Le clonage somatique

TPE de Laure, Julia et Pierre

Les limites du clonage somatique

 On dĂ©finit des clones comme des individus identiques, semblables et immuables. Pour autant cette dĂ©finition d'un clone n'est vraie que d'un point de vue du patrimoine gĂ©nĂ©tique. En effet des clones peuvent prĂ©senter des diffĂ©rences au niveau des multiples phĂ©notypes. De plus la technique du clonage somatique est Ă  l'heure actuelle encore mal maĂźtrisĂ©e et essuie de nombreux Ă©checs . Le clonage en gĂ©nĂ©ral se heurte Ă  des barriĂšres , notamment Ă©thiques . Dans le cadre de notre TPE nous Ă©tudierons seulement les limites biologiques .

 On s'intĂ©resse donc Ă  ces diffĂ©rences et nous essaierons donc dans certaines mesures de les expliquer. 

1) Les DiffĂ©rences entre deux clones 



       


 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


a)Des clones diffĂ©rents sur tous les phĂ©notypes                                                                                                                                                                                

On explique les diffĂ©rences entre les clones sous forme de plusieurs facteurs : 


Le premier facteur pouvant expliquer ces diffĂ©rences se trouve dans l'ovocyte utilisĂ© pour la technique du clonage somatique. L'essentiel du patrimoine gĂ©nĂ©tique est contenu au sein mĂȘme du noyau dans des longues molĂ©cules : L'ADN . Ainsi quand le noyau est enlevĂ© on  retire la grande majoritĂ© (environ 95 %) de l'Information gĂ©nĂ©tique de l'ovocyte. Cependant il en subsiste tout de mĂȘme au niveau des mitochondries situĂ©es dans le cytoplasme de la cellule. PrĂ©sent en grand nombre dans l’ovule, ces mitochondries se retrouvent chez l'adulte et portent une petite partie du gĂ©nome. Ces derniĂšres sont responsables de la respiration cellulaire entre autre, ce qui influe sur le phĂ©notype cellulaire de l’individu. Ainsi il est inutile d'espĂ©rer pouvoir cloner un cheval de course particuliĂšrement douĂ© pour en obtenir un du mĂȘme acabit puisqu'Ă  cause de ces particules de la cellule , un clone pourra ĂȘtre plus ou moins sportif que son donneur de matĂ©riel gĂ©nĂ©tique.



Un deuxiĂšme facteur pouvant entrer en compte est le facteur environnemental. Cela englobe tout ce qui va se passer autour du clone Ă  son stade embryonnaire, par exemple le milieu dans lequel il est plongĂ©. Dans une gestation classique l'embryon baigne dans une mer naturelle, mais ici dans un laboratoire, cette mer est artificielle. De plus, en laboratoire, il est soumit Ă  des conditions particuliĂšres qu'il ne rencontre pas dans un milieu classique. Il est observĂ© plusieurs fois par jour par des scientifiques et subit donc des diffĂ©rences de tempĂ©ratures (entre l'incubateur et l'air ambiant), ou subit de forte variations de luminositĂ©. Ces facteurs peuvent intervenir sur l'embryon lui mĂȘme, son mĂ©tabolisme, ce qui pourra  faire qu'il se dĂ©veloppera un peu plus vite exemple, ou ils interviennent sur ce qu'on appelle les facteurs EPIGENETIQUES. Ce sont les facteurs qui se transmettent de cellules en cellule mais qui ne sont pas dans la sĂ©quence de l’ADN, c'est ce qu'il y a autour des gĂȘnes. Pour que les gĂȘnes s'expriment, il faut des conditions bien particuliĂšres (que la chromatine soit ouverte etc
), DĂšs qu'il y a mĂ©thylation du gĂšne, ce dernier va s’éteindre. C'est comme ça que se rĂ©gule les gĂȘnes dans l'organisme , c'est pour ça que la peau est la peau , et les cellules des yeux , les yeux . On parle donc de  rĂ©gulation Ă©pigĂ©nĂ©tique .  


 Aussi Ă©tonnant que cela puisse paraĂźtre ces deux chats sont des clones. Ces diffĂ©rences de pigmentation du phĂ©notype macroscopique   s’expliquent au sens large de l’épigĂ©nĂ©tique, c'est en quelque sorte le  « chemin Â» que choisit la cellule au cours de sa croissance. Il peut varier  en fonction de l'environnement chimique mais aussi de l'environnement  physique. Si le fƓtus a une patte un peu repliĂ©e et que les cellules sont  en train de migrer pour former des tĂąches ( cellule de pigmentation ) , cela fera que la cellule pourra migrer plutĂŽt Ă  gauche qu'Ă  droite alors que chez  un autre clone elle aura tendance Ă  migrer plutĂŽt Ă  droite . Il faut  imaginer la cellule de dĂ©part comme indiffĂ©renciĂ©e, comme dans une  vallĂ©e qui Ă  un moment donnĂ© se sĂ©parera en deux etc
 , il y aura  alors une multitude de choix effectuĂ©s par la cellule pigmentaire  . Ce n'est pas imprimĂ© dans les gĂȘnes, cela se rattache donc Ă  l'Ă©pigĂ©nĂ©tique, et c'est ce qui pourra faire  que deux clones seront diffĂ©rents l'un de l’autre.

