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Le rat (GM)

Depuis longtemps, les animaux de laboratoire sont utilisés dans la recherche médicale comme outils pour démontrer les processus pathologiques et génétiques sous-jacents concernant bon nombre de maladies humaines. En effet, le modeste rat de laboratoire était déjà utilisé à cette fin dès le milieu du XIXe siècle et, dès le début du XXe siècle, les premières souches consanguines de rats ont été développées par Henry Donaldson à l'institut Wistar Institute de Philadelphia. Cette lignée, élevée pour les recherches en génétique, en neurosciences et sur le cancerANCHOR, fut le début d'une relation de plus d'un siècle entre le chercheur et les rongeurs; cette relation perdure encore de nos jours avec d'autres chercheurs. Les bénéfices retirés de cette aventure depuis plus de 100 ans se sont révélés précieux pour de nombreux domaines de la médecine: depuis des modèles de maladie cardiovasculaireANCHOR jusqu'à la transplantationANCHOR, la dépressionANCHOR, et plus récemment, le potentiel de la thérapie cellulaire pour rétablir des fonctions de l'organisme suite à des lésions de la moelle épinière.ANCHOR ANCHOR

Histoire de la transgénèse

La technologie transgénique permet d'introduire un gène d'intérêt particulier dans le génome d'un animal de laboratoire. C'est un outil extrêmement puissant pour écarter les causes moléculaires d'une maladie. La transgénèse a été développée chez les souris pendant les années 1980, à l'origine pour inactiver un gène existant (modèles knock-out). Par la suite, la technologie a été plus amplement développée pour introduire un nouveau gène, pour obtenir des niveaux plus élevés que la normale d'expression d'un gène (modèles knock-in) et pour obtenir l'expression d'un gène dans un tissu spécifique et/ou à un moment donné (modèles transgéniques conditionnels)ANCHOR. Chez les souris, cela implique l'utilisation de cellules souches embryonnaires (SE). Ces cellules sont extraites de l'intérieur d'un jeune embryonANCHORet se définissent par les trois propriétés spécifiques suivantes:

i) capacité à se renouveler à l’infini et à donner tout type de cellule corporelle (pluripotence)

ii) capacité à être intégrées à un organisme

iii) capacité à se développer en gamètes pouvant être transmis aux petitsANCHOR.

Chez les souris, les cellules SE sont isolées et maintenues dans une lignée cellulaire, où l'ADN peut être modifié en ajoutant, supprimant ou modifiant du matériel génétique relativement facilement. Ces cellules peuvent alors être réintroduites dans l'embryon, dans lequel elles se développent en de nombreuses cellules du corps. Si elles forment des gamètes et si les animaux se reproduisent, ils donneront naissance à des petits hétérozygotes, possédant donc une copie du gène introduit. Si deux hétérozygotes s'accouplent, ils donneront alors naissance à des petits possédant deux copies du gène introduit (homozygotes).

Les modèles de souris transgéniques se sont avérés extrêmement utiles, en particulier pour les maladies génétiques, telles que la myopathie de Duchenne et la mucoviscidose, et sont maintenant utilisés pour étudier un vaste éventail de maladies. En effet, dans le cadre d'une évaluation de l'efficacité des modèles animaux pour 100 des médicaments les plus vendus, Zambrowics& SandsANCHOR déclare que 'Une évaluation rétrospective … indique que ces phénotypes correspondent bien à l'efficacité connue des médicaments, mettant en lumière une orientation productive pour découvrir de futures cibles de médicament'.

Rats transgéniques?

Bien que cette idée soit motivante et prometteuse pour la communauté scientifique, il existe certains inconvénients, en particulier car les souris ont moins de similitudes physiologiques avec l'homme que les rats; elles suscitent donc moins d'intérêt en tant que modèle pour les affections humainesANCHOR. Au niveau comportemental, les rats sont similaires aux humains de par leur capacité à apprendre et à accomplir différentes tâches expérimentales. De par leur taille plus importante, il est également bien plus facile d'effectuer les interventions chirurgicales et de suivre les états psychologiques chez les rats que chez les souris.ANCHOR Jusqu'à récemment cependant, les tentatives pour isoler des cellules SE chez les rats se sont avérées vaines. Chez les souris, les cellules SE ont été maintenues dans leur état de pluripotence en les conservant avec du sérum de veau et de soi-disant 'cellules nourricières' qui libèrent une substance chimique, appelée Facteur inhibiteur de leucémie (FIL)ANCHOR, mais cette méthode a échoué chez les ratsANCHOR. Chez certains animaux, notamment le mouton et le porc, ce problème a été surmonté en utilisant des techniques de clonageANCHOR; mais à nouveau, cette technique s'est avérée difficile à réaliser chez le rat. Les cellules semblaient instables; toute perturbation causait  leur activation. Elles n'ont donc pas pu être implantées dans un embryon et menées à leur terme.

