biologie moléculaire (Biologie et Anatomie).

biologie moléculaire (Biologie et Anatomie). 1 PRÉSENTATION biologie moléculaire, science ayant pour objet les bases moléculaires de la vie et l'étude des propriétés biologiques des acides nucléiques. 2 LA STRUCTURE DE L'ADN La découverte de la structure de l'ADN (acide désoxyribonucléique) par Francis Crick et James Watson en 1953 a marqué la naissance de la biologie moléculaire. Cette découverte fut de la plus haute importance parce que l'ADN est la molécule qui transmet l'information héréditaire de génération en génération (voir génétique), mais aussi parce que sa structure permet de comprendre le mécanisme de cette transmission. L'ADN est une molécule hélicoïdale à deux brins, liés entre eux par des liaisons hydrogène au niveau des bases adénine (A), guanine (G) cytosine (C) et thymine (T). Dans cette structure, l'adénine est toujours associée à une thymine et une guanine est liée à une cytosine. Lorsque l'ADN se réplique, les deux brins se séparent et chacun reconstitue une hélice complète à deux brins dans laquelle l'information est fidèlement reproduite. Ainsi, l'information héréditaire qui gouverne les propriétés de la cellule et de l'organisme est transmise aux cellules filles chaque fois qu'une cellule se divise. 2.1 De l'ADN aux protéines Les recherches en biologie moléculaire ont permis de comprendre comment l'information génétique contenue dans l'ADN aboutit à la synthèse des protéines nécessaires à la vie d'une cellule. Dans un premier temps, un brin de l'ADN est copié en une molécule voisine appelée ARN-messager (ou ARN m). Ce processus appelé transcription est proche, dans son mécanisme, de la réplication de l'ADN. L'ARN-messager sort ensuite du noyau pour aller s'associer à des organites cellulaires particuliers, les ribosomes. L'information représentée par les bases de l'ADN est exactement recopiée par appariement des bases pour produire l'ARN. Il est alors traduit en protéine. Cette traduction est contrôlée par le code génétique selon lequel chaque combinaison de trois bases, appelée triplet ou codon, dirige l'addition d'un acide aminé particulier sur la protéine en formation. Par exemple, ACC gouverne l'addition de thréonine, CCC celle de proline, etc. L'information génétique contenue dans la séquence linéaire de bases de l'ADN dirige donc la production d'une séquence linéaire d'acides aminés d'une protéine. Incidemment, toute modification génétique des bases de l'ADN se traduira par une modification de la protéine produite. Par exemple, le remplacement d'un A par un C dans le codon ACC provoquerait l'addition d'une proline au lieu d'une thréonine. Chaque protéine ayant des effets biologiques spécifiques, les modifications qui affecteront sa structure conduiront à une altération de ces fonctions. Cette chaîne de synthèse allant de l'ADN aux protéines, en passant par l'ARN a été appelée le « dogme central de la biologie moléculaire «. 2.2 Clonage et hybridation Les premières grandes découvertes de la biologie moléculaire datent des années 1950 et 1960. L'explosion de cette discipline n'a commencé que dans les années 1970 avec la mise au point des techniques de clonage. Ces techniques permettent d'obtenir de grandes quantités d'un fragment purifié d'ADN des autres séquences d'ADN constituant le génome. Ce progrès a été accompagné de la mise au point des techniques d'hybridation dans lesquelles un fragment d'ADN cloné est marqué radioactivement et séparé en simples brins. La molécule obtenue peut alors être utilisée comme une sonde capable de s'associer à un acide nucléique possédant une séquence de base complémentaire. Cette technique a permis d'identifier la structure de nombreux gènes, de comprendre la régulation de leur expression et de mettre en évidence leur ARNmessager. 