Chapitre 1: Introduction générale
2. Etat des lieux des puces à ADN et de leurs méthodes d’analyse
2.5. Applications des puces pour l’étude de l’expression des gènes
Actuellement, la principale utilisation des puces à ADN est de mesurer les niveaux d’expression relatifs des gènes dans différentes conditions. Si la génomique permet de connaître la structure du génome et les différents gènes existants, elle ne permet d’aborder la fonction des gènes que via les similitudes de séquences, c’est-à-dire de manière statique et dépendante des connaissances déjà acquises. Or, comme le précise Lipshutz et al. en 1999 (Lipshutz et al.,1999), pour comprendre la fonction d’un gène il est utile de savoir quand et où il est exprimé et dans quelles circonstances son niveau d’expression est affecté. Les puces permettent d’aborder ces problèmes. Néanmoins outre les études concernant un gène précis, elles permettent d’aborder l’étude des réseaux fonctionnels existants. Au départ, les puces engendraient de nombreux espoirs. En 1999, Brown et Botstein (Brown and Botstein, 1999) parlent de nouvelles cartes génomiques fondées sur les données d’expression, qui permettraient de comprendre les fonctions des gènes ou leur régulation. Pour eux, dans un avenir proche, c’est à dire à peu près de nos jours, les effets des mutations pour chaque gène de la levure seraient connus. Tel n’est pas le cas. Si les puces constituent un outil qui fait
avancer la compréhension du fonctionnement des gènes, il ne répond pas entièrement aux attentes formulées par Brown et Botstein du fait de ses limites. Malgré cela, de nombreux aspects de l’expression des gènes ont été abordés grâce aux puces comme nous allons le détailler ci-après. On peut classer les applications existantes des puces en différents types (Kutalik et al., 2004) : la comparaison des niveaux d’expression de gènes selon différentes conditions, l’identification de gènes fonctionnellement liés, la recherche de gènes discriminants grâce au clustering, l’approche des réseaux d’interaction géniques grâce aux séries temporelles.
2.5.1. Comparaison des niveaux d’expression des gènes selon différentes conditions
La première utilisation des puces pour les niveaux d’expression (Schena et al., 1995) a été l’analyse des différences d’expression de 45 gènes entre les feuilles et les racines d’Arabidopsis thaliana. Depuis, de nombreuses expériences de recherche de gènes différentiellement exprimés entre plusieurs conditions ont été réalisées. Le but est de comprendre certains phénomènes biologiques et d’identifier les gènes impliqués dans ces processus.
Plusieurs phénomènes ont été étudiés : la différenciation et la maturation de cellules dendritiques humaines et les gènes impliqués dans ces phénomènes (Le et al., 2001). Clark et al. ont identifié des gènes dont l’expression induit le passage d’une cellule tumorale en métastase chez la souris. DeRisi et al. se sont intéressés aux différences d’expression entre des lignées de cellules cancéreuses humaines et des lignées mutantes qui suppriment les tumeurs. Hedenfalk et al. ont étudié les différences d’expression entre des mutations de BRCA1 et BRCA2 dans des cas de cancer du sein. En plus de ces études du cycle cellulaire et du cancer, certaines applications visent à analyser le comportement des gènes face à des modifications environnementales notamment le stress.
Les puces ont également permis d’identifier les gènes dont l’expression est gouvernée par différents régulateurs, par les brassinostéroïdes et les gibbérellines pour le riz ( Yang and Komatsu, 2004) ou encore d’identifier les mécanismes de régulation des défenses d’Arabidopsis thaliana (Eulgem,2005).
Différents métabolismes ont encore été étudiés comme le mécanisme de l’assimilation du soufre chez Bacillus subtilis (Sekowska et al., 2001).
2.5.2. Identification de gènes fonctionnellement liés
Une des applications les plus courantes des puces est l’étude de gènes dont les niveaux d’expression sont corrélés. Eisen et al. (Eisen et al., 1998) ont mis au point une méthode permettant d’identifier les gènes partageant le même profil d’expression. L’hypothèse suppose que des gènes co-exprimés sont impliqués dans un même processus cellulaire ou voie métabolique. Il serait ainsi possible d’identifier les fonctions de gènes jusqu’alors inconnues en analysant les fonctions des gènes ayant le même profil d’expression. La revue de Niehrs and Pollet, 1999) (Niehrs ans Polletrecense, chez les eucaryotes, différents groupes de gènes qui ont été identifiés comme co-exprimés en 1999 et qui partagent une fonction commune. Une autre hypothèse est que les gènes identifiés comme co-exprimés seraient régulés par des facteurs de régulations communs et auraient donc, dans leur promoteur, des sites de fixation identiques. Plusieurs études combinent ces deux hypothèses comme celle de Chu et al. en 1998 sur les différentes étapes de la sporulation chez la levure. Les différents prélèvements ont permis de distinguer différentes phases de la sporulation et de caractériser les gènes associés. Lors de leur travail, ils ont tenté d’identifier des séquences nucléiques communes aux gènes identifiés afin de découvrir des sites de régulations communs. Des études similaires ont été réalisées afin d’étudier le cycle cellulaire de la levure (Cho et al., 1998) (Spellman et al. 1998), le cycle circadien d’Arabidopsis thaliana ( Schaffer et al., 2001). Les cycles cellulaires de fibroblastes humains (Cho et al., 2001) ou de cellules cancéreuses humaines ( Whitfield et al., 2000) ont également été étudiés afin d’identifier de nouveaux gènes impliqués dans différentes phases du cycle. En plus des séries temporelles, d’autres études portent sur la compréhension de la réponse d’organismes à différentes conditions comme l’étude des réponses de la levure à différents stress environnementaux (Gasch et al., 2000).
2.5.3. Recherche de gènes discriminants
Les puces peuvent également être un outil de diagnostic afin de discriminer entre différents types cellulaires. Dans le domaine clinique notamment, la recherche vise à identifier des gènes marqueurs qui permettent de réaliser un diagnostic fiable de maladies comme le cancer. Alizadeh et al. en 2000 ont démontré qu’il existait des signatures d’expression différentes pour des cellules de lymphomes qui proviennent soit de patients qui répondent à un traitement soit de patients qui ne répondent pas et succombent. Van’t Veer et al. ont ainsi utilisé les puces afin de déterminer un ensemble de gènes dont les profils d’expression « prédisent » les possibilités de métastases pour des tumeurs du sein. Plusieurs études (Garber et al. ; 2001) (Beer et al., 2002) ont identifié des groupes de gènes pouvant prédire la possibilité de survie pour des patients atteints de cancer des poumons.
L’étude de l’expression des gènes permet également de distinguer des types cellulaires ou de cancer difficilement identifiables par les critères physiologiques classiques (Golub et al., 1999) (Bittner et al., 2000) (Su et al., 2001). Les puces permettent donc de faire des diagnostics de maladie et d’adapter les traitements aux différents types de maladies.
2.5.4. Approche des réseaux d’interaction géniques
Les puces à ADN mettent à disposition des jeux relativement larges de données d’expression d’une grande partie des gènes d’un organisme. Parallèlement à l’étude de groupes de gènes co-exprimés se sont développées des méthodes qui permettent d’inférer les réseaux d’interaction géniques (régulation) d’un organisme. Ces études mènent à une visualisation du réseau plus ou moins dense. Rung et al. ont analysé un important jeu de données chez la levure.