NOTRE GENOME EST-IL NATUREL ?
REFLEXIONS SUR LE GENOME ET LA NATURE DE L’ETRE
HUMAIN. EXPERIMENTATIONS EN CLASSE.
François LOMBARD, IUFE, TECFA, LDES, Université de Genève, Suisse Marie-Claude BLATTER, SIB Institut Suisse de Bionformatique, Genève, Suisse
Mots-clefs : Biologie – Génome – OGM – Nature – Evolution – Investigation
Résumé : Notre identité individuelle et notre identité d'Homo sapiens – notre humanité – sont définies en grande partie par notre ADN. La nature propre de notre ADN résulte-t-elle d'abord de la pureté de la transmission de notre matériel génétique de génération en génération, garantie par la barrière des espèces, ou plutôt de la sélection naturelle de matériel génétique incluant de l’ADN ‘étranger’ ? La science apporte à cette question troublante de nouvelles réponses. Nous discutons ici des scénarios d’investigation de ces questions provocantes avec les élèves.
Abstract: Our DNA defines to a large extent our personal and species identity – our human nature. Does this human nature result from pure uncontaminated transmission of our genetic material, guaranteed by a species barrier, or by the effects or natural selection of genetic material including “foreign” DNA? Recent scientific results bring new provocative answers to this question. We will discuss learning scenarios designed to allow new investigation of these questions.
INTRODUCTION
Unicité et diversité des génomes dans le vivant : un des fondements de notre nature.
L’ADN est le support de l’information génétique : il est composé d’un enchaînement de 4 molécules symbolisées par les lettres A, T, G, C. Trois milliards de ces lettres répartis sur nos 23 paires de chromosomes s’enchaînent pour former notre génome. C’est ce qui constitue notre identité biologique et le patrimoine génétique que nous transmettons à nos enfants. Connaître la séquence d’un génome, c’est connaître l’ordre dans lequel ces lettres se succèdent. Personne ne peut actuellement décrypter totalement les messages qui sont cachés dans cet immense texte, mais nombreux sont les chercheurs qui s’emploient à les comparer avec ceux de nos congénères ou ceux d’autres espèces, pour essayer de comprendre ce qui nous rend génétiquement ‘unique’.
Des opportunités “expérimentales” en classe
Pour un biologiste, l'universalité des mécanismes et du support de l'information génétique est une évidence. Ce qui est nouveau, c'est qu'au lieu de l'affirmer, on peut offrir aux élèves la possibilité d'explorer les génomes de nombreuses espèces et leur permettre ainsi de se rendre compte par eux-mêmes que l'information génétique a de nombreux points communs chez tous les êtres vivants. Grâce à des sites internet spécialisés, il est possible de visualiser les 23 chromosomes de l’homme, les 24 chromosomes du chimpanzé ou les 12 chromosomes du riz, de voir sur quel chromosome de l’homme ou de la souris se trouve le gène de l’insuline. Il est aussi possible de visualiser la séquence en acide nucléique du chromosome X du chimpanzé et de l’homme, la séquence du chromosome 1 du riz ou la séquence du virus HIV. En 2011, les séquences de plus de 5000
génomes de diverses espèces sont ainsi disponibles et librement accessibles sur internet. Des outils bioinformatiques en ligne permettent également de comparer les séquences : on peut ainsi constater – ou faire constater aux élèves – qu’il n’y a que 2 lettres de différences (sur 110) entre la séquence en acides aminés de l’insuline de l’homme et du chimpanzé. Plusieurs de ces scénarios ont été publiés (Lombard, F. & Blatter, M.-C. 2010) et sont accessibles ici http://doiop.com/bist
Notre genome definit-il notre nature humaine ?
La question de savoir si l’humanité se réduit à son génome fait l’objet de magnifiques débats. Certains adoptent une position extrême et affirment que l’humain est entièrement défini par son génome, et que – même si on ne sait pas encore tout décrypter – tout est écrit dans le génome. Cette position – réductionniste – s’oppose à une position essentialiste qui propose que l’humain est fondamentalement différent des animaux, et qu’on ne peut réduire l’humain à ses seules bases biologiques.
Cet article est écrit dans une perspective intermédiaire et prudente : une part importante – mais pas la totalité – de la nature humaine est définie par le génome et c’est de cela dont nous parlons ici. Ce qui définit le reste est bien sûr important, mais n’est pas l’objet de notre exploration.
Le mythe du « gène de…» remis en question.
L’ADN n’est pas tout, et le mythe du «gène de... » selon lequel chaque caractéristique de notre nature humaine ou chacune de nos maladies génétiques serait définie par un seul gène a fait long feu. Les gènes, pris individuellement, sont indéniablement une part importante de notre biologie, mais leur analyse séparée ne suffit pas.
