Fiche de révision : Génétique et transgenèse animale

Plan du Cours

  1. ADN, expression et transmission génétique
  2. Reproduction et lois de Mendel
  3. Sélection, transgenèse et fonction des gènes
  4. Souris modèle et élevage génétique
  5. Puissance statistique et fond génétique
  6. Reproduction des souris
  7. Croisements et gestion des colonies
  8. Transgenèse et stratégies génétiques
  9. Ciblage génétique et CRISPR-Cas9
  10. Contrôle conditionnel et enjeux éthiques
  11. Principes de transfection et applications
  12. Vecteurs d’expression et ARN interférence
  13. Méthodes chimiques de transfert
  14. Méthodes physiques de transfection
  15. Transfection hydrodynamique et transduction virale
  16. Éthique et bien-être animal
  17. ARN interférence et petits ARN
  18. Nucléases programmables et réparation

Repères chronologiques

  1. 1910Morgan montre que l'information génétique est portée par les chromosomes.
  2. 1941Beadle et Tatum formulent l'hypothèse « un gène = une enzyme ». - Beadle & Tatum, 1941
  3. 1952Briggs et King transfèrent des noyaux de cellules embryonnaires de blastula chez la grenouille.
  4. 1953Watson et Crick proposent le modèle de la double hélice de l'ADN, avec l'apport déterminant des données de diffraction aux rayons X de Rosalind Franklin.
  5. 1958Francis Crick formule le dogme central : l'ADN produit l'ARN, qui produit les protéines, et l'information ne peut pas être retransférée d'une protéine vers un acide nucléique.
  6. 1980La première souris transgénique a été obtenue par microinjection.
  7. 1982Richard Palmiter et Ralph Brinster ont publié dans Nature la première souris transgénique présentant un phénotype, une souris atteignant environ deux fois la taille normale après expression du gène de l'hormone de croissance de rat.
  8. 1989La recombinaison homologue dans les cellules ES a permis d'obtenir des souris chimères.
  9. 1990Jorgensen et al. ont observé chez des pétunias une co-suppression où le gène endogène et le transgène étaient éteints simultanément.
  10. Fin 2016Une équipe chinoise a traité un premier patient atteint de cancer du poumon par injection de cellules immunitaires modifiées par CRISPR-Cas9.

1. ADN, expression et transmission génétique

★ À maîtriser

  • Les cellules somatiques sont diploïdes et possèdent deux copies de chaque chromosome, l'une maternelle et l'autre paternelle ; l'humain en a 23 paires et la souris 20 paires (2n = 40).
  • L'ADN est une double hélice dont les deux brins associent toujours l'adénine à la thymine et la guanine à la cytosine.

  • Pendant la réplication, les deux brins d'ADN se séparent et chacun sert de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire, assurant le transfert fidèle de l'information aux cellules-filles.

  • 🔄 L'expression d'un gène suit ces étapes :

    1. Transcription de l'ADN en ARN pré-messager.
    2. Maturation par épissage.
    3. Traduction en protéine.
  • La traduction a lieu sur le ribosome et produit un polypeptide dont la succession d'acides aminés détermine la structure tridimensionnelle de la protéine et, par conséquent, sa fonction.

  • Le code génétique associe chaque acide aminé à un codon de trois nucléotides ; 64 triplets sont possibles et plusieurs codons peuvent spécifier le même acide aminé, ce qui rend le code dégénéré.

  • Une mutation ponctuelle substituant un acide glutamique par une valine dans l'hémoglobine peut provoquer la drépanocytose : la protéine polymérise en fibres, déforme les globules rouges en faucille et peut bloquer les capillaires.

Compléments

  • Chez les eucaryotes, les chromosomes sont contenus dans un noyau délimité par une membrane, absente chez les procaryotes, dont les gènes sont généralement rassemblés sur un chromosome circulaire.

  • Les correspondances ADN-ARN sont :

    • A ADN → U ARN
    • T ADN → A ARN
    • C ADN → G ARN
    • G ADN → C ARN

Astuce mémo

ADN → ARN → protéine

2. Reproduction et lois de Mendel

Notions clés & Définitions

  • Homozygote : Individu portant deux allèles identiques pour un gène donné, par exemple AA.
  • Hétérozygote : Individu portant deux allèles différents pour un gène donné, par exemple Aa.
  • Génotype : Constitution génétique d'un individu, qui n'est pas directement observable comme une réalité physique.
  • Phénotype : Aspect observable d'un organisme, notamment morphologique, physiologique ou biochimique.

★ À maîtriser

📌 La mitose produit deux cellules-filles ayant le même nombre de chromosomes que la cellule mère, tandis que la méiose produit quatre cellules-filles haploïdes à partir d'une cellule diploïde.

  • Pendant la méiose, les chromosomes parentaux sont distribués aléatoirement et indépendamment entre les cellules-filles, et le crossing-over échange des fragments entre chromosomes homologues.

  • Plus deux gènes sont éloignés sur un même chromosome, plus la probabilité de recombinaison entre eux est élevée ; les fréquences de recombinaison permettent d'inférer leurs distances relatives et leur ordre.

📌 Dans un croisement de lignées pures différant par un seul caractère, tous les hybrides F1 présentent la forme dominante ; la forme non exprimée est récessive, notée par convention avec une lettre minuscule.

  • Lors d'un croisement monohybride, les phénotypes dominants et récessifs apparaissent approximativement dans un rapport de 3:1 en F2, correspondant aux génotypes 1 AA : 2 Aa : 1 aa.

📌 La loi d'assortiment indépendant prédit que des caractères parentaux différents se transmettent indépendamment et produisent toutes les combinaisons possibles, lorsque les gènes sont sur des chromosomes différents ou suffisamment éloignés sur un même chromosome.

Compléments

  • La fécondation fusionne les noyaux des gamètes mâle et femelle pour former un zygote diploïde portant des chromosomes d'origine maternelle et paternelle ; les mâles ne possèdent qu'une copie de chacun des chromosomes sexuels X et Y.

  • En 1866, Gregor Mendel publie ses expériences sur la transmission héréditaire des caractères chez le pois et en tire trois lois : uniformité en F1, ségrégation des caractères et assortiment indépendant.

  • Pour ses expériences, Mendel choisit le pois, des caractères qualitatifs discontinus et observables, ainsi que des souches pures ; il étudie sept caractères ayant chacun deux formes distinctes.