Le troisieme facteur enfin est la modification du patrmoine gĂ©nĂ©tique.Un clone, bien qu'il naisse avec le mĂȘme patrimoine gĂ©nĂ©tique que son donneur, peut voir ce dernier lĂ©gĂšrement diffĂ©rĂ© au cours de sa vie. En effet au cours de son existence l'individu peut subir des mutations de son ADN qui surviennent lors de la transcription de ce dernier. Les mutations sont alĂ©atoires .

 

En effet au cours de la réplication de l'ADN, il peut arriver que l'ADN polymérase commette des erreurs en recopiant le brin d'ADN matrice. Dans ce cas, la paire de bases normale ne peut se former et la double hélice résultante contient un défaut, appelé mésappariement.

 

Le taux de mutation (des microbes jusqu’aux mammifĂšres) est trĂšs faible et varie entre environ 10^(-8) et 10^(-11) mutations par base ; mais si on prend en compte le grand nombre de mitoses qui ont lieu au cours du dĂ©veloppement d’un ĂȘtre vivant, on ne peut pas s’attendre Ă  ce qu’un clone soit systĂ©matiquement pourvu d’un patrimoine gĂ©nĂ©tique strictement identique Ă  celui de son « donneur ».

 

En effet, si l’une des cellules de l’ĂȘtre clonĂ© subit une mutation sur ne serait-ce qu’un gĂšne, cette mutation sera retrouvĂ©e dans la totalitĂ© de ses cellules-filles.

 

A chaque fois qu’une cellule se divise en deux, nous obtenons logiquement une cellule de plus qu’avant la mitose.

Pour connaĂźtre le nombre de mitoses qu’a connu un ĂȘtre vivant, nous devons donc prendre son nombre de cellules et y soustraire 1 comme la premiĂšre cellule n’est issue d’aucune division.

On cherche Ă  dĂ©terminer la probabilitĂ© qu’aurait un gĂšne d’un clone de subir une mutation.

Prenons l’exemple thĂ©orique d’un clonage humain.

L’espùce humaine possùde environ:

 

Ng = 3*10^4 gĂšnes/cellule

 

et on considĂšre que son taux de mutation est environ de:

 

Tm = 10^(-6) mutations/gÚne/génération cellulaire.

 

La probabilitĂ© P qu’un clone de y cellules possĂšde une mutation dans son patrimoine gĂ©nĂ©tique que ne prĂ©sente pas son donneur est alors de :

 

P = Ng * Tm 

P = 3*10^4 * 10^(-6)

P = 3*10^(-2)

 

(La valeur de P est approximative puisque nous ne prenons pas en compte dans ces calculs plusieurs faits)

 Cependant, on peut considĂ©rer cette probabilitĂ© Ă  titre indicatif.

 

Comme x est trĂšs grand pour la plupart des mammifĂšres adultes, l’ADN d’un clone aura forcĂ©ment subi des mutations durant les diffĂ©rentes mitoses de ses cellules (sauf cas exceptionnel).

 

De la mĂȘme façon, chaque ĂȘtre humain connait une soixantaine de mutations au cours de sa vie, en moyenne.

 

Ces mutations sont à l'origine de la diversité biologique au sein des différentes espÚces.

 

Cependant, de nombreuses mutations n’ont pas de consĂ©quence trĂšs importante sur l’individu et peuvent mĂȘme ĂȘtre "muettes" (sans aucune consĂ©quence).

  b) Un vieillissement prĂ©maturĂ© des clones ?

b) Un vieillissement prématuré des clones ?



TrÚs vite aprÚs la naissance de Dolly des scientifiques ont déclarés que Dolly subissait un vieillissement prématuré.

 Pour cela ils se sont basĂ©s sur ce qu'on appelle les tĂ©lomĂšres


DĂ©finition: Les tĂ©lomĂšres ou extrĂ©mitĂ©s des chromosomes, servent de capsules ou capuchons (casques) de protection de nos chromosomes, et ainsi empĂȘchent leur dĂ©gradation.