Le syllogisme du « gène de la bipédie »
Un exemple est la mutation du gène VLDLR qui conduit les individus porteurs du gène muté à marcher à quatre pattes. On a parlé de mutation « quadrupède » et certains ont parlé du gène de la bipédie (souvent vue comme une caractéristique de l’être humain), c’est un cas classique d’une transformation de l’information lors de sa vulgarisation (Lombard, 2010). Il faut se garder de sur-interpréter les données : Ozcelik, et al., (2008) disent avoir identifié une mutation dans ce gène conduisant à une modification de la protéine correspondante (un récepteur) essentielle pour le développement du système nerveux. Il ne s’agit donc pas de la protéine de la bipédie, mais d’une protéine qui participe à la mise en place des structures neurales complexes nécessaires – entre autres – à la bipédie.
Une des caractéristique de la science est de pouvoir discuter le lien qui existe entre les données et les conclusions : c’est ce qui manque souvent pour avoir une connaissance scientifiquement validée Si on enlève les bougies d’une voiture, elle reste immobile, mais cela ne signifie pas que les bougies sont le moteur de la voiture. Les très nombreux gènes « impliqués dans ... » ne sont pas porteurs à eux seuls de la fonction. Les gènes sont le fondement de notre biologie, mais la manière dont ils interagissent entre eux et avec l’environnement pour produire l’individu humain est essentielle, particulièrement complexe et encore peu comprise.
Gènes ou environnement ? Les deux !
Les interactions génome – environnement sont actuellement très étudiées (Ameisen, 2006). Pour revenir dans un contexte plus scolaire, on peut ainsi discuter sous l’angle du ‘rôle de l’environnement’ l’exemple de l’anémie falciforme. On sait que les individus porteurs d’une mutation spécifique du gène de l’hémoglobine soufrent d’une anémie sévère, mais, en contrepartie, ils sont protégés de la malaria. Doit-on parler d’une maladie ou d’une résistance à une maladie ? On voit bien que selon l’environnement les mutations d’un gène peuvent avoir des conséquences très différentes. On ne peut guère distinguer la part génétique de la part environnementale, c’est l’interaction entre les deux qui est en jeu.
Gènes ou culture ? Les deux !
Au-delà des interactions entre gènes et environnement, les interactions des gènes avec la culture déterminent aussi une part de ce que nous sommes, c’est la tension « nature-culture ». Pour certains, l’humain se construit principalement grâce à son interaction avec la société. Pour d’autres, l’humain est programmé par sa nature biologique et en particulier son ADN, et la culture ne fait que réaliser les possibilités sociales et intellectuelles latentes.
Ces positions ne sont évidemment pas neutres sur le plan politique et idéologique.
Nous conclurons cette partie sur une boutade : la nature de l’humain est « 100 % ADN et 100 % culturel » paraphrase de Albert Jacquard
Nous écrivons donc cet article dans la perspective que l’analyse de l’ADN en tant que support de l’information génétique se justifie – notamment dans le contexte éducatif – mais que ces analyses doivent être mises en perspective.
LES TRACES DE TRANSFERTS DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE ENTRE ESPÈCES VISIBLES DANS LES GÉNOMES ACTUELS
Nous allons discuter ce que la recherche en génomique a révélé récemment en particulier sur la pureté de la transmission de notre matériel génétique, sur les différents apports d’ADN « étrangers », en insistant sur les possibilités d’investigation en classe.
Nous discuterons ensuite de l’existence de la barrière des espèces, et du rôle de la sélection naturelle dans la constance de notre nature humaine.
Des virus dans le génome humain ?
L'analyse du génome humain a révélé – entre autres surprises – que 8 à 10 % de sa séquence est d'origine virale, alors que seulement ~1.5 % de la séquence de notre génome « code » pour des protéines (Lander, E.S. et al., 2001)! Ces séquences d'ADN virales sont des vestiges de l'infection, datant de plusieurs millions d'années, des cellules germinales de nos ancêtres primates par des virus. La plupart de ces séquences sont aujourd’hui inactives: elles ont subi des modifications les rendant incapables de coder pour la moindre protéine (Varela, M. et al., 2009).
Des gènes humains vitaux d’origine virale
Certaines séquences de ces virus endogènes sont cependant actives et produisent des protéines fonctionnelles. L’exemple le plus connu est une protéine appelée syncytine. Le rétrovirus à l'origine de cette protéine aurait été intégré dans le génome d’un de nos ancêtres primate, il y a 45 à 70 millions d'années. La protéine syncytine n'est d’ailleurs retrouvée que chez les descendants de ces primates (les simiens), dont l’homme. Cette protéine jouerait un rôle clé dans la formation du placenta et aurait également des propriétés immunosuppressives, essentielles à l’interface entre la mère et l’enfant (Black, S.J., et al., 2010, Frendo, J.-L., et al., 2003, Knerr, I., et al., 2002, Mi, S., et al., 2000).
