Un organisme modèle est une espèce non humaine étudiée afin de comprendre des processus biologiques, en partant du principe que les découvertes réalisées chez cet organisme modèle permettront de mieux comprendre le fonctionnement d’autres organismes. Ces organismes peuvent également occuper une position centrale dans l’arbre de l’évolution, offrant ainsi aux scientifiques un aperçu du développement évolutif. Les organismes modèles sont devenus des outils irremplaçables de la recherche biologique fondamentale et clinique et ont permis aux scientifiques d’accumuler une quantité considérable de connaissances.
Découvrez-en davantage sur les organismes modèles non mammaliens et leurs différents avantages dans le tableau ci-dessous :
Organismes modèles dans les différents règnes
| Règne | Organisme modèle | Domaine de recherche |
| Procaryotes | En recherche fondamentale, B. subtilis est l’espèce de choix pour étudier la réplication du chromosome bactérien et la différenciation cellulaire. Elle est considérée comme l’une des espèces les mieux étudiées. Cette bactérie est utilisée dans des études en laboratoire visant à découvrir les propriétés et caractéristiques fondamentales des bactéries à Gram positif formant des spores. | |
| E. coli peut être cultivée facilement et à faible coût. Les souches cultivées, telles qu’E. coli K12, sont bien adaptées à l’environnement de laboratoire, où elles ont fait l’objet de recherches intensives au cours des 60 dernières années, ce qui en fait l’organisme modèle procaryote le plus largement étudié. En 1946, la première conjugaison bactérienne a été décrite en utilisant E. coli comme bactérie modèle, de manière comparable aux premières expériences visant à comprendre la génétique des phages. | ||
| Champignons | Aspergillus nidulans, également connu sous le nom d’Emericella nidulans lorsqu’il est fait référence à sa forme sexuée, est un organisme de recherche important pour l’étude de la biologie cellulaire eucaryote. En raison de sa parasexualité, la transformation est rapidement devenue une alternative aux croisements dans la génétique d’Aspergillus. Ainsi, bien avant que l’ADN recombinant ne soit disponible, des marqueurs génétiques étaient déjà recombinés en exploitant la parasexualité. A. nidulans est rapidement devenu l’un des organismes modèles eucaryotes les plus importants. Depuis les années 1950, il est utilisé pour étudier un large éventail de sujets, notamment la recombinaison, la réparation de l’ADN, les mutations, le contrôle du cycle cellulaire, la tubuline, la chromatine, la nucléocinèse, la pathogenèse, le métabolisme et l’évolution expérimentale. | |
| N. crassa est une espèce de moisissure rouge du pain. En raison de son cycle de vie haploïde, qui facilite l’analyse des caractères récessifs, et de sa culture relativement simple, ce champignon est fréquemment utilisé pour étudier la méiose, la régulation métabolique et les rythmes circadiens. Des expériences utilisant des rayons X et l’analyse du dysfonctionnement d’enzymes spécifiques ont conduit à l’hypothèse « un gène, une enzyme ». Cet organisme joue un rôle important dans l’élucidation des événements moléculaires impliqués dans les rythmes circadiens, l’épigénétique et l’inactivation génique, la polarité cellulaire, la fusion cellulaire, le développement, ainsi que dans de nombreux aspects de la biologie cellulaire et de la biochimie. Les variants knockout du type sauvage de N. crassa sont largement étudiés afin de déterminer la fonction des gènes. | ||
| La levure à fission S. pombe est un eucaryote unicellulaire. Les cellules se développent exclusivement à partir de leurs extrémités et produisent deux cellules filles de taille égale, ce qui les prédestine à la recherche sur le cycle cellulaire. S. pombe a été le sixième organisme modèle eucaryote dont le génome a été entièrement séquencé. Les principes fondamentaux observés dans une cellule de levure peuvent être utilisés pour comprendre des organismes plus complexes tels que les mammifères et, en particulier, les êtres humains. S. pombe est également devenu un organisme important pour étudier les réponses cellulaires aux dommages de l’ADN et le processus de réplication de l’ADN. | ||
