Acide aminé : petite molécule, unité élémentaire des protéines. Au nombre de vingt, ils possèdent à la fois des fonctions chimiques identiques et chacun une partie qui lui est propre, le distinguant des autres et le rendant de ce fait potentiellement porteur d'information.

Acide nucléique : terme désignant une substance constituée d'un enchaînement linéaire de nucléotides. Il en existe deux catégories : les acides désoxyribonucléiques (ADN) et les acides ribonucléiques (ARN).

Acides gras : composés entrant dans la composition des lipides. Les acides gras interviennent dans la constitution de certaines hormones et dans le transport du cholestérol. Ils sont présents dans les membranes plasmiques et contribuent à une grande partie de la production d’énergie.

Acromégalie : maladie due à une hypersécrétion d'hormone de croissance qui entraîne un développement important (taille plus grande) de certaines parties du corps (main, pied, visage).

ADN : abréviation d’Acide DésoxyriboNucléique. Cette molécule, de structure hélicoïdale, est plus ou moins longue selon les espèces (cyclique chez les bactéries, finie chez les organismes pluricellulaires). Elle se compose d’un unique ou de deux brins appariés. Elle est classiquement composée de quatre paires de bases azotées : adénine associée à la thymine, et cytosine associée à la guanine. Sa longueur est exprimée en nombre de bases.

ADNc : ADN "complémentaire", copie d'un gène dépourvue des introns (séquences non codantes) de ce gène.

Agoniste : substance qui se lie à un récepteur et qui déclenche sa réponse.

Allèle : une des différentes formes que peut prendre un même gène. Les allèles occupent la même position (locus) sur les chromosomes homologues.

Allergène : substance qui déclenche ou favorise l'allergie, ensemble de réactions inadaptées ou excessives du système immunitaire de l'organisme, suite à un contact, une infection, une ingestion ou une inhalation.

Amplification génique : dite aussi PCR ("polymerase chain reaction"). Technique permettant de recopier de manière exponentielle un fragment d'ADN, grâce à l'utilisation d'une enzyme (polymérase).

Angiogenèse : développement de nouveaux vaisseaux sanguins par bourgeonnement à partir de vaisseaux existants.

Antagoniste : dite aussi PCR ("polymerase chain reaction"). Technique permettant de recopier de manière exponentielle un fragment d'ADN, grâce à l'utilisation d'une enzyme (polymérase).

Anticorps : molécules de défense de l'organisme, protéines (immunoglobulines) fabriquées par les lymphocytes (globules blancs du sang), en réponse à la présence d'un corps étranger, l'antigène.

Antigène : molécule étrangère à l'organisme, qui déclenche une réaction de défense (réponse immunitaire) de ce même organisme, caractérisée par la production d'anticorps.

Antioncogène : ou encore gène suppresseur de tumeur, gène dont la fonction est d'empêcher l'emballement de la division cellulaire (cas du gène P53).

Apoptose : mort cellulaire programmée (selon un programme génétique établi). C'est une composante normale du développement d'un organisme multicellulaire, qui aboutit à la mort de cellules particulières, à certains endroits, à un moment précis. L’apoptose sert notamment à éliminer les cellules "usées".

ARN : Acide RiboNucléique, molécule servant à transférer les instructions génétiques inscrites dans l'ADN du noyau vers le cytoplasme (chez les eucaryotes), où ces instructions sont exécutées par la cellule. L'ARN est également formé par un enchaînement précis de nucléotides.

ARNm : acide ribonucléique messager, forme sous laquelle le message génétique codé dans les gènes est transféré du noyau vers le cytoplasme. Cet ARN est une sorte de "copie" d'un gène, destinée à être utilisée, dans le cytoplasme, comme modèle (par les ribosomes), pour la synthèse d'une protéine.

ARNr : acide ribonucléique ribosomal, l'un des deux constituants des ribosomes.

ARNt : acide ribonucléique de transfert. Courte molécule d'ARN de structure complexe, qui joue un rôle fondamental dans la synthèse des protéines. Il apporte les acides aminés au ribosome.

ATP : adénosine triphosphate molécule de l'énergie.

Bactérie : micro-organisme unicellulaire sans noyau (procaryote) dont le génome est constitué d'ADN circulaire. La bactérie contient un seul chromosome et éventuellement des plasmides.

Bactériophage : virus parasites des bactéries qui peuvent entraîner leur destruction (lyse).

Bases azotées : molécules entrant dans la composition des acides nucléiques (ADN et ARN), ce sont les éléments porteurs de l'information des nucléotides. L'ADN est constitué des 4 bases suivantes : A = adénine ; G = guanine ; C = cytosine ; T = thymine.
L'ARN est constitué des 4 bases suivantes : A = adénine ; G = guanine ; C = cytosine ; U = uracile.

Bicaténaire : qui est constitué de deux chaînes complémentaires. C'est le cas de l'ADN : deux chaînes nucléotidiques complémentaires.

Canaux ioniques: chez les cellules animales et végétales, ce sont de petits pores transmembranaires constitués de protéines qui sont responsables du transport des ions. Les canaux ioniques permettent le transport des ions tels que : Na+, K+, Ca+ ou Cl-. Ils présentent souvent une séléctivité aux ions, permettant à certains ions de passer mais pas à d'autres.

Cancer : le cancer se caractérise par l'apparition de tumeurs malignes constituées par la prolifération anarchique et indéfinie des cellules d'un tissu. Les cellules tumorales sont des cellules transformées suite à des anomalies génétiques. Ces cellules peuvent migrer dans des tissus voisins et y former des métastases.

Caryotype : représentation, formule et ordonnancement (taille) des chromosomes du noyau d'une cellule, obtenus par microscopie ou microphotographie.

Cellule souche : cellule indifférenciée, capable de s'autorenouveler, de se différencier en d'autres types cellulaires et de proliférer en culture. Les cellules souches sont issues soit de l'embryon, soit du foetus, soit de tissus adultes. Elles peuvent aussi être obtenues par transfert de noyau.
Il existe plusieurs types de cellules souches :
-des cellules souches multipotentes (cellules foetales et adultes) capables de donner naissance à plusieurs types cellulaires, comme par exemple les cellules souches myéloïdes de la moelle osseuse qui sont à l'origine des cellules sanguines (érythrocytes, monocytes, granulocytes...).
-des cellules souches pluripotentes (cellules souches embryonnaires ou cellules ES), issues d'un embryon de 5 à 7 jours, capables de donner naissance à plus de 200 types cellulaires représentatifs de tous les tissus de l'organisme
-des cellules souches totipotentes, cellules issues des premières divisions de l'oeuf fécondé (jusqu'au 4eme jour), capables de donner naissance à tous les types de cellules de l'organisme, ce sont les seules à permettre le développement complet d'un individu.

Cellule souche germinale : les cellules souches germinales (diploïdes, 2n) sont des cellules embryonnaires indifférenciées. Elles sont les précurseurs de la lignée germinale. Les cellules souches germinales sont très rapidement isolées des autres cellules embryonnaires avec les cellules à l’origine des gonades. Ces cellules vont se spécialiser en gamètes, spermatozoïdes ou ovules, suivant la nature des hormones en présence.

Cellule totipotente : une cellule totipotente est une cellule indifférenciée, elle peut être à l’origine de n’importe quelle cellule. L’embryon a un stock de cellules totipotentes, qui vont petit à petit se différencier en l’un des 200 types cellulaires que compte le corps humain. L’adulte possède aussi des cellules totipotentes. Elles sont engagées dans la production d'un type cellulaire donné. Par exemple : les cellules souches hématopoïétiques (cellules de la moelle osseuse) renouvellent la population des cellules sanguines, les cellules souches nerveuses susceptibles de générer des cellules du système nerveux.

Centromère : structure particulière du chromosome dont la fonction est d'en assurer la ségrégation lors des divisions cellulaires. Le centromère est le point de fixation du chromosome sur le réseau mitotique.

Chromatides : lors du phénomène d'autoreproduction (durant les mitoses et les méioses) un chromosome donne naissance à deux chromatides qui deviendront ensuite deux nouveaux chromosomes indépendants.

Chromatine : substance de base des chromosomes des eucaryotes, correspondant à l'association de l'ADN et des protéines histones.

Chromosomes : structures différenciées apparaissant dans une cellule en cours de division, sous forme de bâtonnets. Chez les eucaryotes, ils sont situés dans le noyau de la cellule. Constitués d'ADN et de protéines, ils renferment le matériel génétique des cellules. Le génome de la cellule est donc fragmenté entre les différents chromosomes. Ils sont le support de l'hérédité. Ils sont doués du pouvoir d'autoreproduction.

Clonage : multiplication in vitro d'un organisme, d'une cellule souche ou d'un gène, en grand nombre d'exemplaires identiques.

