Introduction à la biologie systémique: à la découverte des principes de la modélisation théorique de la régulation transcriptionnelle.
L
a fin des années '90 a été marquée par la réalisation du projet international "Human Genome". La carte de tous les gènes humains a été dressée et ceci a favorisé le développment d'un arsenal de méthodes permettant de décrypter et comparer les génomes de divers organismes. Pour traiter ces flots d'informations, les biologistes ont sollicité l'aide des informaticiens et des statisticiens en créant une nouvelle discipline: la bioinformatique. En revanche la décennie actuelle s'est ouverte sur une ère nouvelle (dit "post-génomique") où il s'agit de digérer la masse croissante de données accumulées en biologie cellulaire afin d'y donner sens, en termes de mécanismes physiologiques. Dans cette nouvelle phase d'explorations, baptisée biologie systémique ("systems biology" en anglais), l'objectif est d'investiguer la machinerie extrèmement complexe que représente la cellule vivante comme un grand système formé d'un ensemble de sous-systèmes dynamiques interconnectés.
En effet, la cellule vivante est une entité biologique extrêmement complexe. Afin d’en comprendre quelque peu le fonctionnement, il est donc nécessaire de simplifier sa description. Considérons plus particulièrement une organisation présente à l’intérieur de la cellule : le réseau de transcription génétique. Est-il possible de le considérer comme un « système » à part entière ? Si oui, à quels types de lois phénoménologiques obéit-il ? Voilà un des buts de cette récente discipline appelée « biologie systémique », qui constitue une approche nouvelle des sciences de la vie, dans laquelle des méthodes de la physique et des mathématiques appliquées sont mises en œuvre pour étudier une entité a priori purement biologique : « la cellule vivante ».
Beaucoup de mécanismes présents à l’intérieur de la cellule restent encore inconnus ou inexpliqués. Cependant, malgré la complexité de la « soupe moléculaire » que contient ce milieu, les biologistes ont réussi à déceler des principes généraux permettant de comprendre peu à peu le fonctionnement de la cellule. La recherche dans ce domaine —qui a beaucoup progressé ces dernières années grâce aux avancées expérimentales dans l’étude des réseaux d’interactions biologiques intracellulaires —est encore en pleine expansion et foisonne de problèmes ouverts…
Etant donné qu’elle a évolué afin de remplir certaines fonctions, la machinerie biologique n’est pas due au hasard. En particulier, certains chercheurs ont mis en évidence l’existence de motifs relativement simples dans les réseaux d’interactions biomoléculaires, qui apparaissent de manière récurrente et qui constituent des blocs fonctionnels. Ces derniers seront appelés plus simplement « motifs » dans la suite. Nous allons nous placer dans le cas du réseau de régulation transcriptionnelle et plus précisément nous allons considérer des mini-réseaux pouvant comporter jusqu’à trois gènes. Nous allons nous consacrer à l’étude de certains d’entre eux dans notre projet. C’est pourquoi, à partir du livre d’Uri ALON, intitulé : An Introduction to Systems Biology : Design Principles of Biological Circuits, nous allons étudier le rôle joué par des motifs que l’on retrouve souvent tels que les boucles d’autorégulation (négative ou positive), et des motifs de régulation à deux et à trois gènes… et nous illustrerons leurs propriétés au moyen de simulations numériques.