Stochasticité dans l'expression des gènes

[invite563835f6]

Bonjour à tous,

Je prépare actuellement une présentation sur la stochasticité* dans l'expression des gènes. C'est un sujet de recherche très actif aujourd'hui comme le suggèrent les nombreux articles qui sont publiés (un dossier spécial y été consacré le mois dernier dans le Pour la Science par exemple).

Je recherche un angle d'attaque du sujet qui est très vaste. J'envisage de suivre ce plan:

I. Mise en évidence de la stochasticité de l’expression des gènes

quelques expériences démontrant que l'expression des gènes est aléatoire.
notamment: expériences avec deux protéines fluorescentes qui s'expriment aléatoirement chez des bactéries

II. Mécanismes à l’origine de la stochasticité de l’expression des gènes

mécanismes intimes au niveau chromatinien expliquant la vision probabiliste de l'expression des gènes.

III. Expression stochastique des gènes : bruits de fond et avantage

En gros, je cherche à montrer que l'expression aléatoire des gènes est un désavantage d'une part puisqu'il induit un bruit de fond qui perturbe le fonctionnement de la cellule (désavantage in vivo mais aussi in vitro dans la construction de systèmes biologiques artificiels), mais c'est également un avantage puisqu'il pourrait permettre d'accroitre le potentiel d'adaptation par exemple.

IV. Enjeux de l’expression stochastique des gènes : stratégies in vivo et in vitro de réduction du bruit de fond dans l’expression des gènes

Je cherche ici à montrer que la cellule in vivo utilise des systèmes qui visent à contourner l'expression aléatoire des gènes: opérons, ordre des gènes dans le génome, compétition entre les ARNm au niveau de la traduction etc. Et qu'on peut mettre à profit ces découvertes in vivo pour les appliquer dans la construction de systèmes d'expression artificiels in vitro (afin de réduire le bruit de fond qui diminue le rendement).

* stochastique s'oppose à déterministe, synonyme de hasard

Qu'en pensez-vous ?

Si vous avez d'autres pistes, ou des articles interessants sur ce sujet, je suis preneur..
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[LXR]

D'après moi c'est audacieux et risqué...

A chacun de tes points j'y vois un contre-argument déterministe fort. Les systèmes biologiques sont hautement automatisés et la plupart (sinon tous) des phénomènes observés sont le produit d'actions et de régulations pré-déterminées. Exemple de contre-arguments:

quelques expériences démontrant que l'expression des gènes est aléatoire.
notamment: expériences avec deux protéines fluorescentes qui s'expriment aléatoirement chez des bactéries

C'est assez court pour bien voir ce que tu veux dire. Aléatoirement selon quoi? Dans des conditions exactes? Observation d'une variabilité de l'expression sur le même lot de bactéries transformées?

mécanismes intimes au niveau chromatinien expliquant la vision probabiliste de l'expression des gènes.

Quels mécanismes? Dans l'expression d'un gène, je ne vois rien d'aléatoire. Sa régulation est conditionné par plusieurs facteurs de transcription dont l'activité de chacun est contrôlé par des mécanismes en amont senseurs de l'environnement cellulaire et de l'environnement extérieur à la cellule. Sans compter les facteurs de transcription définissant l'identité cellulaire, ce qui concerne alors l'expression tissu- ou cellule-spécifique de ces facteurs. En plus de ça on a les histones acétylases, déacétylases, les méthylations du promoteur au niveau d'ilôts CpG mais aussi celle des histones qui influencent très fortement l'expression d'un gène. Toutes ces modifications ne sont pas là par hasard puisque les enzymes brièvement citées sont elles même très finement régulées par les facteurs de transcription en ce qui concerne leur recrutement au niveau de gènes précis, mais aussi par leur propre expression et leurs modifications post-traductionnelles (phosphorylation, ubiquitinylation,...), qui ne sont pas dûes au hasard puisqu'elles aussi sous la dépendance de régulations fines.