Clone : groupes de cellules ou d'individus issus d'une même unité ancestrale, par simple multiplication végétative. Les membres d'un clone sont en principe (sauf mutations) génétiquement identiques.

CMH : groupes de cellules ou d'individus issus d'une même unité ancestrale, par simple multiplication végétative. Les membres d'un clone sont en principe (sauf mutations) génétiquement identiques.

Code génétique : ensemble des règles de correspondance (code) permettant au message génétique d'être traduit par une cellule. A chaque séquence de trois bases consécutives portées par l'ARN messager, correspond un acide aminé donné et un seul. C'est le code génétique qui permet donc la traduction des messages codés dans le génome en protéines ayant des fonctions bien précises.

Cône de croissance : élargissement situé à l'extrémité d'un prolongement (neurite) de la cellule nerveuse embryonnaire. Le cône de croissance, expansion du neurite, avance d'environ 1 mm par jour et pilote celui-ci vers sa future cible.

Cytocinèse : phase finale de la division cellulaire (une cellule mère donnant deux cellules filles) qui correspond à la séparation physique des deux cellules filles.

Cytokines : "hormones" du système immunitaire, ces molécules polypeptidiques sont produites en réponse à différents stimulus. Elles sont impliquées dans la régulation des fonctions immunitaires, mais aussi dans l'hématopoïèse, l'hémostase. Les plus connues sont les interleukines (IL), les interférons (IFN), les facteurs de croissance hématopoïétiques (CSF), les facteurs de nécrose des tumeurs (TNF).

Cytoplasme : compartiment cellulaire limité par la membrane plasmique. Chez les eucaryotes, le cytoplasme contient de nombreux organites dont le noyau.

Dénaturation : la dénaturation (de l'ADN) est un processus qui consiste à séparer les deux brins complémentaires d'une molécule d'ADN en l'exposant à une température ou un PH élevé. C'est la rupture des liaisons hydrogènes entre les bases qui provoque cette séparation.

Dendrite : arborescence du neurone sous forme de filament court et ramifié servant à recevoir et conduire l'influx nerveux (signal) provenant d'autres cellules nerveuses.

Désoxyribose : sucre, pentose, provenant du ribose et qui a subi la perte d'un atome d'oxygène (désoxygénation). Le désoxyribose entre dans la composition des nucléotides qui constituent l'ADN.

Développement : ensemble des phénomènes ayant cours depuis la cellule œuf jusqu’à la mort d’un organisme. On l’appelle aussi ontogenèse. La partie du développement ayant lieu avant la naissance, ou l’éclosion, est appelée embryogenèse.

Diaphyse : partie moyenne (centrale) dans les os longs.

Différenciation germinale : cette différenciation correspond à la spécialisation des cellules souches embryonnaires, jusqu’alors totipotentes, en cellules sexuelles. Les cellules souches germinales (diploïdes, 2n) subissent une méiose pour donner des cellules germinales, également appelé gamètes (haploïdes). Ces gamètes sont les principaux acteurs de la fécondation.

Diploïde : organisme dont les noyaux des cellules somatiques, possèdent deux jeux de chromosomes (2n).

Dominant : se dit d'un caractère ou d'un allèle qui s'exprime à l'état hétérozygote, c'est-à-dire, lorsqu'il est présent en une seule copie dans le génome. Caractère dominant par opposition à caractère récessif.

Ectoderme : au bout de trois semaines d’existence, les cellules de l’embryon se différencient en trois feuillets embryonnaires : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. La formation de ces différents feuillets résulte de nombreuses migrations cellulaires. Chez l'homme, les cellules de ces différents feuillets sont à l’origine des futurs membres et organes. L’ectoderme correspond à la région dorsale de l’embryon. Il est à l’origine de la peau, des phanères et du système nerveux.

Electrophorèse : cette technique permet de séparer des molécules en fonction de leur taille et de leur charge en utilisant un courant électrique. On peut ainsi analyser et purifier dans un milieu gélifié (gel d'agarose, gel de polyacrylamide..) l'ADN, l'ARN, les protéines.

Embryon : l’embryon correspond à un stade du développement. Il débute à la première segmentation de l’œuf fécondé (zygote). Le stade embryonnaire prend fin, chez la femme, à la huitième semaine de grossesse (gestation).

Endocytose : aussi appelée internalisation, l’endocytose correspond à l’absorption par la cellule de substances extracellulaires qui ne diffusent pas à travers la membrane. Cette ingestion a lieu grâce à l’invagination de la membrane plasmique qui forme ainsi des vésicules d’endocytose.

Endoderme : au bout de trois semaines d’existence, les cellules de l’embryon se différencient en trois feuillets embryonnaires : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. La formation de ces différents feuillets résulte de nombreuses migrations cellulaires. Chez l'homme, les cellules de ces différents feuillets sont à l’origine des futurs membres et organes. L’endoderme correspond à la région ventrale de l’embryon. Il est à l’origine de l’appareil digestif, de l’appareil respiratoire et de certaines parties de l’appareil urinaire.

Endosome : Les endosomes sont des compartiments délimités par une membrane résultant du phénomène d'endocytose après fusion avec les vésicules nées à partir d'une invagination de la membrane plasmique. Ces vésicules transportent des substances prélevées dans le milieu extracellulaire pour la nutrition de la cellule.

Enzyme : protéine (ou ARN) qui catalyse, accélère une réaction biochimique.

Enzyme de restriction : sorte de ciseaux moléculaires servant à couper l'ADN en des sites bien précis, correspondant pour chacune d'elles à une séquence particulière de bases nucléotidiques.

Epigénétique : on parle souvent de modifications épigénétiques. Ces modifications, qui se passent aux niveaux des gènes, se traduisent par une modulation de leur activité. Une des modifications les plus connues est la méthylation (adjonction d'un groupement méthyle).

Epiphyse : partie terminale renflée des os longs, constituée de tissu spongieux.

Epissage : mécanisme permettant à un ARN transcrit à partir d'un gène, de se débarrasser des séquences introniques, pour donner de l'ARN messager (qui sera ensuite traduit en protéine).

Epitope : partie d'un antigène reconnu par un récepteur situé à la surface d'un lymphocyte.

Espèce : au sens biologique du terme, une espèce se définit par l’interfécondité de deux individus mais également par la fécondité de la première génération. Bien entendu, en paléontologie, cette définition est limitée à l’anatomie.

Eubactérie : les eubactéries sont les bactéries dites « vraies », contrairement aux Archaebactéries. Elles possèdent une paroi rigide et comptent 500 espèces.

Eucaryote : les eucaryotes existent sous forme unicellulaire ou pluricellulaire. Les cellules eucaryotes sont caractérisées par la présence d’un noyau contenant l’information génétique.

Evolution : paradigme en vigueur actuellement, selon laquelle, au fur et à mesure des générations, une espèce se modifie.

Exocytose : l’exocytose correspond à la libération des éléments produits par la cellule. Les macromolécules destinées à être exportées sont enfermées dans des vésicules de sécrétion formées par le bourgeonnement de la membrane plasmique.

Exogène : qui provient de l’extérieur de la cellule.

Exon : fragment de gène dont la séquence d'ADN, après transcription se retrouve dans les ARNm maturés. Cette partie du gène est le plus souvent codante.

Expression : on dit d'un gène qu'il "s'exprime" quand il est actif, c'est à dire, quand il est transcrit sous forme d'ARN messager, puis traduit sous forme de protéine.

Facteur de croissance : substances sécrétées (protéines) par différents types de cellules, necessaires à la croissance (prolifération, différenciation..) cellulaire. Font partie de cette famille : l'insuline, la somatotropine (ou hormone de croissance), la prolactine, certaines cytokines....

Fécondation : fusion des cellules sexuelles mâles et femelles (gamètes). La fécondation va permettre la formation d’un œuf fécondé contenant deux lots de chromosomes. Cette nouvelle cellule diploïde est aussi appelée zygote.

Fibroblaste : cellule du tissu conjonctif qui sécrète les composés de la matrice extracellulaire (laminine, fibronectine, collagène...) et les protéines du tissu conjonctif.

Flagelle : prolongement, filament mobile de certaines cellules (bactéries, algues, champignons, spermatozoïdes) qui leur sert d'organe locomoteur.

Gamètes : cellules germinales (reproductrices), ovule ou spermatozoïde, qui lors de la fécondation, fusionnent pour former le zygote (oeuf).

Géne : unité d'hérédité contrôlant un caractère particulier. Cet élément génétique correspondant à un segment d'ADN ou d'ARN (virus), situé à un endroit bien précis (locus) sur un chromosome. Chaque région de l'ADN qui produit une molécule d'ARN fonctionnelle est un gène. Le gène est responsable d'une fonction spécifique, correspondant le plus souvent à la synthèse d'une protéine. Chez les eucaryotes les gènes sont portés par les chromosomes mais aussi par l'ADN extranucléaire, cas des mitochondries et des chloroplastes. Chez les procaryotes, les gènes sont localisés dans un chromosome circulaire et éventuellement dans des plasmides.

