ADN et Genetique
L'ADN (acide desoxyribonucleique) est une macromolecule presente dans le noyau de toutes les cellules eucaryotes et constitue le support universel de l'information hereditaire. Sa structure en double helice, decouverte par Watson et Crick en 1953 gra...
Cours
La structure de l'ADN, support de l'information genetique
L'ADN (acide desoxyribonucleique) est une macromolecule presente dans le noyau de toutes les cellules eucaryotes et constitue le support universel de l'information hereditaire. Sa structure en double helice, decouverte par Watson et Crick en 1953 grace aux travaux de Rosalind Franklin, est formee de deux brins complementaires enroules l'un autour de l'autre. Chaque brin est un polymere constitue de nucleotides, unites de base repetees. Un nucleotide est compose d'un sucre (le desoxyribose), d'un groupe phosphate et d'une base azotee. Il existe quatre bases azotees differentes : l'adenine (A), la thymine (T), la guanine (G) et la cytosine (C). Les deux brins sont associes par des liaisons hydrogene specifiques entre les bases : A s'apparie toujours avec T (par deux liaisons H) et G avec C (par trois liaisons H). Cette complementarite est fondamentale pour la replication et la transmission fidele de l'information. La sequence lineaire de ces bases le long d'un brin constitue un message code, une veritable langue chimique a quatre lettres (A, T, G, C). Chez l'humain, une cellule diploide contient environ 6,4 milliards de paires de bases, reparties en 46 chromosomes.
Genes, chromosomes et code genetique
L'ADN n'est pas une longue molecule desordonnee. Il est organise et compacte en structures appelees chromosomes, visibles lors de la division cellulaire. Chez l'espece humaine, chaque cellule somatique (non reproductrice) possede 46 chromosomes, soit 23 paires, dont une paire de chromosomes sexuels (XX chez la femme, XY chez l'homme). Un chromosome est constitue d'une molecule d'ADN tres longue associee a des proteines, les histones, qui permettent son enroulement et sa compaction extreme. Un gene est une sequence precise de nucleotides sur l'ADN, portant l'information necessaire a la synthese d'une proteine ou d'un ARN fonctionnel. Le genome humain contient environ 20 000 a 25 000 genes, ce qui ne represente qu'environ 2% de la totalite de l'ADN. Le reste, longtemps appele 'ADN poubelle', a en realite des roles de regulation ou est non code. Le code genetique est le systeme de correspondance qui permet de traduire la sequence d'un gene (en nucleotides) en sequence d'une proteine (en acides amines). C'est un code universel, triplet (3 nucleotides = 1 codon), non chevauchant et degeneré : 64 codons possibles pour seulement 20 acides amines, ce qui signifie que plusieurs codons peuvent coder le meme acide amine (ex : CCU, CCC, CCA, CCG codent tous pour la Proline).
Replication de l'ADN et mutations
Avant chaque division cellulaire (mitose ou meiose), l'ADN doit etre integralement copie ou replique pour que chaque cellule fille herite du meme patrimoine genetique. Ce processus, semi-conservatif (demonstre par l'experience de Meselson et Stahl), a lieu durant la phase S du cycle cellulaire. Il est realise par un complexe enzymatique dont l'ADN polymerase est la cle. La double helice se desenroule localement sous l'action d'une helicase, separant les deux brins. Chaque brin sert alors de matrice pour la synthese d'un nouveau brin complementaire. L'ADN polymerase ajoute des nucleotides complementaires (A avec T, G avec C) en suivant les regles d'appariement, dans le sens 5' vers 3'. Ce mecanisme est extremement fiable, avec un taux d'erreur d'environ 1 pour 10^9 nucleotides incorpores, grace a une activite de correction d'erreurs (proofreading). Malgre cela, des erreurs, appelees mutations, peuvent survenir. Une mutation est un changement de la sequence nucleotidique. Elle peut etre ponctuelle (substitution d'une base par une autre, comme dans la drepanocytose ou un A est remplace par un T), par insertion ou par deletion. Ces mutations peuvent etre silencieuses (pas de changement de proteine), faux-sens (changement d'acide amine) ou non-sens (creation d'un codon stop premature). Elles sont a l'origine de la diversite genetique et peuvent etre heritees si elles touchent les cellules germinales.
