L'ADN en bref
Un peu d'histoire
La génétique est la branche de la biologie qui s’intéresse aux gènes et à l’hérédité. De nos jours la génétique est principalement centrée sur l’étude de l’ADN (acide désoxyribonucléique) et de l’ARN (acide ribonucléique), son rôle dans le fonctionnement des cellules et dans l’expression des traits héréditaires (les phénotypes) et sa réplication.
L’ADN a été isolé pour la première fois en 1869 par un biologiste suisse, Friedrich Miescher. A la même époque, Gregor Mendel énonçait les règles de l’hérédité mais on ne fit pas tout de suite le lien entre ADN et hérédité. C’est à la fin du XIXème siècle qu’on découvre les chromosomes et leur rôle dans la transmission de l’hérédité. La théorie chromosomique de l’hérédité est proposée en 1902 par Walter Sutton. Il montre qu’elle est compatible avec les règles énoncées par Mendel et prédit l’existence de facteurs biologiques de l’hérédité. Les termes de gènes, génotype et phénotype apparaissent peu de temps après dans la littérature scientifique. Thomas Morgan démontre en 1911 que les chromosomes sont les supports des gènes que la théorie de Sutton prédisait. Il publie en 1913 la carte génétique du chromosome X de la mouche du vinaigre (dont le nom scientifique est drosophile).
L’analyse plus précise du rôle et de la structure des chromosomes et la mise en évidence du rôle central joué par l’ADN est le fruit de longues années de recherche. C’est en 1944 qu’Oswald Avery, Colin MacLeod, et Maclyn McCarty démontrent le rôle de l’ADN comme support de l’hérédité. La structure en double hélice de l’ADN est découverte en 1953 par Francis Crick et James Watson et en 1955 on découvre l’ARN polymérase, une enzyme qui permet la réplication de l’ADN.
Dans les années 1960, les travaux de François Jacob et Jacques Monod permettent de mieux comprendre le séquencement des gènes dans l’ADN et établissent la différence entre gènes structuraux et gènes régulateurs. La notion de code génétique commence à se diffuser dans la communauté scientifique.
Dans le même temps, Barbara McClintok découvre le mécanisme de transposition dont les implications sur les gènes commencent seulement à être élucidés.
Les premiers travaux de manipulation génétique datent des années 1980 mais ce n’est qu’à la fin du XXème siècle que la technologie permet la cartographie du génome humain : cartographie d’un chromosome en 1999 et séquençage complet du génome en 2003. La technologie permet aujourd’hui le séquençage d’une molécule d’ADN en quelques heures seulement.
Structure de l'ADN
La structure en double hélice de l'
Nota : on trouve aussi des molécules d'ADN simple brin (monocaténaires), principalement dans les virus.
La molécule d'ADN des organismes multicellulaires est constituée de deux chaînes polymères en hélice reliées entre elles par des ponts hydrogène.
Ces chaînes polymères sont composées de nucléotides. Un nucléotide est une molécule composée d’un pentose sous forme cyclique (désoxyribose C5H10O4 ou ribose C5H10O5), d’une base nucléique (aussi appelée base azotée) et de un à trois groupes phosphate. Le désoxyribose est dérivé du ribose par perte d’un atome d’oxygène.
Dans le cas de l'
Nota : l’ARN est également une molécule polymère composée de nucléotides chaînés entre eux. Les nucléotides de l’ARN sont différents de ceux de l'ADN. De par leur les résidus acides qui les constituent (acide ribonucléque vs. acide désoxyribonucléque) et de par les bases qui les caractérisent. Les bases nucléiques de l'ARN sont l’adénine, la cytosine, la guanine et l’uracile. L’ARN joue différentes fonctions dans le métabolisme. Il intervient en particulier dans la synthèse des protéines.
Le chaînage des nucléotides au sein d’une molécule d’ADN (ou d’ARN) se fait par l’intermédiaire d’une liaison phosphodiester entre le cinquième carbone du pentose (celui qui est hors du cycle) et le troisième. La numérotation des atomes de carbone se fait à partir de l’atome d’oxygène, l’atome 5 étant celui qui n’est pas dans le cycle.
Une liaison phosphodiester lie un groupe phosphate à deux molécules organiques pour former une molécule dont la formule générique peut s’écrire R-O-(PO2)-O-CH2-R’. Ces liaisons sont des liaisons ester : elle passe par un atome d’oxygène qui est relié à un élément déjà porteur d’une liaison double avec un autre atome d’oxygène : R-(X=O)-O-R’.
