La génomique est l'étude de génomes entiers, y compris l'ensemble complet des gènes, leur séquence et leur organisation nucléotidique, ainsi que leurs interactions au sein d'une espèce et avec d'autres espèces.

La cartographie du génome est le processus qui consiste à trouver l'emplacement des gènes sur chaque chromosome. Les cartes que crée la cartographie des génomes sont comparables aux cartes que nous utilisons pour naviguer dans les rues. Une carte génétique est une illustration qui énumère les gènes et leur emplacement sur un chromosome. Les cartes génétiques donnent une vue d'ensemble (semblable à une carte routière d'un État) et utilisent des marqueurs génétiques (semblables à des points de repère). Un marqueur génétique est un gène ou une séquence sur un chromosome qui se co-ségrège (montre la liaison génétique) avec un trait spécifique. Les premiers généticiens appelaient cette analyse de liaison. Les cartes physiques présentent les détails intimes de régions chromosomiques plus petites (semblable à une carte routière détaillée). Une carte physique est une représentation de la distance physique, en nucléotides, entre les gènes ou les marqueurs génétiques. Les cartes des liens génétiques et les cartes physiques sont toutes deux nécessaires pour dresser le tableau complet d'un génome. Disposer d'une carte complète du génome facilite l'étude des gènes individuels par les chercheurs. Les cartes du génome humain aident les chercheurs dans leurs efforts pour identifier les gènes responsables de maladies humaines liées à des affections comme le cancer, les maladies cardiaques et la mucoviscidose. Nous pouvons utiliser la cartographie du génome dans toute une série d'autres applications, comme l'utilisation de microbes vivants pour nettoyer les polluants ou même prévenir la pollution. La recherche impliquant la cartographie du génome des plantes peut permettre d'augmenter le rendement des cultures ou de développer des plantes qui s'adaptent mieux au changement climatique.

Cartes génétiques

L'étude des cartes génétiques commence par l'analyse des liens, une procédure qui analyse la fréquence de recombinaison entre les gènes pour déterminer s'ils sont liés ou s'ils présentent un assortiment indépendant. Les scientifiques utilisaient le terme "linkage" avant la découverte de l'ADN. Les premiers généticiens s'appuyaient sur l'observation des changements phénotypiques pour comprendre le génotype d'un organisme. Peu après que Gregor Mendel (le père de la génétique moderne) ait proposé que les traits soient déterminés par ce que nous appelons aujourd'hui les gènes, d'autres chercheurs ont observé que différents traits étaient souvent hérités ensemble, et ont ainsi déduit que les gènes étaient physiquement liés par leur emplacement sur le même chromosome. La cartographie des gènes les uns par rapport aux autres, basée sur l'analyse des liens, a conduit à l'élaboration des premières cartes génétiques.

Les observations selon lesquelles certains traits étaient toujours liés et d'autres non, sont issues de l'étude de la descendance de croisements entre des parents ayant des traits différents. Par exemple, lors d'expériences sur les pois de jardin, les chercheurs ont découvert que la couleur de la fleur et la forme du pollen de la plante étaient des traits liés, et que par conséquent les gènes codant pour ces traits étaient très proches sur le même chromosome. Nous appelons l'échange d'ADN entre paires de chromosomes homologues la recombinaison génétique, qui se produit en croisant l'ADN entre des brins d'ADN homologues, comme les chromatides non consensuelles. L'analyse des liaisons consiste à étudier la fréquence de recombinaison entre deux gènes quelconques. Plus la distance entre deux gènes est grande, plus la probabilité qu'un événement de recombinaison se produise entre eux est élevée, et plus la fréquence de recombinaison entre eux est élevée. La figure ci-dessous montre deux possibilités de recombinaison entre deux chromatides non sœurs pendant la méiose. Si la fréquence de recombinaison entre deux gènes est inférieure à 50 %, ils sont liés.

Le croisement peut se produire à différents endroits sur le chromosome. La recombinaison entre les gènes A et B est plus fréquente que la recombinaison entre les gènes B et C parce que les gènes A et B sont plus éloignés. Il est donc plus probable qu'un croisement se produise entre eux.

La génération de cartes génétiques nécessite des marqueurs, tout comme une carte routière nécessite des points de repère (tels que les rivières et les montagnes). Les scientifiques ont fondé les premières cartes génétiques sur l'utilisation de gènes connus comme marqueurs. Les scientifiques utilisent maintenant des marqueurs plus sophistiqués, y compris ceux basés sur l'ADN non codant, pour comparer les génomes des individus dans une population. Bien que les individus d'une espèce donnée soient génétiquement similaires, ils ne sont pas identiques. Chaque individu possède un ensemble unique de traits. Ces différences mineures dans le génome entre les individus d'une population sont utiles à des fins de cartographie génétique. En général, un bon marqueur génétique est une région du chromosome qui présente une variabilité ou un polymorphisme (formes multiples) dans la population.