Génétique : science de l'hérédité. La génétique étudie les caractères héréditaires des individus, leur transmission au fil des générations et leurs variations (mutations). C'est l'étude de cette transmission héréditaire qui a permis l'établissement des lois de Mendel.

Génome : ensemble du matériel génétique d'un individu. Patrimoine héréditaire d'un individu.

Génomique : science des génomes. La génomique regroupe un ensemble d'analyses qui vont de l'établissement de cartes du génome (cartographie) à l'identification de nouveaux gènes, à l'étude de leurs fonctions et au séquençage des molécules d'ADN. Dans ces analyses, l'informatique joue un rôle important : des logiciels spécialisés permettent, par exemple, de classer les gènes en fonction des homologies (ressemblances) de leurs séquences et donc de leurs fonctions.

Génotype : ensemble des constituants génétiques d'un organisme, qu'ils soient exprimés ou non.

Gliales : les cellules gliales entourent les neurones et participent au contrôle de l'environnement chimique et électrique de ces mêmes neurones.

Glycolipides : les glycolipides font partie de la famille des lipides. Ils ont de nombreux rôles au sein de l’organisme. Ils interviennent notamment dans les mécanismes de reconnaissance des réactions immunitaires et entrent dans la constitution des membranes cellulaires.

Golgi : (appareil de Golgi) organite membranaire du cytoplasme des cellules eucaryotes constitué d'empilement de saccules (un peu comme une pile d'assiettes). Sa fonction principale est de servir de lieu de transit et de réservoir pour les protéines et lipides fabriqués dans le réticulum endoplasmique. Cet appareil fait partie du réseau de membranes internes que les cellules eucaryotes ont mis en place pour effectuer le transport des macromolécules.

Haploïdie : chez les eucaryotes, présence d'un jeu unique de chromosomes dans le noyau.

Haptène : molécule incapable à elle seule, de provoquer la production d'anticorps.

Hélicases : familles d'enzymes capables de dérouler l'hélice de l'acide nucléique (ADN ou ARN).

Hérédité : transfert des caractères d’une génération à une autre par l’intermédiaire des gènes.

Hétérozygote : un individu est hétérozygote pour un gène quand il possède deux allèles différents de ce gène.

Histones : protéines s'associant à l'ADN pour former la structure de base de la chromatine. Les histones jouent un rôle important dans l'empaquetage et le repliement de l'ADN.

Homéogènes : génes régulateurs du développement embryonnaire, découverts chez la drosophile, puis chez le xénope, la souris et l'homme, et qui déterminent le plan de l'organisme (mise en place spatio-temporelle).

Homozygote : un individu est homozygote pour un gène quand il possède deux allèles identiques de ce gène.

Hybridation moléculaire : technique permettant de mettre en évidence au sein d'une cellule ou d'un tissu, une séquence d'acide nucléique, par exemple de localiser un locus sur un chromosome. Elle est basée sur le principe de complémentarité des bases nucléiques, plus particulièrement entre l'ADN et le brin d'ARN de séquence complémentaire. Le brin de séquence complémentaire est aussi appelé sonde et généralement "marqueur" pour le localiser. Il existe donc des "sondes radioactives" et des "sondes froides".

Hyperplasie : prolifération anormale des cellules d'un tissu, il en résulte une augmentation de la taille de ce tissu.

Induction : mécanisme par lequel un tissu embryonnaire est formé sous l'action d'un signal émanant d'un autre tissu.

Influx nerveux : signal électrique parcourant les axones et leurs prolongements (voir neurone), véhiculant un message, qui est ensuite traité au niveau du cerveau.

Insuline : hormone polypeptidique intervenant dans le cycle du glucose. Elle est synthétisée dans le pancréas. Elle permet l'absorption du glucose par les cellules musculaires et les adipocytes. Lorsque sa sécrétion est insuffisante, il y a apparition du diabète. C'est une hormone hypoglycémiante. Son rôle est de maintenir constante la concentration du sang en glucose.

Interférons : protéines naturelles fabriquées par les cellules de l'organisme et qui exercent des effets variés sur les cellules du système immunitaire. Elles activent notamment les macrophages (phagocytose) et possèdent des propriétés antivirales, antiprolifératives et antifibrotiques. Il existe plusieurs types d'interférons : a, b et g.
Les interférons a et b sont produits en réponse à une infection virale (VIH, hépatites).

Interleukines : substances solubles (messagers) sécrétés par les macrophages et certains lymphocytes qui permettent à d'autres cellules du système immunitaire de communiquer entre elles. Elles servent notamment de médiateurs dans les interactions locales entre les leucocytes (globules blancs).

Interphase : période du cycle cellulaire située entre deux mitoses. Pendant l'interphase les chromosomes sont décondensés et distribués dans tout le noyau. Trois phases se succèdent pendant l'interphase : une phase de croissance de la cellule (G1), une phase de réplication de l'ADN (S) et une phase de croissance et de préparation à la mitose (G2). Voir l'animation " cycle cellulaire"

Intron : fragment d'un gène situé entre deux exons. Les introns sont présents dans l'ARNm immature et absents dans l'ARNm mature. Fragment "non codant" du gène.

Ischémie : arrêt ou insuffisance de la circulation sanguine dans une partie du corps ou un organe, qui prive les cellules d'oxygène et entraîne leur nécrose. Les ischémies peuvent être dues à l'obstruction d'un vaisseau (thrombose) ou à la compression d'une artère (sténose). Les infarctus sont consécutifs à des ischémies.

Kinase : une protéine kinase est une enzyme capable de déposer un groupement phosphate sur un site spécifique d’une protéine. Ce mécanisme, appelé phosphorylation, inhibe ou active la protéine. Il a une importance capitale dans de nombreux mécanismes biologiques comme le cycle cellulaire.

Kératinocyte : cellule constitutive de la couche superficielle de la peau (épiderme) et des phanères (ongles, cheveux, poils, plumes, écailles). Elle synthétise la kératine, protéine fibreuse et insoluble dans l'eau, qui assure à la peau sa propriété d'imperméabilité.

Laminines : protéines de la membrane basale des cellules jouant un rôle dans l'attachement et la migration des cellules lors de l'embryogenèse.

Ligand : molécule qui se lie à une protéine jouant le rôle de récepteur. Les hormones, les facteurs de croissance en sont des exemples.

Lipides : ensemble des corps gras. Ils sont constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Les lipides sont insolubles dans l'eau et solubles dans les solvants organiques. Ce sont les des principaux constituants des membranes plasmiques. Les lipides regroupent : les acides gras, les glycérides, les phospholipides, les glycolipides...

Lipoprotéine : association moléculaire formée par des lipides et des protéines. Ces molécules permettent aux lipides, peu solubles dans l'eau, de circuler dans le sang (notamment elles assurent le tansport des triglycérides et du cholestérol).

Liposome : vésicule lipidique artificielle (dont la membrane est constituée d'une ou plusieurs bicouches de lipides) qui possède la capacité d'encapsuler et de protéger, par exemple, des protéines ou du matériel génétique. Cette propriété fait que les liposomes sont utilisés comme vecteurs ou transporteurs en pharmacologie (vectorisation de principes actifs) et en génétique (transfert de gènes).

Locus : emplacement précis d'un gène sur un chromosome.

Lymphocytes : variété de globules blancs du sang. Ils interviennent dans la réponse immunitaire. Ils sont de deux sortes : les lymphocytes B (production d'anticorps) et les lymphocytes T (immunité à médiation cellulaire).

Lysosome : vésicule intracytoplasmique, pourvue d'une membrane, qui contient des enzymes (hydrolases) capables de digérer des molécules intracellulaires.

Macromolécule : Molécule organique de très haut poids moléculaire. Elles sont associées au fonctionnement de la cellule à tous les niveaux : informationnel (mémoire génétique) ,métabolique et structural (organisation cellulaire). On, peut distinguer trois grandes familles de macromolécules : acides nucléiques (ADN et ARN), protéines et glycosaminoglycanes.

Macrophage : cellule d'origine sanguine (monocyte) localisée dans les tissus (foie, poumons, ganglions lymphatiques, rate...) qui possède trois fonctions principales : activité de sécrétion (cytokines...) ; coopération cellulaire (c'est une cellule présentatrice d'antigènes, relation avec les lymphocytes) ; phagocytose (ingestion de bactéries, levures, débris cellulaires...).

Méiose : la méiose est une double division cellulaire. Elle permet de passer d’une cellule à deux lots identiques de chromosomes (cellule diploïde, 2n), à quatre cellules contenant un seul lot de chromosomes (cellules haploïdes, n). Chez les animaux, cette division est à l’origine des gamètes.