| Diverses protéines humaines, notamment des protéines impliquées dans le cycle cellulaire et la signalisation, ainsi que des enzymes, ont initialement été découvertes grâce à l’étude de leurs homologues chez les levures, en particulier chez S. cerevisiae. En tant qu’eucaryote, cet organisme possède la structure cellulaire interne complexe caractéristique des plantes et des animaux, mais ne présente pas leur proportion élevée d’ADN non codant. Cet organisme unicellulaire possède un temps de génération court et peut être cultivé facilement. Il a été le premier organisme eucaryote dont le génome a été entièrement séquencé, et les mutants de délétion couvrent plus de 90 % de son génome. S. cerevisiae se divise par méiose, ce qui en fait un organisme approprié pour la recherche en génétique sexuelle. td> | ||
| Algues | C. reinhardtii est une algue verte unicellulaire. Sa croissance peu exigeante et la possibilité de manipuler son patrimoine génétique incitent les scientifiques à utiliser C. reinhardtii comme organisme modèle pour étudier des questions fondamentales telles que le mouvement et la reconnaissance cellulaires, la photosynthèse, les flagelles et la motilité, la régulation du métabolisme et la réponse à la privation de nutriments. Comme cette algue est haploïde, les expériences impliquant des mutations knockout produisent des effets directement observables dans le phénotype. La moitié des protéines mitochondriales sont codées dans le noyau, une caractéristique unique qui confère à C. reinhardtii une importance particulière pour les études mitochondriales. | |
| Plantes | A. thaliana est l’organisme modèle le plus étudié en recherche fondamentale dans le domaine de la génétique moléculaire végétale. Sa petite taille, son génome compact et son temps de génération court facilitent les études génétiques rapides et prédestinent cette plante à servir d’outil pour comprendre la biologie moléculaire de nombreux caractères, notamment le développement des fleurs et la perception de la lumière. Arabidopsis a été la première plante dont le génome a été séquencé. A. thaliana peut être transformée génétiquement à l’aide d’>A. tumefaciens par la méthode dite de « floral dip ». Grâce à cette méthode, les plantes, et plus particulièrement A. thaliana, comptent parmi les organismes multicellulaires les plus faciles à transformer, ce qui est essentiel pour de nombreuses études ultérieures. De nombreux mutants phénotypiques et biochimiques ont été cartographiés, contribuant ainsi à la compréhension de la méthylation de l’ADN dirigée par l’ARN, également appelée silençage transcriptionnel. | |
| Le riz (Oryza sativa) est l’une des cultures les plus importantes au monde. Il possède l’un des plus petits génomes parmi les espèces céréalières. Le Projet international de séquençage du génome du riz, ou International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP), a commencé son décryptage en 1997. La recherche sur ce génome constitue une étape vers la modification génétique visant à accroître la résistance et les rendements. Afin de lutter contre la carence en vitamine A, le riz doré a été créé en transformant le riz à l’aide de deux gènes impliqués dans la biosynthèse du bêta-carotène. | ||
| Le maïs est une monocotylédone diploïde et l’une des céréales les plus utilisées. Il constitue depuis près d’un siècle un organisme modèle fondamental pour la recherche en génétique, en biologie moléculaire et en agronomie. Certains chromosomes du maïs présentent des nodules chromosomiques, qui sont des domaines hétérochromatiques hautement répétitifs. Ces nodules ont contribué à la découverte des transposons et ont permis de valider la théorie des gènes sauteurs ; environ 85 % du génome est constitué de transposons. De nombreux marqueurs d’ADN ont été cartographiés et le génome a été séquencé en 2008. Le maïs est également utilisé pour étudier la physiologie du développement, l’épigénétique, la résistance aux organismes nuisibles, l’hétérosis, l’hérédité quantitative et la génomique comparative. | ||