  • En F3, les individus F2 récessifs aa ne produisent que des descendants récessifs, tandis que parmi les individus dominants F2, un tiers est homozygote AA et deux tiers sont hétérozygotes Aa.

  • Les limites principales des observations mendéliennes sont :

    • Dominance parfois incomplète
    • Caractères polygéniques
    • Caractères quantitatifs
    • Liaison génétique entre caractères

Astuce mémo

Mitose conserve la ploïdie ; méiose la réduit de moitié

3. Sélection, transgenèse et fonction des gènes

★ À maîtriser

📌 La sélection génétique classique repère les individus par leur phénotype et les croise sans connaître nécessairement les gènes impliqués, tandis que la transgenèse introduit de façon ciblée un gène isolé et identifié.

📌 La définition rigoureuse de la fonction d'un gène nécessite d'examiner à la fois le phénotype de perte de fonction, qui teste si le gène est nécessaire, et le phénotype de gain de fonction, qui teste s'il est suffisant ou déterminant.

Compléments

  • La sélection naturelle est un moteur de l'évolution des espèces et de leurs génomes, tandis que la sélection de mutants est un moyen humain de générer et de faire évoluer la diversité plus rapidement et à plus grande échelle que les processus naturels.

  • Les objectifs de la transgenèse végétale comprennent :

    • Résistance aux maladies et aux insectes
    • Tolérance aux herbicides
    • Résistance à la sécheresse ou à la salinité
    • Amélioration de la croissance
    • Enrichissement en molécules d'intérêt préventif ou thérapeutique
    • Réduction du potentiel allergène des aliments
    • Dépollution des sols
  • Les applications animales évoquées comprennent :

    • Réduire la sensibilité aux maladies et l'usage des antibiotiques
    • Diminuer les rejets de phosphate
    • Accroître la productivité
    • Produire des aliments modifiés
    • Soutenir la recherche biomédicale
  • Les porcs transgéniques Enviropig expriment le gène de la phytase et rejettent moins de phosphate dans leurs déjections.

  • La transgenèse animale reste moins développée que la transgenèse végétale, car ses coûts de développement sont élevés et la maîtrise de la dissémination des animaux dans l'environnement demeure imparfaite.

  • Les animaux transgéniques servent à étudier le rôle des gènes in vivo, à créer des modèles de maladies humaines, à produire des protéines recombinantes, à préparer des organes pour la transplantation, à lutter contre des maladies et à améliorer des caractéristiques zootechniques.

  • Chez la drosophile, la perte de fonction des gènes proneuraux achaete et scute supprime les soies sensorielles, tandis que leur expression renforcée produit des soies excédentaires.

  • Les risques potentiels des OGM comprennent la toxicité et les allergies liées au gène inséré, les effets de produits dérivés d'animaux nourris aux OGM, les résistances aux antibiotiques, la baisse de valeur nutritive, les effets imprévisibles et l'impact sur la biodiversité ou la dissémination environnementale.

  • L'évaluation comprend :

    • Tests de toxicité
    • Tests d'allergénicité
    • Tests d'oncogénicité
    • Traçabilité des produits

Astuce mémo

Sélection observe le phénotype ; transgenèse cible un gène identifié

4. Souris modèle et élevage génétique

Notions clés & Définitions

  • Souche consanguine : Lignée élevée par croisements frère-sœur ou parent-progéniture pendant au moins 20 générations séquentielles afin d'obtenir une population génétiquement et phénotypiquement homogène.
  • Colonies non consanguines : Populations entretenues pour préserver l'hétérogénéité génétique et représenter davantage les populations naturelles, en limitant l'augmentation de consanguinité à moins de 1 % par génération.

★ À maîtriser

  • La souris est utilisée comme modèle notamment parce qu'elle est petite, se reproduit rapidement, atteint la maturité sexuelle vers six semaines, supporte la captivité, possède un génome séquencé et permet des modifications génétiques ciblées ou additionnelles.

  • Le génome murin comprend environ 3 × 10⁹ paires de bases, plus de 30 000 gènes et 20 paires de chromosomes ; environ 1 à 2 % de l'ADN code des protéines.

  • Plus de 99 % des gènes humains ont un homologue chez la souris et plus de 95 % du génome humain et murin est synténique.

📌 La micro-injection d'ADN dans le pronucléus entraîne une insertion aléatoire et produit des souris transgéniques, tandis que le ciblage par recombinaison homologue dans des cellules ES produit des souris knock-out.

  • Les lignées consanguines sont génétiquement homogènes, ce qui réduit la variabilité phénotypique d'origine génétique et facilite la détection de différences expérimentales, mais peut rendre les résultats moins représentatifs d'une population naturelle hétérogène.

Compléments

  • La gestation de la souris dure 19 à 21 jours, une portée compte 6 à 15 souriceaux et le temps de génération est d'environ 10 semaines, soit environ cinq générations par an.

  • Les souris de laboratoire descendent de Mus musculus et de sous-espèces différenciées géographiquement, puis domestiquées et sélectionnées ; les grandes lignées consanguines incluent C57BL/6, BALB/c, DBA/2, C3H et 129.

  • 🔄 Le développement précoce suit cette séquence :

    1. Fécondation dans l'oviducte.
    2. Clivage de l'œuf.
    3. Formation de la morula.
    4. Formation du blastocyste.
    5. Éclosion de la zone pellucide.
    6. Implantation dans l'endomètre vers E4,5.
  • La production d'une souris transgénique par micro-injection d'ADN prend environ trois mois, tandis que la méthode classique par cellules ES et recombinaison homologue prend environ deux ans, délai réduit à quelques mois avec CRISPR/Cas9.

  • Le clonage par transfert nucléaire consiste à injecter un noyau somatique dans un ovocyte énucléé afin de reconstituer un individu génétiquement identique au donneur du noyau.

  • Dans les lignées consanguines, la proportion du génome homozygote atteint environ 50 % après deux générations, 75 à 80 % après huit générations et plus de 98 % après vingt générations de consanguinité. - Silver, 1995

5. Puissance statistique et fond génétique

★ À maîtriser

  • Pour détecter une différence de 4 minutes avec une puissance statistique de 80 %, il faut 12 souris consanguines contre 180 souris non consanguines.

