Gène La génétique est une branche récente de la biolo­ gie: elle date du début du xx siècle. Un gène...

« Gène La génétique est une branche récente de la biolo­ gie: elle date du début du xx siècle.

Un gène est une « unité héréditaire» (F.

Gros). Dans chacune de ses cellules, un organisme pos­ sède les instructions nécessaires à son développe­ ment: c'est l'information génétique.

Ces instructions sont codées dans une mo/écule,l'ADN. La génétique humaine, outre ses applications médicales, diagnostics de maladies génétiques, met en évidence l'immense variabilité génétique des hommes.

Le « génie génétique» offre de nombreuses applications industrie/les mais pose en même temps des problèmes d'éthique. e L'information génétique Nos caractéristiques, comme la couleur de nos yeux, notre taille ou notre capacité à fabriquer telle ou telle hormone (voir art.

25), sont logées dans les chromosomes de nos cellules. Dès 1910, un biologiste, Morgan, a montré que le chromo­ some est le support de l'hérédité en travaillant sur un matériel vivant de choix : la drosophile.

Cette mouche du vinaigre est très prolifique, elle ne possède dans ses cellules que quatre paires de chromosomes (23 paires chez l'homme) ; de nom­ breuses mutations existent chez cet animal, couleurs des yeux, formes du corps. Restait à trouver la nature chimique d'un chromosome et la façon dont les caractères d'un individu y sont inscrits. Les chromosomes (voir art.

25) sont constitués d'ADN ou acide désoxyribonucléique.

En 1953, Watson et Crick ont proposé un modèle de l' ADN (prix Nobel en 1962).

Une molé­ cule d'ADN est une double hélice formée de deux chaînes (ou brins) entrelacées.

Chaque chaîne est constituée d'une succes­ sion de nucléotides reliés par des liaisons fortes. Un nucléotide t::st l'assemblage d'un sucre, le ribose, d'un acide phosphorique et d'une base azotée.

Il existe quatre bases, symbolisées par les lettres A, T, G, C: ce sont l'adénine, la thymine, la guanine, la cytosine. L'agencement des quatre types de nucléotides sur un brin forme une séquence, par exemple : A-T-G-C-G-A-T-A-C-T-G-A La seconde chaîne est reliée à la première par des liaisons faibles, permettant ainsi aux deux brins de se séparer facilement.

La séquence du brin complémentaire est automatiquement déterminée par l'autre brin: face à la thymine ne peut se trouver que l'adénine; face à la guanine, la cytosine; dans l'exemple précédent, le brin complémentaire sera: T-A-C-G-C-T-A-T-G-A-C-T L'ADN ressemblerait à un double escalier en colimaçon dont les marches seraient les bàses et les rampes les sucres-phosphates (sch.

1).

La structure de l'ADN permet de comprendre pourquoi deux cellules qui se divisent par reproduction conforme conservent toutes les deux la même information génétique. Avant la mitose (voir art.

25), les deux brins de l'ADN s'écartent par rupture des liaisons faibles.

Des enzymes réalisent l'addition successive de nucléotides libres pour former deux nouveaux brins (elles s'appellent ADN-polymérases).

Les nouveaux brins sont complémentaires de chaque brin initial (voir sch.

l et art.

25).

Les deux molécules d'ADN ainsi formées seront identiques à la molécule de départ. Dès 1944, Avery, Mac Leod, et MacCarthy ont prouvé que · l' ADN contient l'information génétique.

Ils ont utilisé deux souches de bactéries (voir art.

25): la souche S, possédant une enveloppe (capsule), èst virulente; la souche R, dépourvue de capsule, est non virulente.

Ils extraient l'ADN des bactéries S et le mettent en contact avec des bactéries inoffensives R.

On injecte ces dernières à des souris ; les souris meurent et on retrouve dans leurs corps des bactéries R.

L' ADN provenant des bactéries S s'est intégré à l'ADN des bactéries R; celles-ci ont acquis le programme nécessaire à la $.ynthèse de la capsule. Un gène détient l'information nécessaire à la fabrication d'une protéine. som enrWte5 en une oouoie nt:11\.t: 2nm � sem1-conservatwe ---1 molecule d'ADN ancien aooen : delall r-- __, fourche derept,caoon· separation des brins par rupture desbalsonsH p La molécule d'ADN: s· 2 bons anbpara!leles Q el complementaires 4• 1 L'aderune est tou1ours 3• 2, · appanee a la thymme. p la guanine a la cytosine 1 bnn = chaine polynucléolld1que nouveau anoen 1 bnn = chaine polynucleot10Jque Schéma 1.

(Manuel_�ATHAN, Term.

D). Les protéines forment un ensemble de substances très variées qui jouent un rôle essentiel dans la constitution et le fonctionnement des cellules.

