Les petits organismes modèles comme outils de recherche polyvalents

Article revu par Tristan LongDoctorat de l’Université Wilfrid Laurier.

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Qu’est-ce qu’un organisme modèle ?

Un organisme modèle est une espèce non humaine que les scientifiques étudient pour mieux comprendre les processus biologiques et comportementaux qui sont conservé au cours de l’évolution entre différents êtres vivants.¹ Organismes modèles permettent souvent des découvertes génétiques et physiologiques et permettent aux chercheurs d’étudier les systèmes moléculaires, cellulaires, sociaux et environnementaux en laboratoire.²

La similitude génétique et l’ascendance commune sont des principes clés de la recherche sur les organismes modèles. Tous les êtres vivants sont liésdes bactéries unicellulaires aux plantes et animaux multicellulaires complexes. Cela permet aux scientifiques d’identifier les points communs dans les découvertes biologiques et d’extrapoler les résultats d’une espèce à une autre.² Par exemple, les premiers modèles d’insectes, de plantes, de bactéries et de virus héritage a donné naissance à la connaissance désormais commune selon laquelle l’ADN est le matériel génétique transmis entre les générations, qui fournit le code ou le plan de la vie sur Terre.² Les organismes modèles continuent de révéler des informations fondamentales et processus biologiques universelsservant d’outils de recherche et d’enseignement qui façonnent les avancées scientifiques.²

Qu’est-ce qui fait un bon organisme modèle ?

Les bons organismes modèles répondent souvent à plusieurs critères au-delà de la parenté évolutive avec les humains, y compris la facilité d’étude et l’applicabilité universelle dans tous les laboratoires ; des informations génétiques disponibles et stables qui permettent aux scientifiques de cultiver ou d’élever des organismes de manière cohérente sans dérive génétique ; et des ressources génomiques et transcriptomiques disponibles, y compris des outils d’édition pour modifier, supprimer ou ajouter des gènes cibles.¹ La petite taille, les temps de reproduction et les cycles de vie courts, ainsi que la commodité financière, indiquent également quels organismes sont bien adaptés aux chercheurs qui recherchent systèmes modèles.¹

Plusieurs organismes modèles couramment étudiés sont énumérés ci-dessous.³

• Drosophila melanogaster (les mouches des fruits)
• Caenorhabditis elegans (vers ronds)
• Danio rerio (poisson zèbre)
• Mus musculus (souris)
• Xénope sp. (grenouilles à griffes)
• Arabidopsis thaliana (arabette de Thalès)
• Saccharomyces cerevisiae (levure bourgeonnante)
• Escherichia coli

Ces organismes sont également des modèles efficaces en raison de leur polyvalence. « Les meilleures espèces modèles sont celles qui ne sont pas seulement bidimensionnelles », a déclaré Tristan Longgénéticien évolutionniste à l’Université Wilfrid Laurier, qui étudie une série de processus biologiques dans les modèles de mouches à fruits, notamment la divergence sexuelle, la variation génétique, les influences sociales et environnementales sur le développement et la sensibilité aux infections bactériennes. « La biologie (des mouches à fruits) comporte tellement de facettes que nous ne sommes jamais à court d’idées et de projets », a déclaré Long.

Génétique animale et organismes modèles sélectionnés

Petits modèles animaux génétiquement modifiables tel que D. melanogaster, C. eleganset D. rerio ont historiquement fourni des informations essentielles sur les processus génétiques et cellulaires, et dans certains cas, plus rapidement et à moindre coût que les modèles de rongeurs ou de grands mammifères.⁴

Drosophila melanogaster

D. melanogastercommunément appelée mouche à fruits, est un organisme modèle depuis plus d’un siècle, avec des biologistes évolutionnistes Thomas Hunt Morgan à l’Université de Columbia, où il a effectué certaines des premières recherches sur la génétique animale en utilisant des modèles de mouches à fruits au début des années 1900.⁵

« La plupart des organismes modèles dont nous disposons sont des vestiges du passé », explique Long. « Jacques Monod a dit avec justesse : ce qui est vrai pour Escherichia coli « C’est vrai pour les éléphants, et je pense que c’est la même chose pour les mouches à fruits. Ce ne sont pas des analogues parfaits de tout ce qui existe, mais ils sont pratiques à utiliser, ils sont flexibles dans ce que nous pouvons en faire, et cela donne vraiment des informations utiles. »