Les revers

Cela ne veut pas dire que les rats n'ont jamais été utilisés dans l'expérimentation, mais plutôt qu'il a fallu avoir recours à d'autres techniques, loin d'être idéales pour les finalités expérimentales. Toutes ces techniques présentent des inconvénients majeurs.

Par exemple, une méthode fréquemment utilisée consiste à introduire des mutations aléatoires dans des cellules, soit avec le composé chimique ENUANCHOR, soit avec des rétrotransposonsANCHOR, éléments génétiques mobiles qui s'insèrent de façon aléatoire dans les gènes et perturbent leur activité. Le problème avec ces techniques est que les mutations obtenues sont aléatoires. Le scientifique doit créer une mutation sur un nombre important d'animaux, effectuer un criblage des phénotypiques obtenus, puis réaliser une analyse génétique pour vérifier si une mutation du gène souhaité cause un changement comportemental. Cette procédure est de toute évidence extrêmement coûteuse.

Une autre méthode consiste à prendre un gène d'intérêt et à l'introduire dans le noyau d'un embryon unicellulaire, soit par injection directeANCHOR, soit en utilisant un lentivirus pour infecter la cellule avec le gèneANCHOR. Cette méthode peut être utilisée uniquement pour introduire de faibles quantités de matériel génétique, 10 kb maximum, quantité trop faible pour modifier la fréquence de la plupart des gènes. Autrement dit, le gène d'intérêt est soumis à des 'effets de position': il sera introduit dans le génome à un endroit aléatoire; il affectera donc le matériel génétique l'entourant et sera également affecté par ce même matériel.

Ces problèmes peuvent être résolus en utilisant des chromosomes artificiels (notamment la levure bactérienne).  En effet, ces derniers permettent d'intégrer une quantité bien plus importante d'informations génétiques et peuvent comporter une zone 'tampon'ANCHOR autour du gène d'intérêt afin de le protéger des effets de position. Cette méthode est malheureusement bien moins efficace et il est souvent nécessaire de créer de nombreuses lignées  d'animaux transgéniques avant qu'elle soit réussie. Du fait de ces problèmes, l'impact des rats transgéniques sur la recherche biomédicale a été jusqu'à présent très limité.

Réussites récentes

Fin 2008, deux études fascinantes, présageant un changement radical de cette situation, ont été publiées dans la revue scientifique Cell . De façon indépendante, deux groupes ont mis au point des techniques similaires pour isoler et maintenir les cellules souches embryonnaires pluripotentes chez les rats: le laboratoire du professeur Austin Smith à Cambridge Royaume-UniANCHOR et le laboratoire du professeur Qi-Long Ying à l'Université de Caroline du SudANCHOR.

Le sérum, utilisé dans les méthodes destinées à isoler et à développer des souches SE de souris, contient des substances qui provoquent la différenciation des cellules SE de rats, et également de cellules S de certaines souches de souris. Les chercheurs l'ont donc extrait du milieu de culture.

Cependant, la simple extraction du sérum ne suffit pas à maintenir les cellules souches des rats. En effet, les cellules SE du rat sécrètent elles-mêmes une protéine appelée facteur de croissance des fibroblastes – 4 (FGF4) qui provoque également leur différenciation par un système de signalisation cellulaire: la voie MEK/ERK.  En 2006, des recherches encourageantes chez les souris ont été publiées, montrant que perturber cette voie permettait aux cellules souches de s'autorégénérerANCHOR. Les deux groupes ont donc employé à une stratégie à 'triple inhibition' (3i):

i) une substance inhibitrice pour diminuer l'activité du FGF4,

ii) un inhibiteur de la voie MEK pour perturber la signalisation,

iii) un inhibiteur d'une autre substance appelée glycogène synthase kinase-3 (GSK3) utilisé pour inhiber la capacité biosynthétique de la cellule,

iv) LIF (fluorescence induite par laser).

Ce qui est fascinant, et que les deux études ont montré, est que cette technique permettait de maintenir indéfiniment les cellules souches embryonnaires dans un état de pluripotence. L'une de ces étudesANCHOR a été confrontée à quelques légers problèmes (biais sexuel et mutations), mais une modification mineure a rendu la procédure solide et fiable.

Les répercussions sur la communauté scientifique devraient être considérables. Aujourd'hui, pour la première fois, les cellules SE peuvent être utilisées pour créer des modèles de rats transgéniques, dans lesquels le gène modifié remplace directement le gène normal, surmontant ainsi les problèmes rencontrés jusqu'à présent avec les rats transgéniques. Grâce à cette méthode, les rats transgéniques devraient représenter des outils aussi précis et puissants que les souris actuellement, permettant ainsi d'obtenir de meilleurs modèles de la maladie humaine. Alors que l'année chinoise du rat touchera bientôt à sa fin, il semble que le rat de laboratoire fasse une  entrée fracassante.


Références

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** Of special interest
* Of some interest


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