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17.3 : Coeur - Biologie


Lub Dub

Lub dub, lub dub, lub dub... C'est ainsi que l'on décrit généralement le son d'un cœur qui bat. Dans un cœur normal et sain, ce sont les deux seuls sons qui devraient être audibles lors de l'écoute du cœur à l'aide d'un stéthoscope. Si un assistant médical entend quelque chose de différent des sons lub dub normaux, c'est le signe d'une anomalie cardiaque possible. Qu'est-ce qui fait que le cœur produit les sons lub dub caractéristiques ? Continuez à lire pour le découvrir.

Les cœur est un organe musculaire situé derrière le sternum (sternum), légèrement à gauche du centre de la poitrine. La fonction du cœur est de pomper le sang dans les vaisseaux sanguins du système cardiovasculaire. Le flux continu de sang à travers le système est nécessaire pour fournir à toutes les cellules du corps de l'oxygène et des nutriments et pour éliminer leurs déchets métaboliques.

Structure du coeur

Le cœur a une paroi musculaire épaisse qui se compose de plusieurs couches de tissu. À l'intérieur, le cœur est divisé en quatre chambres à travers lesquelles le sang circule. Le sang circule dans une seule direction à travers les chambres en raison des valves cardiaques.

Mur de coeur

Comme le montre la figure (PageIndex{2}), la paroi du cœur est composée de trois couches, appelées endocarde, myocarde et péricarde.

  • L'endocarde est la couche la plus interne de la paroi cardiaque. Il est constitué principalement de cellules épithéliales simples. Il recouvre les cavités cardiaques et les valves. Une fine couche de tissu conjonctif relie l'endocarde au myocarde.
  • Le myocarde est la couche médiane et la plus épaisse de la paroi cardiaque. Il s'agit d'un muscle cardiaque entouré d'une armature de collagène. Il existe deux types de cellules du muscle cardiaque dans le myocarde : les cellules du stimulateur cardiaque, qui ont la capacité de se contracter facilement ; et les cellules du stimulateur cardiaque, qui conduisent les impulsions électriques qui provoquent la contraction des cardiomyocytes. Environ 99 % des cellules du muscle cardiaque sont des cardiomyocytes et les 1 % restants sont des cellules de stimulateur cardiaque. Le myocarde est alimenté en vaisseaux sanguins et en fibres nerveuses via le péricarde.
  • L'épicarde est la troisième couche qui fait partie du péricarde, un sac protecteur qui enferme et protège le cœur. Le péricarde est constitué de deux membranes (péricarde viscéral appelé épicarde et péricarde pariétal), entre lesquelles se trouve une cavité remplie de liquide. Le liquide aide à amortir le cœur et lubrifie également sa surface externe.

Chambres cardiaques

Comme le montre la figure (PageIndex{3}), les quatre cavités du cœur comprennent deux cavités supérieures appelées oreillettes (singulier, atrium) et deux chambres inférieures appelées ventricules. Les oreillettes sont également appelées chambres de réception car le sang entrant dans le cœur pénètre d'abord dans ces deux chambres. L'oreillette droite reçoit le sang du haut et du bas du corps par la veine cave supérieure et la veine cave inférieure, respectivement ; et l'oreillette gauche reçoit le sang des poumons par les veines pulmonaires. Les ventricules sont également appelées chambres de décharge parce que le sang quittant le cœur passe à travers ces deux chambres. Le ventricule droit évacue le sang vers les poumons par l'artère pulmonaire et le ventricule gauche évacue le sang vers le reste du corps par l'aorte. Les quatre chambres sont séparées les unes des autres par un tissu conjonctif dense constitué principalement de collagène.

Valves cardiaques

La figure (PageIndex{3}) montre également l'emplacement des quatre valves du cœur. Les valves cardiaques permettent au sang de circuler des oreillettes vers les ventricules et des ventricules vers l'artère pulmonaire et l'aorte. Les valves sont construites de telle manière que le sang ne puisse les traverser que dans une seule direction, empêchant ainsi le reflux du sang. Les quatre vannes sont les :

  1. valve tricuspide, qui permet au sang de circuler de l'oreillette droite au ventricule droit.
  2. la valve mitrale, qui permet au sang de circuler de l'oreillette gauche vers le ventricule gauche.
  3. valve pulmonaire, qui permet au sang de circuler du ventricule droit vers l'artère pulmonaire.
  4. la valve aortique, qui permet au sang de circuler du ventricule gauche vers l'aorte.

Les valves tricuspide et mitrale sont également appelées valves auriculo-ventriculaires (ou AV) car elles se trouvent entre l'oreillette et le ventricule. Les valves pulmonaires et aortiques sont également appelées valves semi-lunaires car elles ont la forme de demi-lunes.

Circulation coronaire

Les cardiomyocytes des parois musculaires du cœur sont des cellules très actives car elles sont responsables des battements constants du cœur. Ces cellules ont besoin d'un apport continu d'oxygène et de nutriments. Le dioxyde de carbone et les déchets qu'ils produisent doivent également être éliminés en permanence. Les vaisseaux sanguins qui transportent le sang vers et depuis les cellules du muscle cardiaque constituent la circulation coronarienne. Notez que les vaisseaux sanguins de la circulation coronarienne alimentent les tissus cardiaques en sang et sont différents des vaisseaux sanguins qui transportent le sang vers et depuis les cavités cardiaques dans le cadre de la circulation générale. Artères coronaires fournir du sang riche en oxygène aux cellules du muscle cardiaque. Les veines coronaires éliminent le sang désoxygéné des cellules du muscle cardiaque.