On constate qu'ils se raccourcissent avec l’ñge. On a remarquĂ© que ces derniers Ă©taient dĂ©jĂ  raccourcis chez Dolly Ă  sa naissance, et il serait possible que Dolly ait l'Ăąge biologique de son donneur de matĂ©riel gĂ©nĂ©tique.  Cependant les tĂ©lomĂšres ne sont qu'un  Â« indice » du vieillissement d'un individu (Ă  l'image des cheveux blancs chez l'homme) , ainsi un individu pourra avoir des cheveux blanc sans pour autant ĂȘtre ĂągĂ© et inversement . De plus quelques annĂ©es aprĂšs ces dĂ©couvertes, d'autres scientifiques ont dĂ©clarĂ©s que ces tĂ©lomĂšres avaient tendance Ă  ĂȘtre mĂȘme plus long chez des clones de souris que chez un individu normal. Ce flou  sur la question du vieillissement d'un clone tĂ©moigne bien des zones d'ombre de la connaissance humaine actuelle sur le clonage. 

2) Une technique confrontĂ©e Ă  l’échec

           a) Des Ă©checs chiffrĂ©s


 

 


Le problĂšme qui se pose en 2012 est le mĂȘme que celui qui se posait au lendemain du premier clone d'un mammifĂšre (Dolly) en 1996, et qui met un vĂ©ritablement 'frein' au clonage Ă  grande Ă©chelle : son taux de rĂ©ussite.

Lors de ce clonage , le taux de réussite de la "transformation" d'un noyaux en clone à été d'environ 1/433*100=0.23% (naissance par tentative de transfert).


Cependant , pour évaluer le taux de réussite du clonage reproductif , il est plus judicieux de considérer le début du processus à partir de la cellule souche obtenue aprÚs la fusion de l'ovocyte énuclée et du noyau de cellule . On obtient donc , pour le cas de Dolly , un taux de réussite d'environ 1/277*100=0.36%(naissance par embryon)



En effet bien que le clonage somatique a connu quelques Ă©volutions notamment dans la conservation et le dĂ©veloppement de l’embryon, comme en tĂ©moigne (la faible) Ă©volution du taux de rendement du clonage , celles-ci sont nĂ©gligeables et la technique encore prĂ©caire.

 

Pour plus de clartĂ© on Ă©tudie les taux de rĂ©ussite et d'Ă©chec chez une seule espĂšce : le bovin , c'est l'espĂšce oĂč , jusqu’à prĂ©sent le clonage fonctionne le mieux. On prĂ©sente ci-contre un tableau prĂ©sentant le rendement du clonage par rapport Ă  la FIV au cours de la grossesse chez les bovins

 

 

On compare donc sous forme de graphique Ă  barre le pourcentage de rendement des deux techniques de reproduction.

 


 

Au final on constate que  moins de 7% des cellules somatiques aboutissent Ă  une naissance un pourcentage trĂšs faible en comparaison des 47,00% de naissance des FIV. Le taux de rĂ©ussite du clonage reproductif a Ă©tĂ© de 6,8% tandis que la FIV a obtenu un taux de rĂ©ussite de 47 % . La FIV est donc environ 47/6.8 = 6.9 fois plus efficace que le clonage reproductif 

      Ce pourcentage de rendement du clonage somatique chez le bovins reste tout de mĂȘme trĂšs Ă©levĂ© en comparaison aux autres espĂšces dont on compare le rendement sous forme de tableau . 


EspĂšce animale

Taux de réussite (naissances/embryons)

Mouton

0.4 %

Souris

0.8 %

Rat

2.3 %

Bovin

6.0 %

Chat

0.5 %

Lapin

0.3 %

Singe

0.0 %

Cheval

0.1 %

ChĂšvre

3.5 %

Ces différences de réussite en fonction de l'espÚce ne sont pour l'instant pas expliqué ;

L'espĂšce la plus proche de l'homme , le singe , n'a quant Ă  lui jamais rĂ©ussi Ă  ĂȘtre clonĂ© ce qui laisse prĂ©sager de l'ampleur des travaux Ă  effectuer si l'on veut ĂȘtre en mesure d'ĂȘtre capable de cloner l'homme  . 

De plus ces chiffres sont à nuancer, car naissance ne rime pas forcement avec une croissance normale, et un bon état de santé. A l'INRA (Institut nationale de la Recherche Agroalimentaire), 25% à 30% des veaux nés décÚdent avant le sevrage, soit un peu avant 3 mois. Ce chiffre est beaucoup plus important que dans une FIV (environ 5%).

Au final seul 60 % des veaux parviennent Ă  l'Ăąge adulte.