Heredite mendelienne et relations ADN-proteines
Les genes determinent les caracteres hereditaires. Les travaux de Gregor Mendel sur les pois au XIXe siecle ont etabli les lois fondamentales de l'heredite. Chaque individu possede deux alleles (versions d'un meme gene) pour chaque caractere, un herite de chaque parent. Un allele est dit dominant lorsqu'il s'exprime phenotypiquement meme en presence d'un seul exemplaire (ex : allele A pour les groupes sanguins A ou B). Un allele est recessif lorsqu'il ne s'exprime qu'en presence de deux exemplaires identiques (ex : allele o pour le groupe sanguin O). Le genotype (constitution genetique, ex : AA, Aa, aa) determine le phenotype (caractere observable, ex : groupe A). Le lien entre le gene et le caractere passe par la synthese de proteines. L'expression d'un gene se fait en deux etapes principales : la transcription et la traduction. La transcription a lieu dans le noyau : une portion d'ADN (le gene) est copiee en une molecule d'ARN messager (ARNm) complementaire. Cet ARNm quitte le noyau et se fixe sur un ribosome dans le cytoplasme. C'est la traduction : le ribosome 'lit' la sequence de l'ARNm codon par codon et associe a chaque codon l'acide amine correspondant, selon le code genetique, pour assembler une chaine polypeptidique qui se repliera pour former une proteine fonctionnelle. C'est cette proteine (enzyme, recepteur, hemoglobine, etc.) qui va influencer directement ou indirectement le phenotype de l'individu.
Applications biotechnologiques de la genetique
La maitrise des connaissances sur l'ADN a donne naissance a des applications biotechnologiques revolutionnaires. Les tests ADN, ou empreintes genetiques, exploitent les regions non codees hypervariables de l'ADN (STR) pour identifier un individu avec une probabilite d'erreur infime. Ils sont utilises en medecine legale, en tests de paternite et en genealogie. Les OGM (Organismes Genetiquement Modifies) sont des organismes dont le genome a ete modifie par l'homme pour lui conferer une nouvelle caracteristique, comme une resistance aux insectes ou une tolerance a un herbicide. Par exemple, le mais Bt produit une proteine insecticide issue d'une bacterie (Bacillus thuringiensis). La therapie genique vise a traiter des maladies genetiques en introduisant une copie fonctionnelle d'un gene dans les cellules d'un patient pour compenser le gene defectueux. Elle a connu des succes, notamment contre certaines immunodeficiences severes (SCID-X1). La technologie CRISPR-Cas9, decouverte recemment, permet de modifier le genome avec une precision inedite, ouvrant des perspectives therapeutiques immenses mais soulevant aussi des questions ethiques importantes, notamment sur les modifications de la lignee germinale. Ces applications reposent toutes sur une comprehension fine de la structure, de la fonction et de la manipulation de l'ADN.
Vocabulaire
Unite de base constitutive de l'ADN et de l'ARN, composee d'un sucre (desoxyribose pour l'ADN), d'un groupe phosphate et d'une base azotee (A, T, G, C pour l'ADN).
Sequence precise de nucleotides sur un chromosome, portant l'information necessaire a la synthese d'une molecule fonctionnelle, le plus souvent une proteine.
Version differente d'un meme gene, occupant le meme locus sur des chromosomes homologues. Un individu herite de deux alleles pour chaque gene.
Modification de la sequence nucleotidique de l'ADN. Elle peut etre heritee ou acquise et est une source de diversite genetique.
Regle de correspondance universelle qui associe chaque sequence de trois nucleotides (codon) de l'ARNm a un acide amine precis lors de la synthese proteique.
Mode de replication de l'ADN ou chaque nouvelle molecule d'ADN est formee d'un brin parental ancien et d'un brin nouvellement synthetise.