Mésoderme : au bout de trois semaines d’existence, les cellules de l’embryon se différencient en trois feuillets embryonnaires : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. La formation de ces différents feuillets résulte de nombreuses migrations cellulaires. Chez l'homme, les cellules de ces différents feuillets sont à l’origine des futurs membres et organes. Le mésoderme correspond à la couche cellulaire médiane, il est compris entre l’endoderme et l’ectoderme. Le mésoderme émet des protéines vers l’ectoderme pour influencer sa différenciation. Il est à l’origine de l’appareil circulatoire, du squelette, du système musculaire, de l’appareil urinaire et de l’appareil reproducteur.

Métabolisme : C’est l’ensemble de toutes les réactions chimiques s’effectuant dans la cellule vivante. On définit le métabolisme par trois fonctions précises :
• L’extraction et le stockage de l’énergie
• La transformation des molécules exogènes en matériaux précurseurs, à la base de la construction de la cellule
• L’assemblage de ces précurseurs en macromolécules indispensables au fonctionnement de la cellule.

Microsatellites : courtes séquences d'ADN des chromosomes formées de la répétition d'un motif lui-même constitué de une à quatre bases. Les plus étudiés sont les répétitions (CA)n. Très polymorphes, ce sont de bons marqueurs pour la cartographie génétique.
Mitochondrie : organites cytoplasmiques des cellules eucaryotes où se déroule la respiration cellulaire, productrice d'énergie.

Mitose : division d’une cellule, dite cellule mère, en deux cellules filles analogues. Ces deux cellules ont une information génétique identique à celle de la cellule mère. La transmission de l’information génétique a lieu grâce à la duplication de l’ADN en deux molécules identiques suivie de la séparation de ces deux molécules d’ADN dans deux cellules filles. La mitose est responsable du renouvellement cellulaire, c’est un phénomène continu composé de quatre étapes (Prophase, métaphase, anaphase et télophase). Elle sinscrit dans le cycle cellulaire.

Molécule : une molécule est un ensemble électriquement neutre. Elle est constituée par un assemblement d’atomes identiques ou différents liés entre eux par des liaisons covalentes. L’ADN et la cellulose sont des molécules.

Monocaténaire : acide nucléique constitué d'une seule chaîne de nucléotides. L'ARN messager est monocaténaire.

Monocyte : globule blanc (leucocyte) du sang produit par la moelle osseuse. Le monocyte est une cellule jeune, lorsqu'il devient agée et qu'en même temps il quitte le sang, il devient un macrophage. Le monocyte intervient dans la phagocytose, l'hémostase (coagulation).

Monomère : unité de bases des polymères.

Morphogenèse : développement des formes d'un organisme au cours de l'embryogenèse.

Motoneurone : cellule nerveuse directement connectée à un muscle et qui commande sa contraction à l'aide d'une impulsion nerveuse (synapse neuromusculaire). Cette cellule peut agir sur un petit ou un grand nombre de fibres musculaires, l'ensemble étant appelé une unité motrice.

Mutation : altération du matériel génétique (ADN ou ARN) d'une cellule ou d'un virus qui entraîne une modification durable de certains caractères du fait de la transmission héréditaire de ce matériel génétique de génération en génération.

Myéline : spirale compacte de membrane plasmique de cellule gliale (oligodendrocyte, cellule de schwann), riche en lipides (70%), qui entoure certains axones en formant une gaine autour de ceux-ci (gaine de myéline). Cette gaine isole les axones les uns des autres et permet d'accroître la vitesse de propagation du message nerveux le long des fibres nerveuses.

Myélome : cancer de la moelle osseuse qui se caractérise souvent par une prolifération des lymphocytes B et entraîne la synthèse d'une immunoglobuline anormale.

Myocytes : cellules du muscle cardiaque (myocarde) qui ont la propriété de se contracter grâce à leurs myofibrilles.

Nanomètre : unité de longueur que l’on utilise pour mesurer l’infiniment petit. Un nanomètre équivaut à 10 –9 mètre.

Neurite : prologement cytoplasmique neuronal en cours d'élongation qui donnera à terme soit un axone soit une dendrite.

Neurone : cellule du système nerveux composée d'un corps neuronal comportant un noyau. Le corps neuronal est entouré de dendrites par lesquelles lui parvient l'information provenant d'autres cellules. Il est prolongé par une sorte de cible, l'axone, par lequel il transmet à distance l'influx nerveux à d'autres neurones ou à d'autres cellules (musculaires, sensorielles...). L'axone possède des prolongements axonaux permettant d'établir des connexions avec d'autres cellules à travers les synapses.

Neurotransmetteur ou neuromédiateur : molécule chimique qui assure la transmission des messages d'un neurone à l'autre, au niveau des synapses. Exemples de neurotransmetteurs : l'acéthylcholine, l'adrénaline, la noradrénaline, la dopamine, la sérotonine, l'histamine, le glutamate, les neuropeptides...

Nucléole : organite présent en nombre variable dans le noyau cellulaire. C'est le lieu de synthèse de l'ARN ribosomique (ARNr) et de l'assemblage des ces ARNr avec des protéines issues du cytoplasme, pour former les sous-unités des futurs ribosomes.

Nucléoside : élément constitutif des acides nucléiques (ADN et ARN) constitué d'une base azotée (purine ou pyrimidine), associée à un sucre (pentose : ribose pour l'ARN et desoxyribose pour l'ADN). Les quatre unités nucléosidiques de l'ADN sont : désoxyadénosine, désoxyguanosine, désoxythymidine et désoxycytidine.

Nucléotide : unité de construction des acides nucléiques, résultant de l'addition d'un sucre (ribose pour l'ARN et désoxyribose pour l'ADN), d'un groupement phosphate et d'une base azotée à l'origine de l'information. Il existe quatre nucléotides différents pour l'ADN : adénine (A), thymine (T), guanine (G), cytosine (C) et quatre nucléotides différents pour l'ARN : uracile (U), guanine (G), cytosine (C), adénine (A).
C'est la succession des bases résultant de l'enchaînement des nucléotides dans l'acide nucléique qui constitue le message génétique.

Organites : éléments différenciés contenus dans les cellules et qui ont des fonctions bien précises. (noyau, chloroplastes, mitochondries)...

Ovogenèse : l’ovaire est le siège de l’ovogenèse. C’est un long processus à l’origine des cellules germinales femelles à un lot de chromosome (gamètes), appelées ovules. L’ovogenèse est réalisée grâce à la méiose subie par les cellules souches germinales (ovogonies).

Ovule : cellule sexuelle (gamète) femelle résultant de la méiose subie par les cellules souches germinales (ovogonies). Cette cellule est fécondable par la cellule sexuelle mâle (spermatozoïde). L’ovule est souvent confondu avec l’ovocyte. L’ovocyte est bloqué en deuxième métaphase de méiose. La pénétration du spermatozoïde dans l’ovocyte permet à la méiose de s’achever. L’ovocyte devient alors un ovule prêt à fusionner son matériel génétique avec celui du gamète mâle.

Pathogénicité : pouvoir d'un organisme (virus, bactéries...), d'une substance à causer une maladie.

Peptide : molécule composée d'un petit nombre d'acides aminés (contrairement aux polypeptides et aux protéines), réunis par des liaisons peptidiques.

Phagocytose : mécanisme qui permet a certaines cellules spécialisées (macrophages, granulocytes neutrophiles) ainsi qu'a certains organismes unicellulaires (protistes) l'ingestion de particules étrangères tels que des bactéries, des débris cellulaires, des poussières... La phagocytose a un rôle important dans la fonction immunitaire, c'est en effet un moyen de défense de l'organisme, notamment lors d'infections bactérienne et parasitaire.

Phénotype : ensemble des caractères observables d'un individu. Le phénotype correspond à la réalisation du génotype (expression des gènes) mais aussi des effets du milieu, de l'environnement.

Phéromones : substance ou mélange de substances intervenant dans la communication chimique, et qui est susceptible de modifier chez un congénère, son comportement ou sa physiologie. Il en existe cinq types principaux : phéromones sexuelles, phéromones grégaires, phéromones de piste, phéromones d'alarme et phéromones d'espacement.

Phospholipides : les phospholipides sont les principaux lipides constituant la membrane plasmique. Ils sont constitués d’une partie hydrophobe et d’une partie hydrophile. Cette particularité permet la formation spontanée de la membrane plasmique (toutes les parties hydrophobes sont au centre de la cellule, les parties hydrophiles sont à l’extérieur).

Pluripotence : capacité que possède une cellule à se différencier en certains autres types cellulaires. C'est le cas, par exemple, des cellules souches myéloïdes de la moelle osseuse qui sont à l'origine des cellules sanguines.

Polymérase : enzyme capable d'enchaîner des nucléotides en polymères d'ADN ou d'ARN (ARN polymérase, ADN polymérase).