  • Il existe deux artères coronaires : une artère coronaire droite qui alimente le côté droit du cœur et une artère coronaire gauche qui alimente le côté gauche du cœur. Ces artères se ramifient à plusieurs reprises en artères de plus en plus petites et finalement en capillaires, qui échangent des gaz, des nutriments et des déchets avec les cardiomyocytes.
  • À l'arrière du cœur, les petites veines cardiaques se jettent dans les veines plus grosses et enfin dans la grande veine cardiaque, qui se jette dans l'oreillette droite. À l'avant du cœur, de petites veines cardiaques se jettent directement dans l'oreillette droite.

Circulation sanguine à travers le cœur

La figure (PageIndex{4}) montre comment le sang circule dans les cavités cardiaques. L'oreillette droite recueille le sang de deux grosses veines, la veine cave supérieure (du haut du corps) et la veine cave inférieure (du bas du corps). Le sang qui s'accumule dans l'oreillette droite est pompé à travers la valve tricuspide dans le ventricule droit. Du ventricule droit, le sang est pompé à travers la valve pulmonaire dans l'artère pulmonaire. L'artère pulmonaire transporte le sang vers les poumons, où il pénètre dans la circulation pulmonaire, abandonne le dioxyde de carbone et capte l'oxygène. Le sang oxygéné revient des poumons par les veines pulmonaires (au nombre de quatre) et pénètre dans l'oreillette gauche du cœur. De l'oreillette gauche, le sang est pompé à travers la valve mitrale dans le ventricule gauche. Du ventricule gauche, le sang est pompé à travers la valve aortique dans l'aorte, qui se ramifie ensuite en artères plus petites qui transportent le sang dans le reste du corps. Après avoir traversé les capillaires et échangé des substances avec les cellules, le sang retourne dans l'oreillette droite via la veine cave supérieure et la veine cave inférieure, et le processus recommence.

Cycle cardiaque

Le cycle cardiaque fait référence à un seul battement cardiaque complet, qui comprend une itération des sons lub et dub entendus à travers un stéthoscope. Au cours du cycle cardiaque, les oreillettes et les ventricules fonctionnent de manière coordonnée afin que le sang soit pompé efficacement à travers et hors du cœur. Le cycle cardiaque comprend deux parties, appelées diastole et systole, qui sont illustrées à la figure (PageIndex{5}).

  • Pendant diastole, les oreillettes se contractent et pompent le sang dans les ventricules, tandis que les ventricules se détendent et se remplissent de sang provenant des oreillettes.
  • Pendant systole, les oreillettes se détendent et recueillent le sang des poumons et du corps, tandis que les ventricules se contractent et pompent le sang hors du cœur.

Stimulation électrique du cœur

Le battement normal et rythmique du cœur est appelé un rythme sinusal. Il est établi par le cœur stimulateur cardiaque cellules, qui sont situées dans une zone du cœur appelée nœud sino-auriculaire (Figure (PageIndex{6})). Les cellules du stimulateur cardiaque créent des signaux électriques par le mouvement des électrolytes (ions sodium, potassium et calcium) dans et hors des cellules. Pour chaque cycle cardiaque, un signal électrique se déplace rapidement d'abord du nœud sino-auriculaire aux oreillettes droite et gauche afin qu'elles se contractent ensemble. Ensuite, le signal se déplace vers un autre nœud, appelé nœud auriculo-ventriculaire (également illustré sur la figure (PageIndex{6})), et de là vers les ventricules droit et gauche, qui se contractent également ensemble, juste une fraction de seconde après les oreillettes. Contrat.

Le rythme sinusal normal du cœur est influencé par le système nerveux autonome via les nerfs sympathiques et parasympathiques. Ces nerfs proviennent de deux centres cardiovasculaires appariés dans la moelle du tronc cérébral. Les nerfs parasympathiques agissent pour diminuer la fréquence cardiaque et les nerfs sympathiques agissent pour augmenter la fréquence cardiaque. L'entrée parasympathique prédomine normalement. Sans cela, les cellules du stimulateur cardiaque généreraient une fréquence cardiaque au repos d'environ 100 battements par minute, au lieu d'une fréquence cardiaque au repos normale d'environ 72 battements par minute. Les centres cardiovasculaires reçoivent des informations de récepteurs dans tout le corps et agissent par l'intermédiaire des nerfs sympathiques pour augmenter la fréquence cardiaque au besoin. Par exemple, une activité physique accrue est détectée par des récepteurs dans les muscles, les articulations et les tendons. Ces récepteurs envoient des impulsions nerveuses aux centres cardiovasculaires, provoquant une augmentation du rythme cardiaque par les nerfs sympathiques. Cela permet à plus de sang de circuler vers les muscles.

Outre le système nerveux autonome, d'autres facteurs peuvent également affecter la fréquence cardiaque. Par exemple, les hormones thyroïdiennes et les hormones surrénales telles que l'épinéphrine peuvent stimuler le cœur à battre plus vite. La fréquence cardiaque augmente également lorsque la pression artérielle chute ou que le corps est déshydraté ou surchauffé. D'autre part, le refroidissement du corps et la relaxation, entre autres facteurs, peuvent contribuer à une diminution de la fréquence cardiaque.

Dossier : La biologie humaine dans l'actualité

Lorsque le cœur d'un patient est trop malade ou endommagé pour survivre, une transplantation cardiaque est probablement la seule solution à long terme. La première transplantation cardiaque réussie a été entreprise en Afrique du Sud en 1967. Au cours des deux dernières décennies aux États-Unis, environ 2 400 cœurs ont été transplantés chaque année. Le problème est que beaucoup trop peu de cœurs sont disponibles pour la transplantation, et de nombreux patients meurent chaque année en attendant qu'un cœur salvateur soit disponible.