D’autres transferts …
Dans l'histoire de la vie, nous sommes étroitement liés non seulement avec les virus, mais également avec les bactéries. Selon la théorie appelée ‘endosymbiotique’, une cellule eucaryote primitive aurait intégré une bactérie il y a environ 1,5 à 2 milliards d’années.
Au cours de l’évolution, la majorité des gènes de la bactérie originelle auraient été perdus ou bien transférés vers l’ADN contenu dans le noyau de la cellule hôte. Selon des premières estimations, il
resterait une quarantaine de gènes d’origine bactérienne dans le génome nucléaire humain (Lander, E.S., et al., 2001, Ponting, C.P., 2001, Dunning Hotopp, J.C., 2011).
On voit que les transferts de matériel génétique entre les espèces sont fréquents et encore d’actualité. Ils peuvent aussi avoir lieu naturellement entre 2 eucaryotes. Preuve en est l’histoire étonnante de Elysia chlorotica, un mollusque qui se nourrit d'algues. Il a intégré les chloroplastes de ces algues nourricières dans les cellules de son tractus digestif.
Il manque cependant un certain nombre de gènes aux chloroplastes pour que la photosynthèse puisse avoir lieu : ces gènes se trouvent dans le génome nucléaire des algues.
Ce qui est remarquable est que le mollusque a également intégré ces gènes essentiels dans son génome nucléaire. Ce mollusque est ainsi capable d’utiliser l'énergie solaire (Rumpho, et al., 2008) !
Des opportunités “expérimentales” en classe
Ce que nous voulons souligner est qu’une investigation par les élèves de ces affirmations est possible grâce au libre accès aux données qui est la règle en biosciences, notamment dans des TP. L’idée qu’un TP puisse se faire avec des ordinateurs se heurte à des traditions bien ancrées sur le type d’activité qu’on devrait y effectuer. « L'activité expérimentale reste avant tout, dans les représentations que s'en font les personnes interrogées, une activité pratique. La place qu'y prennent le raisonnement et la créativité est peu reconnue ou peu citée. L'approche relève plus souvent d'un point de vue empiriste que d'un point de vue hypothético-déductif ou réfutationiste.» (Beaufils & Larcher, 1999).
Pourtant, si l’expérimentation en classe est centrée sur la manipulation, la mesure ou l’observation, ce qui est spécifique de la science reste la nature de l’argumentation rigoureuse qui étaye et discute le lien entre ces données et les conclusions (Osborne, 2010). Or on sait que cette argumentation est difficile à pratiquer en classe (Sandoval & Reiser, 2003). De nombreuses approches pédagogiques ont essayé d’impliquer les élèves dans des activités cognitives de haut niveau – notamment l’investigation.
Les nouvelles façons d’obtenir des données depuis la révolution génomique sont perçues comme un changement difficile à accepter par les enseignants (Lombard, 2007) – peut-être parce qu’ils remettent en question leur idée de ce qu’un TP doit être. Par contre, pour les chercheurs les démarches essentielles qui consistent à discuter et à argumenter les liens entre ces données et les conclusions n’ont guère changé.
Nous avons exploré des nouvelles opportunités d’investigation et d’expérimentation en classe. De Vecchi (2006) suggère une approche réaliste : éprouver une théorie. Sans chercher à faire inventer aux élèves une théorie, ni produire une preuve irréfutable, il s’agit plutôt d’effectuer l’aller-retour entre les modèles explicatifs et les données. Dans les mots d’un élève : « D’après la théorie il devrait se passer ceci, essayons de voir si ça se confirme ? »
C’est cette approche pédagogique qui a guidé l’élaboration des activités décrites ci-dessous.
Des virus dans le génome humain ?
"Nous sommes 8% OGM et 1.5% humains" disait de manière provocante le Pr. M. Strubin de l’Université de Genève. On retrouve ces chiffres dans de nombreuses publications scientifiques voire des manuels scolaires, mais est-il possible que les élèves mettent à l’épreuve cette affirmation grâce à des données authentiques et à leur discussion ?
Il existe des sites spécialisés qui permettent de visualiser les données relatives aux génomes et en particulier au génome humain. Un exemple est le site Mapviewer (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/mapview/map_search.cgi?taxid=9606).
En cherchant les noms des gènes typiques d’origine virale (gag, env et pol), on obtient une image de l’ensemble des 23 chromosomes humains avec, marqué en rouge, les sites où sont intégrées des séquences virales.
Le gène de la syncytine, un gène humain d’origine virale qui pourrait avoir joué un rôle essentiel dans l’apparition du placenta chez certains primates se trouve sur le chromosome 7
Ce scénario, ainsi que d’autres sont développés en détail ici : http://tecfa.unige.ch/perso/lombardf/bist/scenario22/plus-simple.html
Homogénéité de l’espèce : la “barrière des espèces” peut-elle l’expliquer ?