Polymère : un polymère est une grande molécule formée par la répétition d’un même motif de base, le monomère. L’indice de polymérisation des polymères est le nombre de fois où le monomère est répété.

Polypeptides : polymères constitués de plusieurs acides aminés. Les protéines sont de longues chaînes polypeptidiques.

Procaryote : une cellule ou un organisme procaryote sont caractérisés par l’absence de noyau. Le matériel génétique des procaryotes est sous forme d’un chromosome unique appelé nucléoïde.

Protéine : une des plus importantes classes de molécules présentes dans tous les organismes vivants et les virus. Elles assurent l'essentiel des fonctions de la cellule (architecture cellulaire, effecteurs au niveau du fonctionnement). On les retrouve sous différentes formes : enzymes, hormones, récepteurs, neurotransmetteurs... Les protéines sont des macromolécules constituées de longues chaînes d'acides aminés (les éléments de base). La protéine est la résultante du message génétique contenu dans un gène, elle est produite lors de la synthèse protéique. Voir l'animation "synthèse des protéines".

Protiste : organisme eucaryote unicellulaire. Exemple : la paramécie.

Proto-oncogène : gène impliqué dans le contrôle de la division cellulaire (stimulation) et dont la mutation est à l'origine de tumeurs (prolifération excessive des cellules).

Radical libre : fragment obtenu par scission d'une molécule et qui possède une très grande réactivité chimique.

Récepteur : protéine, généralement située à la surface des cellules, capable de fixer une molécule informative (médiateurs chimiques, neurotransmetteurs, hormones...) et de convertir ce message extracellulaire en signal intracellulaire, entraînant une réponse de la part de la cellule.

Récessif : se dit d'un caractère ou d'un allèle qui ne s'exprime qu'à l'état homozygote, c'est-à-dire que lorsqu'il est présent en deux copies dans le génome. Caractère récessif par opposition à caractère dominant.

Recombinaison : échange d'information génétique (brin d'ADN) entre deux secteurs différents du génome. Un exemple fréquent se déroule lors de la méiose entre chromosomes homologues ("crossing over").

Régulation : contrôle de l'expression, ou activité, de ce gène.

Ribose : sucre, pentose, qui entre dans la composition des nucléotides qui constituent l'ARN.

Ribosome : organite du cytoplasme de la cellule où se déroule le processus de traduction de l'ARN messager en protéine. Cette fonction est commune à toutes les cellules vivantes.

Séquençage : procédé utilisé pour déterminer l'ordre (la séquence) des acides aminés d'une protéine ou des bases dans les acides nucléiques (ADN et ARN).

Soma : ensemble des cellules non sexuelles d'un organisme vivant.

Spermatogenèse : C’est un long processus à l’origine des cellules germinales mâles à un lot de chromosome (gamètes), appelées spermatozoïdes. La spermatogenèse est réalisée grâce à la méiose subie par les cellules souches germinales (spermatogonies). Le testicule est le siège de la spermatogenèse.

Spermatozoïde : cellule sexuelle (gamète) mâle résultant de la méiose subie par les cellules souches germinales (spermatogonies). Cette cellule est susceptible de féconder le gamète femelle, pour donner un zygote.

Symbiose : relation permanente entre deux organismes d'espèces différentes et qui se traduit par des effets bénéfiques aussi bien pour l'un que pour l'autre.

Synapse : espace entre deux cellules nerveuses qui constitue une aire de jonction par laquelle le message chimique passe d'un neurone à l'autre, entraînant l'excitation ou l'inhibition de ce dernier.

Télomères : extrémités d'un chromosome intervenant dans sa stabilité et dans les processus cellulaires intervenant dans le vieillissement.

Théorie chromosomique de l'hérédité : théorie établie par le généticien Thomas Morgan, affirmant que les gènes sont des éléments matériels portés par les chromosomes.

Thérapie génique : méthode consistant à introduire du matériel génétique (gène) dans les cellules d'un organisme pour y corriger une anomalie (mutation, altération...) à l'origine d'une pathologie. Il s'agit souvent d'apporter un gène normal et fonctionnel dans une cellule où le gène présent est altéré.
Totipotence : capacité que possède une cellule de se différencier en tous les types cellulaires. C'est le cas des cellules souches embryonnaires (embryon de moins de 8 jours).

Traduction : processus permettant la synthèse d'une chaîne polypeptidique (protéine) à partir d'un brin d'ARN messager. La traduction a lieu au niveau des ribosomes.

Transcription : processus permettant la copie de l'ADN en ARN. L'ARN synthétiser peut-être de type ARN messager, de transfert ou ribosomique. C'est la première étape du processus qui permet de passer de l'ADN à la protéine, ou plus concrètement du gène à son produit.

Transgène : gène étranger introduit dans le génome d'un organisme génétiquement modifié.

Transgénèse : technique servant à introduire un gène étranger (transgène) dans le génome d'un organisme, en vue d'obtenir un organisme génétiquement modifié. Pour être réussie la transgenèse nécessite :
-la pénétration du transgène dans les cellules-cibles
-son intégration dans le génome - son aptitude à s'exprimer dans les cellules (production d'une protéine)
-et enfin la possibilité d'obtenir la régénération d'individus entiers à partir de cellules génétiquement modifiée.

Transgénique : animal, plante... dont le génome a été modifié par introduction d'un gène étranger.

Translocation : échange de segments entre deux chromosomes. La myopathie de Duchenne en est un exemple : translocation d'une région du chromosome X sur le chromosome 21.

Vecteur : Molécule d'ADN capable de s'autorépliquer (plasmide, cosmide, ADN viral) dans laquelle on introduit (in vitro) de l'ADN étranger et que l'on utilise ensuite pour faire pénétrer cet ADN dans une cellule hôte.

Virus : particule microscopique infectieuse possédant un seul type d'acide nucléique (ADN ou ARN) qui ne peut se répliquer qu'en pénétrant dans une cellule et en utilisant sa machinerie cellulaire. Les virus sont en général des germes pathogènes.

Vitamines : molécules indispensables au bon développement et au fonctionnement normal de l'organisme, qui ne peut les synthétiser en quantité suffisante. Ces molécules n'ont pas de valeur énergétique et doivent être absorbées quotidiennement à faible dose. Différentes classes de vitamines existent : vitamine A, B, C, D, E, K, PP. Une alimentation équilibrée évite les carences vitaminiques. Quelques cas de carence : vitamine C : scorbut ; vitamine B1 : beri- béri ; vitamine D : rachitisme.

Xénogreffe : on dit aussi hétérogreffe, greffe entre deux individus, un donneur et un receveur, qui appartiennent à deux espèces différentes (exemple, greffe d'un foie de porc sur un homme).

YAC : Chromosome artificiel de levure ("yeast artificial chromosome"). Ce matériel, utilisé pour le clonage de grands fragments d'ADN, a permis notamment l'exploration du génome humain.

Zygote : chez les eucaryotes, c'est le résultat de la reproduction sexuée, l'oeuf, cellule provenant de la fusion des deux gamètes : un ovule et un spermatozoïde.

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Une première étape franchie pour restaurer la vision de patients atteints de cécité suite à une maladie rare

COMMUNIQUÉ | 31 JANV. 2013 - 12H31 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

BIOLOGIE CELLULAIRE, DÉVELOPPEMENT ET ÉVOLUTION

L’équipe dirigée par Daniel Aberdam au sein de l’Unité Inserm 976 «Immunologie, dermatologie, oncologie » a réussi à restaurer in vitro la fonction des cellules de cornée saines à partir de cellules de patients aveugles souffrant de dysplasie ectodermique. Ces résultats publiés dans PNAS représentent la première étape pour tenter de restaurer la vision de ces patients.


Les dysplasies ectodermiques sont des syndromes rares caractérisés par un développement anormal de la peau et d’autres dérivés de l’ectoderme comme les dents, les ongles ou encore la cornée. Certaines formes de la maladie sont associées aux mutations du gène p63 qui engendrent la perte de la vision chez ces patients.
Daniel Aberdam et ses collaborateurs ont dans un premier temps reprogrammé des cellules de patients atteints de cécité en cellules souches pluripotentes induites (iPSC) porteuses du défaut génétique. Dans un second temps, ils ont utilisé un protocole que l’équipe avait mis au point en 2003 pour différencier les cellules souches pluripotentes en cellules de la peau et de la cornée. Cela leur a permis de vérifier que ce modèle cellulaire reproduisait la maladie puisque les cellules pluripotentes mutées ne sont plus capables de produire des cellules de cornée. «Nous avons observé que les  iPSC obtenues à partir des cellules des patients atteints de dysplasie ectodermique peuvent se développer en progéniteurs ectodermiques mais ne parviennent pas à se développer plus avant en kératinocytes ni en cellules cornéennes normales » explique Daniel Aberdam. Les cellules malades, même retransformées en cellules capables de redonner tous les types de cellules possibles, conservent donc le défaut initial dans leur code génétique.

