Optimisation de la cryo microscopie électronique pour les études des minicercles d'ADN

RESUME : Bien que les propriétés physiques de la structure de l'ADN aient été intensivement étudiées pendant plus de 50 ans il y a encore beaucoup de questions importantes qui attendent des réponses. Par exemple, qu'arrive-t-il à la structure de la double hélice d'ADN nue (sans protéines liées) lorsqu'elle est fortement courbée, de la même manière que dans les nucléosomes? Cet ADN nu est-il facilement plié (il reste dans le régime élastique) ou réduit-il la contrainte de flexion en formant des sites hyperflexibles «kinks» (il sort du régime élastique en cassant l'empilement des paires de bases à certains endroits) ? La microscopie électronique peut fournir une réponse à cette question par visualisation directe des minicercles d'ADN de la longueur d'un tour de nucléosome (environ 90 paires de bases). Pour que la réponse soit scientifiquement valide, on doit observer les molécules d'ADN lorsqu'elles sont en suspension dans la solution d'intérêt et sans que des colorations, produits chimiques ou fixatifs n'aient été ajoutés, étant donné que ceux-ci peuvent changer les propriétés de l'ADN. La technique de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) développée par le groupe de Jacques Dubochet au début des années 80, permet la visualisation directe des molécules d'ADN suspendues dans des couche minces vitrifiées de solutions aqueuses. Toutefois, le faible contraste qui caractérise la cryo-EM combinée avec la très petite taille des minicercles d'ADN rendent nécessaire l'optimisation de plusieurs étapes, aussi bien dans la préparation des échantillons que dans le processus d'acquisition d'images afin d'obtenir deux clichés stéréo qui permettent la reconstruction 3-D des minicercles d'ADN. Dans la première partie de ma thèse, je décris l'optimisation de certains paramètres pour la cryoEM et des processus d'acquisition d'image utilisant comme objets de test des plasmides et d'autres molécules d'ADN. Dans la deuxième partie, je .décris comment j'ai construit les minicercles d'ADN de 94 bp et comment j'ai introduit des modifications structurelles comme des coupures ou des lacunes. Dans la troisième partie, je décris l'analyse des reconstructions des rninicercles d'ADN. Cette analyse, appuyée par des tests biochimiques, indique fortement que des molécules d'ADN sont capables de former de petites molécules circulaires de 94 bp sans dépasser les limites d'élasticité, indiquant que les minicercles adoptent une forme circulaire régulière où la flexion est redistribuée le long la molécule. ABSTRACT : Although physical properties of DNA structure have been intensively studied for over 50 years there are still many important questions that need to be answered. For example, what happens to protein-free double-stranded DNA when it is strongly bent, as in DNA forming nucleosomes? Is such protein-free DNA smoothly bent (i.e. it remains within elastic limits of DNA rigidity) or does it release its bending stress by forming sharp kinks (i.e. it exits the elastic regime and breaks the stacking between neighbouring base-pairs in localized regions)? Electron microscopy can provide an answer to this question by directly visualizing DNA minicircles that have the size of nucleosome gyres (ca 90 bp). For the answer to be scientifically valid, one needs to observe DNA molecules while they are still suspended in the solution of interest and no staining chemicals or fixatives have been added since these can change the properties of the DNA. CryoEM techniques developed by Jacques Dubochet's group beginning in the 1980's permit direct visualization of DNA molecules suspended in cryo-vitrified layers of aqueous solutions. However, a relatively weak contrast of cryo-EM preparations combined with the very small size of the DNA minicircles made it necessary to optimize many of the steps and parameters of the cryo-EM specimen preparation and image acquisition processes in order to obtain stereo-pairs of images that permit the 3-D reconstruction of the observed DNA minicircles. In the first part of my thesis I describe the optimization of the cryo-EM preparation and the image acquisition processes using plasmid size DNA molecules as a test object. In the second part, I describe how I formed the 94 by DNA minicircles and how I introduced structural modifications like nicks or gaps. In the third part, I describe the cryo-EM analysis of the constructed DNA minicircles. That analysis, supported by biochemical tests, strongly indicates that DNA minicircles as small as 94 by remain within the elastic limits of DNA structure, i.e. the minicircles adopt a regular circular shape where bending is redistributed along the molecules.

Puce a ADN: pourquoi et pour qui [Array CGH: why and to whom]

Structural genomic abnormalities play a key role in the pathogenesis of human disorders and represent one of the first causes of mental impairment, complex syndromes and tumors. In order to detect these chromosomal abnormalities, many methodologies have been developed with limits. The new ARRAY based Comparative Genomic Hybridization (ARRAY CGH) is a revolutionary approach which allows to characterize very small genetic abnormalities undetectable by the standard approaches and in the absence of any associated clinical information. The aim of this article is to describe why the application of a new array CGH methodology is necessary in the etiological search for genetic diseases, what the limits of the standard approaches are and to whom arrayCGH analyses can be applied in a pediatric environment. Examples of our practice will be presented.