Les cœurs destinés à la transplantation doivent être utilisés dans les quatre heures suivant le décès du donneur. De plus, les cœurs ne peuvent provenir que d'individus en état de mort cérébrale dont les cœurs sont prélevés alors qu'ils sont encore en bonne santé. Ensuite, les cœurs sont placés sur de la glace à l'intérieur des glacières de pique-nique pour être transportés vers un destinataire en attente. La fenêtre de quatre heures signifie que les embouteillages, le mauvais temps ou d'autres retards imprévus entraînent souvent un cœur dans un état moins qu'optimal au moment où il arrive à destination. Malheureusement, il n'y a aucun moyen de savoir si le cœur redémarrera après sa transplantation jusqu'à ce qu'il soit réellement placé dans le corps du receveur. Dans jusqu'à sept pour cent des cas, un cœur transplanté ne fonctionne pas et doit être retiré.

Une entreprise de dispositifs médicaux du Massachusetts nommée TransMedic a figuré dans de nombreux reportages lorsqu'elle a développé le système de soins des organes, communément appelé « le cœur dans une boîte ». Le système adopte une nouvelle approche pour conserver les cœurs donnés jusqu'à ce qu'ils soient transplantés. La boîte est chauffée et contient un dispositif qui pompe le sang oxygéné à travers le cœur pendant qu'il est transporté vers le receveur. Cela prolonge jusqu'à 12 heures le temps pendant lequel le cœur peut rester sain et utilisable. Il permet également de surveiller le cœur afin qu'il soit maintenu dans un état optimal pendant qu'il est sur la route. Le résultat final, idéalement, est que le receveur obtient un cœur en meilleure santé avec moins de risques de défaillance du nouvel organe et un risque de décès plus faible.

À la mi-2016, le système heart-in-a-box avait déjà été utilisé pour plusieurs transplantations cardiaques réussies dans d'autres pays. À cette époque, le système faisait également l'objet d'essais cliniques aux États-Unis pour évaluer son efficacité à promouvoir des résultats positifs pour les bénéficiaires. Les développeurs du cœur en boîte prédisent que le système pourrait augmenter le nombre de cœurs de donneurs utilisables jusqu'à 30 pour cent, augmentant ainsi considérablement le nombre de patients qui sont sauvés de la mort par insuffisance cardiaque.

Revoir

  1. Qu'est-ce que le cœur, où se trouve-t-il et quelle est sa fonction ?
  2. Décrivez la structure du cœur.
  3. Décrire la circulation coronaire.
  4. Résumez comment le sang circule dans, à travers et hors du cœur.
  5. Définissez le cycle cardiaque et identifiez ses deux parties.
  6. Expliquez ce qui contrôle les battements du cœur.
  7. une. Quels sont les deux types de cellules du muscle cardiaque dans le myocarde ?

    b. Quelles sont les différences entre ces deux types de cellules ?

  8. Associez chacune des trois couches des parois du cœur (endocarde, myocarde et péricarde) à la description qui lui correspond le mieux ci-dessous.

    une. Protège le coeur

    b. Couvre les valves cardiaques

    c. Responsable des battements du coeur

  9. Le sang circulant dans la valve mitrale est-il oxygéné ou désoxygéné ? Expliquez votre raisonnement.

  10. Vrai ou faux. Les artères coronaires transportent le sang vers le cœur.

  11. Vrai ou faux. La systole est lorsque le cœur se contracte, la diastole est lorsque le cœur est complètement détendu.

  12. Expliquez pourquoi le sang des veines cardiaques se jette dans l'oreillette droite du cœur. Concentrez-vous sur la fonction plutôt que sur l'anatomie dans votre réponse.

Explore plus

Plus de femmes que d'hommes meurent de maladie cardiaque, mais la recherche sur le cœur s'est longtemps concentrée sur les hommes. Dans la conférence TED suivante, le médecin pionnier C. Noel Bairey Merz partage ce que nous savons et ce que nous ne savons pas sur la santé cardiaque des femmes, y compris les symptômes de crise cardiaque très différents que les femmes ressentent et pourquoi les médecins les manquent souvent.


17.3 Séquençage du génome entier

Dans cette section, vous explorerez les questions suivantes :

Connexion pour les cours AP ®

Les informations présentées dans la section n'entrent pas dans le champ d'application de l'AP®. Cependant, vous pouvez étudier les informations dans la section en tant que matériel facultatif ou illustratif.

Soutien aux enseignants

Avec des techniques plus anciennes, l'identification des bactéries pathogènes est un processus long qui peut prendre des jours ou des semaines. Auparavant, l'identification de la bactérie de la tuberculose pouvait prendre jusqu'à six semaines. Le développement des puces à ADN a permis aux laboratoires cliniques de réduire ce temps à quelques heures, avec une meilleure spécificité de l'identification. Cela a fourni aux médecins les informations dont ils ont besoin pour que les patients reçoivent rapidement l'antibiothérapie la plus efficace, offrant de meilleurs soins et empêchant l'agent infectieux de se propager à plus d'hôtes.

Bien qu'il y ait eu des progrès significatifs dans les sciences médicales ces dernières années, les médecins sont toujours déconcertés par certaines maladies, et ils utilisent le séquençage du génome entier pour aller au fond du problème. Le séquençage du génome entier est un processus qui détermine la séquence d'ADN d'un génome entier. Le séquençage du génome entier est une approche par force brute pour résoudre des problèmes lorsqu'il existe une base génétique au cœur d'une maladie. Plusieurs laboratoires offrent maintenant des services pour séquencer, analyser et interpréter des génomes entiers.