  • Avec 20 souris, la puissance de détection d'une différence de 4 minutes est de 97 % chez les souris consanguines et de 14 % chez les souris non consanguines.

📌 Un même allèle mutant peut entraîner des phénotypes différents selon le fond génétique sur lequel il est exprimé.

📌 Le fond génétique doit être choisi comme un élément du design expérimental et précisément documenté dans toute publication ou tout compte-rendu d'expérience.

Compléments

  • Dans l'exemple du sommeil induit par l'hexobarbital, les souris consanguines présentent un écart-type d'environ 3,2 minutes, contre 13,5 minutes pour deux stocks non consanguins.

  • Les stocks non consanguins restent utilisés parce qu'ils offrent une résolution génétique plus fine et une variabilité plus proche de celle de l'Homme, malgré une composition génétique parfois mal connue ou contrôlée et la possibilité de mutations récessives délétères.

  • La mutation diabetes (db) ou obese (ob) est associée à l'obésité sur fond C57BL/6 et au diabète sur fond C57BL/Ks.

  • La mutation Min produit environ 6 polypes sur fond (B6×AKR)F1 et environ 30 tumeurs intestinales sur fond C57BL/6.

  • Le knock-out d'EGF-R permet une survie jusqu'à 3 semaines sur fond CD-1, mais entraîne une mort à l'implantation sur fond CF-1.

  • La déficience en ferrochélatase entraîne des tableaux cliniques différents selon la souche receveuse BALB/c, C57BL/6 ou SJL, notamment pour l'anémie, l'ictère, l'accumulation hépatique de protoporphyrine et l'hépatite chronique.

Astuce mémo

Consanguines : faible dispersion ; non consanguines : forte dispersion

6. Reproduction des souris

★ À maîtriser

  • Les souris hybrides F1 issues du croisement de deux souches consanguines tendent à produire des portées plus grandes et plus saines que les souches consanguines pures, phénomène appelé hétérosis.

📌 Les souris se reproduisent mieux entre 16 et 26 °C et avec une humidité comprise entre 40 et 60 %.

  • Le cycle œstral de la souris dure 4 à 5 jours, avec ovulation le troisième jour, et placer les femelles avec un mâle ce jour-là maximise les grossesses obtenues.

  • Un bouchon copulatoire indique qu'un accouplement a eu lieu dans les 8 à 30 heures précédentes, mais ne confirme pas la conception.

Compléments

  • La reproduction des souris est influencée par : les défauts de naissance, la vigueur des hybrides, la durée de vie reproductive, le comportement de souche, les mutations et transgènes, la température et l'humidité, la lumière, le bruit et les vibrations, la pression barométrique, les odeurs, la manipulation, la nutrition, le placement des mangeoires et l'état de santé

  • Les mâles SJL/J peuvent attaquer leurs compagnons de cage et leur descendance, les femelles NZB/BlNJ sont peu attentives à leur portée et les femelles C57BL/6J perdent fréquemment leur première portée.

  • Les mutations peuvent être létales au stade embryonnaire, réduire ou supprimer la fertilité, ou affecter la fonction de la glande mammaire.

  • Un cycle uniforme et ininterrompu de 14 heures de lumière et 10 heures d'obscurité améliore généralement les performances d'élevage des souris, qui se reproduisent principalement la nuit.

  • Le co-logement dense supprime les cycles œstriens des femelles et l'introduction d'un mâle ou l'exposition à des phéromones ou androgènes mâles les fait reprendre de façon synchronisée, effet Whitten décrit par The Jackson Laboratory en 1976.

  • La grossesse peut être confirmée par palpation à partir du 11ᵉ jour de gestation, le jour 0 correspondant au jour de découverte du bouchon copulatoire.

7. Croisements et gestion des colonies

★ À maîtriser

  • Le choix du schéma d'élevage d'une souche mutante dépend de la viabilité et de la fertilité des homozygotes, de la méthode de génotypage disponible et des souris de contrôle nécessaires.

  • Le croisement homozygote mutant × homozygote mutant est utilisable si les deux sexes homozygotes sont viables et fertiles et produit 100 % d'homozygotes, sans génotypage systématique des souriceaux.

  • Le croisement hétérozygote × homozygote mutant est utilisé lorsqu'un seul des deux génotypes homozygotes est viable ou fertile et produit 50 % d'homozygotes et 50 % d'hétérozygotes.

  • Le croisement hétérozygote × hétérozygote est requis lorsque les homozygotes mutants sont sévèrement atteints, stériles ou meurent avant la maturité sexuelle et produit 25 % d'homozygotes mutants, 50 % d'hétérozygotes et 25 % de sauvages.

  • Si l'homozygotie pour un transgène est létale ou délétère, la souche est maintenue par croisement Tg/0 × 0/0, qui produit environ 50 % d'hétérozygotes et 50 % de sauvages.

Compléments

  • Pour limiter la dérive génétique, il est recommandé de rétrocroiser une lignée homozygote × homozygote à la souche parentale, ou à l'hybride F1 de référence sur fond mixte, environ toutes les 10 générations.

  • Un test de progéniture détermine le génotype inconnu en accouplant l'animal avec un individu de génotype connu, souvent homozygote récessif, puis en comparant les phénotypes de la descendance aux proportions attendues.

  • Dans l'exemple de la mutation récessive beige, une souris noire croisée avec une souris beige homozygote donne uniquement des descendants noirs si elle est sauvage, tandis qu'une descendance comprenant des souris beiges révèle qu'elle est hétérozygote.

📌 Si l'homozygotie pour un transgène est viable, le croisement Tg/0 × Tg/0 peut être utilisé, mais il faut distinguer homozygotes et hétérozygotes par génotypage, test de descendance ou PCR quantitative du nombre de copies.

  • Le maintien d'une souche F1 issue de deux souches parentales différentes nécessite généralement trois colonies parallèles : les deux souches parentales et la souche F1 souhaitée.

  • Le maintien d'une souche Cre-lox nécessite généralement trois colonies : une souche Cre, une souche lox portant le gène flanqué de sites loxP, et la souche double Cre-lox.

  • La cryoconservation économise de l'espace et des coûts de maintien, protège contre les pertes imprévues, peut assainir une colonie, ralentit la dérive génétique et réduit le risque de variation du nombre de copies d'un transgène.