Certains marqueurs génétiques utilisés par les scientifiques pour établir des cartes génétiques sont les polymorphismes de longueur de fragment de restriction (RFLP), le nombre variable de répétitions en tandem (VNTR), les polymorphismes des microsatellites et les polymorphismes de nucléotide unique (SNP). Nous pouvons détecter les RFLP (parfois prononcés "rif-lips") lorsque l'ADN d'un individu est coupé avec une endonucléase de restriction qui reconnaît des séquences spécifiques dans l'ADN pour générer une série de fragments d'ADN, que nous pouvons ensuite analyser par électrophorèse sur gel. L'ADN de chaque individu donnera naissance à un modèle unique de bandes lorsqu'il sera coupé avec un ensemble particulier d'endonucléases de restriction. Les scientifiques appellent parfois cela l'"empreinte digitale" de l'ADN d'un individu. Certaines régions chromosomiques sujettes au polymorphisme donneront lieu à la formation d'un motif unique de bandes. Les VNTR sont des ensembles répétés de nucléotides présents dans les régions non codantes de l'ADN. L'ADN non codant, ou "poubelle", n'a pas de fonction biologique connue ; cependant, les recherches montrent qu'une grande partie de cet ADN est en fait transcrit. Bien que sa fonction soit incertaine, il est certainement actif, et il pourrait être impliqué dans la régulation des gènes codants. Le nombre de répétitions peut varier dans les organismes individuels d'une population. Les polymorphismes des microsatellites sont similaires aux VNTR, mais l'unité de répétition est très petite. Les SNP sont des variations d'un seul nucléotide.

Comme les cartes génétiques reposent entièrement sur le processus naturel de recombinaison, l'augmentation ou la diminution naturelle du niveau de recombinaison en fonction de la zone du génome affecte la cartographie. Certaines parties du génome sont des points chauds de recombinaison, tandis que d'autres ne présentent pas de propension à la recombinaison. Pour cette raison, il est important d'examiner les informations de cartographie développées par de multiples méthodes.

Cartes physiques

Une carte physique fournit des détails sur la distance physique réelle entre les marqueurs génétiques, ainsi que sur le nombre de nucléotides. Les scientifiques utilisent trois méthodes pour créer une carte physique : la cartographie cytogénétique, la cartographie des hybrides de rayonnement et la cartographie des séquences. La cartographie cytogénétique utilise des informations provenant de l'analyse microscopique de sections de chromosomes colorées. Il est possible de déterminer la distance approximative entre les marqueurs génétiques à l'aide de la cartographie cytogénétique, mais pas la distance exacte (nombre de paires de bases). La cartographie hybride utilise des radiations, telles que les rayons X, pour briser l'ADN en fragments. Nous pouvons ajuster la quantité de radiation pour créer des fragments plus ou moins grands. Cette technique permet de surmonter les limites de la cartographie génétique, et nous pouvons ajuster le rayonnement de sorte qu'une augmentation ou une diminution de la fréquence de recombinaison ne l'affecte pas. La cartographie des séquences est le résultat de la technologie de séquençage de l'ADN qui a permis de créer des cartes physiques détaillées avec des distances mesurées en termes de nombre de paires de bases. La création de bibliothèques génomiques et de bibliothèques d'ADN complémentaire (collections de séquences clonées ou de tout l'ADN d'un génome) a accéléré le processus de cartographie physique. Un site génétique que les scientifiques utilisent pour générer une carte physique grâce à la technologie du séquençage (un site marqué d'une séquence, ou STS) est une séquence unique dans le génome dont l'emplacement chromosomique exact est connu. Un marqueur de séquence exprimée (EST) et un polymorphisme de longueur de séquence unique (SSLP) sont des STS courants. Une EST est une courte STS que nous pouvons identifier avec des banques d'ADNc, tandis que nous obtenons des SSLP à partir de marqueurs génétiques connus, qui fournissent un lien entre les cartes génétiques et physiques.

Une carte cytogénétique montre l'apparition d'un chromosome après que les scientifiques l'aient coloré et examiné au microscope. (crédit : Institut national de recherche sur le génome humain)

Intégration des cartes génétiques et physiques

Les cartes génétiques fournissent les grandes lignes et les cartes physiques les détails. Il est facile de comprendre pourquoi les deux types de techniques de cartographie du génome sont importants pour montrer la vue d'ensemble. Les scientifiques utilisent les informations de chaque technique en combinaison pour étudier le génome. Les scientifiques utilisent la cartographie génomique avec différents organismes modèles pour la recherche. La cartographie du génome est toujours un processus en cours, et à mesure que les chercheurs développent des techniques plus avancées, ils s'attendent à d'autres percées. La cartographie du génome est comparable à l'achèvement d'un puzzle compliqué en utilisant chaque pièce de données disponibles. Les informations de cartographie générées dans les laboratoires du monde entier sont entrées dans des bases de données centrales, telles que GenBank du National Center for Biotechnology Information (NCBI). Les chercheurs font des efforts pour que ces informations soient plus facilement accessibles aux autres chercheurs et au grand public. Tout comme nous utilisons des systèmes de positionnement global au lieu de cartes papier pour naviguer sur les routes, le NCBI a créé un outil de visualisation du génome pour simplifier le processus d'exploration des données.

Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) est un catalogue en ligne consultable des gènes humains et des maladies génétiques. Ce site web présente des informations sur la cartographie du génome, et détaille également l'histoire et la recherche de chaque trait et trouble. Cliquez sur ce lien pour rechercher des traits (comme la main) et des maladies génétiques (comme le diabète).

D'après Mapping Genomes