Le séquençage de l'exome entier est une alternative moins coûteuse au séquençage du génome entier. Dans le séquençage de l'exome, seules les régions codantes productrices d'exons de l'ADN sont séquencées. En 2010, le séquençage de l'exome entier a été utilisé pour sauver un jeune garçon dont les intestins présentaient de multiples abcès mystérieux. L'enfant a subi plusieurs opérations du côlon sans soulagement. Enfin, un séquençage de l'exome entier a été réalisé, qui a révélé un défaut dans une voie qui contrôle l'apoptose (mort cellulaire programmée). Une greffe de moelle osseuse a été utilisée pour surmonter cette maladie génétique, conduisant à un remède pour le garçon. Il a été la première personne à être traitée avec succès sur la base d'un diagnostic établi par séquençage de l'ensemble de l'exome.

Les questions du défi de la pratique scientifique contiennent des questions de test supplémentaires liées au matériel de cette section qui vous aideront à vous préparer à l'examen AP. Ces questions portent sur les normes suivantes :
[APLO 2.23][APLO 3.5][APLO 3.20][APLO 3.21]

Stratégies utilisées dans les projets de séquençage

La technique de séquençage de base utilisée dans tous les projets de séquençage modernes est la méthode de terminaison de chaîne (également connue sous le nom de méthode didéoxy), qui a été développée par Fred Sanger dans les années 1970. La méthode de terminaison de chaîne implique la réplication d'ADN d'une matrice simple brin avec l'utilisation d'une amorce et d'un désoxynucléotide régulier (dNTP), qui est un monomère, ou une unité unique, d'ADN. L'amorce et le dNTP sont mélangés avec une petite proportion de didésoxynucléotides marqués par fluorescence (ddNTP). Les ddNTP sont des monomères auxquels il manque un groupe hydroxyle (-OH) au niveau du site auquel un autre nucléotide se fixe généralement pour former une chaîne (Figure 17.12). Chaque ddNTP est marqué avec une couleur différente de fluorophore. Chaque fois qu'un ddNTP est incorporé dans le brin complémentaire en croissance, il met fin au processus de réplication de l'ADN, ce qui se traduit par de multiples brins courts d'ADN répliqué qui se terminent chacun à un point différent au cours de la réplication. Lorsque le mélange réactionnel est traité par électrophorèse sur gel après avoir été séparé en brins simples, les multiples brins d'ADN nouvellement répliqués forment une échelle en raison des tailles différentes. Parce que les ddNTP sont marqués par fluorescence, chaque bande sur le gel reflète la taille du brin d'ADN et le ddNTP qui a terminé la réaction. Les différentes couleurs des ddNTP marqués par un fluorophore aident à identifier le ddNTP incorporé à cette position. La lecture du gel sur la base de la couleur de chaque bande sur l'échelle produit la séquence du brin modèle (Figure 17.13).

Premières stratégies : séquençage au fusil de chasse et séquençage final par paire

Dans la méthode de séquençage au fusil de chasse, plusieurs copies d'un fragment d'ADN sont découpées au hasard en de nombreux morceaux plus petits (un peu comme ce qui arrive à une cartouche à balle ronde lorsqu'elle est tirée d'un fusil de chasse). Tous les segments sont ensuite séquencés en utilisant la méthode de séquençage en chaîne. Ensuite, à l'aide d'un ordinateur, les fragments sont analysés pour voir où leurs séquences se chevauchent. En faisant correspondre les séquences qui se chevauchent à la fin de chaque fragment, la séquence d'ADN entière peut être reformée. Une séquence plus grande qui est assemblée à partir de séquences plus courtes qui se chevauchent est appelée contig. Par analogie, considérez que quelqu'un a quatre copies d'une photographie de paysage que vous n'avez jamais vue auparavant et ne sait rien sur la façon dont elle devrait apparaître. La personne déchire ensuite chaque photographie avec ses mains, de sorte que des morceaux de tailles différentes soient présents sur chaque copie. La personne mélange ensuite toutes les pièces et vous demande de reconstituer la photographie. Dans l'un des plus petits morceaux, vous voyez une montagne. Dans une pièce plus grande, vous voyez que la même montagne est derrière un lac. Un troisième fragment ne montre que le lac, mais il révèle qu'il y a une cabane sur la rive du lac. Par conséquent, en regardant les informations qui se chevauchent dans ces trois fragments, vous savez que l'image contient une montagne derrière un lac qui a une cabane sur sa rive. C'est le principe de la reconstruction de séquences d'ADN entières à l'aide du séquençage shotgun.

À l'origine, le séquençage au fusil de chasse n'analysait qu'une extrémité de chaque fragment pour les chevauchements. C'était suffisant pour le séquençage de petits génomes. Cependant, le désir de séquencer des génomes plus gros, comme celui d'un humain, a conduit au développement du séquençage à double canon, plus officiellement connu sous le nom de séquençage par paires. Dans le séquençage par paires, les deux extrémités de chaque fragment sont analysées pour le chevauchement. Le séquençage par paires est donc plus lourd que le séquençage shotgun, mais il est plus facile de reconstituer la séquence car il y a plus d'informations disponibles.

Séquençage de nouvelle génération

Depuis 2005, les techniques de séquençage automatisé utilisées par les laboratoires sont sous l'égide du séquençage de nouvelle génération, qui est un groupe de techniques automatisées utilisées pour le séquençage rapide de l'ADN. Ces séquenceurs automatisés à faible coût peuvent générer des séquences de centaines de milliers ou de millions de fragments courts (25 à 500 paires de bases) en l'espace d'une journée. Ces séquenceurs utilisent un logiciel sophistiqué pour passer à travers le processus fastidieux de mise en ordre de tous les fragments.

Connexion Évolution

Comparer des séquences

Un alignement de séquences est un arrangement de protéines, d'ADN ou d'ARN, il est utilisé pour identifier des régions de similitude entre les types de cellules ou les espèces, ce qui peut indiquer la conservation de la fonction ou des structures. Les alignements de séquences peuvent être utilisés pour construire des arbres phylogénétiques. Le site Web suivant utilise un logiciel appelé BLAST (outil de recherche d'alignement local de base).