| Animaux | C. elegans est un nématode transparent vivant à l’état libre. Il s’agit d’un organisme eucaryote multicellulaire, mais suffisamment simple pour être étudié de manière très détaillée, ce qui en fait un excellent modèle pour comprendre le contrôle génétique du développement et de la physiologie. C. elegans a été le premier organisme multicellulaire dont le génome a été entièrement séquencé et possède un nombre fixe de 1 031 cellules. Il s’agit de l’un des organismes les plus simples dotés d’un système nerveux et, en 2012, du seul organisme dont le connectome avait été entièrement établi. Cet organisme est utilisé pour étudier la chimiotaxie, la thermotaxie, la mécanotransduction, l’apprentissage, la mémoire et le comportement d’accouplement. | |
| D. rerio est un poisson d’eau douce dont le corps est presque transparent au cours des premiers stades de son développement, ce qui offre un accès visuel exceptionnel à l’anatomie interne de l’animal. Le poisson-zèbre est utilisé pour étudier le développement des vertébrés et la fonction de gènes spécifiques. Ses capacités de régénération présentent un intérêt particulier pour l’étude du rôle des voies de signalisation. Les résultats des études toxicologiques réalisées chez D. rerio peuvent être directement transposés aux modèles mammaliens et à l’être humain. | ||
| La mouche du vinaigre D. melanogaster a été l’un des tout premiers organismes modèles, passant du milieu naturel à l’animal de laboratoire au début du XXe siècle. Cette mouche est largement utilisée pour la recherche biologique dans les domaines de la génétique, de la physiologie, de la pathogenèse microbienne et de l’évolution des stratégies d’histoire de vie. Thomas Hunt Morgan a été le premier à reconnaître le potentiel de la cartographie des chromosomes de D. melanogaster et de tous ses mutants connus. Il s’agit aujourd’hui de l’organisme eucaryote le mieux caractérisé sur le plan génétique. Les principes de processus tels que la transcription et la réplication peuvent être transposés à d’autres eucaryotes, y compris l’être humain, puisque près de 60 % des gènes sont conservés entre les deux espèces. Plus récemment, la drosophile a été utilisée dans la recherche neuropharmacologique. | ||
| O. latipes est un organisme modèle largement utilisé dans de nombreux domaines de la recherche biologique, en particulier en toxicologie. Avec un cycle de génération de sept semaines, il se reproduit plus rapidement que le poisson-zèbre. De plus, son génome, qui comprend environ 800 millions de paires de bases, ne représente que la moitié de la taille de celui du poisson-zèbre, et O. latipes est beaucoup plus robuste. | ||
| Platynereis dumerilii | Le ver annélide marin de Dumeril, P. dumerilii, est un annélide polychète marin, également appelé ver de vase. Ce ver vit dans le même type d’environnement que ses ancêtres d’il y a plusieurs millions d’années et conserve encore de nombreuses caractéristiques ancestrales, ce qui lui vaut d’être souvent qualifié de fossile vivant. Il a notamment conservé une structure oculaire appelée ocelle, qui constitue l’une des formes d’yeux les plus simples existantes. En raison de cette conservation évolutive, P. dumerilii est utilisé comme organisme modèle dans de nombreuses études phylogénétiques. Avec environ 109 paires de bases, la taille de son génome est moyenne pour un animal et supérieure à celle d’autres organismes modèles. Il est toutefois riche en introns et se rapproche donc davantage des vertébrés tels que l’être humain. | |
| La grenouille africaine à griffes, X. laevis, est une espèce de grenouille aquatique présente dans une grande partie de l’Afrique subsaharienne. Elle possède un embryon de grande taille, facile à manipuler, qui permet de réaliser des études moléculaires, développementales et de biologie cellulaire. Par rapport à d’autres organismes modèles, X. laevis bénéficie d’une relation évolutive relativement proche avec l’être humain. Il s’agit du seul système modèle vertébré permettant des analyses in vivo à haut débit de la fonction des gènes ainsi que des analyses biochimiques à haut débit. Les grands ovocytes de cette grenouille constituent également un outil fondamental pour les études du transport ionique et de la physiologie des canaux. |
Qu’est-ce qu’un organisme modèle ?
