A bas les programmes, vive le hasard et la sélection ! Slogan de la prochaine élection présidentielle ? Nenni. Un sujet de discussion, vive, pour biologistes. La biologie doit elle se plier à ce nouvel adage ? C’est ce que semble montrer une expérience sur des cellules souches de sang de poulet dont les résultats sont publiés dans la revue PLOS Biology (1). Selon cet article, au cœur de nos cellules, au plus près de notre ADN, le support moléculaire de l’hérédité, nul « programme génétique » au sens que l’informatique donne au mot programme. Mais le hasard et la sélection naturelle. Un truc analogue au concept central du grand Charles Darwin.

L’expérience a été réalisée par une équipe regroupant biologistes et mathématiciens, de Lyon, Paris, Evry, Lausanne et du Japon. Dirigée pour la partie expérimentale par Olivier Gandrillon (CNRS). Elle repose sur une théorie avancée pour la première fois par Jean-Jacques Kupiec (2) en… 1983 ! A l’époque, sans aucun succès.

Pas seulement en raison d’un parcours chaotique, qui l’a vu intégrer le monde de la recherche comme ingénieur d’étude puis de recherche à l’INSERM. Et s’être présenté en vain au concours de chercheur en 1993, recalé par un jury manifestement pas très malin. Mais surtout en raison de « l’idéologie dominante » dans les laboratoires, fondée sur une interprétation des observations et expériences sur le vivant faisant la part belle à un « programme génétique ». Un programme qui serait « écrit » dans l’ADN et qu’il suffirait de lire pour le connaître, le comprendre et résoudre les mystères du vivant.

Pourtant, les observations allant à l’encontre de cette théorie dominante s’accumulaient. Face à cette difficulté, la plupart des biologistes suivaient alors une démarche similaire à celle des astronomes d’avant Copernic. Complexifier la théorie géocentriste de Ptolémée pour lui permettre d’intégrer les nouvelles observations. Là, c’est la génétique et la notion de gènes qui se complexifient… au point de devenir de plus en plus floues. Pendant ce temps, Kupiec solidifie sa proposition et la diffuse, avec articles scientifiques, interviews dans la presse et livres comme « Ni Dieu ni gène » (Le Seuil, 2001 avec Pierre Sonigo).

Des génomes entiers « lus »

Comme souvent en science, c’est en creusant profond un sillon que l’on peut mettre en cause l’idée initiale. En biologie, l’explosion de la technologie a permis de creuser très profond. Des génomes entiers sont « lus » – au sens où l’on établit les longues séquences des bases (lettres) de l’ADN (les nucléotides Adénine, Cytosine, Thymine et Guanine) – pour des milliers d’espèces allant de bactéries et virus à l’éléphant ou l’homme. Des bases de données gigantesques en découlent. En outre, leur environnement de protéines, encore plus gigantesque en nombre d’informations, est aussi analysé de manière systématique, notamment avec le programme de recherche international ENCODE.

Les premiers résultats d’ENCODE ont été publié en 2012, ils montraient que le génome ne se comporte vraiment pas comme un « programme » sur le mode informatique : une instruction, une opération. Ainsi, ENCODE confirmait l’importance des interactions entre l’ADN et les protéines de la « chromatine » (l’ensemble formé par l’ADN et les protéines qui lui sont liées dans le noyau des cellules) ou le caractère massif de transcriptions d’ADN en ARN sans que cela n’entraîne la production de protéines. Mais nul programme au bout de l’exploration.

Les biologistes d’ENCODE ne se sont pas cachés les conséquences de leurs travaux. «Ces découvertes forcent à repenser la définition du gène et de l’unité minimum de l’hérédité», écrivait l’un des auteurs dans la revue Nature. Devant l’échec final de la recherche de ce programme au cœur du génome, l’attitude adoptée par de nombreux biologistes fut de basculer de la vision réductionniste à une vision de type holiste : ce serait « le tout » – la cellule » – qui expliquerait le fonctionnement du génome.

