Qu'est-ce qu'un gène et le séquençage des gènes ?

Qu'est-ce qu'un gène ?

Un gène sert d'unité fondamentale d'information génétique codée dans l'ADN. Il orchestre l'expression des traits d'un organisme en guidant la synthèse des protéines à travers les processus complexes de transcription et de traduction. En essence, les gènes dictent la manifestation du patrimoine génétique d'un individu, exerçant une influence profonde sur les traits exhibés par un organisme.

Qu'est-ce que le séquençage génétique ?

Séquençage génétique dévoile le plan complexe de la vie codé dans nos gènes. Le patrimoine génétique de chaque organisme, bien que divers, reflète finalement une arrangement unique des quatre bases fondamentales : adénine (A), thymine (T), guanine (G) et cytosine (C). En son essence, le séquençage des gènes est le processus minutieux de déchiffrement de cette séquence, illuminant l'ordre précis de ces bases au sein d'un gène.

La technique exploite la puissance d'un séquenceur de gènes, un instrument sophistiqué conçu pour décoder l'information génétique intégrée dans l'ADN. En adoptant une approche nuancée, le séquençage des gènes utilise des marqueurs fluorescents de couleurs distinctes pour distinguer les quatre bases. À mesure que le gène passe à travers le séquenceur, un système laser déclenche l'émission de lumière fluorescente de chaque base, révélant leur agencement séquentiel.

Ces lumières émises, chacune correspondant à une base spécifique, sont ensuite capturées par une caméra spécialisée, transformant la séquence génétique en une tapisserie visuelle de couleurs vives. Grâce à une analyse méticuleuse de ces signaux fluorescents, l'ordre précis des bases au sein du gène est déchiffré, offrant des aperçus profonds sur les éléments fondamentaux de la vie.

Représentation des chromosomes d'Arabidopsis. (Iniative et al., 2000)

Applications du séquençage génétique

Le séquençage génétique est devenu omniprésent, révolutionnant notre approche de la compréhension et de la gestion des informations génétiques. Cette technologie de pointe analyse et déchiffre la séquence complète des gènes extraits d'échantillons de sang ou de salive, offrant des informations précieuses sur la prédisposition aux maladies, les traits comportementaux et les soins médicaux individualisés.

Avec la capacité de prédire la probabilité de diverses maladies et de discerner des caractéristiques comportementales, le séquençage génétique joue un rôle essentiel dans les soins de santé préventifs. En identifiant les marqueurs génétiques associés à des conditions spécifiques, il permet de prendre des mesures proactives pour prévenir et traiter les maladies avant qu'elles ne se manifestent.

Plus de 45 ans, séquençage génétique a subi une évolution remarquable, culminant dans la quatrième génération de technologies de séquençage. Les avancées dans les techniques de séquençage, associées à la baisse des coûts, ont démocratisé l'accès à cet outil transformateur, l'intégrant dans la vie quotidienne.

Les applications du séquençage génétique couvrent un large éventail de domaines, englobant à la fois la recherche et les domaines cliniques. Des études multi-omiques et le séquençage de cohortes de population au développement de médicaments, à l'agriculture et à la gestion de la santé publique, son impact est considérable. En médecine clinique, le séquençage génétique facilite les tests prénataux non invasifs, aide aux technologies de reproduction, contribue au diagnostic des tumeurs et au traitement de précision, et permet la détection précoce des maladies infectieuses.

Aujourd'hui, le séquençage génétique transcende les frontières médicales traditionnelles, trouvant son utilité dans la recherche scientifique, les services aux consommateurs, et au-delà. Sa polyvalence souligne son rôle essentiel dans la définition de l'avenir des soins de santé et au-delà.

L'histoire du séquençage génétique

L'histoire du séquençage génétique s'étend sur 45 ans, marquée par quatre générations d'innovation technologique qui ont propulsé la croissance exponentielle de l'industrie.

En 1977, Sanger a été le pionnier de la première génération de séquençage génétique, posant les bases des avancées ultérieures. Un moment décisif est arrivé en 1998 avec l'avènement de la technologie de séquençage capillaire, qui a multiplié par dix la vitesse de séquençage et a catalysé le calendrier ambitieux du Projet Génome Humain.