Lorsqu’ils recherchent un organisme à utiliser dans leurs études, les chercheurs prennent en compte plusieurs caractéristiques. Celles-ci comprennent notamment la taille, le temps de génération, l’accessibilité, les possibilités de manipulation, les caractéristiques génétiques, la conservation des mécanismes et les avantages économiques potentiels. Certaines bactéries, certains champignons, certaines plantes ou certains animaux peuvent être élevés et étudiés à l’aide de méthodes simples et présentent donc une grande importance pour la recherche biologique et biomédicale. En raison de leur utilisation comme modèles, les organismes modèles sont généralement les premiers organismes d’un règne dont le génome entier a été décodé. Cela accroît encore davantage les possibilités de recherche les concernant.
Histoire des organismes modèles
L’histoire des organismes modèles a commencé avec l’idée selon laquelle certains organismes pouvaient être étudiés et utilisés afin d’acquérir des connaissances sur d’autres organismes ou de servir de référence idéale pour d’autres organismes appartenant à la même espèce. Les organismes modèles fournissent des standards qui constituent une base reconnue pour comparer d’autres organismes, ce qui est essentiel au développement des arbres phylogénétiques. Aujourd’hui, les analyses phylogénétiques occupent une place centrale dans la compréhension de la biodiversité, de l’évolution, de l’écologie et des génomes.Au milieu du XIXe siècle, des scientifiques tels que Charles Darwin et Gregor Mendel, ainsi que leurs travaux respectifs sur la sélection naturelle et la génétique de l’hérédité, ont constitué une pierre angulaire de la recherche génétique en général. Les carnets de Darwin datant de 1837 contiennent l’une des premières esquisses d’un arbre évolutif. Au XXe siècle, ces travaux fondamentaux sur les plantes et les animaux vivant à l’état libre se sont poursuivis dans les laboratoires, où la drosophile, E. coli et les souris de laboratoire ont été introduites comme nouveaux organismes modèles. Ces organismes ont permis de nombreuses avancées au cours du siècle dernier.
Modèles animaux mammaliens de maladies
Afin de comprendre les processus et les comportements humains, les modèles mammaliens fournissent les informations les plus pertinentes, car ils présentent un degré élevé d’homologie avec l’être humain. En raison de la facilité de leur élevage, les espèces de souris et de rats sont les principaux représentants de ces modèles. Les hominidés, les porcs, les cobayes et les chiens font toutefois également l’objet d’études approfondies.
Les modèles animaux utilisés dans la recherche peuvent présenter une maladie ou une lésion préexistante, consanguine ou induite, similaire à une pathologie humaine. L’utilisation de modèles animaux permet aux chercheurs d’étudier des états pathologiques au moyen de procédures impliquant un niveau de préjudice qui ne serait pas considéré comme éthique chez un être humain. Les maladies humaines complexes peuvent toutefois souvent être mieux comprises dans un système simplifié, dans lequel les différentes composantes du processus pathologique sont isolées et examinées séparément.
Le
est particulièrement utile comme modèle toxicologique et comme source de cultures cellulaires primaires. Les arcs aortiques du rat comptent parmi les structures les plus fréquemment étudiées dans les modèles murins en raison de leur forte homologie anatomique avec le système cardiovasculaire humain. Les rats sont également particulièrement utiles pour les études psychologiques portant sur l’apprentissage et d’autres processus mentaux, ainsi que pour comprendre les comportements de groupe et les effets de la surpopulation. Le rat a néanmoins perdu de son importance comme organisme modèle au cours des deux ou trois dernières décennies, principalement parce que son génome ne tolère pas l’insertion d’ADN étranger dans une mesure comparable à celle du génome de la souris.Pourquoi recourir à des modèles non traditionnels ?
Le groupe des organismes utilisés comme modèles ne constitue pas une catégorie fixe. De nouveaux organismes apparaissent, tandis que d’autres perdent progressivement de leur importance. Il peut parfois être judicieux de rechercher un organisme particulier afin d’étudier un nouveau domaine. Les premières études portant sur les extrémités des chromosomes, les télomères, ont été réalisées chez le protozoaire cilié Tetrahymena. Chaque cellule de Tetrahymena possède un très grand nombre de minuscules chromosomes linéaires et contient donc une quantité bien plus importante de séquences télomériques qu’une cellule eucaryote typique.
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