Depuis leur origine en tant que modèle génétique pratique, les mouches à fruits ont laissé leur empreinte à travers recherche physiologique et comportementale champs grâce à leur petite taille, à leurs caractéristiques de cycle de vie connues et à la pléthore d’outils génétiques disponibles.⁵ Les scientifiques estiment qu’environ 75 % des gènes responsables des maladies humaines ont des homologues fonctionnels chez la mouche des fruits, ce qui contribue également à leur application dans la recherche en santé humaine.⁴ « Disposer de ces analogies et de ces parallèles est très utile », a déclaré Long. « Les détails concrets seront toujours différents, en fonction du cycle biologique et de l’architecture génétique des différentes espèces, mais il y a toujours une grande universalité. »

Caenorhabditis elegans

C. elegans sont des vers ronds transparents et microscopiques qui sont des modèles génétiques essentiels dans la recherche en neurobiologie, sur le vieillissement et le développement. Initialement défendu comme organisme modèle potentiel par les biologistes Sydney Brenner au laboratoire de biologie moléculaire du Conseil de recherche médicale dans les années 1970,⁶ la petite taille, le cycle de vie rapide, la susceptibilité à la manipulation génétique et les processus cellulaires et génétiques soigneusement cartographiés C. elegans contribuer à son utilisation courante dans la recherche.⁴ Bien que C. elegans partagent moins de systèmes physiologiques humains et homologues génétiques (environ 65 %) Plus que les mouches à fruits, elles continuent de fournir des informations précieuses sur les processus moléculaires conservés, et les chercheurs se tournent vers ces minuscules invertébrés pour un criblage de médicaments à haut débit rapide et financièrement efficace sur l’ensemble de l’organisme.⁴

Danio rerio

D. rerio, communément appelé poisson zèbre, est un organisme modèle qui a été très instructif dans les études de génétique des vertébrés. S’appuyant sur ses travaux fondamentaux sur les modèles de mouches à fruits, la biologiste du développement Christiane Nüsslein-Volhard à l’Institut Max Planck de biologie du développement, elle a réorienté ses recherches vers le poisson zèbre dans les années 1990 pour étudier le développement embryonnaire.⁷ Ces poissons ont grands embryons transparents qui mûrissent rapidement et à l’extérieur, facilitant la recherche sur les vertébrés et réduisant les coûts d’infrastructure de laboratoire par rapport aux modèles de souris et de rat.⁴ Les poissons zèbres ont également organes homologues humains comme le foie et les reins, ainsi que les systèmes immunitaires innés et adaptatifs complets, ce qui est idéal pour la recherche thérapeutique.⁴

Étapes clés de la recherche sur les organismes modèles et prix Nobel

Majeur jalons de la recherche sont souvent associés à des organismes modèles bien établis.¹ Par exemple, D. melanogaster, C. elegans, D. rerioet A. thaliana les modèles ont permis des avancées majeures dans la génétique du développement ; Escherichia coli les modèles ont aidé les scientifiques à élucider les mécanismes de régulation transcriptionnelle ; S. cerevisiae les modèles ont permis l’un des premiers déchiffrements du cycle cellulaire eucaryote ; et les modèles de souris sont devenus des éléments de base de la physiologie humaine et de la recherche sur les maladies.¹

La recherche sur les organismes modèles constitue également la base de nombreuses avancées scientifiques reconnues par le prix Nobel.

Tableau : Exemples de découvertes scientifiques récompensées par le prix Nobel et soutenues par des recherches sur des organismes modèles⁸

Cette variété et ce succès reflètent la communautés de recherche collaboratives internationales en utilisant des organismes modèles aujourd’hui.³ Par exemple, les biologistes spécialistes des mouches à fruits échangent fréquemment des connaissances, des ressources et des stocks de mouches caractérisés génétiquement. « Il y a beaucoup d’ouverture et beaucoup de partage », a déclaré Long. « Parce qu’il existe une si bonne communauté dans le monde des mouches à fruits, nous avons accès à toutes sortes d’outils vraiment formidables. » Ce qui a commencé comme des outils de recherche génétique pratiques est devenu des modèles appréciés et enrichissants qui relient les scientifiques de différents domaines de recherche à travers le monde.⁵