En gros, je cherche à montrer que l'expression aléatoire des gènes est un désavantage d'une part puisqu'il induit un bruit de fond qui perturbe le fonctionnement de la cellule (désavantage in vivo mais aussi in vitro dans la construction de systèmes biologiques artificiels), mais c'est également un avantage puisqu'il pourrait permettre d'accroitre le potentiel d'adaptation par exemple.

Le début du paragraphe suppose la thèse suivante : "le bruit de fond de l'expression d'un gène signifie que celui-ci est exprimé de façon aléatoire". J'ai tourné le problème à l'envers.

Déjà, dans un type cellulaire donné, pour certains gènes on n'a pas de bruit de fond tellement ils sont réprimés. Si tu prend par exemple CD34 qui est un marqueur des cellules souches, je ne pense pas que tu retrouveras un bruit de fond d'expression de ce gène dans des cellules totalement différenciées. Par contre, j'accepte que l'on retrouve un bruit de fond pour d'autres gènes. Ce bruit de fond a-t-il un but? Je pense que oui puisqu'on peut y voir une répression partielle de l'expression de ce gène pour permettre par exemple sa rapide ré-expression en cas de nécessité. La cellule réprime totalement certains gènes (comme CD34 au cours de la différenciation) et en réprime partiellement d'autres et pour ce que je sais, ce n'est pas au hasard Baltazar. Dès lors que le bruit de fond d'un gène a un but, la théorie stochastique n'a pas de sens sur ce point là.

Ton dernier paragraphe (IV) peut bancaliser la théorie stochastique. Si dans ton exposé tu défend sa réalité, le dernier paragraphe est risqué. En exposant les mécanismes par lesquels le vivant essaye à tout prix de contourner le hasard de l'expression génique, tu lances une question supplémentaire : est-ce que les mécanismes en question sont totalement efficaces pour empêcher ce hasard? Si oui, la théorie stochastique se casse la gueule, si non cela renforce ton argumentation. Il vaut donc mieux que tu l'abordes dans tes paragraphes précédents et que tu démontres la solidité de ta thèse avant de passer à ce dernier paragraphe qui envisage des applications liées au problème de stochasticité de l'expression des gènes.


Maintenant à toi de me prouver que ce que je dis est faux. Je suis resté sur l'expression génique eucaryote, peut-être que le procaryote permet plus facilement d'envisager la stochasticité de l'expression génique.

Greg

[Yoyo]

salut

Il faudrait commencer par définir ce que tu appelles "expression aléatoire" car de mon point de vue il n'y a pas d'expression aléatoire dans une cellule. Encore faut-il s'entendre sur le terme aléatoire! donc merci de bine vouloir préciser un peu.

Yoyo

[invite563835f6]

Bonsoir,

j'ai trouvé une thèse sur le sujet ( http://pastel.paristech.org/1189/01/theseheams.pdf ) qui est en libre accès sur internet, donc je me permets de vous la transmettre, puisqu'elle permet réellement de répondre aux questions que vous me poser.

C'est une thèse, c'est long, ce soir il est tard, mais si vous n'avez pas le temps de lire l'ensemble, je tenterai de vous répondre à partir des arguments de la thèse demain.

Merci pour votre aide quand même,

Cordialement

PS: ce que jentends par stochastique est en fait plutôt "probabiliste". je pense que ce terme englobe l'aspect déterministe de l'expression des gènes, sans s'y opposer: les évènements déterministes ont une probabilité quasi égale à 1.
Bien à vous!

[A voir en vidéo sur Futura]

[LXR]

D'accord mais le problème c'est que la probabilité d'activation d'un gène sous l'action d'un stimulus dépendra beaucoup des connaissances actuelles. On peut y voir une variabilité mais qui dépend de lacunes informationnelles et matérielles. En connaissant et en appliquant toutes les conditions générant une activation précise d'un gène, il est à peu près certains d'avoir pile ce qu'on veut. C'est du déterminisme et c'est ce sur quoi on se repose lorsqu'on reproduit une manip en labo pour montrer que le résultat n'est pas artéfactuel. Ca veut bien dire que la stochasticité est incriminable aux moyens expérimentaux mais peu ou pas aux mécanismes biologiques, à l'expression génique dans ton cas.