Sous "Explosion de base", cliquez sur "Explosion de nucléotide". Saisissez la séquence suivante dans la grande case « séquence de requête » : ATTGCTTCGATTGCA. Sous la case, localisez le champ "Espèce" et tapez "humain" ou "Homo sapiens". Cliquez ensuite sur « BLAST » pour comparer la séquence saisie aux séquences connues du génome humain. Le résultat est que cette séquence se produit dans plus d'une centaine d'endroits dans le génome humain. Faites défiler vers le bas sous le graphique avec les barres horizontales et vous verrez une courte description de chacun des résultats correspondants. Choisissez l'un des résultats en haut de la liste et cliquez sur "Graphiques". Cela vous amènera à une page qui montre où se trouve la séquence dans l'ensemble du génome humain. Vous pouvez déplacer le curseur qui ressemble à un drapeau vert d'avant en arrière pour afficher les séquences immédiatement autour du gène sélectionné. Vous pouvez ensuite revenir à votre séquence sélectionnée en cliquant sur le bouton "ATG".

  1. La protéine bactérienne sera plus similaire à la protéine humaine qu'à la protéine de levure.
  2. La protéine bactérienne sera plus similaire à la protéine de levure qu'à la protéine humaine.
  3. La protéine de levure sera plus similaire à la protéine humaine qu'à la protéine bactérienne.
  4. La protéine bactérienne et la protéine de levure partageront une séquence similaire, mais la protéine humaine n'aura aucun lien avec l'une ou l'autre.

Utilisation de séquences du génome entier d'organismes modèles

Le premier génome à être complètement séquencé était celui d'un virus bactérien, le bactériophage fx174 (5368 paires de bases). Plusieurs autres organites et génomes viraux ont ensuite été séquencés. Le premier organisme dont le génome a été séquencé était la bactérie Haemophilus influenzae cela a été accompli par Craig Venter dans les années 1980. Environ 74 laboratoires différents ont collaboré au séquençage du génome de la levure Saccharomyces cerevisiae, qui a débuté en 1989 et s'est achevé en 1996, car il était 60 fois plus gros que tout autre génome séquencé. En 1997, les séquences du génome de deux organismes modèles importants étaient disponibles : la bactérie Escherichia coli K12 et la levure Saccharomyces cerevisiae. Génomes d'autres organismes modèles, comme la souris Mus musculus, la mouche des fruits Drosophila melanogaster, le nématode Caenorhabditis. elegans, et les humains Homo sapiens sont désormais connus. De nombreuses recherches fondamentales sont effectuées sur des organismes modèles, car les informations peuvent être appliquées à des organismes génétiquement similaires. Un organisme modèle est une espèce qui est étudiée en tant que modèle pour comprendre les processus biologiques chez d'autres espèces représentées par l'organisme modèle. Le séquençage de génomes entiers facilite les efforts de recherche dans ces organismes modèles. Le processus d'attachement d'informations biologiques aux séquences de gènes est appelé annotation du génome. L'annotation des séquences de gènes aide aux expériences de base en biologie moléculaire, telles que la conception d'amorces PCR et de cibles d'ARN.

Lien vers l'apprentissage

Cliquez sur chaque étape du séquençage du génome sur ce site.

Passez en revue la méthode de séquençage de Sanger comme illustré. Expliquez à quel point le séquençage en profondeur offre une amélioration par rapport au séquençage de Sanger.

  1. Le séquençage en profondeur permet un séquençage beaucoup plus rapide des brins d'ADN courts par rapport au séquençage de Sanger, qui ne lit que de courtes séquences d'ADN à une vitesse lente, et il évite les problèmes de Sanger avec la terminaison et la séparation de la chaîne.
  2. La couverture de séquence est plus élevée dans le séquençage de Sanger par rapport au séquençage profond.
  3. Le séquençage de Sanger convient lorsqu'il n'y a qu'une seule différence de nucléotides entre les chaînes, tandis que le séquençage profond convient lorsqu'il y a plus d'une différence de nucléotides entre les chaînes.
  4. Le séquençage Sanger lit et séquence un génome plusieurs fois, tandis que le séquençage profond lit avec précision le séquençage de l'ensemble du génome en une seule fois.

Utilisations des séquences du génome

Les puces à ADN sont des méthodes utilisées pour détecter l'expression génique en analysant une matrice de fragments d'ADN qui sont fixés sur une lame de verre ou une puce de silicium pour identifier les gènes actifs et identifier les séquences. Près d'un million d'anomalies génotypiques peuvent être découvertes à l'aide de puces à ADN, tandis que le séquençage du génome entier peut fournir des informations sur les six milliards de paires de bases du génome humain. Bien que l'étude des applications médicales du séquençage du génome soit intéressante, cette discipline a tendance à s'attarder sur la fonction anormale des gènes. La connaissance de l'ensemble du génome permettra de découvrir précocement les maladies à apparition future et d'autres troubles génétiques, ce qui permettra de prendre des décisions plus éclairées concernant le mode de vie, les médicaments et le fait d'avoir des enfants. La génomique en est encore à ses balbutiements, bien qu'un jour, il devienne une routine d'utiliser le séquençage du génome entier pour dépister chaque nouveau-né afin de détecter des anomalies génétiques.