📌 Une petite colonie doit conserver au minimum six couples reproducteurs de générations différentes, maintenir deux ou trois générations en parallèle et garder les reproducteurs âgés de 2 à 8 mois.

  • Pour un besoin annuel identique de 1 040 souris, une production régulière de 20 souris par semaine coûte environ 15 900 $ par an, contre 60 950 $ pour une production de 40 souris toutes les deux semaines. - The Jackson Laboratory

8. Transgenèse et stratégies génétiques

Notions clés & Définitions

  • Femelle pseudogestante : Femelle en œstrus accouplée à un mâle vasectomisé ; l’accouplement déclenche les modifications hormonales de la gestation sans embryon, ce qui permet l’implantation des embryons transférés.

★ À maîtriser

📌 La microinjection d'ADN produit une transgenèse additionnelle par insertion aléatoire, tandis que les cellules ES recombinantes permettent une modification ciblée par recombinaison homologue, notamment un KO, un KI ou une mutation ponctuelle.

📌 Dans une construction transgénique, le promoteur détermine où et quand le gène est exprimé, tandis que la séquence codante détermine ce qui est produit.

  • Les trois stratégies sont :

    • la microinjection d'ADN
    • l'utilisation de cellules ES recombinantes
    • le clonage par transfert de noyau
  • L’intégration aléatoire d’un transgène peut provoquer des insertions multiples et une surexpression non physiologique, l’interruption d’un gène essentiel pouvant être létale, la destruction d’un gène endogène ou un effet de position sur l’expression.

📌 Comparer plusieurs lignées indépendantes permet d’attribuer au transgène un phénotype observé dans toutes les lignées, tandis qu’un phénotype propre à une seule lignée est probablement un artefact d’insertion.

  • La superovulation se déroule ainsi : injection de PMSG au jour 1 pour stimuler la croissance de nombreux follicules, injection d’hCG au jour 3 pour déclencher l’ovulation, accouplement au jour 3, puis prélèvement des zygotes au jour 4.
  • Lors de la microinjection, une pipette de maintien immobilise le zygote, puis une pipette d’injection traverse la zone pellucide jusqu’à un pronucléus, généralement le pronucléus mâle, où sont injectées quelques milliers de copies linéaires du transgène.

Compléments

  • La construction de transgenèse comporte notamment des régions régulatrices, une région transcrite comprenant exons et introns, des codons d'initiation et d'arrêt, des régions 5'UTR et 3'UTR et un signal de polyadénylation.

  • La microinjection d'ADN produit des souris transgéniques en environ 3 mois, tandis que la stratégie utilisant des cellules ES produit des souris KO ou KI via des chimères en environ 2 ans.

  • La microinjection pronucléaire, méthode historique mise au point en 1980, sert à ajouter un transgène sans ciblage, notamment pour obtenir des souris surexprimant un gène, rapporteurs ou exprimant Cre sous un promoteur donné.

📌 La PMSG mime principalement l’activité FSH tout en ayant aussi une activité LH, tandis que l’hCG mime l’activité LH ; ces hormones ne sont pas identiques à la FSH et à la LH.

  • Environ 10 à 30 % des descendants issus de la microinjection pronucléaire portent l’ADN étranger, détecté après prélèvement de queue par PCR ou Southern blot.

Astuce mémo

Zygote → cellules ES ou microinjection → animal modifié

9. Ciblage génétique et CRISPR-Cas9

Notions clés & Définitions

  • Cellules ES : Cellules indifférenciées isolées de la masse cellulaire interne d’un blastocyste de souris, capables de croître en culture, d’être modifiées et sélectionnées, puis de contribuer à tous les types cellulaires de l’embryon, y compris la lignée germinale.
  • Recombinaison homologue : Échange de segments d’ADN identiques entre deux molécules ; un vecteur portant des extrémités homologues au gène visé peut ainsi remplacer le gène endogène par la séquence qu’il apporte.
  • Knock-out : Inactivation ciblée d’un gène, notamment par insertion d’une cassette dans un exon, qui interrompt le gène et empêche la production d’une protéine fonctionnelle.
  • Knock-in : Insertion ou remplacement ciblé par une nouvelle séquence, telle qu’un gène rapporteur, une version mutée ou un gène humain, pouvant être placé en phase avec l’ATG du gène visé.

★ À maîtriser

  • La production d’une souris modifiée par cellules ES consiste à prélever des cellules ES dans la masse cellulaire interne, les modifier et sélectionner les clones porteurs de l’ADN, les injecter dans un blastocyste, transférer celui-ci dans une femelle pseudogestante, sélectionner les chimères transmettant la modification germinale, puis génotyper et croiser les descendants.
  • Les cellules ES modifiées injectées dans un blastocyste peuvent former des souris chimères et transmettre la modification à la descendance par la lignée germinale ; les descendants sont d’abord généralement hétérozygotes.
  • Le clonage par transfert nucléaire consiste à transférer ou fusionner le noyau d’une cellule différenciée avec un ovocyte énucléé, dont le cytoplasme reprogramme le noyau et permet le développement d’un embryon.

📌 La microinjection classique produit une insertion aléatoire, tandis que les modifications KO ou KI par recombinaison homologue ciblent le locus voulu.

  • La sélection positive-négative enrichit les cellules recombinées : G418 élimine les cellules sans Neo, puis le ganciclovir élimine les cellules TK positives ; la recombinaison homologue conserve Neo mais perd la TK située hors des bras d’homologie.

  • CRISPR/Cas9, dont l’édition du génome a transformé les pratiques à partir de 2012-2013, utilise un ARN guide et Cas9 pour couper l’ADN au site désigné.

📌 Après une coupure double brin par CRISPR/Cas9, la réparation par NHEJ produit de petites insertions ou délétions pouvant inactiver le gène, tandis que la réparation par HDR avec une matrice permet un knock-in ou une mutation précise.

Compléments

📌 La couleur du pelage permet de repérer les chimères : les cellules ES et les cellules du blastocyste proviennent de souches à phénotypes visibles différents, et les zones pigmentées identifient la contribution des cellules ES dans l’exemple d’un blastocyste albinos.

  • Pour cloner Dolly, le noyau d’une cellule de mamelle d’une brebis A est fusionné par choc électrique avec un ovocyte énucléé d’une brebis B, puis l’embryon est transféré dans l’utérus d’une brebis porteuse C ; l’agneau est génétiquement celui de A, sauf pour l’ADN mitochondrial issu de l’ovocyte.