2.3 Structure des gènes L'analyse de la structure des gènes a conduit à une découverte surprenante. Chez les eucaryotes (végétaux et animaux), les régions d'ADN contenant l'information génétique, appelées exons, sont interrompues par d'autres séquences d'ADN, appelées introns. Ces introns sont transcrits en même temps que les exons dans une seule molécule d'ARN puis sont éliminés au cours de l'épissage. Cet épissage se produit dans le noyau de la cellule et produit une molécule d'ARN m dans laquelle les exons sont correctement raccordés entre eux sans ADN intermédiaire. L'ARN m est ensuite transporté dans le cytoplasme pour y être traduit en protéine au niveau des ribosomes. La signification des introns, ces séquences d'ADN qui ne portent aucune information génétique, n'a pas encore été parfaitement élucidée. L'épissage permettrait la production de protéines différentes mais apparentées à partir d'un même gène. 2.4 Régulation de la transcription Dans la grande majorité des cas, l'ARN m codant pour une protéine particulière n'est présent que dans les tissus et les cellules qui expriment cette protéine. De même, les ARN précurseurs, contenant encore des introns, n'apparaissent que dans ces tissus. La production de différentes protéines, qui est à l'origine des différences fonctionnelles entre tissus, est donc régulée au niveau de la transcription des gènes. Cette régulation est effectuée par des protéines appelées facteurs de transcription qui se lient à des séquences d'ADN spécifiques et stimulent la transcription. Les stades suivants, à savoir l'excision des introns et la traduction, se produisent alors automatiquement. 2.5 Séquençage de l'ADN Il est possible de déterminer l'ordre des bases de l'ADN par un procédé appelé séquençage de l'ADN. La méthode de séquençage la plus couramment employée a été décrite par Fred Sanger en 1977. Elle est maintenant utilisée dans le projet du séquençage du Génome Humain pour séquencer notre génome tout entier. Ce procédé permet de caractériser un gène en termes de séquence linéaire de bases ATCG. Cette séquence étant déterminée, il est facile de prédire la séquence d'acides aminés de la protéine correspondante en se servant du code génétique. Le séquençage de l'ADN est beaucoup plus facile que le séquençage direct de la protéine. De ce fait, les biologistes préfèrent souvent déterminer la séquence d'une protéine en partant de son gène correspondant. Ces techniques de séquençage ont permis d'isoler les gènes responsables de diverses maladies génétiques ainsi que leurs protéines correspondantes. La différence entre ces gènes pathologiques et les gènes normaux porte sur une ou plusieurs bases. Différence qui se traduit au niveau de la protéine par un ou plusieurs changements dans la séquence en acides aminés. 3 STRUCTURE ET FONCTION DES PROTÉINES La fonction d'une protéine est étroitement dépendante de sa structure tridimensionnelle, cette dernière étant conditionnée par la séquence linéaire en acides aminés. Dans les années 1960, John Kendrew détermina la structure de la myoglobine, en utilisant un extrait purifié analysé par cristallographie aux rayons X. Plus tard, Max Peratz détermina la structure de l'hémoglobine, composée de quatre unités semblables à la myoglobine. De nos jours, les biologistes font produire par des bactéries les protéines qu'ils désirent étudier. Cette technique permet d'obtenir rapidement de grandes quantités de protéines. De plus, en insérant un gène modifié de la protéine dans le génome de la bactérie, ils peuvent en étudier plusieurs variantes et préciser les rapports entre sa structure et sa fonction (voir génétique, génie). 4 DE LA RECHERCHE AU TRAITEMENT La production de grandes quantités de protéines spécifiques par l'expression de l'ADN correspondant a été employée pour obtenir de grandes quantités de protéines à usage thérapeutique. Cette technique permet d'obtenir des produits extrêmement purs. Cette approche a été employée avec succès pour produire l'insuline nécessaire au traitement du diabète et l'hormone de croissance nécessaire au traitement du nanisme. Ces dernières années, une nouvelle approche thérapeutique est née des progrès de la biologie moléculaire. Dans l'avenir, il pourrait être envisageable de remplacer, chez un malade, le gène déficient, responsable de la maladie, par le gène sain. ( voir génique, thérapie). Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. 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