Apprécier le risque d'erreur lors d'une analyse ADN: de la nécessité d'être concret

De nos jours, les tribunaux se basent couramment sur des résultats d'analyses ADN pour étudier le lien potentiel entre du matériel biologique prélevé sur une scène de crime et un suspect. Malheureusement, plusieurs cas d'erreurs de laboratoire ou de manipulation de traces lors de leur collecte ou de leur transport ont été découverts ces dernières années. Dès lors, quelle est la valeur réelle d'un tel rapprochement entre une trace et un suspect ? Faut-il douter de la fiabilité des analyses ADN ? Et si oui, comment maîtriser le risque sans devoir écarter totalement la preuve ? Le praticien peut rencontrer des difficultés avec ces questions car la littérature existante se limite à mentionner le potentiel d'erreur, sans pour autant fournir des pistes sur la façon de gérer concrètement ce problème. L'objet de la présente contribution est d'examiner ces questions à la lumière d'un arrêt récent du Tribunal pénal fédéral. Nous verrons qu'une approche utile consiste à apprécier le risque d'erreur au cas par cas et de manière concrète, plutôt que de réfléchir de façon globale et abstraite.

Preuve par l'ADN: la génétique au service de la justice

[Sommaire] Introduction. - Concepts biochimiques de base. - Concepts génétiques de base. - Quelques méthodes d'analyse de base en biologie. - Analyses génétiques - La caisse à outils de base. - Analyses génétiques - La caisse à outils spécialisée. - Les traces biologiques dans leur utilisation pratique. - Tests indicatifs et recherche des traces. - Quelques éléments d'évaluation probabiliste. - Au-delà du laboratoire. - Glossaire. - Index

Aspects financiers liés aux analyses ADN

La surveillance et la maîtrise des coûts liés aux analyses ADN sont très importants, surtout dans un contexte où les ressources financières ne sont pas illimitées. Des décisions quant à la priorisation des prélèvements à analyser s'imposent. La connaissance de l'aspect budgétaire est un des éléments qui peut aider à la prise de décision. Après un bref rappel des bases légales en matière d'analyses ADN en Suisse et de l'évolution législative de ces dernières années, l'article présente différents aspects financiers liés aux analyses ADN. De l'importance des sommes investies dans ces analyses et souvent méconnues dans leur globalité, même au sein des acteurs de la chaîne pénale, aux efforts faits pour optimiser les dépenses liées aux analyses ADN. Des actions sur différents facteurs qui portent sur la communication entre le laboratoire et le mandant des analyses, les changements dans le mode et les stratégies de prélèvements, ou l'utilisation de tests indicatifs moins chers qu'une analyse, nous ont permis d'optimiser nos dépenses pour obtenir plus de résultats positifs.

Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II

Résumé tout public : Le développement du diabète de type II et de l'obésité est causé par l'interaction entre des gènes de susceptibilité et des facteurs environnementaux, en particulier une alimentation riche en calories et une activité physique insuffisante. Afín d'évaluer le rôle de l'alimentation en absence d'hétérogénéité génétique, nous avons nourri une lignée de souris génétiquement pure avec un régime extrêmement gras. Ce régime a conduit à l'établissement de différents phénotypes parmi ces souris, soit : un diabète et une obésité (ObD), un diabète mais pas d'obésité (LD) ou ni un diabète, ni une obésité (LnD). Nous avons fait l'hypothèse que ces adaptations différentes au stress nutritionnel induit par le régime gras étaient dues à l'établissement de programmes génétiques différents dans les principaux organes impliqués dans le maintien de l'équilibre énergétique. Afin d'évaluer cette hypothèse, nous avons développé une puce à ADN contenant approximativement 700 gènes du métabolisme. Cette puce à ADN, en rendant possible la mesure simultanée de l'expression de nombreux gènes, nous a permis d'établir les profils d'expression des gènes caractéristiques de chaque groupe de souris nourries avec le régime gras, dans le foie et le muscle squelettique. Les données que nous avons obtenues à partir de ces profils d'expression ont montré que des changements d'expression marqués se produisaient dans le foie et le muscle entre les différents groupes de souris nourries avec le régime gras. Dans l'ensemble, ces changements suggèrent que l'établissement du diabète de type II et de l'obésité induits par un régime gras est associé à une synthèse accrue de lipides par le foie et à un flux augmenté de lipides du foie jusqu'à la périphérie (muscles squelettiques). Dans un deuxième temps, ces profils d'expression des gènes ont été utilisés pour sélectionner un sous-ensemble de gènes suffisamment discriminants pour pouvoir distinguer entre les différents phénotypes. Ce sous-ensemble de gènes nous a permis de construire un classificateur phénotypique capable de prédire avec une précision relativement élevée le phénotype des souris. Dans le futur, de tels « prédicteurs » basés sur l'expression des gènes pourraient servir d'outils pour le diagnostic de pathologies liées au métabolisme. Summary: Aetiology of obesity and type II diabetes is multifactorial, involving both genetic and environmental factors, such as calory-rich diets or lack of exercice. Genetically homogenous C57BL/6J mice fed a high fat diet (HFD) up to nine months develop differential adaptation, becoming either obese and diabetic (ObD) or remaining lean in the presence (LD) or absence (LnD) of diabetes development. Each phenotype is associated with diverse metabolic alterations, which may result from diverse molecular adaptations of key organs involved in the control of energy homeostasis. In this study, we evaluated if specific patterns of gene expression could be associated with each different phenotype of HFD mice in the liver and the skeletal muscles. To perform this, we constructed a metabolic cDNA microarray containing approximately 700 cDNA representing genes involved in the main metabolic pathways of energy homeostasis. Our data indicate that the development of diet-induced obesity and type II diabetes is linked to some defects in lipid metabolism, involving a preserved hepatic lipogenesis and increased levels of very low density lipoproteins (VLDL). In skeletal muscles, an increase in fatty acids uptake, as suggested by the increased expression of lipoprotein lipase, would contribute to the increased level of insulin resistance observed in the ObD mice. Conversely, both groups of lean mice showed a reduced expression in lipogenic genes, particularly stearoyl-CoA desaturase 1 (Scd-1), a gene linked to sensitivity to diet-induced obesity. Secondly, we identified a subset of genes from expression profiles that classified with relative accuracy the different groups of mice. Such classifiers may be used in the future as diagnostic tools of each metabolic state in each tissue. Résumé Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II L'étiologie de l'obésité et du diabète de type II est multifactorielle, impliquant à la fois des facteurs génétiques et environnementaux, tels que des régimes riches en calories ou un manque d'exercice physique. Des souris génétiquement homogènes C57BL/6J nourries avec un régime extrêmement gras (HFD) pendant 9 mois développent une adaptation métabolique différentielle, soit en devenant obèses et diabétiques (ObD), soit en restant minces en présence (LD) ou en absence (LnD) d'un diabète. Chaque phénotype est associé à diverses altérations métaboliques, qui pourraient résulter de diverses adaptations moléculaires des organes impliqués dans le contrôle de l'homéostasie énergétique. Dans cette étude, nous avons évalué si des profils d'expression des gènes dans le foie et le muscle squelettique pouvaient être associés à chacun des phénotypes de souris HFD. Dans ce but, nous avons développé une puce à ADN métabolique contenant approximativement 700 ADNc représentant des gènes impliqués dans les différentes voies métaboliques de l'homéostasie énergétique. Nos données indiquent que le développement de l'obésité et du diabète de type II induit par un régime gras est associé à certains défauts du métabolisme lipidique, impliquant une lipogenèse hépatique préservée et des niveaux de lipoprotéines de très faible densité (VLDL) augmentés. Au niveau du muscle squelettique, une augmentation du captage des acides gras, suggéré par l'expression augmentée de la lipoprotéine lipase, contribuerait à expliquer la résistance à l'insuline plus marquée observée chez les souris ObD. Au contraire, les souris minces ont montré une réduction marquée de l'expression des gènes lipogéniques, en particulier de la stéaroyl-CoA désaturase 1 (scd-1), un gène associé à la sensibilité au développement de l'obésité par un régime gras. Dans un deuxième temps, nous avons identifié un sous-ensemble de gènes à partir des profils d'expression, qui permettent de classifier avec une précision relativement élevée les différents groupes de souris. De tels classificateurs pourraient être utilisés dans le futur comme outils pour le diagnostic de l'état métabolique d'un tissu donné.

Investigation de liens de parenté à l'aide de l'ADN: lecture différentielle de rapports d'expertise

De nos jours, l'ADN apparaît fréquemment dans les affaires judiciaires et la littérature spécialisée. L'évaluation de ce type d'indice est vaste. En général, les débats restent toutefois assez théoriques. Dans la présente contribution, deux types courants d'analyse sont abordés, l'ADN nucléaire et l'ADN mitochondrial, dans le cadre d'une recherche en demi-fraternité. Deux rapports d'expertise seront décortiqués ligne par ligne pour en offrir une lecture critique et cerner la fiabilité et l'utilité des conclusions apportées par les experts.

Évaluation statistique des résultats des analyses ADN de 2005 à 2011 et recommandations stratégiques au sein de la section d'Identité judiciaire de la Police cantonale vaudoise

Notre étude a eu pour but d'analyser les résultats des analyses ADN effectuées sur les traces relevées sur des scènes de crimes ou sur des objets s'y apparentant. Cette analyse nous a permis d'en identifier les points forts et les points faibles. Les données concernant les résultats ADN des années 2005 à 2008 dans le canton de Vaud ont montré une augmentation significative du nombre de traces envoyées, avec en parallèle un déclin de la qualité des résultats. Suite à cette observation, des solutions ayant pour but de réduire le nombre de ces analyses négatives ont dû être adoptées. Des changements opérationnels ont alors été mis en place dès 2009. Il s'agissait alors, d'une part, d'agir au niveau des traces de contact en tenant compte du type de support sur lequel la trace était prélevée, et, d'autre part, d'agir sur les traces riches (sang, salive, sperme) en mettant en place l'analyse systématique de la nature de la trace à l'aide de tests indicatifs. L'évaluation des conséquences de la mise en place de ces procédures a été possible à l'aide d'une nouvelle analyse statistique. Les résultats montrent qu'un meilleur tri des traces permet une amélioration des résultats.