  • La transfection et la sélection de cellules somatiques en culture avant transfert de leur noyau dans un ovocyte énucléé permettent de caractériser la modification avant la production de l’animal et d’éviter l’incertitude liée à une intégration aléatoire.

📌 Dans une sélection positive-négative, Neo confère la résistance à la néomycine ou au G418 et constitue le marqueur positif, tandis que HSV-TK rend les cellules sensibles au ganciclovir et constitue le marqueur négatif.

Astuce mémo

Microinjection aléatoire ; recombinaison homologue ciblée.

10. Contrôle conditionnel et enjeux éthiques

Notions clés & Définitions

  • Cre recombinase : Enzyme du bactériophage P1 qui catalyse la recombinaison entre deux sites loxP.
  • Site loxP : Séquence de 34 paires de bases formée de deux répétitions inversées de 13 paires de bases encadrant un espaceur de 8 paires de bases qui détermine son orientation.
  • FLP-FRT : Système utilisant la recombinase Flp de la levure Saccharomyces cerevisiae, qui reconnaît les sites FRT et peut notamment exciser une cassette de sélection sans retirer les sites loxP voisins.
  • Cre inductible : Cre exprimée mais maintenue inactive jusqu’à l’administration d’une molécule, ce qui ajoute un contrôle temporel au contrôle tissulaire.

★ À maîtriser

📌 Avec Cre-lox, deux sites loxP de même orientation sur un chromosome entraînent une délétion, des sites d’orientation opposée sur un chromosome entraînent une inversion, et des sites situés sur deux chromosomes différents peuvent entraîner une translocation réciproque.

  • Un KO conditionnel hépatique s’obtient en croisant une souris floxée homozygote avec une souris exprimant Cre sous le promoteur de l’albumine, puis en rétrocroisant un descendant Cre positif floxé hétérozygote avec une souris floxée homozygote ; 25 % de la descendance est Alb-Cre ; loxP/loxP et présente l’excision dans le foie.

  • Dans un KO conditionnel hépatique Alb-Cre ; loxP/loxP, les deux allèles du gène sont excisés dans le foie tandis que le gène reste fonctionnel dans les autres tissus.

  • Dans le système CreER, le tamoxifène, ou son métabolite actif 4-OHT, libère la Cre fusionnée à un domaine de récepteur hormonal et retenue dans le cytoplasme ; la Cre entre alors dans le noyau et excise la séquence floxée.

  • La règle des 3R, formulée par Russell et Burch en 1959, consiste à Remplacer, Réduire et Raffiner l’expérimentation animale.

Compléments

  • Dans la construction conditionnelle de Cxxc5, les exons 2 et 3 sont flanqués de sites loxP et la cassette Neo encadrée par des sites FRT est ensuite éliminée par la recombinase FLP.

📌 Les systèmes Tet-On et Tet-Off peuvent activer ou éteindre un transgène de façon réversible avec la doxycycline, tandis que l’excision par Cre-lox est définitive.

  • Les précautions liées à Cre comprennent le contrôle du mosaïcisme et de l’expression dans des tissus inattendus, l’évaluation de l’efficacité de recombinaison, le contrôle d’une toxicité propre à Cre et la comparaison d’animaux de même fond génétique.

  • Dans une lignée rapporteur Lox-Stop-Lox, la cassette STOP bloque le rapporteur en l’absence de Cre ; dans les cellules où Cre est active, elle est excisée et le rapporteur s’exprime, révélant où et quand Cre agit.

  • La directive européenne 2010/63/UE encadre la protection des animaux utilisés à des fins scientifiques et a été transposée en France par le décret du 1er février 2013.

📌 Tout projet utilisant des animaux vivants doit obtenir une autorisation ministérielle après évaluation par un comité d’éthique en expérimentation animale et examen de sa conformité aux 3R et de la sévérité des procédures.

Astuce mémo

Cre-lox règle le lieu ; CreER et tamoxifène ajoutent le moment.

11. Principes de transfection et applications

Notions clés & Définitions

  • Transfection : Transfert d’acides nucléiques exogènes dans des cellules eucaryotes par une méthode chimique ou physique non virale.

★ À maîtriser

📌 La transduction, ou infection, transfère des acides nucléiques au moyen d’un vecteur viral, tandis que la transfection repose sur une méthode non virale.

📌 Une transfection transitoire maintient l’ADN sous forme d’épisome non intégré et son expression diminue par dilution ou perte lors des divisions, tandis qu’une transfection stable intègre l’ADN au génome et le transmet aux cellules filles.

Compléments

📌 Une transfection stable n’est transmise à la descendance de l’animal que si l’intégration concerne la lignée germinale, alors qu’une intégration dans des cellules somatiques ne crée pas une transmission héréditaire.

  • La transfection transitoire dure de quelques jours à plusieurs mois selon la capacité de division cellulaire ; dans les cellules épithéliales à renouvellement rapide, elle peut disparaître en une quinzaine de jours.

  • Les premières souris transgéniques obtenues par microinjection pronucléaire ont été produites par Gordon et ses collaborateurs en 1980. - Gordon et collaborateurs

  • La transfection in vivo permet de tester une hypothèse directement dans l’organisme sans créer de lignée transgénique, avec un gain de temps, une réduction du nombre d’animaux et la possibilité de cibler un organe ou un stade du développement.

Astuce mémo

Transfection non virale, transduction virale

12. Vecteurs d’expression et ARN interférence

Notions clés & Définitions

  • ARN interférence : Mécanisme physiologique par lequel de petits ARN réduisent l’expression de gènes dans le cytoplasme.

★ À maîtriser

  • Un vecteur d’expression plasmidique comprend notamment un promoteur, un site d’initiation de la transcription, un gène d’intérêt et un signal de polyadénylation ; son squelette porte une origine de réplication bactérienne et un gène de résistance à un antibiotique.

📌 Un promoteur fort et ubiquitaire, comme CMV, CAG ou EF1α, permet l’expression dans toutes les cellules transfectées, tandis qu’un promoteur spécifique restreint l’expression à un type cellulaire ciblé.

  • La voie naturelle des microARN comprend la transcription du pri-miRNA, son clivage nucléaire par DGCR8-Drosha en pré-miRNA, son export par l’exportine 5, son clivage cytoplasmique par Dicer, le chargement du brin guide dans RISC et la reconnaissance de l’ARNm cible.