Le tournant du millénaire a marqué l'arrivée de la deuxième génération de séquenceurs à haut débit en 2005, réduisant les coûts de manière stupéfiante par un facteur de 100 et déclenchant une tendance qui a même dépassé la loi de Moore, surnommée à juste titre "super loi de Moore". Cette époque a connu des améliorations sans précédent en matière de vitesse, de longueur et de débit de séquençage.

Aujourd'hui, séquençage de nouvelle génération (NGS) représente le summum de la viabilité commerciale et de l'adoption généralisée. Le NGS a révolutionné le séquençage en introduisant l'arrêt réversible des nucléotides non liés, permettant une synthèse et un séquençage simultanés avec un débit, une précision et une accessibilité sans précédent. Bien que des innovations comme le séquençage PacBio SMRT et les technologies de nanopores promettent une précision et une polyvalence accrues, les défis pratiques liés au coût et à la précision persistent, garantissant la domination de NGS dans un avenir prévisible.

Pourtant, la trajectoire du séquençage génétique continue d'évoluer, guidée par la quête d'un débit plus élevé, de longueurs de lecture plus longues, d'une plus grande précision, de délais de réponse plus rapides, d'une tolérance aux pannes améliorée, d'une applicabilité plus large et de coûts réduits. À mesure que la technologie progresse, le paysage du séquençage génétique recèle un potentiel illimité pour des avancées transformantes qui façonneront l'avenir des soins de santé et de la découverte scientifique.

Technologie de séquençage de Sanger

Le séquençage de Sanger, salué comme la norme d'or pour la détection et la validation des mutations, est apparu en 1977 en tant que force pionnière dans l'analyse génétique.

Ceci Séquençage de Sanger La méthode utilise l'électrophorèse pour séparer des fragments d'ADN de longueurs variées, permettant un séquençage précis. Elle trouve sa place dans des scénarios nécessitant un diagnostic génétique méticuleux, tels que les lignées familiales avec des gènes causatifs clairement définis, des cohortes d'échantillons réduites et des loci génétiques connus.

La méthode de Sanger (de terminaison de chaîne) pour le séquençage de l'ADN

Les forces de Séquençage de Sanger réside dans sa capacité à générer des lectures longues, s'étendant jusqu'à 1000 paires de bases, associée à une précision sans pareille, établissant la norme pour la détection et la validation des mutations. L'utilisation de l'amplification PCR, une procédure de laboratoire courante, renforce sa praticité. Cependant, des limitations subsistent, notamment un faible débit, des coûts de séquençage prohibitifs, des procédures d'opération complexes et une automatisation limitée, le rendant inadéquat pour des projets de séquençage génétique à grande échelle.

De plus, son incapacité à détecter de grandes suppressions, des disparités dans le nombre de copies de gènes et certains types de mutations souligne la nécessité de séquences de référence, compliquant davantage son utilité.

Technologie de séquençage NGS

Séquençage de nouvelle génération se positionne à l'avant-garde en tant que méthodologie de séquençage la plus commercialement mature et largement adoptée. Dans ce domaine, cinq catégories distinctes émergent : le séquençage par pyrophosphate, le séquençage synthétique, le séquençage par ligation, le séquençage à semi-conducteurs et le DNB.

NGS, ou séquençage à haut débit de nouvelle génération, s'appuie sur les bases du séquençage par terminaison synthétique, reposant sur l'amplification PCR de modèles d'ADN liés à des surfaces solides pour la synthèse et le séquençage. Cette technologie trouve une application étendue dans l'identification de gènes candidats associés à des maladies, allant des troubles monogéniques aux conditions complexes comme le diabète, l'obésité et même le cancer.

Alors que séquençage de nouvelle génération se vante d'un débit, d'une précision et d'un coût remarquables, mais ses courtes longueurs de lecture posent des défis, pouvant entraîner la perte d'informations de séquence moins abondantes lors du séquençage. De plus, à l'exception de DNB, la dépendance à la PCR peut introduire des erreurs systématiques, nécessitant un séquençage répétitif pour atténuer les écarts.

