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Première : le séquençage complet du génome de spermatozoïdes !

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Le génome de spermatozoïdes, ces cellules si particulières, a pu être séquencé. Cette première mondiale ouvre des portes sur une meilleure compréhension des mécanismes de recombinaison génétique, mais aussi sur le traitement de l'infertilité, voire du cancer. Cela vaut bien quelques explications...

Chaque spermatozoïde possède un génome unique car il subit un processus aléatoire de recombinaison génétique. Parfois d'ailleurs celui-ci est défaillant. Dans cette étude, il manquait par exemple des chromosomes dans deux des gamètes du donneur... © Anna Tanczos, Wellcome Images, Flickr, cc by nc nd 2.0

C'est ce qui s'appelle donner son corps à la science. Stephen Quake, spécialiste en bio-ingénierie à la Stanford University (San Francisco), au cœur de la Silicon Valley, est le premier homme dont 91 des spermatozoïdes ont pu être intégralement séquencés. Une grande performance que ses collègues et lui-même viennent de révéler dans la revue Cell car identifier tous les nucléotides d'une cellule n'est pas chose aisée.

Certes, le séquençage complet ne relève plus de l'exploit et se généralise. Bientôt il pourrait même devenir accessible à bas-coût. Mais pour le réussir, il nécessite beaucoup de matériel génétique, ce qui n'est pas le cas d'une cellule unique, encore moins des gamètes (ovules et spermatozoïdes) ne contenant que la moitié du génome. Dans ces cas-là, une amplification de l'ADN s'impose, mais les composés qui y contribuent perturbent l'analyse des résultats.

Les scientifiques américains semblent avoir trouvé la parade. La puce de 3 cmqu'ils ont conçue, parcourue de vannes et de canaux minuscules, nécessite moins de ces produits chimiques, suffisamment peu pour que le séquençage se déroule sans encombre.

Les spermatozoïdes, des cellules à part

Le dispositif a été testé et approuvé à l'aide d'un échantillon de sperme d'un de ses créateurs. Les vannes permettent d'isoler 91 spermatozoïdes dans des chambres individuelles. C'est ainsi que la cartographie du génome de tous ces gamètes a pu être établie.

Cette analyse revêt de nombreux intérêts. Tout d'abord parce que ces cellules subissent durant leur maturation une phase de division particulière qu'on appelle méiose, durant laquelle seule la moitié des chromosomes est transmise à la cellule fille. Celle-ci s'accompagne d'un autre phénomène de recombinaison génétique, l'enjambement (ou crossing-over), durant lequel des chromosomes appariés s'échangent des morceaux. À cela il faut ajouter l'apparition de mutations ponctuelles en quelques points de la très longue molécule d'ADN. Ces processus contribuent à créer de la variabilité génétique, indispensable à l'évolution et à la création de nouveaux gènes qui pourront s'avérer parfois nocifs, ou au contraire avantageux.

Ce schéma explique la méiose. À partir de deux paires de chromosomes homologues, on observe de la recombinaison génétique qui aboutit, à terme, à quatre gamètes tous constitués d'un patrimoine génétique différent. © NIH, Wikipédia, DP

Auparavant, pour établir leur fréquence et le degré de mixité génétique, les scientifiques comparaient le génome des membres d'une même famille. Ce taux est également utilisé par les biologistes de l'évolution qui, en fonction des divergences entre deux espèces animales, essaient de resituer la séparation des deux lignées.

La variabilité génétique, pièce clé de l’évolution

Grâce à cette étude, les mesures ont pu être effectuées sur un seul et même individu, dont le génome diploïde avait été établi précisément. En comparant les données, il a été révélé qu'en moyenne, chaque spermatozoïde subissait 23 phénomènes de recombinaison (soit, et c'est un hasard, autant qu'il y a de chromosomes), malgré une grande différence dans la valeur d'une cellule à l'autre.

Cette recombinaison, comme ils l'ont montré, est sous le contrôle d'une protéine, nommée PRDM9, qui se lie en des points précis de l'ADN et favorise les échanges d'informations génétiques. Cependant, elle n'agit pas au niveau des éléments transposables (ou transposons), des séquences génétiques mobiles et capables de se multiplier de manière autonome. Ainsi, ces transposons et cette protéine joueraient un rôle important dans l'évolution humaine.

Enfin, le patrimoine génétique de chaque spermatozoïde présentait entre 25 et 36 mutations spontanées, des taux concordants avec les données utilisées en biologie évolutive pour dater l'âge d'un ancêtre commun à deux espèces.

Après le séquençage des spermatozoïdes, la technique pourrait s'appliquer à n'importe quel type de cellule, aussi bien pour des ovules que pour des tumeurs. © David Nelson, Wellcome Images, Flickr, cc by nc nd 2.0

Vers un contrôle absolu du génome humain ?

D'un point de vue plus global, ce travail pourrait mener à des applications variées. Ainsi, la technique de séquençage s'avèrerait utile pour détecter les mutations à l'origine du développement d'un cancer et faciliterait la mise au point d'un traitement personnalisé, plus pertinent et efficace.

C'est aussi là l'occasion de mieux comprendre certains cas d'infertilité. L'étude des génomes des spermatozoïdes d'un homme renseignerait potentiellement sur la cause de l'inefficacité de ses gamètes.

Mais cela pourrait déboucher sur des pratiques un peu moins éthiques. S'il devient possible, grâce à cette technique, de sélectionner un ovule sain pour augmenter les chances de succès dans le cas d'une fécondation in vitro, il ne faudrait pas que cela devienne le début d'un tri des cellules sexuelles pour créer un enfant porteur des caractéristiques physiques ou intellectuelles décidées par les parents. Cependant, ce n'est pas la technique en elle-même qui est à blâmer, mais plutôt l'utilisation qu'on en fait.