Contourner le défaut génétique
 La création de ce modèle a ensuite permis aux chercheurs d’ observer finement ce qui se passait dans la cellule iPSC au moment de son engagement dans une voie de différenciation. Ils ont trouvé qu’une petite molécule, appelée PRIMA-1/APR-246, déjà utilisée en thérapie cancéreuse[1] permet de restaurer une différenciation normale.
Grâce à cette molécule, il semble donc possible d’inverser la différenciation cornéenne altérée et restaurer la voie de signalisation associée au gène p63.
« Notre étude suggère l’éventuelle capacité de PRIMA-1/APR-246 à restaurer les déficiences visuelles de certains patients atteints du syndrome de dysplasie ectodermique, capacité qui doit être testée bientôt » conclut Daniel Aberdam. Dans la mesure où la molécule PRIMA-1 est bien tolérée dans les essais cliniques en injection systémique, l’équipe envisage, avec le service ophtalmologiste de l’hôpital St-Louis, de planifier des essais cliniques sur des patients atteints de dysplasie ectodermale liée à p63.
Ce modèle cellulaire pourrait également servir de base pour le criblage de molécules- médicaments susceptibles de cibler d’autres mutants p63.

Illustration de l’effet de Prima sur la production de cellules de cornée à partir d’iPSC de patients après 10 jours de différenciation. Les deux marqueurs spécifiques de la cornée: la cytokératine K12 (en rouge) et le facteur de transcription pax-6 (en vert) sont bien présents dans l’image la plus à droite, signe que la production de cellules de cornée est bien restaurée.

[1] Récemment testée dans un essai clinique de phase II pour des patients présentant un cancer de la prostate

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Mutation, Evolution et Sélection.
Par Miroslav Radman

Texte de la 427e Conférence de l'Université de Tous les Savoirs donnée le 6 juillet 2002

De nouvelles perspectives d'application pour les sciences de l'évolution.
Depuis quelques années, la science de l'évolution, traditionnellement très théorique, abstraite, académique, donne lieu à de très grandes nouveautés expérimentales et a même des implications en biotechnologie et en biomédecine. On peut ainsi utiliser des méthodes directement inspirées de l'évolution naturelle pour faire évoluer des molécules d'intérêt industriel ou pharmaceutique. On est également aujourd'hui capable d'observer l'évolution de populations bactériennes en temps réel ou encore la dynamique des gènes dans des embryons. Dans une phrase célèbre, Dobzhansky explique que la biologie n'a de sens qu'à la lumière de l'évolution. L'idée est que le but unique de la vie c'est la vie elle-même, la survie et que la grande stratégie de la survie, c'est l'évolution. Nous aimerions donc apprendre de l'évolution cette stratégie, pour connaître mieux la vie mais aussi pour pouvoir mettre en place une évolution qui nous sera utile et bénéfique.

« Imperfection », efficacité et robustesse des stratégies évolutives.
Tout être vivant, de la bactérie jusqu'à l'homme doit, pour survivre, éviter de se faire manger de l'extérieur, par les prédateurs ; il doit également éviter de se faire manger de l'intérieur par les parasites, éviter de perdre la compétition avec ses congénères et, lorsqu'il a évité toutes ces sources de mort, développer une robustesse de l'organisme face à un environnement physique souvent très agressif. Cette robustesse constitue la clé de la survie à long terme. Les stratégies de l'évolution ont une origine moléculaire qui date de près de 4 milliards d'années. On trouve des séquences dans les génomes, des bactéries jusqu'à l'homme, qui sont des preuves très convaincantes d'une origine commune de tous les organismes vivants. En cherchant à savoir comment la simplicité originelle a pu donner naissance à des individus complexes comme l'homme, on ne trouvera toutefois pas la beauté, la perfection, la finesse que notre esprit pourrait être tenté d'anticiper mais plutôt l'efficacité.
Taux d'erreur lors de la synthèse de l'ADN, des ARN et des protéines.
Les protéines sont les macromolécules responsables de quasiment tout le travail cellulaire. Le taux d'erreur dans la synthèse des protéines est de l'ordre de 1-3 10-4. Dans l'espèce humaine, on a pu estimer expérimentalement que 30% des protéines sont dégradées après leur synthèse parce que le système de contrôle qualité les a détectées - à tort ou à raison - comme défectueuses. On imagine mal un tel taux d'erreur dans une chaîne de production automobile, mais on verra plus loin l'intérêt de cette imperfection naturelle. Le taux d'erreur dans la transcription synthèse d'ARN messager est cohérent avec ce taux d'erreur en aval dans la traduction, de l'ordre de 10-5. Le taux d'erreur dans la réplication de l'information génétique (copie d'ADN en ADN) est par contre de l'ordre de 10-10, ce qui en fait un processus 1 million de fois plus fidèle que la synthèse des protéines. On pourrait en fait faire mieux pour les protéines. Ainsi, les bactéries qui résistent à l'antibiotique streptomycine ont une mutation qui leur confère une fidélité plus haute dans la synthèse des protéines. Il y a cependant un coût à cette fidélité, ces bactéries poussant beaucoup moins vite. L'efficacité est donc privilégiée par rapport à la fidélité.

Stress prévisible et stress imprévisible.
Certains stress sont « prévisibles », par exemple, pour les bactéries, le choc osmotique, le choc thermique (chaud et froid), le choc oxydatif (créé par des macrophages, par exemple). Il y a dans le génome des bactéries des éléments de programme qui permettent de faire face à ces stress, qui ont été rencontrés à de nombreuses reprises au cours de l'histoire évolutive. Les bactéries qui ont survécu aux stress du passé sont aujourd'hui capables de détecter ces stress prévisibles : quand un stress prévisible apparaît, les bactéries activent un mécanisme de survie approprié. Le système d'évolution inductible, le système SOS est mis en action lorsque l'ADN ne peut pas se répliquer car il porte trop de lésions. Le système SOS déclenche la synthèse de polymérases peu fidèles qui sont capables de copier l'ADN défectueux et permettent de sortir du blocage initial, au prix de quelques mutations.
Pour survivre des milliards d'années, une adaptation à des stress imprévisibles est également nécessaire. Le futur est complètement imprévisible, surtout pour les bactéries. Du point de vue des stratégies moléculaires, à l'opposé des mécanismes très spécialisés, efficaces et fragiles (peu robustes) développés face au stress prévisible, les bactéries ont adopté des mécanismes généralistes, flexibles, qui permettent de faire face à l'incertitude inhérente au stress imprévisible. Concrètement, les bactéries créent alors de la diversité aveugle, gaspillent et payent ainsi une sorte d'assurance « tout risque ». On peut en déduire que dans ces conditions, s'il y a un « Grand Concepteur », ce n'est pas le concepteur des produits de l'évolution, c'est le concepteur de la méthode, de la stratégie de l'évolution. Le dernier retrait de Dieu !

Mutation, sélection et biodiversité.
La stratégie de base pour faire face à l'adversité inconnue, est représentée à la figure 1 Le schéma est général et s'applique à l'évolution des tumeurs, des bactéries, des immunoglobulines, des espèces. Dans une population de bactéries, avec un taux d'erreur de 10-10, une bactérie sur 300 environ porte une nouvelle mutation (le génome d'une bactérie typique fait environ 5 106 paires de bases). Normalement, lorsqu'on discute la biodiversité, il y a une connotation politiquement correcte, on respecte la biodiversité. Dans la vie, la biodiversité devient utile au moment où elle va être réduite à presque rien. Par exemple, si on part d'une population de un milliard de bactéries qui sont issues d'une seule bactérie et qu'on les frappe de sélection létale, avec un antibiotique comme l'ampicilline, si la population porte des mutations, un petit nombre de bactéries (1, 2 ... 10) résistantes seront sélectionnées parce qu'elles portaient par hasard une mutation qui leur confère la résistance à l'antibiotique et pourront survivre. Si on laisse pousser ces quelques bactéries, et qu'on frappe les milliards de bactéries qui en sont issues avec un autre antibiotique quelconque, une de ces bactéries aura, par hasard, reçu une mutation qui lui permettra de survivre et développé ainsi deux résistances. Les stratégies évolutives visent essentiellement à mettre en place des mécanismes adaptatifs de survie aux stress. Dans le cas des tumeurs, ce n'est pas une sélection létale, c'est plutôt une sélection compétitive (partie droite de la figure 1) : une cellule qui acquiert une mutation relâchant un des nombreux freins présents au cours du cycle cellulaire, se divise à chaque génération un peu plus vite que les autres et finit par s'imposer au sein de la tumeur. Ce type de sélection compétitive a aussi lieu chez les bactéries dans la nature, en l'absence d'antibiotiques. La biodiversité apparaît ainsi comme le substrat pour la sélection, les mutations sont comme une « assurance-Vie » qui permet de gagner la survie lorsque la population entière est frappée par une sélection létale. Les espèces évoluent de la même façon. La biodiversité permet ainsi à la vie de perdurer malgré de grandes catastrophes. La biodiversité est issue de l'imperfection des mécanismes de réplication de l'ADN, ainsi que des transferts génétiques horizontaux entre espèces proches (création d'individus mosaïques par ajout de blocs de gènes étrangers à l'espèce ayant évolué de manière indépendante des gènes existants). Le danger des monoclones est ainsi l'absence de robustesse liée à l'absence de biodiversité.