En plus des maladies et des médicaments, la génomique peut contribuer au développement de nouvelles enzymes qui convertissent la biomasse en biocarburant, ce qui se traduit par une production agricole et de carburant plus élevée et un coût inférieur pour le consommateur. Cette connaissance devrait permettre de meilleures méthodes de contrôle des microbes qui sont utilisés dans la production de biocarburants. La génomique pourrait également améliorer les méthodes utilisées pour surveiller l'impact des polluants sur les écosystèmes et aider à nettoyer les contaminants environnementaux. La génomique a permis le développement de produits agrochimiques et pharmaceutiques qui pourraient profiter à la science médicale et à l'agriculture.

Cela semble formidable d'avoir toutes les connaissances que nous pouvons obtenir du séquençage du génome entier, mais les humains ont la responsabilité d'utiliser ces connaissances à bon escient. Sinon, il pourrait être facile d'abuser du pouvoir de ces connaissances, entraînant une discrimination fondée sur la génétique d'une personne, le génie génétique humain et d'autres préoccupations éthiques. Ces informations pourraient également entraîner des problèmes juridiques concernant la santé et la confidentialité.


17.3 Séquençage du génome entier

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

Bien qu'il y ait eu des progrès significatifs dans les sciences médicales ces dernières années, les médecins sont toujours déconcertés par certaines maladies, et ils utilisent le séquençage du génome entier pour découvrir la racine du problème. Le séquençage du génome entier est un processus qui détermine la séquence d'ADN d'un génome entier. Le séquençage du génome entier est une approche par force brute pour résoudre des problèmes lorsqu'il existe une base génétique au cœur d'une maladie. Plusieurs laboratoires offrent maintenant des services pour séquencer, analyser et interpréter des génomes entiers.

Par exemple, le séquençage de l'exome entier est une alternative moins coûteuse au séquençage du génome entier. Dans le séquençage de l'exome, le médecin séquence uniquement les régions codantes et productrices d'exons de l'ADN. En 2010, les médecins ont utilisé le séquençage de l'exome entier pour sauver un jeune garçon dont les intestins présentaient de multiples abcès mystérieux. L'enfant a subi plusieurs opérations du côlon sans soulagement. Enfin, ils ont effectué un séquençage de l'ensemble de l'exome, qui a révélé un défaut dans une voie contrôlant l'apoptose (mort cellulaire programmée). Les médecins ont utilisé une greffe de moelle osseuse pour surmonter cette maladie génétique, ce qui a permis de guérir le garçon. Il a été la première personne à recevoir un traitement réussi basé sur un diagnostic de séquençage de l'ensemble de l'exome. Aujourd'hui, le séquençage du génome humain est plus facilement disponible et les résultats sont disponibles dans les deux jours pour environ 1000 $.

Stratégies utilisées dans les projets de séquençage

La technique de séquençage de base utilisée dans tous les projets de séquençage modernes est la méthode de terminaison de chaîne (également connue sous le nom de méthode didésoxy), que Fred Sanger a développée dans les années 1970. La méthode de terminaison de chaîne implique la réplication d'ADN d'une matrice simple brin en utilisant une amorce et un désoxynucléotide régulier (dNTP), qui est un monomère, ou une seule unité d'ADN. L'amorce et le dNTP se mélangent avec une faible proportion de didésoxynucléotides marqués par fluorescence (ddNTP). Les ddNTP sont des monomères auxquels il manque un groupe hydroxyle (-OH) au site auquel un autre nucléotide se fixe généralement pour former une chaîne (Figure 17.13). Les scientifiques étiquettent chaque ddNTP avec une couleur différente de fluorophore. Chaque fois qu'un ddNTP s'incorpore dans le brin complémentaire en croissance, il met fin au processus de réplication de l'ADN, ce qui se traduit par de multiples brins courts d'ADN répliqué qui se terminent chacun à un point différent au cours de la réplication. Lorsque l'électrophorèse sur gel traite le mélange réactionnel après séparation en brins simples, les multiples brins d'ADN nouvellement répliqués forment une échelle en raison des tailles différentes. Parce que les ddNTP sont marqués par fluorescence, chaque bande sur le gel reflète la taille du brin d'ADN et le ddNTP qui a terminé la réaction. Les différentes couleurs des ddNTP marqués par un fluorophore aident à identifier le ddNTP incorporé à cette position. La lecture du gel sur la base de la couleur de chaque bande sur l'échelle produit la séquence du brin modèle (Figure 17.14).

Premières stratégies : séquençage au fusil de chasse et séquençage final par paire

Dans la méthode de séquençage au fusil de chasse, plusieurs copies de fragments d'ADN sont découpées au hasard en de nombreux morceaux plus petits (un peu comme ce qui arrive à une cartouche à balle ronde lorsqu'elle est tirée d'un fusil de chasse). Tous les segments séquencent en utilisant la méthode de séquençage en chaîne. Ensuite, avec l'aide d'un ordinateur de séquence, les scientifiques peuvent analyser les fragments pour voir où leurs séquences se chevauchent. En faisant correspondre les séquences qui se chevauchent à l'extrémité de chaque fragment, les scientifiques peuvent reformer l'intégralité de la séquence d'ADN. Une séquence plus grande qui est assemblée à partir de séquences plus courtes qui se chevauchent est appelée contig. Par analogie, considérez que quelqu'un a quatre copies d'une photographie de paysage que vous n'avez jamais vue auparavant et ne sait rien sur la façon dont elle devrait apparaître. La personne déchire ensuite chaque photographie avec ses mains, de sorte que des morceaux de tailles différentes soient présents sur chaque copie. La personne mélange ensuite toutes les pièces et vous demande de reconstituer la photographie. Dans l'un des plus petits morceaux, vous voyez une montagne. Dans une pièce plus grande, vous voyez que la même montagne est derrière un lac. Un troisième fragment ne montre que le lac, mais il révèle qu'il y a une cabane sur la rive du lac. Par conséquent, en regardant les informations qui se chevauchent dans ces trois fragments, vous savez que l'image contient une montagne derrière un lac qui a une cabane sur sa rive. C'est le principe de la reconstruction de séquences d'ADN entières à l'aide du séquençage shotgun.

