La raison d'être d'un centre de séquençage de l'ADN

Après avoir étudié les gènes des organismes un par un, les biologistes veulent désormais en faire l'inventaire exhaustif. Il leur faut pour cela accéder à l'ensemble de l'information héréditaire d'un organisme - le génome - contenue dans les chromosomes. Ces derniers sont d'immenses molécules d'ADN, formées par l'enchaînement de plusieurs dizaines, voire centaines de millions de nucléotides (les "lettres" de l'ADN) chez l'être humain. Avant de pouvoir dresser un inventaire de nos gènes, les chercheurs doivent donc déterminer l'ordre, ou séquence, dans lequel ces millions de lettres se succèdent.
Il est malheureusement impossible de lire la séquence d'un chromosome "d'une traite". Chaque manipulation de séquençage, ou lecture, ne livre qu'une séquence de 500 à 1 000 nucléotides seulement. Pour s'assurer de la qualité du résultat de chaque lecture et raccorder les séquences les unes aux autres, il est en outre nécessaire de réaliser des lectures redondantes. Déterminer la séquence complète d'un chromosome humain nécessite donc des millions de lectures.
Pour des raisons d'économie, il est beaucoup plus efficace de réaliser ces millions de manipulations à grande échelle dans des structures appropriées, les centres de séquençage ("genome centers"). Le travail y est organisé et en partie robotisé afin que l'on puisse effectuer chaque jour plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de lectures à un coût bien moindre que dans un petit laboratoire.
De tels centres se sont constitués aux Etats-Unis, au Royaume-Uni, au Japon, en Chine, en Allemagne et en France, où le Genoscope est le seul établissement de cette nature.

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Historique du Genoscope

Dès 1993, les États-Unis et le Royaume-Uni avaient mis sur pied des programmes de séquençage à grande échelle. Ils furent bientôt rejoints par d'autres pays au sein du "Projet Génome Humain". En 1997, la France a décidé de rejoindre ce consortium en se dotant d'un grand centre de séquençage.

• 18 décembre 1996 : Création du Groupement d'Intérêt Public (GIP) "Centre National de Séquençage" pour 10 ans (Journal Officiel du 1er janvier 1997).
  
• Novembre 1997 : Démarrage des activités dans des locaux nouvellement aménagés à Évry.
  
• 1er juillet 2002 : Intégration du Genoscope au sein du GIP "Consortium National de Recherche en Génomique" (CNRG), créé pour 12 ans, qui réunit également le Centre National de Génotypage (CNG) et le Réseau National des Génopoles (RNG).

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Missions du Genoscope

Le Genoscope - Centre National de Séquençage - est le premier "grand équipement" français en biologie : à l'image des grands télescopes en astronomie ou des accélérateurs de particules en physique, il propose ses services à la communauté scientifique, dans le cadre de projets en collaboration avec des laboratoires du secteur public, ou sous contrat avec le secteur privé. Parallèlement, le centre entreprend des projets propres.
La mission du Genoscope est de produire et d'interpréter de grands volumes de données de séquence de haute qualité. Les génomes séquencés et analysés appartiennent à divers organismes (microbes, plantes, animaux, humain) présentant un intérêt scientifique, médical ou économique. L'étude et la comparaison de ces séquences génomiques donne lieu à des publications dans les revues scientifiques. Une part essentielle de l'activité du centre est la mise au point de méthodes informatiques pour l'analyse et la comparaison des génomes ; ces travaux de recherche s'inscrivent en partie dans le cadre d'une Unité Mixte de Recherche du CNRS. Fin février 2003, le Genoscope employait 153 personnes en équivalent temps plein.

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Organisation des activités du Genoscope

Au Genoscope, comme dans les autres grands centres de séquençage à travers le monde, le travail d'acquisition et d'interprétation des données de séquence s'effectue par étapes, chacune réalisée dans un laboratoire dédié.
L'ADN est d'abord extrait des cellules de son organisme d'origine, puis coupé en morceaux de petite taille (de 1 000 à 3 000 nucléotides), de l'ordre de ce qui peut être "lu" dans une opération unitaire de séquençage. Les fragments d'ADN sont isolés et propagés dans des bactéries. Le laboratoire de clonage, en charge de ces premières étapes, constitue des collections de ces fragments, ou banques de clones.
Dans le cas des gros génomes (ceux des animaux supérieurs et des plantes), il est nécessaire de couper l'ADN en fragments de différentes tailles pour avoir des informations sur le "paysage" génomique à différentes échelles. Dans la méthode dite "clone par clone", ou hiérarchique, on reconstitue d'abord l'enchaînement de grands fragments génomiques (de 50 000 à 200 000 nucléotides, voire plus) le long d'un chromosome. Cette opération, qui revient à établir une carte, est réalisée au laboratoire de cartographie. Les grands fragments ainsi ordonnés sont alors recoupés en morceaux de plus petite taille, destinés à être séquencés. Ces petits fragments sont à leur tour multipliés et conservés sous la forme d'une banque de clones bactériens (voir le paragraphe ci-dessus).
L'atelier de préparation des matrices purifie les fragments à séquencer en quantités suffisantes, en les extrayant des cellules bactériennes préalablement multipliées en culture.
Chaque fragment est ensuite soumis au processus du séquençage (un ensemble de réactions biochimiques) dans le laboratoire de séquençage. L'analyse des produits des réactions de séquençage, ou lecture, est effectuée par des séquenceurs automatiques selon le principe de l'électrophorèse sur gel. Les machines utilisées au Genoscope, dites multicapillaires, chargent automatiquement et séparent les produits de la réaction de séquençage dans des tubes très fins, les capillaires. Les données de lecture sortant des machines sont soumises à différents processus de contrôle et de traitement assurés par le service informatique ; celui-ci a développé des procédures automatisées pour traiter quotidiennement de grands volumes de données.
Les lectures provenant d'un même génome, ou d'un même grand fragment, sont comparées entre elles pour identifier leurs chevauchements ; on reconstitue de la sorte leur enchaînement (assemblage). La séquence réassemblée est ensuite soumise à différents niveaux d'interprétation au moyen d'outils informatiques. On essaie en premier lieu de détecter les instructions (gènes) disséminées dans la séquence. Les données, une fois vérifiées, sont mises à la disposition de la communauté scientifique mondiale par le réseau Internet ou dans des banques de données publiques.
Enfin, le service de développement technologique met au point des automates capables de réaliser des manipulations répétitives, très nombreuses dans la chaîne de production.

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