ADN STRUCTURE ET FONCTIONS COMPOSITION CHIMIQUE ADN est l'abréviation d'Acide Désoxyribonucléique. L'ADN est une molécule d'importance biologique fondamentale, car elle constitue le support de l'information génétique : elle est le principal véhicule du phénomène de l'hérédité. Du point de vue chimique, l'ADN est un acide faible, constitué d'une série d'éléments appelés nucléotides. Chaque nucléotide est à son tour un ensemble de trois parties : un groupe phosphate (constitué d'un atome de phosphore relié à quatre atomes d'oxygène), le désoxyribose (un sucre à cinq atomes de carbone semblable au ribose, mais avec un groupe hydroxyle en moins), qui donne son nom à la molécule, et une base azotée (une molécule complexe faite d'un ou de deux cycles contenant des atomes d'azote et de carbone). Alors que tous les groupes phosphate et toutes les molécules de désoxyribose qui composent l'ADN sont identiques, les bases peuvent être de quatre types, distribuées de façon différente le long de la molécule. La thymine et la cytosine sont des pyrimidines, c'est-à-dire des bases constituées d'un seul cycle hexagonal d'atomes d'azote et de carbone. L'adénine et la guanine sont des purines, faites de deux cycles, l'un hexagonal et l'autre adjacent de forme pentagonale, contenant tous deux de l'azote et du carbone. Remarquons que les deux classes fondamentales de bases, les purines et les pyrimidines, représentent des molécules de dimensions différentes, à cause de la présence d'un ou de deux cycles. Les purines occupent donc plus d'espace que les pyrimidines, observation qui constitua l'une des clefs de la découverte de la structure de l'ADN par James Watson et Francis Crick en 1953. DOUBLE HÉLICE ET DIFFÉRENTES FORMES DE L'ADN Une molécule d'ADN à l'état naturel, c'est-à-dire à l'intérieur d'une cellule vivante, est formée de deux chaînes polynucléotidiques (chaînes formées de nucléotides dans lesquels se répètent phosphate-désoxyribose-base), appariées et enroulées en une spirale, pour former une double hélice (voir La composition chimique de l'ADN). Bases complémentaires L'appariement des deux chaînes polynucléotidiques de l'ADN se fait de façon très simple, grâce à la complémentarité des bases. Parmi les bases puriques, l'adénine présente deux régions, un atome d'azote et un groupe -NH (azote-hydrogène), qui peuvent former des liaisons hydrogène, avec des groupes semblables appartenant à d'autres bases (liaisons chimiques). Des trois autres bases, seule la thymine (une pyrimidine) est capable de former deux liaisons hydrogène, l'une au moyen d'un groupe -NH, et l'autre grâce à un atome d'oxygène. L'autre purine, la guanine, est capable par contre de former trois liaisons hydrogène, grâce à deux groupes -NH et 1 à un atome d'oxygène. Trois liaisons du même type peuvent être formées également par l'autre pyrimidine, la cytosine, dans ce cas également à travers deux groupes -NH et un atome d'oxygène. Ces propriétés chimiques permettent un appariement extrêmement spécifique de deux chaînes contiguës d'ADN. En théorie, une adénine pourrait s'apparier avec une autre adénine, une guanine avec une guanine, etc. Chimiquement, cela est possible, mais la différence de dimensions entre purines et pyrimidines le rend physiquement irréalisable. En effet, si deux pyrimidines s'apparient, les deux chaînes d'ADN se trouvent trop près l'une de l'autre (les deux pyrimidines sont petites et occupent un volume réduit). Si l'on apparie les deux purines, d'autre part, les deux chaînes sont poussées dans des directions opposées (pour créer plus d'espace pour recevoir les deux molécules plus encombrantes). Dans un cas comme dans l'autre, la molécule d'ADN devient instable, et les fragiles liaisons hydrogène se brisent. L'appariement antiparallèle Chacune des chaînes qui constituent la double hélice présente deux extrémités différenciées. D'un côté, le groupe phosphate se fixe au carbone 5 du sucre. Cette extrémité est connue comme 5' (qui se lit « prime »). L'autre extrémité, dite 3', se caractérise par un groupe hydroxyle -OH (un atome d'oxygène et un d'hydrogène), fixé au carbone 3 du sucre (dans chaque sucre, les atomes de carbone qui