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 maĂ®trisĂ©e et essuie de nombreux Ă©checs . Le clonage en gĂ©nĂ©ral se heurte Ă  des barrières , 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 mĂŞme 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 mĂŞme 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 dernières 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 particulièrement douĂ© pour en obtenir un du mĂŞme acabit puisqu'Ă  cause de ces particules de la cellule , un clone pourra ĂŞtre plus ou moins sportif que son donneur de matĂ©riel gĂ©nĂ©tique.



Un deuxième 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 particulières 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 mĂŞme, 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 gĂŞnes. Pour que les gĂŞnes s'expriment, il faut des conditions bien particulières (que la chromatine soit ouverte etc…), Dès qu'il y a mĂ©thylation du gène, ce dernier va s’éteindre. C'est comme ça que se rĂ©gule les gĂŞnes 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 paraĂ®tre 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 fĹ“tus a une patte un peu repliĂ©e et que les cellules sont  en train de migrer pour former des tâches ( cellule de pigmentation ) , cela fera que la cellule pourra migrer plutĂ´t Ă  gauche qu'Ă  droite alors que chez  un autre clone elle aura tendance Ă  migrer plutĂ´t 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 gĂŞnes, 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 mĂŞme patrimoine gĂ©nĂ©tique que son donneur, peut voir ce dernier lĂ©gèrement 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 mammifères) est très 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 développement d’un être vivant, on ne peut pas s’attendre à ce qu’un clone soit systématiquement pourvu d’un patrimoine génétique strictement identique à celui de son « donneur ».

 

En effet, si l’une des cellules de l’être cloné subit une mutation sur ne serait-ce qu’un gène, cette mutation sera retrouvée dans la totalité 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 connaître le nombre de mitoses qu’a connu un être vivant, nous devons donc prendre son nombre de cellules et y soustraire 1 comme la première cellule n’est issue d’aucune division.

On cherche à déterminer la probabilité qu’aurait un gène d’un clone de subir une mutation.

Prenons l’exemple théorique d’un clonage humain.

L’espèce humaine possède environ:

 

Ng = 3*10^4 gènes/cellule

 

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

 

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

 

La probabilité P qu’un clone de y cellules possède une mutation dans son patrimoine génétique que ne présente 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 très grand pour la plupart des mammifères adultes, l’ADN d’un clone aura forcément subi des mutations durant les différentes mitoses de ses cellules (sauf cas exceptionnel).

 

De la même façon, chaque être 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 espèces.

 

Cependant, de nombreuses mutations n’ont pas de conséquence très importante sur l’individu et peuvent même être "muettes" (sans aucune conséquence).

  b) Un vieillissement prĂ©maturĂ© des clones ?

b) Un vieillissement prématuré des clones ?



Très vite après 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©lomères


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


On constate qu'ils se raccourcissent avec l’âge. On a remarquĂ© que ces derniers Ă©taient dĂ©jĂ  raccourcis chez Dolly Ă  sa naissance, et il serait possible que Dolly ait l'âge biologique de son donneur de matĂ©riel gĂ©nĂ©tique.  Cependant les tĂ©lomères 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 ĂŞtre âgĂ© et inversement . De plus quelques annĂ©es après ces dĂ©couvertes, d'autres scientifiques ont dĂ©clarĂ©s que ces tĂ©lomères avaient tendance Ă  ĂŞtre mĂŞme 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 confrontée à l’échec

           a) Des Ă©checs chiffrĂ©s


 

 


Le problème qui se pose en 2012 est le mĂŞme que celui qui se posait au lendemain du premier clone d'un mammifère (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 après 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 évolutions notamment dans la conservation et le développement de l’embryon, comme en témoigne (la faible) évolution du taux de rendement du clonage , celles-ci sont négligeables et la technique encore précaire.

 

Pour plus de clartĂ© on Ă©tudie les taux de rĂ©ussite et d'Ă©chec chez une seule espèce : le bovin , c'est l'espèce oĂą , 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 très 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 mĂŞme très Ă©levĂ© en comparaison aux autres espèces dont on compare le rendement sous forme de tableau . 


Espèce 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 %

Chèvre

3.5 %

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

L'espèce la plus proche de l'homme , le singe , n'a quant Ă  lui jamais rĂ©ussi Ă  ĂŞtre clonĂ© ce qui laisse prĂ©sager de l'ampleur des travaux Ă  effectuer si l'on veut ĂŞtre en mesure d'ĂŞtre 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 décèdent 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 à l'âge adulte.

 

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

 

Pourcentage de Naissance*Pourcentage des naissant atteignant l'âge 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 dernière malformation frĂ©quente est due Ă  un dysfonctionnement du système immunitaire Ă  la base du cou. Et enfin le syndrome le plus courant Ă©tant celui du "Gros Veau", ce phĂ©nomène que l'on rencontre chez près de 30 % des Bovins, est un phĂ©nomène Post-natal (qui a lieu après la naissance), et se caractĂ©rise par un surpoids notable du clone (ainsi que plusieurs malformations et atrophies). Ce phĂ©nomène 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 mère porteuse est gĂ©nĂ©tiquement Ă©loignĂ© de l’embryon, il y aura un phĂ©nomène de rejet qui se caractĂ©risera par un arrĂŞt du dĂ©veloppement de l'embryon (les divisions cellulaires s’arrĂŞtent).

 

Une autre explication est ce que l’on appelle la reprogrammation. La cellule que l’on prĂ©lève 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 gènes 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 gènes 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 dernières au cours de la division cellulaire puissent donner tout type de cellules nĂ©cessaire Ă  l’obtention d’un individu classique. Le problème est que ces cellules non spĂ©cialisĂ©es (ou cellules souches) ne se trouvent qu’à l’état embryonnaire, dès le stade fĹ“tale 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 gène dans une cellule spĂ©cialisĂ©e Ă  ce qu’elle se dĂ©programme d'elle mĂŞme .

 

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’arrĂŞte . Ce problème 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 manière sensible le nombre d'individu malade et pour finir dans l'augmentation du rendement de cette technique reproductive .

                                     Cellules hĂ©patiques 

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