📌 Une complémentarité parfaite entre le brin guide et l’ARNm, caractéristique des siRNA, conduit au clivage de l’ARNm, tandis qu’une complémentarité partielle, courante pour les miRNA animaux, réprime la traduction et déstabilise l’ARNm.

  • Le choix d’une méthode de transfection dépend du type cellulaire, du but de l’étude, de l’organe ciblé, de la durée d’expression souhaitée et de la taille du matériel à délivrer.

Compléments

  • Le promoteur CMV peut s’éteindre avec le temps in vivo dans certains tissus, raison pour laquelle CAG ou EF1α sont souvent préférés pour une expression durable.

📌 Un siRNA est un duplex synthétique d’environ 21 nucléotides chargé directement dans RISC et généralement transitoire, tandis qu’un shRNA est exprimé en épingle à cheveux puis clivé par Dicer et peut produire un effet prolongé s’il est intégré par un lentivirus.

  • Les précautions expérimentales liées à l’ARN interférence comprennent les effets hors cible, la toxicité due à la saturation de la machinerie endogène par un shRNA trop exprimé et la réponse immunitaire innée aux ARN double brin ; un contrôle non ciblant et, idéalement, plusieurs séquences ciblant le même gène sont utilisés.

  • Une méthode idéale associe :

    • Efficacité élevée
    • Faible cytotoxicité
    • Effet minimal sur la physiologie
    • Facilité d’utilisation
    • Reproductibilité
  • Le choix expérimental prend aussi en compte la possibilité de réaliser l’expérience in vitro ou ex vivo au titre du Remplacement, l’invasivité et la sévérité pour l’animal, les moyens disponibles et le niveau de confinement requis pour les virus.

  • La capacité de l’AAV est d’environ 5 kb, ce qui constitue une contrainte de taille pour le matériel à délivrer.

Astuce mémo

pri-miRNA → pré-miRNA → duplex → RISC

13. Méthodes chimiques de transfert

Notions clés & Définitions

  • Polyplexes : Complexes formés par la condensation d’acides nucléiques avec des polymères cationiques, comme le PEI, les dendrimères ou la polylysine.

★ À maîtriser

  • Les méthodes chimiques associent les acides nucléiques chargés négativement à des molécules cationiques, qui forment des complexes interagissant avec la membrane cellulaire puis internalisés le plus souvent par endocytose.

  • La lipofection forme des lipoplexes en mélangeant un acide nucléique et des liposomes cationiques ; ceux-ci interagissent avec les protéoglycanes anioniques de la surface cellulaire avant leur internalisation par endocytose.

  • Après une injection intraveineuse d’in vivo-jetPEI, l’expression est principalement pulmonaire, mais elle est aussi détectable dans le foie, la rate, les reins, le pancréas, le cœur, la vessie et les artères.

  • Après injection intraveineuse, le signal pulmonaire est environ 100 à 500 fois supérieur à celui du foie, de la rate ou du rein.

Compléments

📌 Après endocytose d’un lipoplexe, la maturation vers le lysosome entraîne la fragmentation de l’ADN, tandis que l’échappement de l’endosome permet à l’ADN de gagner le noyau et d’être exprimé.

  • La lipofection est simple et utilisable in vitro comme in vivo, mais son efficacité varie, sa reproductibilité est faible et, in vivo, les protéines sériques peuvent l’inactiver ; une forte dose peut provoquer une inflammation.

  • Le phosphate de calcium forme avec l’ADN de fins co-précipités internalisés par endocytose ou phagocytose ; cette méthode est sensible au pH et à la taille du précipité, toxique, peu efficace (environ 5 %) et utilisable uniquement in vitro.

  • Après endocytose, les amines du PEI tamponnent l’acidification de l’endosome, favorisent l’entrée de protons, d’ions chlorure et d’eau, puis le gonflement osmotique provoque la rupture de la vésicule et la libération du complexe.

  • L’in vivo-jetPEI se prépare en diluant séparément l’acide nucléique et le réactif dans du glucose à 5 %, puis en les mélangeant, en vortexant et en incubant environ 15 minutes à température ambiante avant l’injection.

  • Les complexes acide nucléique/in vivo-jetPEI restent stables au moins 24 h à température ambiante, à 4 °C et à 37 °C, sans former d’agrégats.

  • Le protocole in vivo-jetPEI a été adapté à de nombreuses espèces animales, notamment le rat, le cobaye, le hamster, le chien, le lapin, le singe, le mouton, la vache, le poulet, le poisson-zèbre, des mollusques et le moustique.

  • L’expression après administration d’in vivo-jetPEI dépend de la voie, du rapport de charge, de la dose et du tampon.

Astuce mémo

Complexation des acides nucléiques → interaction cellulaire → endocytose

14. Méthodes physiques de transfection

Notions clés & Définitions

  • Biolistique : Projection dans les cellules de microparticules d’or ou de tungstène enrobées d’ADN plasmidique, généralement accélérées par une impulsion de gaz hélium.

★ À maîtriser

  • 🔄 La laserfection se déroule ainsi : le laser perméabilise transitoirement la membrane, l’ADN entre par les pores sous l’effet de la pression osmotique et de la diffusion, les pores se referment

  • La magnétofection associe l’ADN à des nanoparticules magnétiques, puis un aimant placé près de l’organe cible attire les complexes et favorise leur internalisation par les cellules.

  • En microinjection, une pipette de verre très fine introduit l’acide nucléique directement dans le cytoplasme ou le noyau d’une cellule à la fois, sous microscope.

  • Pour produire un animal transgénique par microinjection, le transgène est injecté dans un pronucléus de zygote, les embryons sont réimplantés chez une femelle pseudo-gestante, puis les petits fondateurs sont génotypés.

  • La sonoporation utilise des ultrasons, souvent associés à des microbulles gazeuses, dont la cavitation perméabilise transitoirement les membranes afin que l’ADN entre dans les cellules avant leur refermeture.

  • 🔄 L’électroporation suit ces étapes : les impulsions déstabilisent la membrane et créent des pores, l’ADN migre vers l’anode et traverse les pores, à l’arrêt du champ, la membrane se referme

  • Lors d’une électroporation in utero chez la souris, la femelle gestante est anesthésiée et opérée, l’ADN mélangé au Fast Green est microinjecté dans un ventricule latéral embryonnaire, des impulsions sont appliquées avec l’anode du côté de la région cible, puis l’utérus est remis en place et l’abdomen suturé.