constituent l'anneau sont numérotés de 1 à 5 ou de 1 à 6, selon le type de sucre). Quand deux chaînes s'apparient pour former une double hélice, l'une s'oriente 5' => 3', tandis que l'autre s'oriente 3' => 5'. Ce phénomène est appelé appariement antiparallèle, et est fondamental pour permettre la réplication de l'ADN. La structure tridimensionnelle La structure tridimensionnelle de la double hélice d'ADN (voir paragraphe précédent) est formée de deux spirales enroulées l'une autour de l'autre, avec les bases accouplées vers l'intérieur de la molécule (l'adénine avec la thymine, et la cytosine avec la guanine). À l'extérieur des bases, se trouvent les sucres, et à l'extérieur de ces derniers, les groupes phosphate, avec la charge électrique négative, responsable de la légère acidité de la molécule. Vue de profil, la double hélice présente deux sillons en spirale, le gros sillon et le petit sillon. La molécule est dextrogyre (c'est-à-dire que la spirale tourne vers la droite). La forme d'ADN que nous venons de décrire s'appelle forme B, c'est celle qui fut découverte par James Watson et Francis Crick et qui se trouve normalement à l'intérieur de la cellule. Différentes formes d'ADN Il existe différentes formes alternatives d'ADN. L'une des plus intéressantes est la forme Z. L'ADN-Z est une molécule lévogyre (c'est-à-dire que la spirale tourne vers la gauche), plus longue et plus étroite que l'ADN-B, et qui présente un seul type de 2 sillon quand elle est examinée latéralement. L'ADN-Z pourrait être impliqué dans le processus de régulation génique chez les Eucaryotes. RÉPLICATION Dans l'article où ils annonçaient la découverte de la structure de l'ADN, James Watson et Francis Crick insérèrent une phrase qui est passée dans l'histoire de la science comme l'une des plus courtes mais les plus riches de sens jamais publiées. Les deux biologistes écrivirent que « les implications que la structure de l'ADN a pour la réplication de l'information génétique » ne leur avaient pas échappé. En d'autres termes, ils s'étaient bien rendu compte que, une fois la structure de l'ADN déchiffrée, le mystère de la réplication (ou de la duplication) de l'ADN serait bientôt élucidé. En fait, les deux chercheurs travaillaient déjà à un deuxième manuscrit dans lequel ils décrivaient ce mécanisme. Chacune des deux chaînes polynucléotidiques, qui s'enroulent l'une autour de l'autre formant une double hélice, sont composées d'éléments complémentaires deux à deux : une base thymine (T) se lie à une base adénine (A), une base cytosine (C) à une base guanine (G), et inversement. Pendant le processus de réplication, qui consiste en la formation de copies de la molécule d'ADN, la double hélice s'ouvre, les deux chaînes se séparant et servant chacune de matrice pour la création d'une nouvelle chaîne selon les règles de la complémentarité. Le résultat final est la formation de deux doubles hélices, chacune contenant l'un des deux brins originaux (brin « parental ») et un nouveau brin (brin « néosynthétisé »). Cette réplication est dit semi-conservative (parce qu'elle conserve l'un des deux brins originaux dans chaque nouvelle copie d'ADN). Elle fut décrite sur des bases exclusivement théoriques comme le mode de réplication le plus adapté étant donné la structure de l'ADN. Les phases de la réplication Les détails moléculaires du processus de réplication (ou duplication) de l'ADN sont plus complexes que Watson et Crick ne l'imaginaient. On peut distinguer 5 phases qui se succèdent sans cesse pendant la réplication de l'ADN : 1) une catégorie spéciale d'enzymes, les hélicases, a pour fonction d'ouvrir la double hélice parentale au moyen de torsions de la spirale ; 2) d'autres protéines spécialisées, les topo isomérases, se fixent à chacun des deux brins ouverts, qu'elles stabilisent et qu'elles continuent de dérouler (on peut à présent distinguer un brin « principal » , le long duquel la nouvelle hélice sera synthétisée dans la direction 5' => 3', et un brin secondaire, le long duquel la réplication se fera de façon discontinue et apparemment dans la direction 3' => 5') ; 3) l'hélice complémentaire du brin principal est synthétisée en