Elles sont à la base de phén�­ mènes vitaux : citons les enzymes qui provoquent et contrôlent diverses réactions chimiques, les anticorps impliqués dans la défense de l'organisme contre les antigènes (voir art.

Vie), cer­ taines hormones qui interviennent dans de nombreuses fonc­ tions, croissance, reproduction etc. Une protéine est une chaîne d'éléments appelés acides aminés. Il n'existe que vingt acides aminés (voir schéma 2).

La formule chimique générale d'un acide aminé est R-CHNH2-COOH: il possède une fonction acide COOH et une fonction amine NH2. Deux acides aminés diffèrent par leur radical R.

Pour former des molécules plus ou moins longues, deux acides aminés peuvent s'accrocher en créant une liaison peptidique: H H H H 1 1 1 1 R-C-COOH + R' - C - COOH -> R - C - CONH - C - COOH + H20 1 1 1 1 NH2 NH2 NH2 R' La spécificité d'action d'une protéine est due non seulement à la séquence précise des acides aminés le long de la chaîne, mais aussi à sa forme.

Des liaisons secondaires se créent entre les acides aminés, repliant ainsi la molécule linéaire et lui donnant une configuration en trois dimensions.

Une enzyme n'agit que sur un type de molécule car celle-ci s'emboîte parfaitement sur l'enzyme; de même qu'une cellule réagit à un message hormonal grâce à un site récepteur situé sur la paroi de la cellule et ayant une forme complémentaire de l'hormone (voir art.

25). ACIDE AMINÉ ABRÉVIATION ACIDE AMINÉ ABRÉVIATION ALANINE Ala LEUCINE Leu ARGINNE Arg LYSINE Lys ASPARAGINE Asn MÉTHIONINE Met ACIDE ASPARTIQUE Asp PHÉNYLALANINE Phe CYSTÉINE Cys PROLINE Pro ACIDE GLUTAMIQUE Glu SÉRINE Ser GLUTAMINE Gln THRÉONINE Thr GLYCINE Gly TRYPTOPHANE Trp HISTIDINE His TYROSINE Tyr ISOLEUCINE Ile VALINE Val Schéma 2.

Les acides aminés et leurs abréviations, extrait de TAVLITZKI, J., 12 clés pour la biologie, Paris, Belin, 1990, p.

57. Dans une cellule eucaryote (voir art.

25), le noyau contient l'information génétique de la cellule.

Ces informations ne quit.

teront pas le noyau, mais des copies des gènes s'effectueront sous forme d' ARN messager (ou ARNm).

Celui-ci transportera le message génétique du noyau vers le cytoplasme.

Là, dans des chaînes de montage, les ribosomes, le message sera décrypté et la protéine sera synthétisée. La formation d' ARN (voir art.

Vie) s'appelle la transcription. Elle s'amorce grâce à une enzyme, l' ARN-polymérase, qui reconnaît le début du message grâce à une séquence de bases de l' ADN appelée site promoteur. Elle ouvre la double hélice au niveau des liaisons faibles en séparant les deux brins et en transcrit l'un des deux.

L' ARNm se forme à partir de nucléotides présents dans le noyau.

Ceuxci ressemblent aux nucléotides de l' ADN, mais le sucre est le ribose et l'une des bases, la thymine, est remplacée par l'uracile.

Le brin d'ARN transcrit est complémentaire de l'ADN. Face à une guanine de l' ADN se placera une cytosine de l'ARNm, etc. T-A-C-G-C-T-A-T-G-A-C-T brin d'ADN à transcrire ➔ A-U-G-C-G-A-U-A-C-U-G-A ARNm correspondant L'ARN-polymérase se déplace le long de !'ADN jusqu'à ce qu'elle arrive au signal de terminaison de la transcription. L'enzyme libère la chaîne d' ARN et l' ADN qui reprend sa structure en double hélice.

Un même gène peut être transcrit plusieurs fois à la suite.

La transcription est rapide, plus de cinquante nucléotides à la seconde.

L' ARNm migre dans le cytoplasme de la cellule. Le décodage du message s'appelle la ·traduction.

La séquence de nucléotides de l' ARNm va être transposée en une séquence d'acides aminés.

La correspondance ribonucléotides-acide aminé s'appelle le code génétique (voir schéma 3). · Le code génétique a été élucidé en 1963 par Niremberg et Ochoa.

Un gro.upe de trois bases adjacentes détermine un acide aminé.

Ce triplet 'de trois bases s'appelle un codon.

Certains codons codent pour le même acide aminé; par exemple, l'alanine correspond aux codons suivants: GCU, GCC, CGA, GCG.

Cette particularité aura pour conséquence de limiter l'impact des mutations qui affectent le changement d'une base par une autre sur r ADN, voire même de le faire passer inaperçu.