Je pense qu'il faut bien que tu précises à quel niveau se situe la stochasticité, et que tu l'insères dans un contexte adéquat pour tes exemples.

Si ces remarques ne t'aident pas pour ton exposé, elles te permettront je l'espère à préparer les questions que pourront te poser les profs. Enfin on verra demain pour le résumé que tu vas nous proposer.

Greg

[Yoyo]

salut

je suis d'accord avec LXR, on en reviens a la bonne "vieille" question, est-ce que le hasard n'est du pas une non connaissance de tous les parametres.

J'ai lu la resumé de la these, je n'ai pas l'impression qu'ils apportent une réponse ferme a la question.

Yoyo

[invite563835f6]

Je suis en train d'essayer de condenser et de sélectionner les passages importants. Cela prend énormément de temps, et je vous demande juste si vous êtes prêts à lire mon message qui risque d'être volumineux lol ?

[invite563835f6]

Qu'est ce que le déterminisme de l'expression génétique:

Par modèle déterministe de l'expression génétique, nous caractérisons la vision classique selon laquelle les cellules reçoivent chacune des signaux émis par l'environnement ou par d'autres cellules, intègrent ces signaux et y réagissent en engageant une cascade d'expression génétique aboutissant à une réponse appropriée à ces signaux, finement régulée. La nature de cette réponse repose sur l'information génétique contenue dans le génome. Une population homogène de cellules de génomes identiques répondra à ces signaux de telle sorte que le profil moyen d'expression sera le reflet fidèle du profil effectif d'expression de chacune des cellules.

Fragilité du modèle déterministe:

1/ Spécificité:

Dans le cadre du modèle de Britten et Davidson, les gènes de régulation codent pour des facteurs qui, par diverses combinaisons, contrôlent l'expression de plusieurs ensembles de gènes. Ces modèles supposent l'existence de régulateurs spécifiques, c'est à-dire portant chacun une information correspondant à une commande du programme. Ceux-ci, ou du moins des combinaisons spécifiques de tels régulateurs de l'expression génétique, expliqueraient la différenciation des cellules en différents types cellulaires spécifiques. C'est la recherche de ces régulateurs spécifiques qui a mobilisé pendant des années les efforts des chercheurs mais ce programme de recherche aboutit à un résultat spectaculaire : les régulateurs spécifiques n'existent pas en tant que tels et toutes les molécules régulatrices sont extrêmement communes, présentes et partagées dans les différents types cellulaires (Duboule et Wilkins, 1998).
Pour comprendre ce fonctionnement, dans la logique déterministe, il faut faire appel à des cofacteurs, ce qui revient à recommencer la recherche de spécificité et accepter que ces régulateurs ne sont pas la cause d'un programme, mais les partenaires moléculaires d'un ensemble complexe de régulations. La stéréospécificité est, en toute
rigueur, une relation exclusive entre deux structures tridimensionnelles permettant leur association à l'exclusion de toute autre.Elle s'illustre parfaitement dans le cas de maladies monofactorielles, qui furent d'ailleurs des modèles de grand intérêt pour comprendre les principes de bases de l'expression génétique. Dans un certain nombre de cas limités, en effet, la mutation d'une base dans la séquence d'un gène peut aboutir à un phénotype malade, comme l'anémie falciforme. Cette maladie est due au fait que la molécule d'hémoglobine, mutée en un point précis de sa séquence, induit une conformation tridimensionnelle différente de cette protéine et modifie ces propriétés de fixation de l'oxygène. Mais cet exemple canonique, comme d'autres, ne doit pas faire oublier que ces cas de liaison spécifique entre un seul gène et un caractère sont rares. Que les exemples de ce type aient permis de comprendre les bases du fonctionnement des gènes est indéniable, mais ils constituent les exceptions de relations beaucoup plus complexes. En outre, ils peuvent occasionner une erreur logique. On prétend parfois démontrer la spécificité en rappelant que chez tous les malades présentant une pathologie "génétique" caractérisée, on trouve effectivement la même mutation. Mais il est alors indispensable de rappeler qu'il s'agit ici d'un rapport d'inclusion et
non pas d'équivalence : si tous les malades portent la mutation, cela ne signifie pas pour autant que tous les porteurs de mutations sont malades. Il apparaît, pour les rares études qui ont été entreprises, que les résultats confirment de manière spectaculaire la variété phénotypique qu'il peut y avoir dans des populations portant les mêmes mutations connues pour être liés (pour "être la cause")
de maladies "spécifiques". La spécificité n'est donc qu'apparente, biaisée par le fait que l'on n'observe que les "malades" et pas la partie immergée de l'iceberg des porteurs non atteints.

