La levure de boulanger ou en herbe (Saccharomyces cerevisiae) est depuis longtemps un organisme modèle populaire pour la recherche biologique fondamentale. En laboratoire, il est facile à manipuler, peut faire face à un large éventail de conditions environnementales et contrôle la division cellulaire de la même manière que nos cellules. En 1996, il a été le premier organisme eucaryote à voir son génome séquencé.
La levure a été le premier organisme eucaryote à voir son génome séquencé.
Cependant, depuis la découverte de la levure de Boulanger, d’autres levures ont des propriétés tout aussi utiles.
Les chromosomes de levure partagent un certain nombre de caractéristiques importantes avec les chromosomes humains.
La levure de fission (Schizosaccharomyces pombe) est devenue un système populaire pour étudier la croissance et la division cellulaires. Il est utile en partie parce qu’il est facile et peu coûteux de se développer en laboratoire, mais aussi parce que ses cellules ont une taille régulière et ne poussent qu’en longueur, ce qui rend très simple l’enregistrement de la croissance cellulaire. Les chromosomes de la levure de fission partagent un certain nombre de caractéristiques importantes avec les chromosomes humains, ce qui fait de l’organisme un modèle très utile en génétique humaine. Le S. la séquence du génome de pombe a été publiée en 2002.
Levure de fission
Crédit d’image: David O’Morgan (Le cycle cellulaire. Principes de contrôle.), via Wikimedia Commons
En quoi les humains et les levures sont-ils similaires?
Une caractéristique importante de ces levures qui en font des organismes si utiles pour l’étude des processus biologiques chez l’homme, est que leurs cellules, comme les nôtres, ont un noyau contenant de l’ADN emballé dans des chromosomes.
La plupart des voies métaboliques et cellulaires supposées se produire chez l’homme peuvent être étudiées chez la levure. Par exemple, l’étude des protéines de signalisation dans la levure a fait progresser notre compréhension du développement du cerveau et du système nerveux.
Les cellules de levure se divisent de la même manière que nos propres cellules. En fait, il a été constaté que de nombreux gènes qui régulent la division cellulaire chez la levure ont des équivalents qui contrôlent la division cellulaire dans les organismes supérieurs, y compris les humains.
Les génomes de levure de S. cerevisiae et de S. pombe ont un peu plus de 12 millions de paires de bases.
Les génomes de levure de S. cerevisiae et de S. pombe ont tous deux un peu plus de 12 millions de paires de bases. S. cerevisiae a environ 6 000 gènes tandis que S. pombe en a un peu plus de 5 000. Au moins 20% des gènes humains connus pour avoir un rôle dans la maladie ont des équivalents fonctionnels chez la levure. Cela a démontré que de nombreuses maladies humaines résultent de la perturbation de processus cellulaires très fondamentaux, tels que la réparation de l’ADN, la division cellulaire, le contrôle de l’expression des gènes et l’interaction entre les gènes et l’environnement.
Cela signifie également que la levure peut être utilisée pour étudier la génétique humaine et pour tester de nouveaux médicaments. Des milliers de médicaments peuvent être testés sur des cellules de levure contenant l’équivalent fonctionnel de gènes humains mutés pour voir si les médicaments peuvent restaurer une fonction normale. Ces composés, ou molécules comme eux, pourraient alors être des traitements possibles chez l’homme. Bien qu’il soit important de dire que ce n’est pas le cas pour tous les médicaments, il est donc fortement justifié d’utiliser d’autres organismes modèles ainsi que la levure dans le développement de médicaments.
Études sur les levures
Entre 2001 et 2013, quatre prix Nobel ont été décernés pour des découvertes impliquant la recherche sur les levures.
La levure est un organisme modèle puissant qui a permis une meilleure compréhension de la biologie humaine et des maladies. Entre 2001 et 2013, quatre prix Nobel ont été décernés pour des découvertes impliquant la recherche sur la levure, un nombre impressionnant pour un seul organisme.
Le génome de la levure S. cerevisiae a été publié en 1996 et la séquence de S. pombe en 2002. En conséquence, des projets ont été lancés pour déterminer les fonctions de tous les gènes de ces génomes. L’un de ces projets, le Projet de délétion du génome de Saccharomyces, visait à produire des souches mutantes de levure dans lesquelles chacun des 6 000 gènes de la levure est muté. De là, on espérait que la fonction précise de chaque gène pourrait être identifiée.
Saccharomyces cerevisiae sous microscopie DIC
Crédit image: Masur – Travaux propres. Sous licence du domaine public via Wikimedia Commons
D’autres projets cherchent à mettre en évidence les différentes interactions protéiques qui se produisent dans les cellules de levure pour identifier des cibles potentielles pour de nouveaux médicaments.
La levure, le cycle cellulaire et le cancer
Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont travaillé dur pour identifier toutes les mutations qui causent le cancer chez l’homme. Beaucoup des mutations trouvées jusqu’à présent sont dans des gènes impliqués, d’une certaine manière, dans la division cellulaire et la réplication de l’ADN. Dans de nombreux cas, ces mutations ont été trouvées chez d’autres espèces, comme la levure, avant que leur pertinence dans le cancer humain ne soit réalisée.