Ni réductionnisme ni holisme

Interrogé, Jean-Jacques Kupiec en tirait une toute autre leçon. Voici ce qu’il me déclarait pour un article paru dans Libération : «Encode fournit une description de la chromatine à un niveau de précision inédit. Mais cela reste une description et non une explication de son fonctionnement. L’obtention de données est certes importante pour faire progresser la science, mais nous avons aussi besoin de modèles et de théories qui expliquent le fonctionnement de la nature, qui permettent de faire des prédictions et de proposer des expériences nouvelles. La science progresse grâce à un équilibre entre observation, expérimentation et théorisation.

Comparons avec les physiciens. Ils explorent l’univers et en établissent une carte toujours plus élaborée. Mais cette carte ne nous donne pas les lois qui expliquent le mouvement des planètes ou la formation des galaxies. Aujourd’hui, les biologistes accumulent des données et établissent des cartes de plus en plus précises du vivant à l’échelle moléculaire et cellulaire. C’est certainement très utile. Mais un problème théorique majeur n’est pas résolu, perceptible dans le projet Encode lui-même.

Encode est présenté comme une suite logique : après avoir séquencé les génomes, on allait comprendre comment la cellule interprète le génome, puisque la seule séquence ne fournissait pas de réponses à nos questions sur le vivant. Or, il s’agit en fait d’un glissement théorique très important. Cela revient à affirmer que le niveau explicatif du vivant n’est pas celui des gènes mais celui de la cellule prise comme un tout. On introduit ainsi une vision dite holiste – où le tout commande les parties – en contradiction avec le paradigme réductionniste de la biologie moléculaire, où les parties élémentaires doivent commander le tout. Ce glissement théorique n’est pas une infamie en soi, le problème est que cette contradiction n’est pas assumée et qu’on n’en tire pas les conséquences.

Expression aléatoire des gènes

Cette contradiction, qui fait osciller la biologie entre le réductionnisme et le holisme, est récurrente. Sa solution implique de changer radicalement de cadre théorique. J’ai proposé une nouvelle théorie qui n’est ni holiste ni réductionniste. Elle confère un rôle décisif aux phénomènes aléatoires – opposée à la vision déterministe qui fonde la notion de programme génétique – notamment dans l’expression des gènes. Ce moteur aléatoire au niveau génétique et moléculaire serait contrôlé par le niveau cellulaire sur le mode de la sélection naturelle. Avec des collègues physiciens, nous avons effectué des simulations informatiques qui montrent la capacité de cellules fonctionnant selon ces principes à s’organiser en tissus. Ces simulations suggèrent aussi une nouvelle manière d’envisager le cancer (3).

Avec d’autres collègues nous étudions de manière expérimentale l’expression aléatoire des gènes afin de montrer qu’il s’agit d’un aspect essentiel de la différenciation des cellules en types différents et non d’un simple «bruit» parasitant le déroulement d’un «programme génétique» auquel la plupart de mes collègues adhèrent toujours comme paradigme de la biologie. Cette nouvelle approche pourrait résoudre le mystère des relations entre la formation d’un individu et l’évolution des espèces sous la forme d’un processus unique, régulé par la sélection naturelle (4).» Jean-Jacques Kupiec annonçait ainsi l’expérience dont les résultats sont publiés par PLOS Biology.

Des prédictions testables

Son objectif ? Explorer par l’expérience une différence de prédiction entre les deux théories. Programme génétique d’un côté, hasard et sélection de l’autre. Dans la première, les cellules souches, ou celle d’un embryon, savent « à l’avance » ce qu’elles doivent devenir. Grâce à l’information que leur ADN est censée contenir. Elles se transforment donc en cellules spécialisées en suivant ce « plan », de manière directe. Dans la seconde théorie, elles commencent par exprimer leurs gènes au hasard, ce qui se traduit par une contenu en ARN et en protéines variable. Puis un processus de sélection intervient, qui réduit drastiquement cette diversité aux types cellulaires opérationnels et viables dans l’embryon ou l’adulte.