2/ Génocentrisme

Nous nommerons ici génocentrisme l'importance démesurée accordée au génome dans les phénomènes vivants. L'ADN, possédant des caractéristiques particulières, serait au centre du vivant et soumettrait l'ensemble des niveaux biologiques à sa propre dynamique de propagation. Il apparaît rapidement que la position centrale accordée aux acides nucléiques ne l'est qu'arbitrairement. Car si l'ADN est nécessaire à la synthèse des protéines, via la séquence unidirectionnelle transcription-traduction (encore que des
contre-exemples de protéines autoréplicatives existent, voire de protéines synthétisées par d'autres protéines sans intervention ribosomique et donc d'ARNm, les "Non Ribosomal Peptide Synthetases" (NRPS) présentes chez certaines bactéries et champignons (Simon, 1976)), et la mise en application du code génétique, il n'en est pas moins vrai que les protéines sont nécessaires à la synthèse d'ADN, à sa maintenance, à sa propagation. Que cette rétroaction n'ait pas la limpidité du code génétique, mais soit au contraire d'une prodigieuse complexité, ne
signifie en rien qu'elle ne soit pas, du point de vue où l'on se place, à l'origine de l'ADN.
L'ADN n'est pas plus au coeur du vivant que les protéines qu'il code ou celles qui en assurent la maintenance et la réparation. Il n'existe pas plus d'organismes vivants dépourvus d'ADN, c'est-à-dire pas un seul, que d'organismes dépourvus de protéines ou même de lipides. Certes, un acide nucléique a comme propriété remarquable de se répliquer et d'évoluer, et donc d'être potentiellement à lui seul le
substrat d'une évolution moléculaire. Les formes les plus simples d'ARN circulants, les viroïdes, peuvent cependant être mis en regard des protéines du prion, tout aussi autonomes pour leur pouvoir transformant.
Une critique du génocentrisme, sur la base de nombreuses observations et expérimentations, consista à proposer qu'un génotype ne détermine pas un phénotype, mais plusieurs, un champ de phénotype possibles baptisé norme de réaction du génotype (Dobzhansky, 1970). L'environnement influe lui aussi sur cette
norme en canalisant la réalisation d'un de ces phénotypes. Ici, le déterminisme n'est plus seulement génétique, mais alors généralisé aussi à l'environnement, ce qui est une autre forme de délocalisation. Cette approche a pour éminent mérite de démontrer à quel point le passage du génotype au phénotype est complexe et non entièrement contenu dans les gènes. Mais il n’est pas, lui non plus une critique fondamentale du déterminisme, mais plutôt un aménagement de la théorie : le programme est généralisé à tout ce qui peut influer sur l'expression des gènes, le génome lui-même comme l'environnement. Cette approche est une formalisation du fait que les influences environnementales et génétiques sur le phénotype sont étroitement intriquées. Cela relativise le déterminisme génétique, mais ne le remet pas en cause radicalement.
La théorie de l'information de position, enfin, propose que les cellules d'un organisme puissent "connaître" leur position dans l'organisme, grâce à l'existence de gradient morphogénétique traversant l'organisme (Wolpert, 1969). ces gradients ont souvent été effectivement observés, notamment dans le cadre du développement embryonnaire. Ils sont corrélés à des expressions de gènes particulières. On peut d'ailleurs s'interroger sur l'interprétation des résultats expérimentaux qui ont contribué à accréditer cette théorie. Les expériences sur des hydres (Webster et
Wolpert, 1966) reposent sur des greffes. On greffe par exemple une portion de la partie apicale d'une hydre donneuse dans la partie basale d'une hydre receveuse. On observe dans quelle mesure cette greffe modifie le devenir des différentes portions de la receveuse. On constate bien un effet inductif. Mais, fait notable, cet effet se mesure non pas par son niveau, mais par le nombre d'implants ayant un effet inducteur, autrement dit par leur fréquence. Ce qui est décrit comme une information de position agit donc par une augmentation de fréquence des événements que par une spécification de ceux-ci. L'existence, dans chaque cas de greffe, d'une proportion non nulle (et non négligeable) de résultats non conformes, souligne la marge de manoeuvre dont disposent les cellules pour s'engager ou non,
avec une certaine probabilité, dans une voie de différenciation.