À l'origine, le séquençage au fusil de chasse n'analysait qu'une extrémité de chaque fragment pour les chevauchements. C'était suffisant pour le séquençage de petits génomes. Cependant, le désir de séquencer des génomes plus gros, comme celui d'un humain, a conduit au développement du séquençage à double canon, ou séquençage par paires. Dans le séquençage par paires, les scientifiques analysent la fin de chaque fragment pour le chevauchement. Le séquençage par paires est donc plus lourd que le séquençage shotgun, mais il est plus facile de reconstituer la séquence car il y a plus d'informations disponibles.

Séquençage de nouvelle génération

Depuis 2005, les techniques de séquençage automatisé utilisées par les laboratoires sont sous l'égide du séquençage de nouvelle génération, qui est un groupe de techniques automatisées utilisées pour le séquençage rapide de l'ADN. These automated low-cost sequencers can generate sequences of hundreds of thousands or millions of short fragments (25 to 500 base pairs) in the span of one day. These sequencers use sophisticated software to get through the cumbersome process of putting all the fragments in order.

Connexion Évolution

Comparing Sequences

A sequence alignment is an arrangement of proteins, DNA, or RNA. Scientists use it to identify similar regions between cell types or species, which may indicate function or structure conservation. We can use sequence alignments to construct phylogenetic trees. The following website uses a software program called BLAST (basic local alignment search tool).

Under “Basic Blast,” click “Nucleotide Blast.” Input the following sequence into the large "query sequence" box: ATTGCTTCGATTGCA. Below the box, locate the "Species" field and type "human" or "Homo sapiens". Then click “BLAST” to compare the inputted sequence against the human genome’s known sequences. The result is that this sequence occurs in over a hundred places in the human genome. Scroll down below the graphic with the horizontal bars and you will see a short description of each of the matching hits. Pick one of the hits near the top of the list and click on "Graphics". This will bring you to a page that shows the sequence’s location within the entire human genome. You can move the slider that looks like a green flag back and forth to view the sequences immediately around the selected gene. You can then return to your selected sequence by clicking the "ATG" button.

Use of Whole-Genome Sequences of Model Organisms

British biochemist and Nobel Prize winner Fred Sanger used a bacterial virus, the bacteriophage fx174 (5368 base pairs), to completely sequence the first genome. Other scientists later sequenced several other organelle and viral genomes. American biotechnologist, biochemist, geneticist, and businessman Craig Venter sequenced the bacterium Haemophilus influenzae in the 1980s. Approximately 74 different laboratories collaborated on sequencing the genome of the yeast Saccharomyces cerevisiae, which began in 1989 and was completed in 1996, because it was 60 times bigger than any other genome sequencing. By 1997, the genome sequences of two important model organisms were available: the bacterium Escherichia coli K12 and the yeast Saccharomyces cerevisiae. We now know the genomes of other model organisms, such as the mouse Mus musculus, the fruit fly Drosophila melanogaster, the nematode Caenorhabditis. elegans, and humans Homo sapiens. Researchers perform extensive basic research in model organisms because they can apply the information to genetically similar organisms. A model organism is a species that researchers use as a model to understand the biological processes in other species that the model organism represents. Having entire genomes sequenced helps with the research efforts in these model organisms. The process of attaching biological information to gene sequences is genome annotation . Annotating gene sequences helps with basic experiments in molecular biology, such as designing PCR primers and RNA targets.

Lien vers l'apprentissage

Click through each genome sequencing step at this site.

Genome Sequence Uses

DNA microarrays are methods that scientists use to detect gene expression by analyzing different DNA fragments that are fixed to a glass slide or a silicon chip to identify active genes and sequences. We can discover almost one million genotypic abnormalities using microarrays whereas, whole-genome sequencing can provide information about all six billion base pairs in the human genome. Although studying genome sequencing medical applications is interesting, this discipline dwells on abnormal gene function. Knowing about the entire genome will allow researchers to discover future onset diseases and other genetic disorders early. This will allow for more informed decisions about lifestyle, medication, and having children. Genomics is still in its infancy, although someday it may become routine to use whole-genome sequencing to screen every newborn to detect genetic abnormalities.

In addition to disease and medicine, genomics can contribute to developing novel enzymes that convert biomass to biofuel, which results in higher crop and fuel production, and lower consumer cost. This knowledge should allow better methods of control over the microbes that industry uses to produce biofuels. Genomics could also improve monitoring methods that measure the impact of pollutants on ecosystems and help clean up environmental contaminants. Genomics has aided in developing agrochemicals and pharmaceuticals that could benefit medical science and agriculture.

It sounds great to have all the knowledge we can get from whole-genome sequencing however, humans have a responsibility to use this knowledge wisely. Otherwise, it could be easy to misuse the power of such knowledge, leading to discrimination based on a person's genetics, human genetic engineering, and other ethical concerns. This information could also lead to legal issues regarding health and privacy.


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17.3: Heart - Biology

For years, scientists have known about the relationship between depression and heart disease. At least a quarter of cardiac patients suffer with depression, and adults with depression often develop heart disease. What researchers now want to know is “why.” So far, they have unearthed a treasure trove of important clues, but a definitive explanation on the curious nature of this relationship has yet to emerge.

It is a puzzle: Is depression a causal risk factor for heart disease? Is it a warning sign because depressed people engage in behaviors that increase the risks for heart disease? Is depression just a secondary event, prompted by the trauma of major medical problems, such as heart surgery? Experts say the urgent need for answers is clear: According to the World Health Organization, 350 million people suffer from depression worldwide, and 17.3 million die of heart disease each year, making it the number one global cause of death.