D'autres codons servent à la ponctuation: «codonstop » par exemple. DEUXIÈME LETTRE u u uuu} uuc Phe UUA} Leu UUG - C eue arul CUA AUC A AUA GUC GW GUA GUG UCA UCG Leu }~ Met l UAU Ser l CCA GCU GCC Val Pro l GCA GCG CAC l j~ u C UGA OMBRE A Trp G u CGC C Arg CAA CAG Thr Cys CGU } His }Gin AAU ACC ACG UAA OCRE UGC } UAG AMBRE UGG ACU ACA UAC G UGU } TY: CAU CCC CCG AUG G ucu ucc ccu CUG AUU A C AAC AGG A l } } G Ser GGG C A G u GGC GGA }Glu u Arg GGU } Asp GAA GAG AGC AGA } Lys GAU GAC CGG AGU } Asn AAA AAG CGA Gly l C A G Schéma 3.

Dictionnaire des groupes de trois bases, les codons, qui déterminent la place de chaque acide aminé dans une protéine, extrait de TAVLITZKI, J., 12 clés pour la biologie, Paris, Belin, 1990, p.

61. Le code génétique est universel, identique pour tous les êtres vivants, d'une bactérie, d'un virus, à l'homme. Les acides aminés à assembler sont fixés à dc:;s ARN de transfert.

Il existe vingt types d' ARN de transfert, autant que d'acides aminés différents.

Une extrémité de l' ARN de transfert possède un anti-codon complémentaire des codons portés parl'ARNm. Les ribosomes sont «la tête de lecture» (F.

Crick).

Ils se déplacent le long de l 'ARNm de codons en codons.

Au niveau du ribosome, grâce aux anticodons des ARN de transfert qui reconnaissent le codon, le bon acide aminé sera placé à la suite de, la chaîne protéique fixée sur I' ARN de transfert précédent. L'accrochage des deux acides aminés se fait grâce à une liaison peptidique i plusieurs ribosomes peuvent lire le même message les uns à la suite des autres.

La lecture s'arrête sur un codonstop. Reprenons notre exemple d' ARNm: A-U-G-C-G-A-U-A-C-U-G-A codon Arg. initiateur Tyr. codon -stop La séquence d'acides aminés sera: Arginine-Tyrosine La taille d'une protéine est variable; l'insuline, par exemple, est formée de 51 acides aminés. Un gène peut être transcrit en plusieurs ARNm, chacun pouvant être traduit par plusieurs ribosomes.

Le nombre de protéines identiques qui seront synthétisées peut être très grand : le message initial (ADN) est amplifié. • Chez une bactérie, organisme procaryote (voir art.

25), il n'y a pas de noyau individualisé.

La transcription et la traduction ont lieu simultanément.

Le matériel génétique est contenu dans üri chromosome unique circulaire et dans de plus petites molécules d'ADN circulaires, indépendantes du chromosome : les plasmides.

L'information génétique d'une bactérie est constituée de gènes uniques et alignés.

La cartographie du génome bactérien et l'étude des mécanismes liés à l'expression des gènes sont relativement simplifiés. • Dans une cellule eucaryote, humaine par exemple, la quantité d'ADN est I 000 fois plus élevée que chez une bactérie, soit environ 50 000 gènes.

Une petite partie seulement de ce matériel génétique peut être transcrite (10 %).

On ignore encore la fonction des séquences non transcrites (90 % de l'ADN !).

Les gènes peuvent être répétés ou uniques. Un gène qui gouverne la synthèse d'une protéine est constitué de séquences sans correspondance avec des codons, non codants (les introns) et de séquences codantes (les exons).

Les gènes sont morcelés. La transcription d'un gène formera d'abord un ARN prémessager.

Puis l' ARN prémessager subira une phase de maturation par excision d'un ou plusieurs introns et soudure des exons formant ainsi un ARNm fonctionnel.

Selon ce réarrangement, un même ARN prémessager peut donner plusieurs types d' ARNm. Chez un eucaryote, un même gène peut correspondre à plusieurs protéines différentes. Il existe dans la cellule des mécanismes régulateurs lui permettant de produire des protéines en quantité suffisante, à un moment précis, en fonction des conditions du milieu environnant.

Toutes les cellules d'un organisme contiennent la même information génétique; or, chaque cellule spécialisée ne va en utiliser qu'une partie.

Par exemple, une cellule du pancréas fabriquera de l'insuline, mais pas une cellule musculaire. Génétique humaine L'ensemble des gènes portés par les chromosomes d'un individu s'appelle le génotype. L'homme possède 23 paires de chromosomes homologues. Deux chromosomes homologues sont identiques par la taille et la forme, ils portent les mêmes gènes.

Mais il peut y avoir plusie11rs variantes pour un même gène:_ ce sont les allèles. Prenons le cas des groupes sanguins.

Il existe quatre groupes sanguins, [A],.... »