En 2001, Leland Hartwell, Paul Nurse et Tim Hunt ont partagé le prix Nobel pour avoir établi le rôle de différents gènes dans le contrôle de la division cellulaire.
En 2001, trois scientifiques ont partagé le prix Nobel pour leurs travaux indépendants établissant le rôle de différents gènes dans le contrôle du cycle cellulaire et étudiant le lien entre le cycle cellulaire chez la levure et celui chez l’homme. Ces trois scientifiques étaient Leland Hartwell, Paul Nurse et Tim Hunt.
Leland Hartwell, biologiste, a été l’un des premiers scientifiques à découvrir certaines des mutations impliquées dans le cancer. Il a décidé qu’il voulait un organisme simple, unicellulaire et facilement manipulable comme système modèle pour l’étude du cancer et le contrôle de la division cellulaire. S. la levure cerevisiae correspondait parfaitement aux critères. Grâce à ses travaux, il a découvert que les gènes impliqués dans le « cycle de division cellulaire » (CDC) chez la levure S. cerevisiae, étaient également trouvés, à plus ou moins la même capacité, chez l’homme. Au cours de sa carrière, Leland a identifié plus de 100 gènes impliqués dans le contrôle de la division cellulaire. Il a découvert que dans les cellules cancéreuses, les gènes mutés qui stimulent normalement la division cellulaire commencent à agir comme des accélérateurs bloqués dans une voiture. Pendant ce temps, il a découvert que les gènes mutés normalement responsables de la suppression de la division cellulaire cessaient de fonctionner, tout comme les freins défectueux.
Paul Nurse a suivi l’exemple de Leland mais cette fois en utilisant la levure S. pombe pour explorer le contrôle de la division cellulaire. Au milieu des années 1970, il a découvert un gène dans la levure S. pombe appelé cdc2 et a découvert qu’il avait un rôle clé dans le contrôle de la division cellulaire. En 1987, il a ensuite trouvé le gène équivalent chez l’homme qui a ensuite reçu le nom Cdk1. Cela a ensuite conduit à la découverte d’autres molécules CDK impliquées dans le contrôle de la division cellulaire chez l’homme.
Au début des années 1980, alors qu’il étudiait les oursins, Tim Hunt a découvert la cycline, une protéine formée puis décomposée au cours de chaque division cellulaire. Il a été constaté que les cyclines se lient aux molécules CDK, découvertes par Paul Nurse, et les activent lors du contrôle de la division cellulaire. Il a également montré que ces cyclines sont dégradées à chaque division cellulaire, un mécanisme qui s’est avéré d’une grande importance pour contrôler le processus.
Les découvertes de Leland Hartwell, Paul Nurse, Tim Hunt et d’autres utilisant la levure comme organisme modèle ont contribué de manière significative à la génération d’une vision universelle de la façon dont la division cellulaire est contrôlée dans les cellules eucaryotes. Cette compréhension a eu de larges applications dans un certain nombre de domaines différents de la biologie, y compris la prévention, le diagnostic et le traitement du cancer.
De gauche à droite : Leland Hartwell, Paul Nurse et Tim Hunt.
Crédits d’images: Fred Hutch (à gauche) et Anne-Katrin Purkiss, images Wellcome (au centre et à droite)
Levure et maladie de Parkinson
La recherche utilisant S. cerevisiae comme organisme modèle a donné de l’espoir aux personnes atteintes de la maladie de Parkinson. La maladie de Parkinson et d’autres maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer et la maladie de Huntington sont caractérisées par un mauvais repliement des protéines, entraînant l’accumulation de cellules toxiques dans le système nerveux central.
La protéine α-synucléine s’agrège pour former des corps de Lewy, caractéristiques de maladies telles que la maladie de Parkinson et la démence.
L’accumulation cellulaire de la protéine, l’α-synucléine, est connue pour augmenter considérablement le risque de développer la maladie de Parkinson et affecte également la levure. Des formes élevées ou mutées d’α-synucléine font des ravages dans nos cellules cérébrales. Cette protéine s’agrège pour former des corps de Lewy, caractéristiques de maladies telles que la maladie de Parkinson et la démence, et cause par conséquent une perturbation majeure de nombreux processus neurologiques. De même, lorsqu’elles sont conçues pour produire des niveaux élevés d’α-synucléine, les cellules de S. cerevisiae présentent des signes de dommages et leur croissance devient plus lente.
Les cellules de S. cerevisiae peuvent être utilisées comme éprouvettes vivantes.
Sachant cela, les scientifiques ont pu utiliser S. cerevisiae comme un outil efficace pour caractériser les facteurs et les mécanismes qui régulent la toxicité de l’α-synucléine. Les cellules de S. cerevisiae peuvent être utilisées comme éprouvettes vivantes pour tester la fonction de composés qui pourraient être utilisés pour inverser les effets de l’α-synucléine sur les cellules du cerveau et donc traiter la maladie de Parkinson.
En utilisant un organisme vivant tel que la levure, les chercheurs sont en mesure de voir l’impact d’un médicament sur un organisme entier qui a été génétiquement modifié pour imiter le mécanisme biochimique d’une maladie présente chez l’homme.
Dernière mise à jour de cette page le 14/06/2016