 

On cherche donc Ă  estimer le pourcentage d’embryon de bovin implantĂ© issu de la technique somatique atteignant l'Ăąge adulte. :

 

Pourcentage de Naissance*Pourcentage des naissant atteignant l'Ăąge adulte : (6,8/100)*(60/100) = 4,08 %

 

 

Technique Somatique

FĂ©condation In Vitro

J+21

56,8 %

62,7 %

J+35

33,8 %

52,9 %

J+50

27,1 %

50,9 %

J+70

14,3 %

49 %

Naissance

6,8 %

47 %

 

           b) Les causes de ces Ă©checs

b) Des Ă©checs aux causes multiples :

 

Ces diffĂ©rentes morts sont dues Ă  des dĂ©tresses respiratoires, cardiopathies, anomalies rĂ©nales, atrophies du thymus (16 % des mort Ă  l’INRA)... Cette derniĂšre malformation frĂ©quente est due Ă  un dysfonctionnement du systĂšme immunitaire Ă  la base du cou. Et enfin le syndrome le plus courant Ă©tant celui du "Gros Veau", ce phĂ©nomĂšne que l'on rencontre chez prĂšs de 30 % des Bovins, est un phĂ©nomĂšne Post-natal (qui a lieu aprĂšs la naissance), et se caractĂ©rise par un surpoids notable du clone (ainsi que plusieurs malformations et atrophies). Ce phĂ©nomĂšne a des causes Ă©pigĂ©nĂ©tiques, qui auront tendance Ă  modifier le placenta ainsi que le taux d'hormone du foetus. Beaucoup de ces maladies s'expliquent par le complexe d'histocompatibilitĂ© que l'on retrouve lors d'une greffe par exemple. Il caractĂ©rise la compatibilitĂ© entre le tissu d'un donneur et celui d'un receveur, si la mĂšre porteuse est gĂ©nĂ©tiquement Ă©loignĂ© de l’embryon, il y aura un phĂ©nomĂšne de rejet qui se caractĂ©risera par un arrĂȘt du dĂ©veloppement de l'embryon (les divisions cellulaires s’arrĂȘtent).

 

Une autre explication est ce que l’on appelle la reprogrammation. La cellule que l’on prĂ©lĂšve chez le donneur d’information gĂ©nĂ©tique est spĂ©cialisĂ©e (soit diffĂ©renciĂ©e).  Une cellule du foie est spĂ©cialisĂ©e dans le domaine hĂ©patique, elle n’est pas disposĂ©e Ă  faire une autre activitĂ© car, comme vu prĂ©cĂ©demment, il y a mĂ©thylation de certains de ses gĂšnes pour que seul la partie de son patrimoine gĂ©nĂ©tique liĂ©e Ă  la fabrication de tissu hĂ©patique ne s’exprime, le reste des gĂšnes est prĂ©sent mais ne s’exprime pas.

     Selon  l'Ă©tat dans lequel se trouve la chromatine, l’ARN polymĂ©rase (l’ARN polymĂ©rase est l’enzyme responsable de la synthĂ©tisation de l’ARN messager Ă  partir d’un brin d’ADN qui servira Ă  la traduction des protĂ©ines initiatrices de l’activitĂ© cellulaire). Ne pourra alors accĂ©der qu'Ă  certaines informations nĂ©cessaires Ă  sa spĂ©cialisation (ici hĂ©patique). Le processus du clonage somatique nĂ©cessite l’utilisation de cellules non spĂ©cialisĂ©es , afin que ces derniĂšres au cours de la division cellulaire puissent donner tout type de cellules nĂ©cessaire Ă  l’obtention d’un individu classique. Le problĂšme est que ces cellules non spĂ©cialisĂ©es (ou cellules souches) ne se trouvent qu’à l’état embryonnaire, dĂšs le stade fƓtale ces cellules se spĂ©cialisent, il est donc nĂ©cessaire de dĂ©programmer artificiellement ces cellules, les connaissances actuels Ă©prouvent des difficultĂ©s Ă  comprendre le mĂ©canisme de cette manipulation , en 2007/2008, des scientifiques amĂ©ricains et Japonais auraient rĂ©ussi en introduisant un gĂšne dans une cellule spĂ©cialisĂ©e Ă  ce qu’elle se dĂ©programme d'elle mĂȘme .

 

Si cette dĂ©programmation n’est pas correctement effectuĂ©e, la chromatine ne sera pas totalement accessible Ă  l’ARN polymĂ©rase ce qui ne permettra pas d'obtenir l’intĂ©gralitĂ© des cellules spĂ©cialisĂ©es:  Dans le pire des cas la division cellulaire s’arrĂȘte . Ce problĂšme de dĂ©programmation affecte Ă©galement le clonage thĂ©rapeutique puisqu'il se repose sur la nĂ©cessite de faire de la culture de cellule non diffĂ©renciĂ©es . 

 

 


Cette partie illustre l'avenir du clonage d'un point de vue biologique , dans les travaux qui reste à accomplir pour acquérir davantage de maitrise de la technique , dans l'amélioration de la qualité des clones en réduisant de maniÚre sensible le nombre d'individu malade et pour finir dans l'augmentation du rendement de cette technique reproductive .

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