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Les puces à ADN : un concentré de technologie

Les évolutions technologiques développées pour le secteur de la génétique et de la biologie moléculaire ont bouleversé les pratiques et les perspectives depuis une dizaine d’année. Il est aujourd’hui possible de  séquencer l’ensemble du génome d’un individu. Cet article vous permettra d’approcher d’un peu plus près les révolutions en cours, dans le domaine agronomique, mais aussi dans le domaine de la médecine.

. © Inra, GENTYANE
Mis à jour le 21/06/2018
Publié le 11/06/2018

L’information héréditaire est codée dans la molécule d’ADN grâce à l’agencement sous forme de séquences spécifiques de quatre briques élémentaires, les  nucléotides. Leur combinaison variable détermine le code pour les différents gènes ou facteurs de régulation des individus.

Révolution technologique

Depuis une dizaine d’années, la génétique et la biologie moléculaire ont été le théâtre d’une véritable révolution technologique qui est venue bouleverser les méthodologies, les concepts et surtout les perspectives de la science et des développements liés aux génomes.

Le séquençage massif des organismes est aujourd’hui possible. Grâce à de gigantesques bases de données constituées progressivement ces 10 dernières années, on peut attribuer des fonctions pour certains gènes par comparaison à ce que l’on connaît. Des tests sur les organismes entiers permettent de vérifier ensuite les fonctions supposées de ces gènes. Toutefois, la compréhension du fonctionnement global reste compliquée car il n’y a pas que des gènes dans l’ADN d’une part, que beaucoup de fonctions sont multigéniques d’autre part, ou encore parce qu’il existe des fonctions dédiées à la modulation, à la régulation ou à la protection de l’ADN lui-même. Ce travail de catalogage, de repérage des gènes, de rapprochements avec ce qui était déjà connu, a été un travail considérable de l’ensemble de la communauté scientifique, pour faire avancer des connaissances relatives aux génomes.

L’alignement des séquences obtenues par séquençage massif permet de repérer aussi de petites différences (polymorphisme) entre individus d’une même espèce, différences que l’on exploite dans la technologie des puces à ADN.

. © Inra, GENTYANE
© Inra, GENTYANE

Le principe des puces

Les puces à ADN reposent sur l’exploitation de petites différences entre individus, lorsqu’une seule brique varie dans des séquences. Ces différences d’un seul nucléotide à un endroit donné du génome sont appelées « SNP » pour « single nucleotide polymorphism ». Le séquençage du génome entier de plusieurs individus d’une même espèce permet de comparer leurs séquences et de repérer ainsi ces petites différences, qui deviennent des « marqueurs moléculaires » pouvant être reliés à des caractères d’intérêts agronomiques.

Les puces actuelles sont (puce haute densité Axiom Affymetrix dans notre exemple) composée de 96 emplacements permettant de tester autant d’échantillons d’ADN d’individus différents (voir photos). Chaque petit carré permet la lecture de l’information de 660 000 marqueurs (SNP). De petits fragments d’ADN comportant les SNP sont déposés et fixés par photo-lithogravure sur la puce, dans un agencement précis qui est reconnaissable par les robots de lecture optique associés (scanners). Sur chaque petit carré est alors appliquée la solution d’ADN à tester, des appariements (hybridations) peuvent se faire le cas échéant avec les marqueurs déposés si des séquences correspondantes sont présentes. Par un mécanisme biochimique simple, une fluorescence est engendrée et peut être repérée par le scanner, ainsi que son emplacement, avec une précision absolue : une sorte de grille de 660 000 informations. Vertigineux ! D’autant que le temps où le laborantin travaillant sur un seul échantillon et mettant en jeu une seule information, à l’aide de mini-tubes à essais, n’est pas si loin.

Chaque emplacement permet de tester l'échantillon d'ADN d'un individu, et in fine la lecture de l'information de 660 000 marqueurs. © Inra, GENTYANE
Chaque emplacement permet de tester l'échantillon d'ADN d'un individu, et in fine la lecture de l'information de 660 000 marqueurs © Inra, GENTYANE

 

Toutes les espèces concernées

Cette technologie des puces est un outil d’aide à la sélection. Beaucoup d’espèces sont travaillées ainsi, avec des objectifs précis et des marqueurs précis de fonctions : pour des muscles plus gros, une taille plus grande, des poules qui pondent plus, des chevaux plus performants, un meilleur rendement pour le blé, une résistance au changement climatique pour le maïs… Il est possible de construire aujourd’hui des puces pour toutes les espèces. Ces puces sont fabriquées à façon. On a ainsi accès aux informations de marqueurs moléculaires spécifiques, et on peut donc générer des puces pour des projets personnalisés. Les informations issues de ces marqueurs moléculaires peuvent être utilisées également pour étudier l’histoire évolutive des espèces et construire des arbres phylogéniques. Des candidats ? Dans un avenir proche et qui n’est plus de l’ordre de la science-fiction une médecine personnalisée en fonction de son bagage génétique peut d’ores et déjà être envisagée.

Le coût d’un gibabase de séquence varie selon la technologie de 20 à 90 €. Le coût d’une puce de génotypage à haut débit varie de 3000 à 15000 € selon les espèces et la quantité de puce commandée. Le séquençage d’un organisme de taille moyenne (quelques Gb) prend aujourd’hui moins une semaine.

 

Contact : Charles Poncet, Plateforme Gentyane, UMR GDEC

L'expertise de la plateforme Gentyane

La plateforme Gentyane dont le travail est essentiellement de fournir des prestations en terme de séquençage et de génotypage, participe également à l’évolution et à la mise au point de nouvelles technologies avec les sociétés de haute technologie du secteur. Elle est intégrée à l’UMR GDEC.

Deux types de séquenceurs existent au jour d’aujourd’hui : ceux qui fournissent de courtes séquences (100 à 300 pb), et ceux qui travaillent sur des fragments plus longs (jusqu’à 100kb). L’assemblage des deux types d’informations permet la reconstruction d’une séquence consensus de qualité. Dans un avenir proche, on pourra sans doute séquencer directement le génome d’un organisme d’un seul tenant.

Dernièrement la plateforme a œuvré à la mise au point de puces plus « intelligentes ». En effet obtenir 660 000 informations n’est pas forcément toujours utile. D’où la pertinence d’un travail de pré-sélection au niveau des marqueurs, pour en retenir moins (environ 50 000 seulement), et par contre de multiplier le nombre d’individus qu’il est possible de tester sur la même plaque.

Quelles compétences pour pratiquer ce type de métier ? Ce sont essentiellement des compétences et expertises de type ingénieur en biologie moléculaire ou généticien. La technicité dans ce secteur est très pointue et en constante évolution. En aval, des chercheurs et des bioinformaticiens dans des laboratoires de recherche privés ou publics gèrent, ciblent et utilisent  la masse de données obtenues.

Présentation de la plateforme Gentyane