Voilà la première partie, qui conciste ne la critique du déterminisme. Je sélectionne la partie suivante.
Bonne lecture, et je suis prêt à en discuter avec vous..

Il est vrai que vos critiques sont déjà une bonne idée de ce que l'on va m'opposer durant mon exposé, mais je précise que cet exposé n'a pas pour but d'être exhaustif! C'est un exercice de présentation sur un sujet scientifique choisi, pour nous entrainer à utiliser un power point et à l'expliquer en anglais. Il sera court: environ 20minutes (comprennant les questions).

[doubleD]

Salut

Je sais pas si ça peut t'aider, mais il y a un livre aux éditions INRA je crois, qui a pour sujet cette thématique. On y trouve bien sur un article Isabelle Stengers. Dans les différents exemples pris, un auteur revenait sur l'opéron lactose et l'analysait d'une manière différente de la classique, si je me rappelle bien.

Je crois que le titre c'est génétiquement indéterminé. Demain, je te donnes la ref exacte.

Une impression que j'ai, c'est que cette voie de recherche, très à la mode à la suite de l'école de Prigogine, est un peu en perte de vitesse. Et une des forces de la vision déterministe est qu'elle a une somme de succés historique derrière elle.

Perso, j'ai pas vraiment de compétences dans le sujet, mais la vision que j'en ai est proche de celle que tu décris dans ton résumé. Le Génome détermine un "champ des possibles" phénotypiques, mais pas un phénotype particulier. Après, l'environnement et le contexte de vie de ce génome va faire que dans ce champ des possibles, une voie plutôt qu'une autre va être prise.

Mais c'est vraiment quelque chose que je trouve intéressant comme manière d'angle de description des mécanismes.

Et je pense (souvenir de lectures du livre dont je te parle), qu'un des points faible est la différence de langage: quand des auteurs partaient dans des descriptions thermodynamiques pures et dures, j'avais tendance à décrocher et du coup leur message parle moins.

Bon courage

[invite563835f6]

Perso, j'ai pas vraiment de compétences dans le sujet, mais la vision que j'en ai est proche de celle que tu décris dans ton résumé. Le Génome détermine un "champ des possibles" phénotypiques, mais pas un phénotype particulier. Après, l'environnement et le contexte de vie de ce génome va faire que dans ce champ des possibles, une voie plutôt qu'une autre va être prise.

Salut, merci de ta réponse tout d'abord. Je vais me renseigner sur les réf que tu m'as données.

Pour reprendre ton post ci-dessus, ce que j'ai compris c'est que la cellule explorerait aléatoirement les champs phénotypiques possibles et qu'une stabilisation de l'un des phénotypes interviendrait (par exemple une protéine membranaire serait exprimée et elle serait stabilisée par une interaction avec une autre protéine membranaire). les cellules qui n'atteindraient pas cette stabilisation continueraient à explorer aléatoirement le champ du possible jusqu'à être stabilisée ou elles ne se développeraient plus => l'ensemble menant à une uniformisation du phénotype d'un type cellulaire donné, ce qui conduit à la pensée déterministe: les cellules d'un type cellulaire donné exprime les mêmes gènes.

Cordialement

[doubleD]

Salut

Voilà le bouquin

http://www.inra.fr/toute_l_actu/vien...nt_indetermine