La technologie DNB contourne ces problèmes en minimisant le biais PCR, améliorant ainsi la précision du séquençage. Par conséquent, le séquençage à haut débit émerge comme une technologie clé, favorisant l'adoption généralisée et la commercialisation du séquençage génétique.

Séquençage à lecture longue

Séquençage à temps de lecture de molécule uniquereprésente un changement de paradigme, utilisant des méthodes physiques pour déchiffrer l'information génétique au niveau de la molécule individuelle. Évoluant à partir du séquençage de nouvelle génération (NGS), cette technologie répond aux limitations fondamentales de la longueur de lecture et du biais PCR inhérents à son prédécesseur.

En tant qu'avancée révolutionnaire dans le séquençage du génome, Séquençage à lecture unique de molécules PacBio offre des capacités sans précédent pour analyser le matériel génétique à la fois à l'échelle de la cellule unique et de la molécule unique.

La technologie de séquençage à lecture longue prolonge les longueurs de lecture de séquence au-delà de celles atteintes par ses prédécesseurs, permettant la détection directe des séquences d'ARN et de méthylation sans avoir besoin d'amplification par PCR. En contournant la PCR, elle réduit le risque d'introduction de mutations artificielles.

Cependant, tandis que Séquençage SMRT de PacBio excelle dans de nombreux domaines, mais présente des lacunes dans les applications de détection de gènes uniques, en particulier pour les troubles monogéniques. Son principal inconvénient réside dans sa précision de séquençage inférieure, nécessitant plusieurs répétitions ou des corrections via des algorithmes probabilistes pour améliorer la fiabilité.

Ce besoin de séquençage répétitif ou de correction algorithmique augmente considérablement le coût et diminue l'efficacité du séquençage, posant des défis pour une adoption et une mise en œuvre généralisées.

Technologies Oxford Nanopore (ONT)a ouvert la voie à des avancées révolutionnaires dans la technologie de séquençage, révolutionnant à la fois les paramètres de coût et de vitesse tout en réduisant continuellement la taille des instruments. Au cœur de l'innovation d'ONT se trouve le nanopore, un orifice minuscule immobilisé sur une membrane résistive, avec une protéine motorisée facilitant son mouvement à travers un champ électrique transmembranaire.

Dans ce dispositif, un brin d'ADN est tiré à travers le nanopore par la protéine motorisée, propulsé du pôle négatif vers le pôle positif sous l'influence du champ électrique transmembranaire. En raison de la taille minuscule du nanopore, seule une base unique peut le traverser, chaque base induisant une perturbation unique dans le courant électrique, qui est ensuite détectée et enregistrée.

Séquençage par nanopore dispose de plusieurs avantages, notamment des longueurs de lecture étendues, un rapport coût-efficacité, des vitesses de séquençage rapides et une efficacité remarquable. Il facilite le séquençage dynamique en temps réel et prend en charge le séquençage direct de l'ADN et de l'ARN natifs, atteignant des précisions de détection allant de 92 % à 98 %.

Cependant, malgré ces atouts, le séquençage par nanopore ne parvient pas à atteindre la précision des méthodes de séquençage de nouvelle génération, avec des taux de précision variant généralement de 92 % à 98 %. Contrairement au séquençage PacBio SMRT, qui utilise le séquençage par répétition pour améliorer la précision, le séquençage par nanopore repose sur des méthodes de séquençage par hydrolyse, ce qui contribue à des temps de séquençage plus longs et limite les capacités d'amélioration de la précision.

Ainsi, tandis que Séquençage par nanopore offre des avantages remarquables, y compris sa polyvalence et ses capacités en temps réel, mais sa précision de séquençage inférieure et ses mécanismes d'amélioration de la précision limités posent des défis pour l'ajustement des paramètres de séquençage tels que le temps et le coût.

Référence :

1. Initiative, Génome d'Arabidopsis. "Analyse de la séquence génomique de la plante à fleurs Arabidopsis thaliana." Nature 408.6814 (2000) : 796-815.