Compléments

  • 🔄 La préparation des cartouches suit ces étapes :

    1. précipiter l’ADN sur les particules
    2. charger les particules dans un tube
    3. faire tourner le tube pour enduire sa paroi
    4. découper le tube en cartouches
    5. placer les cartouches dans le pistolet
  • La biolistique est très utilisée en physiologie végétale pour transformer des protoplastes ou des tissus, puis régénérer des plantes, et peut aussi viser des tissus animaux superficiels ou des organes exposés chirurgicalement.

📌 La biolistique permet une co-transfection simple de plusieurs plasmides, mais sa pénétration reste limitée aux tissus superficiels et son efficacité est faible.

  • La microinjection de zygotes peut aussi introduire des réactifs CRISPR-Cas9 pour réaliser un knockout ou un knock-in.

📌 Un champ électrique trop intense provoque une électroporation irréversible et la mort cellulaire.

  • Pour l’électroporation in utero, un ordre de grandeur classique est d’environ 5 impulsions de 35 à 50 V, durant 50 ms à 1 Hz, avec des paramètres à adapter au protocole.

  • L’électroporation in utero transfecte les progéniteurs neuraux bordant le ventricule ; le plasmide épisomique se dilue dans les cellules qui se divisent, tandis que les neurones post-mitotiques formés peu après peuvent conserver le signal pendant des mois.

  • Le plasmide CAG-RFP associe un promoteur CAG fort et ubiquitaire à la protéine fluorescente rouge RFP.

15. Transfection hydrodynamique et transduction virale

Notions clés & Définitions

  • Transduction virale : Utilisation de vecteurs viraux recombinants dont les gènes de réplication sont retirés et remplacés par une cassette d’expression, les fonctions manquantes étant fournies en trans dans des cellules productrices.

★ À maîtriser

  • La transfection hydrodynamique consiste à injecter très rapidement dans la veine caudale une solution saline contenant de l’ADN plasmidique, en un volume égal à 10 % du poids de l’animal, afin de produire une forte pression hydrodynamique.

  • Le grand volume injecté dépasse le débit cardiaque, provoque un reflux par la veine cave inférieure vers les veines hépatiques et ouvre transitoirement des pores dans l’endothélium sinusoïdal et la membrane des hépatocytes, permettant l’entrée de l’ADN.

  • La transfection hydrodynamique permet de transfecter 10 à 40 % des hépatocytes.

📌 Les rétrovirus et les lentivirus s’intègrent au génome et permettent une expression stable transmise aux cellules filles, tandis que l’adénovirus s’exprime de façon transitoire à partir d’un génome épisomal.

Compléments

📌 Pour réussir une transfection hydrodynamique, le volume et la vitesse d’injection sont critiques : une injection trop lente ou un volume inférieur à 10 % du poids de l’animal ne transfecte pas les cellules.

  • 🔄 La particule virale suit ces étapes : elle se fixe à des récepteurs cellulaires, elle est internalisée, elle libère le génome recombinant dans la cellule

  • Les capacités d’insert indiquées sont d’environ 8 kb pour les rétrovirus, 9 kb pour les lentivirus, 8 kb pour les adénovirus, 5 kb pour les AAV, 30 à 40 kb pour HSV et 25 kb pour le virus de la vaccine.

  • Les vecteurs AAV recombinants utilisés en recherche n’ont pas la protéine Rep et leur génome reste surtout épisomique ; leur expression peut être durable dans les cellules non divisantes, mais se dilue dans les cellules en division.

  • Les vecteurs viraux peuvent atteindre une efficacité de 90 à 100 % des cellules en culture, mais leur production nécessite un laboratoire spécialisé et leur utilisation expose à une toxicité et à des réactions immunitaires contre les protéines virales.

Astuce mémo

L’hydrodynamique transfecte surtout le foie ; les lentivirus et rétrovirus s’intègrent au génome

16. Éthique et bien-être animal

★ À maîtriser

📌 Les complexes cationiques injectés par voie intraveineuse peuvent s’accumuler dans les capillaires pulmonaires et provoquer une détresse respiratoire ou une mortalité si la dose ou la formulation est inadaptée, notamment en présence d’agrégats ou d’une charge excessive.

  • La Directive européenne 2010/63/UE est transposée en France dans le Code rural, notamment les articles R.214-87 et suivants, par le décret n° 2013-118 du 1er février 2013 et ses arrêtés d’application.

  • En France, un projet d’expérimentation animale doit être autorisé par l’autorité compétente après évaluation éthique par un comité ; le dossier est déposé dans l’application APAFIS.

📌 La règle des 3R applique le remplacement lorsque des modèles non animaux conviennent, la réduction par la planification et le partage des mesures, et le raffinement par des procédures et soins visant à limiter la souffrance.

  • Un brin antisens complémentaire d'un ARNm cible s'y apparie pour former un double brin reconnu et éliminé par la cellule, notamment par la RNase III, ce qui bloque la production de la protéine correspondante.

📌 Les PNA remplacent le squelette phosphate par un squelette polyamide non chargé et résistent aux nucléases, mais leur pénétration cellulaire ou tissulaire reste problématique ; les phosphorothioates résistent aussi davantage aux nucléases et pénètrent mieux dans les cellules eucaryotes.

Compléments

📌 La production d’une lignée transgénique mobilise de nombreux animaux, ce qui justifie d’optimiser les rendements, de cryoconserver les lignées non utilisées et de planifier les croisements.

  • À partir du dernier tiers de la gestation, soit environ le 13ᵉ jour chez la souris, les fœtus de mammifères entrent dans le champ de la réglementation sur les animaux utilisés à des fins scientifiques.

  • Les niveaux de sévérité sont :

    • sans réveil
    • légère
    • modérée
    • sévère
  • L’imagerie longitudinale du même animal à différents temps contribue à la réduction en évitant de sacrifier un animal pour chaque temps de mesure.

  • La reproductibilité est un enjeu éthique, car une expérience non reproductible a utilisé des animaux sans produire de résultat fiable.

  • Le gène CFTR, situé sur le chromosome 7, code une protéine transmembranaire qui régule le transport des ions chlorure.