permanence, grâce à l'action d'une enzyme spéciale, l'ADN-polymérase, qui lit le brin modèle. Par exemple, si le brin modèle présente un « C » , l'enzyme prélève un nucléotide triphosphate complémentaire dans le milieu nucléaire, c'est-à-dire « G » , et rapproche les deux bases de sorte qu'elles puissent se lier par une liaison hydrogène (voir Bases complémentaires) ; 4) en même temps, le brin secondaire est synthétisé de façon discontinue (l'enzyme primase synthétise un fragment court d'ARN tandis que le brin 3 secondaire est étiré par l'ADN-polymérase, de façon à former une structure connue sous le nom de fragment d'Okazaki, du nom du découvreur de ce phénomène) ; 5) le fragment d'ARN est ensuite remplacé par de l'ADN grâce à une deuxième ADN-polymérase. Les différents fragments d'Okazaki ainsi produits le long de l'hélice secondaire sont littéralement fondus les uns avec les autres par une autre enzyme, dite ADN-ligase. Ce processus apparemment compliqué est nécessaire, car la synthèse d'ADN ne peut se faire que dans la direction 5' => 3'. Étant donné que l'hélice secondaire est orientée dans le sens opposé (voir L'appariement antiparallèle), le stratagème des fragments d'Okazaki permet de la répliquer apparemment dans la direction 3' => 5', au moyen d'une série de morceaux dont chacun est synthétisé dans la direction voulue 5' => 3'. EXPÉRIENCES SUR LA RÉPLICATION La nature semi-conservative du processus de réplication de l'ADN fut proposée par James Watson et Francis Crick sur des bases purement théoriques. Matthew Meselson et Franklin Stahl en firent la première démonstration pratique vers la fin des années 50, en utilisant la Bactérie intestinale Escherichia coli. Meselson et Stahl disposaient d'une ultracentrifugeuse capable de séparer des ADN selon leur densité. Et la densité de l'ADN peut être modifiée par l'introduction dans la molécule de différents isotopes de l'azote : l'isotope 15 (15N) est dit « lourd » par rapport à l'isotope ordinaire 14 (14N). Les scientifiques ont donc mis en culture les Bactéries, d'abord sur un milieu ne fournissant que de l'azote lourd, marquant ainsi l'ADN, puis sur un milieu à azote léger. Après une première génération de Bactéries, Meselson et Stahl isolèrent une partie de leur ADN et le centrifugèrent. Ils obtinrent alors de l'ADN présentant une densité inférieure à celle de l'ADN parental. La deuxième génération produisit deux densités différentes, l'une identique à celle de la génération précédente, et l'autre encore plus faible. Ces résultats étaient conformes aux prévisions de la théorie semi-conservative. En partant de molécules à deux hélices lourdes, une réplication aurait dû produire des molécules hybrides, avec un brin lourd (le brin parental) et un léger (le brin synthétisé). Un cycle de réplication supplémentaire aurait produit des molécules hybrides (lourde-légère) et des molécules entièrement constituées de chaînes légères, exactement comme l'avaient démontré les deux biologistes. Une démonstration de la réplication semi-conservative très semblable fut menée par Herbert Taylor en 1958, en utilisant des chromosomes de fève. Taylor provoqua un cycle de réplication cellulaire en présence de thymidine tritiée (c'est-àdire marquée radioactivement). Celle-ci fut incorporée dans les chromosomes de fève, dont les quatre bras devenus radioactifs étaient bien visibles au moment de la métaphase mitotique (la division cellulaire peut être arrêtée à ce stade par une substance chimique spéciale, la colchicine). Pendant la deuxième division, les chromosomes à quatre bras ne présentaient cependant que deux bras marqués radioactivement, tandis que les deux autres étaient normaux. Comme la réplication avait eu lieu dans un terrain de culture où la thymidine tritiée était absente, ces résultats étaient en parfait accord avec la théorie de la réplication semiconservative. MUTATIONS 4 Les mutations constituent un phénomène essentiel dans le domaine génétique. Elles permettent aux populations d'organismes vivants d'augmenter leur variabilité, pour que la sélection naturelle puisse agir efficacement et déboucher sur le processus que nous appelons évolution biologique. En