Paradigmes lamarckien, darwinien et bactérien.
Il y a deux grands paradigmes historiques dans l'évolution : le paradigme darwinien et le paradigme lamarckien. La figure 2 représente la biodiversité par une courbe en cloche. Le paradigme lamarckien dit que si l'environnement change et qu'une version (allèle) A d'un gène ne permet plus la survie, il y a une évolution intelligente : on construit à partir d'un allèle A un allèle B qui permet la survie. Le paradigme darwinien dit qu'il y a une grande diversité naturelle dans la population ; si B est préexistant dans cette diversité, les bactéries qui portent cet allèle survivent ; si B n'est pas préexistant dans la diversité, la population entière s'éteint simplement. Ainsi le paradigme darwinien exclut l'intelligence, le choix « à la carte ».
Le paradigme « bactérien », encore appelé néo-darwinien, que j'ai élaboré avec mes collègues François Taddei et Ivan Matic, est intermédiaire entre le paradigme lamarckien et le paradigme bactérien. Il n'inclut pas l'intelligence du lamarckisme, mais inclut le stress, qui active des gènes de sauvetage, de survie, jusque là éteints, silencieux. Grâce à ces gènes, le système commence à muter davantage : en cas de catastrophe, avant de mourir, on « essaye une dernière opération génétique désespérée » et on fait exploser la biodiversité : au lieu des taux d'erreurs de 10-10, on augmente le taux d'erreur de 1000 fois, à 10-7. Le résultat est plutôt bon : même si on n'a pas l'intelligence de pouvoir construire B sur mesure, cette évolution inductible multiplie par 1000 la probabilité que l'allèle B soit présent dans la population.


Les mutateurs.
La figure 3 illustre le phénomène de la sélection du deuxième ordre. Cette expérience démontre l'énorme adaptabilité génétique des bactéries : comme disait le célèbre évolutionniste Steven G Gould, les bactéries sont de loin les organismes ayant le plus de succès sur la terre, adaptées à tout, vivant dans toutes sortes de conditions horribles, jusqu'aux eaux bouillantes des geysers. Cette adaptabilité des bactéries à une énorme variété de milieu est précisément notre problème lorsque les bactéries sont pathogènes. On étale des bactéries sur une boîte de Pétri, un tapis qui en contient de l'ordre de 10 milliards. On transfère ces bactéries sur une boîte de gelose qui contient l'antibiotique ampicilline. Seule une bactérie sur 10 à 100 millions survivra. On laisse pousser ces bactéries survivantes 24 heures, chacune donne naissance à environ 10 millions de bactéries. On met ensuite la boîte en contact avec une deuxième boîte, qui contient un autre antibiotique, différent. On sélectionne ainsi une deuxième résistance. On itère l'opération pour sélectionner une troisième propriété : la capacité à se nourrir de lactose. On évalue ensuite le taux de mutation dans les clones bactériens à chaque étape. On observe alors qu'une bactérie sur 100 000 mute 100 à 1000 fois plus vite que les autres. On appelle ces bactéries des mutateurs. Après la première sélection, 1% des bactéries sont des mutateurs, après la deuxième sélection, 50% en sont et après la troisième sélection, toutes les bactéries sont des mutateurs. Ainsi par le biais de cette sélection qui visait trois capacités spécifiques (résistance à deux antibiotiques distincts, capacité de métaboliser le lactose) les bactéries n'ont pas seulement « appris » cette triple capacité, elles ont appris une méthode qui leur permet de muter plus vite, et donc les prépare à faire face beaucoup plus efficacement à des problèmes nouveaux.
Le défaut des bactéries mutateurs est expliqué à la figure 4 Il y a trois types de mécanismes pour maintenir la fidélité au cours de la réplication, chez les bactéries comme chez l'homme. Le premier est un nettoyage des lésions chimiques apparaissant naturellement dans l'ADN qui va être copié, à cause du métabolisme oxydatif ou des radiations par exemple. Les lésions chimiques sont réparées, coupées à gauche et à droite et remplacées, par l'activité d'une ADN polymérase. Un deuxième mécanisme s'occupe des nucléotides, A, T, G, C, substrats de base pour la synthèse de l'ADN ; il assure un taux d'erreur de l'ordre de 10-7 dans ces briques de base. Un dernier mécanisme est un système de contrôle qualité de ce qui vient d'être fabriqué. Ce système compare systématiquement la copie et l'original. A chaque fois que la copie n'est pas conforme à l'original, la copie est corrigée conformément à l'original. Ce système est efficace à 99.9%, et assure donc un taux d'erreur global de l'ordre de 10-10. La majorité des mutateurs perd ce mécanisme, ce qui explique qu'ils ont 1000 fois plus de mutations que la moyenne de la population. En outre, les mutateurs ont des taux de recombinaison plus élevé que la normale et sont donc plus susceptibles que les bactéries sauvages de donner lieu à des individus mosaïques. Avec Ivan Matic, nous avons analysé des bactéries issues d'environnements naturels (hôpitaux, etc.) et calculé que 1% des bactéries naturelles sont des mutateurs. La figure 5 montre une autre expérience. On prend une bactérie Escherichia coli cultivée depuis 1922 en laboratoire. Ces bactéries n'ont donc pas poussé depuis longtemps dans leur milieu naturel, l'intestin d'un mammifère. On introduit ces bactéries identiques dans des souris qui sont stériles, qui ne contiennent au départ aucune bactérie. Rapidement, il y a 20 % des souris ne contenant que les bactéries mutatrices.
Si on met en compétition des bactéries normales et des mutateurs dans ces souris, qui sont pour elles un milieu nouveau, on observe à chaque fois que ce sont les bactéries mutateurs qui s'imposent et s'adaptent le plus rapidement. Si on part d'un ratio mutateurs / sauvage de 1, au bout de quelques jours, il y a 100 000 fois plus de mutateurs que de sauvages. La figure 6 montre le résultat de simulations. En ordonnée, le fitness, la valeur sélective, concrètement la vitesse de survie. On voit qu'au cours du temps la vitesse de croissance augmente au gré de l'acquisition de mutations qui relâchent des freins, et atteint finalement une asymptote, fitness maximale du génome dans l'environnement. La simulation montre que les mutateurs atteignent cette vitesse de croissance maximale beaucoup plus vite que les autres. Ceci se fait au prix de quelques morts, mais n'affecte pas la mortalité générale. Etre un mutateur peut être un inconvénient pour l'individu, et un avantage pour la population. On peut à ce titre comparer les mutateurs à des « expériences pilotes ». A court terme, face à n'importe quel défi évolutif (antibiotiques...) on observe que les mutateurs gagnent face aux bactéries normales. Par exemple, des chercheurs madrilènes on observé que dans les poumons de patients atteints de mucoviscidose et traités en permanence avec des antibiotiques, la moitié de la population est constituée de mutateurs. A terme, les mutateurs paieront le prix des erreurs qui ont permis leur succès.
Nous avons cherché, dans le génome des bactéries, des traces qui prouveraient que dans le passé elles ont évolué à deux vitesses : quand la vie est dure, un taux de mutation élevé et quand la vie est facile, un taux de mutation faible. La figure 7 présente l'espace des séquences observé au gré des mutations. En l'absence de sélection létale, les bactéries vivent une marche sûre et lente vers un fitness amélioré. Les mutateurs au contraire accumulent les mutations beaucoup plus vite, s'adaptent vite, mais la létalité associée à l'érosion de leur génome les condamne à long terme. On a observé que la sexualité des bactéries, les échanges de gènes, permettent à des mutateurs de redevenir non mutateurs. Des mutateurs adaptés peuvent aussi transmettre le gène qui a permis leur succès à des non mutateurs. Disposer d'une fraction de mutateurs est alors un avantage pour la population toute entière.