The promising news, they say, is that new insights are emerging because of the data researchers continue to amass, scientific innovation, and heightened public awareness. It was in part because of better diagnostic tools and an increased recognition of the prevalence of depression that scientists could establish a connection between depression and heart disease in the first place.

“Thirty years of epidemiological data indicate that depression does predict the development of heart disease,” said Jesse C. Stewart, Ph.D., an associate professor of psychology in the School of Science at Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI).

Stewart noted that there is now “an impressive body of evidence” showing that, compared with people without depression, adults with a depressive disorder or symptoms have a 64 percent greater risk of developing coronary artery disease (CAD) and depressed CAD patients are 59 percent more likely to have a future adverse cardiovascular event, such as a heart attack or cardiac death.

But, does depression causer heart disease? Is it a risk factor on its own?

Many investigators recoil at the use of the word "cause" because almost all evidence connecting heart disease and depression comes from observational studies.

“Those who have elevated depressive symptoms are at increased risk for heart disease, and this association seems to be largely independent of the traditional risk markers for heart disease,” said Karina W. Davidson, Ph.D., professor at Columbia University Medical Center. Indeed, she said, the association between depression and heart disease is similar to the association of factors such as high cholesterol, hypertension, diabetes, smoking, and obesity and heart disease.

To establish a true cause-effect link between depression and heart disease, according to Stewart, scientists need evidence from randomized controlled trials showing that treating depression reduces the risk of future heart disease. In other words, what needs to be studied is whether treating depression prevents heart disease in the way treating high cholesterol and blood pressure does.

A 2014 paper by Stewart and his colleagues suggests that early treatment for depression, before the development of symptomatic cardiovascular disease, could decrease the risk of heart attacks and strokes by almost half. Now, with funding from the National Heart, Lung, and Blood Institute (NHLBI), Stewart is currently conducting the clinical trial he said would help answer this cause-effect question.

In the meantime, the existing evidence prompted the American Heart Association (AHA) to issue a statement in 2015 warning that teens with depression and bipolar disorder stand at increased risk for developing cardiovascular disease earlier in life, and urging doctors to actively monitor these patients and intervene to try to prevent its onset.

The prevalence of depression among cardiac patients ranges from 20 to 30 percent. “Even the lower limit of this ranges is more than double the prevalence of this treatable condition in the general population,” wrote Bruce L. Rollman, M.D. and Stewart in their 2014 study.

A recent study presented at the American College of Cardiology’s 66th Annual Scientific Session shows that patients are twice as likely to die if they develop depression after being diagnosed with heart disease. In fact, depression is the strongest predictor of death in the first decade after a heart disease diagnosis.

“We are confident that depression is an independent risk factor for cardiac morbidity and mortality in patients with established heart disease,” said Robert Carney, Ph.D., professor of psychiatry at Washington University School of Medicine. “However, depression is also associated with other risk factors, including smoking, so it can be difficult to disentangle its effects from those of other risk factors.”

In other words, cardiac patients with depression have worse outcomes, which translate to more deaths and repeated cardiovascular events. But how does depression have such an effect?

Researchers agree that while the pathways are not completely understood, there are many likely explanations. Some point to the biology of depression, such as autonomic nervous system dysfunction, elevated cortisol levels, and elevated markers of inflammation.

“There are also plausible behavioral explanations, such as poor adherence to diet, exercise, and medications, and a higher prevalence of smoking, that have been associated with depression with or without established heart disease,” said Ken Freedland, Ph.D., also from Washington University School of Medicine.

“We think that there are likely to be multiple pathways, and this has been one of the foci of our research over the years,” he said.


Pheromones

UNE pheromone is a chemical released by an animal that affects the behavior or physiology of animals of the same species. Pheromonal signals can have profound effects on animals that inhale them, but pheromones apparently are not consciously perceived in the same way as other odors. There are several different types of pheromones, which are released in urine or as glandular secretions. Certain pheromones are attractants to potential mates, others are repellants to potential competitors of the same sex, and still others play roles in mother-infant attachment. Some pheromones can also influence the timing of puberty, modify reproductive cycles, and even prevent embryonic implantation. While the roles of pheromones in many nonhuman species are important, pheromones have become less important in human behavior over evolutionary time compared to their importance to organisms with more limited behavioral repertoires.

The vomeronasal organ (VNO, or Jacobson’s organ) is a tubular, fluid-filled, olfactory organ present in many vertebrate animals that sits adjacent to the nasal cavity. It is very sensitive to pheromones and is connected to the nasal cavity by a duct. When molecules dissolve in the mucosa of the nasal cavity, they then enter the VNO where the pheromone molecules among them bind with specialized pheromone receptors. Upon exposure to pheromones from their own species or others, many animals, including cats, may display the flehmen response (shown in Figure 17.9), a curling of the upper lip that helps pheromone molecules enter the VNO.

Pheromonal signals are sent, not to the main olfactory bulb, but to a different neural structure that projects directly to the amygdala (recall that the amygdala is a brain center important in emotional reactions, such as fear). The pheromonal signal then continues to areas of the hypothalamus that are key to reproductive physiology and behavior. While some scientists assert that the VNO is apparently functionally vestigial in humans, even though there is a similar structure located near human nasal cavities, others are researching it as a possible functional system that may, for example, contribute to synchronization of menstrual cycles in women living in close proximity.

Figure 17.9.
The flehmen response in this tiger results in the curling of the upper lip and helps airborne pheromone molecules enter the vomeronasal organ. (credit: modification of work by “chadh”/Flickr)


Voir la vidéo: Au coeur des organes: Coeur et vaisseaux (Janvier 2022).