Nous avons indiqué plus haut que les nucléotides qui forment le chainon élémentaire de l'ADN comportaient une base nucléique. Il existe cinq bases nucléiques canoniques : l'adénine, la thymine, la guanine, la cytosine et l'uracile. Dans le cas de l'ADN, seules quatre interviennent (adénine, thymine, guanine et cytosine). Dans le cas de l'ARN, la thymne est remplacée par l'uracile. Ces quatre bases sont complémentaires deux à deux (adénine et thymine, cytosine et guanine). Les deux brins d'une double hélice sont en fait deux molécules d'ADN complémentaires. La liaison entre elles se fait par l'interméidiaires de ponts hydrogène entre chaque paire A-T (2 ponts) et C-G (3 ponts).
Génome
Le génome désigne l'ensemble des molécules d'ADN rassemblant le patrimoine génétique d'un organisme vivant. Le génome humain, par exemple, comporte 46 (2x23) molécules d'ADN. Les chainons élémentaires constituant ces molécules se différenciant entre eux uniquement par leur base nucléique, la longueur de l'ensemble des molécules d'ADN du génome est exprimée en paires de bases. Le génome humain en compte plus de trois milliards : il ne fait pas mieux que celui de la souris ! Le génome de la mouche drosophile n'en a que 118 millions, moins que le peuplier (485 millions). Celui des bactéries n'en comporte que quelques millions et celui des virus quelques dizaines de milliers.
Nota : les virus ne sont pas à proprement parler des organismes vivants. En particulier Ils ne disposent pas de tous les éléments nécessaires pour se reproduire. Ils doivent pour cela parasiter un organisme vivant et détourner à son profit ses capacités de reproduction (enzymes et ribosomes) de l’ADN.
Procaryotes et eucaryotes
Les organismes vivants sont répartis en deux grandes familles, celle des procaryotes et celle des eucaryotes.
Les procaryotes sont des organismes unicellulaires qui ne comportent pas de noyau. Ils se répartissent entre eubactéries et archéobactéries (archées). L’ADN des procaryotes est un polymère cyclique qui baigne dans le cytoplasme de la cellule.
Les eucaryotes sont des organismes unicellulaires ou multicellulaires qui comportent un noyau et, le plus souvent, des organites (micro-organismes vivant à l’intérieur de la cellule et participant activement à son métabolisme). La majeure partie de l’ADN des eucaryotes se trouve à l’intérieur du noyau de la cellule. Les organites comportent leur propre ADN. L’autre partie se trouve dans les mitochondries et les chloroplastes. L’ADN du noyau des cellules eucaryotes est réparti entre plusieurs doubles hélices. En dehors des phases de division cellulaire ou de reproduction, les molécules d’ADN snt compactées dans une structure appelée chromatine et qui comporte, outre l’ADN, des molécules d’ARN et des protéines.
Nota : les principaux organites sont les mitochondries et les chloroplastes. Les mitochondries sont présentes dans toutes les cellules eucaryotes. Elles jouent un rôle central dans la respiration cellulaire. Les chloroplastes ne sont présents que dans les celules végétales où ils participent à la photosynthèse. L'ADN des mitochondries ne comporte qu'une trentaine de gènes et celui des chloroplates une centaines (quelques centaines de milliers de paires de base).
Chromatine
A l’intérieur du noyau d'une cellule eucaryote, l’ADN est « empaqueté » dans une structure plus globale, la chromatine, qui comportent également des molécules d’ARN et deux types de protéines, les histones et les non-histones. L’ADN s’enroule autour des histones pour former une succession de nucléosomes (de petites bobines d’ADN). L’empaquetage de l’ADN est plus ou moins condensé, ce qui joue un rôle sur l’expression des gènes (voir le post sur l'expression des gènes et les codons).
A quoi sert l'ADN ?
Une vulgarisation très hâtive a répandu une vision très schématique, "informatique", de l'ADN. Selon cette vision, l'ADN constituerait une sorte de programme qui règlerait toute notre vie. Il n'en est rien. L'ADN est plutôt un cahier de recettes dans lequel se trouve la nomenclature de toutes les protéines (et des molécules d'ARN) pouvant intervenir au cours de la vie des cellules, que ce soit au moment de leur constitution, des différents processus métaboliques, au titre de signaux chimiques ou de récepteur de ces signaus, ou même pour réguler l'apoptose, le suicide cellulaire. On a donné le nom de gène à la portion d'ADN codant une protéine.