Conclusion.
Du point de vue de la vitesse d'évolution, de mutation, la vie se passe entre deux extrêmes mortels. Le premier, un conservatif total, avec aucune mutation, condamne les bactéries dès qu'une série de stress importants apparaissent. Le second extrême - trop de mutation - a été fabriqué en laboratoire et ceci n'est pas viable même à court terme : des levures ou des bactéries mutatrices modifiées pour produire 100 000 fois plus de mutations que des cellules normales.
Ainsi le taux de mutation optimal est une fonction de l'environnement : si la vie est facile, le taux de mutation optimal est zéro : le génome est parfaitement adapté, l'environnement ne change pas et on ne change pas le génome ; si la vie est très difficile, le taux de mutation optimal peut devenir énorme (exemple du virus du SIDA).
On pense pour finir au principe de la Reine Rouge de Lewis Caroll : la Reine Rouge est en train de courir tout le temps. Lorsqu'elle arrive au pays de la Reine Rouge, pour pouvoir lui parler, Alice doit courir aussi. Au bout de vingt minutes Alice est épuisée par sa course et interpelle la Reine car elle se rend compte qu'elle est toujours en face du même arbre qu'au départ. La Reine lui explique alors que dans son pays, pour simplement rester sur place il faut courir. C'est en quelque sorte ce que font les bactéries depuis des milliards d'années : elles « courent » génétiquement tellement vite qu'elles réussissent à s'adapter à tout environnement et à tous les antibiotiques que nous avons fabriqués.

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Le métabolisme énergétique des eucaryotes a-t-il été mis en place par des pathogènes intracellulaires ?

Des chercheurs de l’université de Lille, de l’université Heinrich Heine (Allemagne)et de l’université Rutgers (USA) proposent un mécanisme unique qui aurait permis aux ancêtres des eucaryotes d’acquérir les organites principaux, mitochondrie et chloroplaste, qui caractérisent leur métabolisme énergétique. L’originalité de la proposition consiste en la révélation du rôle majeur joué par des ancêtres des bactéries pathogènes intracellulaires obligatoires dans l’acquisition de la respiration et de la photosynthèse. Cette hypothèse est publiée dans la revue Science.

Voici deux milliards d’années, l’apparition des cellules complexes appelées eucaryotes parce que contenant un noyau et un système de compartimentation interne élaborée,  marque un tournant dans l’évolution des formes de vie terrestre. Avant cette innovation la Terre était peuplée de formes unicellulaires « procaryotes » appartenant à deux catégories appelées aujourd’hui bactéries et archées.
L’origine du domaine eucaryote du vivant, à partir des deux domaines procaryotes archéens et bactériens préexistants, nourrit d’incessantes controverses et définit une frontière de nos connaissances en Biologie. Il fait peu de doutes pour la majorité des chercheurs, que le domaine eucaryote trouve sa source dans celui des archées, et que la genèse des eucaryotes est indissociable de l’acquisition de la mitochondrie. Cette dernière définit l’organite des eucaryotes qui est responsable de la respiration. Depuis les travaux de Lynn Margulis (1970), il est admis que la mitochondrie soit elle-même dérivée du domaine bactérien et qu’elle ait été internalisée par l’ancêtre « archéen » de la cellule eucaryote. Toutefois le mécanisme de cette internalisation et la manière dont la bactérie a pu initialement se maintenir et survivre aux mécanismes de défense mis en place par l’ancêtre des eucaryotes, sont totalement incompris.

Steven Ball et ses collègues rapprochent les résultats qu’ils ont obtenus récemment dans la compréhension de l’acquisition de la photosynthèse par les eucaryotes de ceux obtenus dans celle de la respiration. Dans leurs études sur les plastes, un faisceau d’arguments relevant de l’inférence phylogénétique et d’expérimentations biochimiques et microbiologiques avaient conduit ces auteurs à proposer un mécanisme moléculaire détaillé par lequel une bactérie photosynthétique libre, appelée cyanobactérie, totalement inadaptée à la vie intracellulaire, aurait été hébergée dans une vésicule appelée « inclusion » en compagnie d’une bactérie pathogène intracellulaire de type Chlamydia (Ball et al., 2013; Facchinelli et al., 2014). Le pathogène aurait protégé le chloroplaste naissant (la cyanobactérie) des défenses antibactériennes de l’eucaryote hôte et aurait fourni les fonctions responsables de l’exportation du carbone photosynthétique et de sa mise à profit par la cellule hôte. Dans leur perspective, S. Ball et ses collègues font état des découvertes récentes faites par des auteurs Suédois et Autrichiens qui ont d’une part mis en évidence un nouveau groupe d’archéens, les Lokiarcheota, peuplant les grands fonds océaniques (Spang et al., 2015), et d’autre part de nouveaux pathogènes intracellulaires de type rickettsiales (Martijn et al., 2015), repoussant l’âge présumé de ces pathogènes que l’on croyait inféodés aux animaux, et que l’on retrouve, à la manière des chlamydia, comme des parasites universels du domaine eucaryote. La découverte des Lokiarcheota a révélé dans leur génome la présence de plus d’une centaine de gènes impliqués chez les eucaryotes dans le trafic des vésicules. Les auteurs en viennent logiquement à proposer que l’endocytose aurait évolué chez les archéens afin de permettre à ces derniers, notoirement anaérobies, de se nourrir par endocytose de macromolécules présentes dans leur environnement. Ce mécanisme polyvalent présente néanmoins l’immense inconvénient d’internaliser des particules grossières voire des cellules entières ouvrant la porte, jusque-là fermée, à la colonisation du cytosol procaryote par d’autres procaryotes. Il s’en est suivi une course aux armements, au cours de laquelle l’ancêtre des eucaryotes a évolué des mécanismes de défense particulièrement efficaces pour parer à ces nouveaux envahisseurs, alors que ces derniers ont, à leur tour, évolué des effecteurs de virulence leur permettant de contourner ces défenses. Certains de ces envahisseurs se sont ainsi spécialisés pour la vie intracellulaire et ont défini les ancêtres des pathogènes intracellulaires de type Rickettsia et Chlamydia infectant de nombreux eucaryotes dont l’homme. Dans leur perspective, Ball et al. passent en revue les résultats les plus récents obtenus concernant la phylogénie des mitochondries et les rapprochent des Rickettsiales (Wang and Wu, 2015). Ils en concluent que les deux évènements majeurs qui caractérisent d’une part l’apparition des premiers eucaryotes consécutivement à l’acquisition de la respiration par les ancêtres archéens, et d’autre part l’acquisition de la photosynthèse par les eucaryotes, ont été déclenchés dans tous les cas par des bactéries pathogènes intracellulaires, improprement baptisées « parasites énergétiques ». Dans le cas des mitochondries, l’organite serait lui-même directement dérivé d’un tel pathogène tandis que dans le cas du chloroplaste, la cyanobactérie ancestrale aurait été assistée par un pathogène qui lui aurait fourni gîte et couvert ainsi que les modalités d’interaction indispensables avec son hôte eucaryote. Les auteurs expliquent la nature indissociable de la mitochondrie du domaine eucaryote par le fait que c’est l’apparition de la prédation par phagocytose qui aurait propulsé l’évolution des eucaryotes. La phagocytose, contrairement à la simple endocytose, aurait, de fait, nécessité l'établissement d’un métabolisme énergétique autorisant un accroissement de la taille et de la mobilité des cellules.
S. G. Ball et al., Plant Cell 25, 7 (2013).
F. Facchinelli, C. Colleoni, S. G. Ball, A. P. M. Weber, Trends Plant Sci. 18, 673 (2013).
Margulis L., Origin of Eukaryotic Cells (Yale University Press, 1970)
J. Martijn et al., ISME J. 46, 1 (2015).
A. Spang et al., Nature 521, 173 (2015).
Z. Wang, M. Wu, Sci. Rep. 5, 7949 (2015).




Figure 1: Image de microscopie électronique à transmission d’ Acanthamoeba castellanii  infectée pendant 16h avec Waddlia chondrophila. Les corps réticulés du pathogène intracellulaire obligatoire Waddlia chondrophila (Wc) (Chlamydiale) se divisent à l’intérieur de la vésicule d’inclusion (InV) qui abrite le pathogène et le protègent contre les mécanismes de défense antibactérienne de l’amibe hôte. Les mitochondries de l’hôte (M) sont typiquement recrutées par le pathogène à la surface de l’inclusion (flèche noire en gras). Les particules de glycogène de l’hôte sont mises en évidence par coloration PATAg et forment de petits points noirs (flèches)
© Steven Ball
 

En savoir plus
* Pathogen to powerhouse: how did the precursors to the mitochondrion and the nucleus evade host defense?
Steven G. Ball, Debashish Bhattacharya, and Andreas P. M. Weber.
Science. [publication date Feb. 12, 2016]. Compléter la référence à la levée de l’embargo 
  



 Contact chercheur
* Steven G. Ball 
Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle 
CNRS UMR 8576, INRA, Université de Lille 
Cité Scientifique
Bâtiment C9
59655 Villeneuve d’Ascq Cedex
Tel: 03 20 43 65 43

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