Ces deux théories débouchent sur deux prédictions testables. Pour celle du hasard/sélection, la variabilité des cellules doit évoluer en affichant d’abord une forte diversité due à l’expression au hasard des gènes. Puis diminuer au cours de la stabilisation due à la sélection naturelle. En revanche, la théorie du programme n’a aucune raison de prédire cette forte diversité au début du processus de différenciation cellulaire. Comment tester cette prédiction ?

L’équipe d’Olivier Gandrillon a réalisé l’expérience avec des cellules souches de sang de poulet. Nourries pour se diviser en cellules filles qui se spécialisent en érythrocytes ou globules rouges, les cellules qui transportent l’oxygène. Les biologistes, grâce à des techniques nouvelles, automatisées, ont pu mesurer dans chaque cellule fille l’évolution de son contenu en ARN – lequel correspond à l’expression des gènes – lors du processus. Et cela jusqu’à 72h après la première division de la cellule souche mère. La difficulté technique de l’affaire explique qu’il ait fallu tant de temps pour y parvenir, même après l’obtention des crédits auprès de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) par l’équipe.

Le résultat est net. La variabilité de l’expression des gènes augmente aux débuts du processus, ainsi que la variabilité de la taille des cellules. Les auteurs de l’article écrivent que ce résultat est «complètement compatible avec l’idée que la différenciation (cellulaire, note de SH) n’est pas un « simple programme » que toutes les cellules exécutent de manière identique, mais résulte d’un comportement dynamique du réseau moléculaire sous-jacent».

Le test de Popper

La théorie passe ainsi avec brio un test « popperien » (du nom du philosophe des sciences Karl Popper). Elle a prédit un fait d’observation – là, expérimental – que la théorie concurrente ne prédit pas. Un peu comme la Relativité générale d’Einstein prédit les ondes gravitationnelles récemment découvertes, ou explique un détail de l’orbite de Mercure, deux observations qui prennent Newton en défaut.

Cette expérience va t-elle faire « basculer » l’opinion des biologistes ? Et donc ouvrir un nouveau programme de recherche sur le volet « sélection » : quels sont les mécanismes sélectifs qui, à partir d’une population de cellules qui commencent par se différencier au hasard, réduisent drastiquement cette variation à la seule qui convienne, ici une cellule musculaire, là une cellule de sang ? En 2009, dans une interview (5) à La Recherche, faite par Nicolas Chevassus-au-Louis, Jean-Jacques Kupiec faisait allusion à ce travail futur, à son succès attendu par lui, mais avertissait «je ne crois pas à l’expérience miracle qui emporte seule la conviction. Je crois plutôt à une accumulation de faits qui, accompagnée d’un changement de perspective théorique, créera un nouveau paradigme». Après tout, Charles Darwin n’a pas convaincu tout le monde tout de suite après la publication de l’Origine des espèces.

(1) Single-cell-based analysis highlights a surge in cell-to-cell molecular variability preceding irreversible commitment in a differentiation process.

Angelique Richard, Los Boullu, Ulysse Herbach, Arnaud Bonnafoux, Valerie Morin, Elodie Vallin, Anissa Guillemin, Nan Papili Gao, Rudiyanto, Gunawan, Jeremie Cosette, Ophelie Arnaud, Jean-Jacques Kupiec, Thibault Espinasse, Sandrine Gonin-Giraud, Olivier Gandrillon.

(2) Kupiec, J.J. A probabilist theory for cell differentiation, embryonic mortality and DNA C-value paradox. Spec. Sci. Technol. 6(5):471-478, 1983.

(3) Laforge, B., Guez, D., Martinez, M., Kupiec, J.J. Modeling embryogenesis and cancer : an approach based on an equilibrium between the autostabilization of stochastic gene expression and the interdependance of cells for proliferation. Progress Biophys. Mol. Biol. 89: 93-120, 2005.

(4) Jean-Jacques Kupiec, L’origine des Individus, 2008 (Fayard)