Nota : les protéines sont des molécules polymères composées d’une chaîne d’acides aminés. Il n’existe que 22 acides aminés protéinogènes et ils sont communs à tous les organismes vivants, procaryotes et eucaryotes (il en existe bien plus dans la nature mais ils n'interviennent pas dans la synthès des protéines).
La totalité des protéines figurant dans le grand livre de recettes de l'ADN ne sont pas synthétisées à tout moment par l'ensemble des cellules. Elles ne sont exprimées que dans des circonstances bien particulières. Voir le chapitre consacré à l'expression des gènes dans le post consacré aux codons.
L'ensemble des gènes de l'ADN est appelé le génotype. On appelle phénotype les fonctions biologiques associées à un ou plusieurs gènes. La totalité de l'ADN n'est pas consacrée au codage des protéines (quelques pourcents tout au plus). La fonction de certaines parties de l'ADN non codant a été élucidée (régulation/inhibition de l'expression des gènes) mais celle de la majeure partie reste incomprise. On a repéré des séquences d'ADN qui sont les séquelles d'agressions virales antérieures ou de transferts de gènes.
Division cellulaire et chromosomes
IL existe deux types de division cellulaire :
- Lors de la mitose la cellule se dédouble à l'identique.
- La méiose) intervient lors de la reproduction sexuée. Dans ce cas, la cellule se divise en deux gamètes.
Lors des phases de division cellulaire, la structure de la chromatine se clarifie et les molécules d'ADN apparaissent de manière plus nette au microscope. Historiquement, on leur a donné le nom de chromosomes (étymologiquement, corps coloré). On sait maintenant qu'un chromosome est caractérisé par les gènes qu'il comporte à des endroits bien précis (des loci, pluriel de locus). Un gène est une séquence de nucléotides codant une protéine. Cette protéine est exprimée dans des conditions bien précises, lors de la formation des organes ou de leur fonctionnement. La fonction d'un gène, ou plus exactement le processus dans lequel il est impliqué, est déterminée par sa position dans le chromosome auquel il appartient. Un gène situé à une position donnée peut coder des protéines différentes selon les individus. C'est ce qui fait l'extraordinaire diversité génétique des individus et que nous sommes tous différents. La "version" d'un gène donné pour un individu donné (la protéine qu'il code) est un allèle.
Dans le génome de nombreux organismes, il existe plusieurs versions d'un même type de chromosome. Ces versions sont dites homologues. Les cellules de la plupart des animaux sont diploïdes (une paire de chaque chromosome), hormis leurs gamètes qui sont haploïdes (une seule version de chaque chromosome). Au début des phases de division cellulaire, les chromosomes homologues se regroupent par paires.
La diploïdie des animaux est liée à leur mode de reproduction (reproduction sexuelle). Chez les mammifères et les oiseaux, les cellules comportent n-1 paires de chromosomes homologues et une paire de chromosomes sexuels. Le sexe de ces animaux dépend en effet de la nature des chromosomes dont est constituée la dernière paire. Chez les mammifères, cette paire est strictement homologue (XX : deux chromosomes de même type) pour les femelles et hétérosome (XY : deux chromosomes de nature différente) pour les mâles. Chez les oiseaux c'est l'inverse.
Nota : chez les reptiles ou les poissons, le sexe n'est pas déterminé par la dissymétrie d'une paire de chromosomes. Certains poissons changent d'ailleurs de sexe au cours de leur vie. Chez les crocodiles, c'est la température lors de la couvaison qui détermine le sexe.
Lors de la méiose (division cellulaire produisant les gamètes), les paires sont dissociées et les cellules filles (les gamètes) sont haploïdes. La fécondation résulte de la rencontre d'un ovule (une gamète portant un ensemble de chromosomes issu du génome de la mêre) avec un spermatozoïde (une gamète portant un ensemble de chromosomes issu du génome du pêre). Il y à autant de chance que ce spermatozoïde soit porteur d'un chromosome X ou Y.
Les cellules des champignons sont haploïdes. La triploïdie est plus rare. Elle se produit lors des phases de reproduction des plantes à fleurs (angiospermes) et certains cultivars le sont. La polyploïdie se rencontré chez certains insectes (drosophiles)... ou dans les cellules du blé !
Nota : la trisomie est une maladie génétique caractérisée par le fait qu'une "paire" de chromosomes du génome est en fait un triplet.
