Projet ANR-14-CE09-0015 – SingleCellMutation : Mesure des taux de mutations et des effets de mutations sur le fitness dans des cellules uniques, vivantes, en temps réel
Programme : Une nouvelle représentation du vivant (DS0401) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame MARINA ELEZ (LABORATOIRE JEAN PERRIN)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 347335.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Les mutations sont à l’origine de toute variation génétique. Comprendre comment apparaissent les mutations permet de prévoir l’évolution ainsi que d’expliquer l’état pathologique de la cellule. Les mutations, à cause de leur rareté extrême, sont difficiles à détecter. Souvent, les mutations ont été déduites en observant les différents phénotypes dans des populations de cellules ou d’organismes. Cependant, cette approche ne permet que la détection des mutations avec un effet non-neutre sur le phénotype. Récemment, le séquençage complet des génomes a permis de détecter toutes les mutations non-létales séparant deux lignées. Cependant, cette approche de détection de mutations a une résolution temporelle faible. De plus parmi les méthodes actuelles, aucune ne permet l'étude de l'émergence des mutations au niveau des cellules uniques et la variabilité du taux de mutations entre ces cellules. 
Nous adressons, pour la première fois, directement, au niveau des cellules uniques la question de comment apparaissent les mutations et quels sont leurs effets au niveau de la fitness, i.e. la valeur sélective. Pour cela, nous allons associer notre approche novatrice d’investigation de mutations par un outil génétique et l’imagerie des cellules vivantes d’E. coli et une nouvelle méthode de microfluidique permettant des expériences à long-terme dans des conditions contrôlées. Notre méthodologie est non-invasive, à haut débit (million de cellules uniques), et permet des expériences sur le long terme (centaines de générations).
Notre approche permet de répondre à plusieurs questions fondamentales concernant le processus de mutagenèse. Premièrement, elle permet de savoir si les taux de mutations sont hétérogènes au sein d'une population clonale, pendant la croissance normale, lors d'un stress, et au cours du vieillissement. Deuxièmement, notre système est unique puisqu'il permet de détecter les mutations avant la sélection. Cela permet, pour la première fois, la détection des mutations indépendamment de leur phénotype. Même les mutations létales peuvent donc être enregistrées. Donc, nous pouvons, grâce à notre méthode, établir de façon quantitative, la distribution des effets de mutations sur la fitness, i.e. le taux de mutations délétères, neutres, létales, et bénéfiques. Troisièmement, elle permet de comprendre comment la stochasticité d'expression de certains gènes importants pour la réparation de l'ADN affecte la variabilité au niveau du taux de mutations parmi les cellules du même génotype. Finalement, elle permet d'étudier les conséquences évolutives de la variabilité du taux de mutations au sein d’une population. 
Toutes ces questions ont attiré beaucoup d’attention depuis des décennies. Elles restent cependant jusqu'à présent sans réponse, puisqu'aucune méthode expérimentale ne permettait la détection et le suivi de mutation sur cellules uniques. Elles sont pertinentes pour plusieurs phénomènes évolutifs.  Les taux de mutations sont des paramètres clés de nombreuses théories évolutives telle celles permettant d’expliquer l’évolution de la recombinaison, le vieillissement et l’extinction des petites populations. Cependant, peu de données empiriques existent. L'hétérogénéité de taux de mutations dans des populations de cellules est aussi pertinente pour l’évolution des bactéries résistantes aux antibiotique, la résistance aux radiations, et pour la progression du cancer. Dans le cas des bactéries pathogènes, cela peut concerner la variation de phases permettant l’évasion rapide du système immunitaire. Dans le cas du cancer, cinq mutations différentes au moins sont nécessaires pour l’acquisition du phénotype cancéreux. A ce jour, il n est pas clair si ces mutations s’accumulent graduellement ou si elles sont acquises en une seule étape. Le dernier scenario n’est pas compatible avec les taux de mutations ordinaires. Cependant, cela est faisable dans des cellules qui produisent temporairement plus de mutations que le reste de la population.