusion. «C'est une sorte d'orage complet qui a fait que tout allait mal en même temps, dans une même cellule. Le virus s'est inséré dans son génome de la manière la pire qui soit», explique Andrew Adey, un des auteurs de l'étude.






S'il est possible de cloner une cellule ou un organisme entier, il est également possible de cloner un gène ou un fragment d' ADN. Cette opération, appelée clonage moléculaire, constitue une part importante de l'activité conduite dans les laboratoires de recherche où l'on pratique la biologie et la génétique moléculaires. Elle repose sur un ensemble de techniques de génie génétique qui permettent d'isoler et de reproduire des gènes.

L'opération consiste alors à introduire un fragment d'ADN d'intérêt (par exemple le gène que l'on souhaite étudier) dans un organisme unicellulaire. Le plus souvent on utilise comme organisme hôte une bactérie (Escherichia Coli) ou un champignon unicellulaire : la levure Saccharomyces Cerevisiae. On tire ainsi profit des capacités de multiplication végétative et de la grande vitesse de prolifération de ces dernières pour reproduire à l'identique un très grand nombre de copies de ce fragment d'ADN.

Pour cela, le fragment d'ADN est au préalable introduit dans une construction que l'on appelle vecteur ou plasmide. Ce plasmide est une molécule d'ADN circulaire qui permet à la fois d'introduire la séquence d'ADN à étudier dans le micro organisme récepteur mais aussi d'assurer le maintien de ce fragment d'ADN d'intérêt dans la cellule hôte de génération en génération au cours des divisions cellulaires.

Cette étape d'insertion d'un fragment d'ADN dans un vecteur repose sur l'utilisation d'outils et de techniques de biologie moléculaire permettant la recombinaison d'ADN in vitro, c'est à dire la production d'une molécule d'ADN dite recombinante issue de l'intégration d'une molécule d'ADN dans une autre. Ces étapes s'appuient sur l'utilisation d'outils moléculaires, des enzymes qui permettent de couper copier et coller un fragment d'ADN dans un autre.

Après purification du plasmide contenant le fragment d'ADN d'intérêt, on l'insère dans un micro-organisme afin que celui le duplique lors de chacune de ses divisions.

Pour la bactérie la plus communément utilisée Escherichia Coli, le temps de génération dans des conditions optimales de croissance est de 20 minutes environ. Ce qui signifie qu'une bactérie se divise toutes les 20 minutes et que, par conséquent, chaque heure, la population bactérienne est multipliée par 8. Au bout de seulement 10 heures (mise en culture sur la nuit), on obtient à partir d'une seule bactérie, un milliard de bactéries portant chacune une ou plusieurs copies du plasmide. Ce plasmide étant identique à celui présent dans la bactérie ou la levure initialement transformée, on a bien des clones de ce plasmide à l'identique.
C'est pour cette raison que l'on parle de clonage moléculaire.



Au cours du cycle cellulaire, les molécules d'ADN sont fidèlement reproduites. Mais il arrive que l'information génétique subisse des modifications qui surviennent spontanément.

Comment les modifications de l'information génétique apparaissent-elles au sein d'une cellule ?


Qu'appelle-t-on mutation ?
Les mutations sont des modifications du matériel génétique.
Elles peuvent avoir des conséquences délétères sur l'organisme.
Elles sont à l'origine des modifications évolutives.
On doit distinguer entre les mutations germinales qui affectent les gamètes et les mutations somatiques qui affectent les autres cellules : les premières sont transmissibles à la descendance de l’individu, les secondes sont transmissibles à la descendance de la cellule mère (mitose)


Les types de mutations
1- Les substitutions de paires de nucléotides
Elles peuvent être silencieuses c'est à dire ne pas engendrer de modification d'acide aminé dans la protéine (redondance du code génétique)
Elles peuvent aussi engendrer le remplacement d'un acide aminé par un autre (ex : CTC->Glu ; CAC-> Val dans le cas de la drépanocytose) ou générer un codon "stop" écourtant prématurément la protéine.

2 - Les modifications du cadre de lecture
Ce sont les délétions ou les insertions.
Ex : avec la séquence d'ARNm : AUG CAG AUA AAC GCU GCA UAA
On obtient : met gln ile asn ala ala stop
Une délétion d’un A donne : UGC AGA UAA ACG CUG CAU ...

cys arg stop
Les protéines résultantes sont donc écourtées et souvent non fonctionnelles.


L' origine des mutations spontanées
Une mutation spontanée résulte d'un processus naturel. On doit les distinguer des mutations induites qui résultent d’une interaction entre l’ADN et un agent extérieur ou mutagène. Cependant, dans les deux cas, la plupart des mécanismes sont identiques. Toutefois les mutations qui résultent d’erreurs de réplication sont vraiment spontanées.

1- La fiabilité de la polymérase et les erreurs de réplication
Une erreur de réplication avec mise en place d’un nucléotide incorrect entraîne une mutation lors de la réplication suivante. La fréquence des erreurs de la polymérase influe sur la fréquence des mutations spontanées.
Il existe une 3’-5’ exonucléase dont le rôle est veiller aux erreurs d’incorporation des nucléotides durant la réplication. Des mutations peuvent résulter de la présence d’une exonucléase « correctrice » qui supprime à tort des paires de bases insérées par la polymérase.

2 - Des altérations affectant les bases
- Les bases de l’ADN sont l’objet d’altérations structurales spontanées appelées tautomérisations.

Chaque base peut exister sous deux formes : ainsi la guanine peut revêtir la forme « keto » ou la forme « enol ». Ces deux formes sont appelées tautomères ou isomères structuraux.
Les différentes formes de tautomères ont des propriétés d’appariements différentes. Si durant la réplication, G est sous la forme « enol », la polymérase pourra positionner, en face, un T à la place d’un C parce que les modalités d’appariement ont changé (et ce n’est pas une erreur de la polymérase) . Le résultat est une transition du dinucléotide G-C en A-T.

- Un autre processus de mutagénèse est la dégradation spontanée d’une base. La déamination de C en U est fréquente. Elle peut être réparée par un processus qui détecte l’uracile. Dans le cas contraire, le U engendre en vis à vis l’insertion d’un A et entraîne une transition de G-C en T-A lors de la réplication.

- Le troisième type de mutation spontanée est constitué par les dégâts causés par les radicaux libres de l’oxygène. Ceux ci, dans la cellule, proviennent du métabolisme oxydatif et sont aussi généré par des agents physiques tels que les radiations. Le résultat peut être une transversion de G-C en T-A.

- Un autre type enfin, est l’alkylation (addition de groupes alkyl tels que methyl, ethyl ou propyl) sur des bases ou le squelette de l’ADN. Les bases alkylées peuvent être des points de rupture ou de mauvais appariements.