Sur la base de ces données, on peut discuter avec les élèves des mécanismes qui fondent l’homogénéité de l’espèce humaine – entre autres.
On voit que la pureté du transfert vertical de l’information génétique ne peut pas expliquer à elle seule l'homogénéité de notre espèce et sa constance dans le temps. Cette idée de pureté de la transmission et de rejet des apports d’ADN étranger est par ailleurs directement liée à des notions d’eugénisme qui font un peu froid dans le dos.
Puisque de nombreux transferts horizontaux sont intervenus au cours de l’histoire de notre ADN (la quantité d’ADN ‘étranger’ est 6 à 8 fois plus abondante que l’ADN de nos propres gènes), il faut bien chercher une autre explication à l'observation que notre espèce - comme les autres – reste homogène (tous différents, mais tous semblables...).
La sélection naturelle détermine-t-elle la “nature” humaine ?
Il est important de souligner que les transferts horizontaux de matériel génétique se produisent régulièrement au cours de l’histoire d’une espèce, mais qu’ils n’ont pas toujours des conséquences positives, loin de là. Ils peuvent par exemple conduire à la formation de génomes non fonctionnels, non viables pour les embryons qui ne terminent pas leur développement. Leur présence n’est donc pas toujours perçue et biaise notre perception. N'oublions pas que les seuls génomes visibles sont ceux qui sont fonctionnels et que les rares génomes qui nous apparaissent comme « anormaux » sont en fait la pointe d'un iceberg de nombreux autres qui n'étaient pas suffisamment fonctionnels
pour conduire à des individus viables. Une faible proportion (probablement moins de 25%) des fécondations humaines se développe suffisamment pour être même détectée comme une « grossesse » (on ne parle pas ici de 75% de fausse couche, mais de retard dans les règles de quelques jours) – pour toutes sortes de raisons, mais entre autres parce que le génome produit n'était pas fonctionnel. De fait la sélection naturelle constitue une sorte de barrière : les apports d'ADN étranger conduisent à des individus viables ou disparaissent (avec les individus non-viables qui les portaient). C'est sans doute ce mécanisme qui est à l'œuvre depuis la nuit des temps et qui garantit que les girafes restent des girafes et les humains des humains malgré toutes les perturbations que notre ADN peut subir – y compris les transferts horizontaux de matériel génétique que nous avons évoqués.
Pourquoi avoir si peur des ADN étrangers ?
Pourquoi la peur des apports d'ADN étranger est si grande dans la population actuellement est une question intéressante. Certains y voient une manifestation d'une époque marquée par la peur du
changement :
"Les premiers mouvements de protection de la nature ont consisté à vouloir réaliser un statu quo. On cloisonne, on « protège », par une mise sous cloche d'une zone particulière, la plupart du temps caractérisée par une espèce emblématique. […] Un tel mouvement traduit une vision fixiste de la nature. Au-delà de l'échec annoncé, c'est le signe d'une peur du futur avec une volonté désespérée de s'accrocher au passé. […] En d'autres termes, une telle « protection » de la nature est assimilable à un point de vue créationniste, inconscient – ou parfois conscient... " (Le Guyader, 2008). C’est une poisition provocante qui risque bien de susciter un débat nourri en classe.
CONCLUSION
Nous avons montré que des outils en ligne permettent d’investiguer en classe la diversité et l’origine des séquences qui composent notre ADN – de pratiquer avec les élèves une forme d’expérimentation – pour éprouver et explorer la diversité génétique qui constitue une part importante de notre nature humaine.
Ces observations peuvent se fonder sur des données que les élèves sont allés chercher eux-mêmes en utilisant des ressources authentiques et conduire à des débats sur ce qui constitue notre nature humaine, et comment les interactions génome-environnement et nature-culture se manifestent.
Le débat sur les OGM peut ainsi être éclairé de manière originale en offrant la possibilité aux élèves d’accéder à des données authentiques et peut mener de cette façon à un vrai débat scientifique, avec discussion de la solidité des liens entre des données et les conclusions qu’on en tire.
Ces données permettent de développer une vision beaucoup plus dynamique de notre ADN. Plutôt qu’un héritage dont la pureté serait à protéger, elles suggèrent un équilibre dynamique entre des changements (transferts horizontaux, mutations…) qui augmentent la diversité génétique et la sélection des génomes adaptés à l’environnement et à la culture.
La médecine permet aujourd’hui un choix responsable qui dépasse la sélection naturelle : l'humanité s'extrait de sa condition “naturelle” mais doit assumer son destin. Comme Prométhée, qui donne à l'homme le feu : la connaissance nous donne une responsabilité qui peut être lourde, mais qu'on ne peut pas écarter.
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