  • Les mécanismes proposés pour l'action antisens sont : le blocage de l'épissage, le blocage du transport de l'ARN vers le cytoplasme, l'accélération de la dégradation de l'ARN, le blocage direct de la traduction

  • Chez E. coli, les ARN sok et hok s'hybrident et l'hybride formé est dégradé par la RNase III, illustrant la régulation par ARN antisens.

  • Une séquence antisens ciblée de 10 à 20 bases suffit généralement à obtenir un effet antisens spécifique.

17. ARN interférence et petits ARN

Notions clés & Définitions

  • ARN interférence : Mittal, 2004 - Processus par lequel un ARN double brin éteint l'expression génique par régulation post-transcriptionnelle, soit en dégradant l'ARNm, soit en inhibant sa traduction.

★ À maîtriser

📌 Les siRNA sont le plus souvent exogènes, présentent une complémentarité totale avec une cible généralement unique et provoquent surtout le clivage de l'ARNm ; les miRNA sont endogènes, s'apparient partiellement à de nombreuses cibles et répriment surtout leur traduction.

  • 🔄 La maturation d'un miRNA comprend les étapes suivantes :
    1. Transcription du pri-miRNA
    2. Clivage nucléaire par Drosha en pre-miRNA
    3. Export du pre-miRNA par Exportine-5
    4. Clivage cytoplasmique par Dicer
    5. Chargement du brin guide dans RISC

Compléments

  • Le complexe RISC contient la protéine Argonaute et utilise un ARN guide pour reconnaître un ARNm cible par complémentarité de séquence.

  • Un siRNA fonctionnel possède un duplex de 19 nucléotides avec un débordement de 2 nucléotides à chaque extrémité 3'.

  • Dans un vecteur plasmidique, un shRNA peut être exprimé sous un promoteur U6 ou H1 puis maturé en siRNA par Dicer, ce qui permet un silencing stable.

  • Chez C. elegans, 16 757 des 19 757 gènes codant une protéine avaient été inactivés par RNAi dès 2004.

Astuce mémo

Pri-miRNA → pre-miRNA → duplex mature → RISC

18. Nucléases programmables et réparation

★ À maîtriser

📌 L'antisens et l'ARN interférence agissent au niveau de l'ARN de façon transitoire, tandis que les nucléases programmables coupent directement l'ADN chromosomique et peuvent modifier durablement le génome.

📌 La NHEJ répare souvent une cassure double brin par des insertions ou délétions qui inactivent le gène, tandis que la recombinaison homologue utilise une matrice de réparation pour insérer une séquence ou corriger une mutation.

  • CRISPR-Cas9 est rapidement reprogrammable et peu coûteux, car il suffit de modifier la séquence du sgRNA, tandis que la protéine Cas9 reste identique.

📌 La création ou l'utilisation d'un nouveau modèle animal génétiquement modifié nécessite une évaluation éthique et une autorisation de projet préalable dans le cadre de la directive européenne 2010/63/UE et de ses transpositions nationales.

Compléments

  • Les quatre grandes familles de nucléases programmables sont :

    • les méganucléases
    • les ZFN
    • les TALEN
    • CRISPR-Cas9
  • Chaque doigt de zinc reconnaît un triplet de bases, et un ZFN associe généralement 3 à 4 doigts de zinc au domaine nucléase FokI.

  • Dans les TALEN, les modules TALE comprennent 34 acides aminés et la base reconnue dépend des résidus variables 12 et 13 : NG reconnaît T, HD reconnaît C, NI reconnaît A et NN reconnaît G ou A.

  • Pour Cas9 de S. pyogenes, la séquence cible doit être immédiatement suivie d'un PAM 5'-NGG-3'.

📌 CRISPRi utilise dCas9 pour bloquer la transcription sans couper l'ADN, tandis que CRISPRa associe dCas9 à un domaine activateur pour stimuler l'expression génique.

  • En 2017, Mitalipov et al. ont rapporté la correction par CRISPR-Cas9 de la mutation MYBPC3 dans des embryons humains non destinés à l'implantation, avec un seul cas de mosaïcisme sur 58 embryons. - Nature

  • Le 7 janvier 2022, David Bennett, âgé de 57 ans, a reçu à l'université du Maryland un cœur de porc génétiquement modifié par CRISPR : 3 gènes porcins ont été supprimés, 1 gène a été inactivé et 6 gènes humains ont été ajoutés.

  • Les criblages par ARNi ou CRISPR peuvent contribuer au Remplacement en étant réalisés in vitro ou chez des organismes non couverts par la réglementation animale avant le recours aux rongeurs.

📌 La création directe de lignées par CRISPR peut réduire les générations d'accouplement et de sélection nécessaires, mais son faible coût a aussi favorisé la multiplication des lignées génétiquement modifiées.

Astuce mémo

NHEJ répare souvent en knockout ; HR avec matrice permet knock-in ou correction

Tableaux de synthèse

Méthodes de modification génétique chez la souris

MéthodeInterventionRésultatDélai
Micro-injection d'ADNPronucléus du zygoteSouris transgéniqueEnviron 3 mois
Cellules ESRecombinaison homologue cibléeSouris knock-outEnviron 2 ans classiquement
CRISPR/Cas9Modification génétique cibléeModèle génétiquement modifiéQuelques mois

Schémas de croisement des souris mutantes

CroisementConditionDescendance
Homozygote × homozygoteDeux sexes homozygotes viables et fertiles100 % homozygotes
Hétérozygote × homozygoteUn génotype homozygote viable ou fertile50 % homozygotes, 50 % hétérozygotes
Hétérozygote × hétérozygoteHomozygotes mutants non viables ou non fertiles25 % mutants, 50 % hétérozygotes, 25 % sauvages

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1. Une cellule somatique de souris est observée avant la division. Quel caryotype correspond à sa ploïdie normale ?

2. Lorsqu'on examine les bases appariées dans une molécule d'ADN, quelles associations faut-il observer ?

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Combien de paires de chromosomes possède une cellule humaine somatique ?

23 paires.

Quelles bases l'ADN associe-t-il toujours entre ses deux brins ?

L'adénine à la thymine et la guanine à la cytosine.

Pendant la réplication, quel rôle joue chaque brin d'ADN séparé ?

Il sert de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire.

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