résumé, une mutation est un événement ayant pour effet de modifier de façon permanente la structure du matériel héréditaire : l'ADN. Les biologistes distinguent trois types de mutations : géniques, génomiques, et chromosomiques. Mutations géniques Les mutations géniques sont les plus communes. Elles sont de trois sortes : substitution d'une base par une autre, délétion d'une base dans la séquence d'ADN, ou addition d'une nouvelle base en un point quelconque de la séquence (voir La composition chimique de l'ADN). Bien qu'il y ait quatre types de bases dans l'ADN (adénine, cytosine, guanine et thymine), elles sont chimiquement semblables deux à deux. L'adénine et la thymine sont des purines, tandis que la cytosine et la guanine sont des pyrimidines. Une base donnée peut être transformée par mutation en n'importe laquelle des trois autres, mais les mutations qui transforment une purine en une autre purine, ou une pyrimidine en une autre pyrimidine sont beaucoup plus fréquentes que celles qui transforment une purine en une pyrimidine (ou inversement). Cela tient au fait que le changement d'une substance en une autre, de structure chimique semblable, est moins compliqué, et donc plus probable que le changement en une substance dont la structure est moins ressemblante. Parfois, une base peut être éliminée par une séquence, ou une nouvelle base peut être ajoutée. Dans ce cas, la séquence du gène correspondant sera lue de façon très différente par l'ARN-polymérase, parce que tous les triplets qui constituent les mots de l'alphabet génétique seront altérés en aval de la mutation (voir code génétique). Mutations chromosomiques Une catégorie plus rare de mutations est constituée de ce qu'on appelle les mutations chromosomiques. Des morceaux entiers de chromosomes sont éliminés, ou vont se fondre avec d'autres chromosomes déjà existants. Dans un cas comme dans l'autre, des dizaines, voire des centaines de gènes se retrouvent déplacés. Étant donné que la régulation de l'activité d'un gène dépend en partie de sa localisation dans le génome, les mutations chromosomiques ont en général des effets extrêmement dramatiques, car elles altèrent la quantité de produit génique, ou modifient le moment où un gène donné est activé ou désactivé. Mutations génomiques Les mutations génomiques ont lieu lorsqu'une configuration chromosomique entière est répliquée, ou bien lorsque les chromosomes de deux génomes différents se fondent dans la même cellule. Dans la nature, ces phénomènes, qui se produisent rarement, sont résumés sous le terme « polyploïdie ». Un individu polyploïde peut naître de la fusion des gamètes de deux espèces différentes, ou de la non-réduction du nombre chromosomique pendant la méiose. Les mutations 5 génomiques sont en général désastreuses pour un organisme, car elles bouleversent le fragile équilibre des fonctions de milliers de gènes. Malgré cela, il est fréquent que de nouvelles espèces de plantes voient le jour par polyploïdie, alors que le phénomène est bien plus rare chez les animaux. Agents mutagènes Qu'est-ce qui provoque les mutations ? Plusieurs agents physiques et chimiques sont en mesure de produire les trois types de mutations : géniques, génomiques et chromosomiques (voir précédents paragraphes). Les hautes températures, les radiations de toute nature (des rayons ultraviolets aux rayons gamma), ainsi que différentes substances cancérigènes (y compris la saccharine, la nicotine et la caféine), sont autant de facteurs de mutations tant chez les plantes que chez les animaux, y compris l'homme. Une mutation est simplement une modification chimique ou physique de la structure de l'ADN. Ses effets délétères (ou, plus rarement, bénéfiques) sont dus à un changement dans le type ou dans la séquence des bases. L'information contenue dans l'ADN est alors modifiée, produisant des protéines aux fonctions nouvelles. Ces dernières peuvent à leur tour changer le phénotype de l'organisme concerné, qualifié alors de « mutant » . RÉPARATION DE L'ADN ENDOMMAGÉ L'ADN peut être endommagé par des agents mutagènes, c'est-à-dire par des agents physiques qui provoquent des mutations. En outre, au moment de la réplication, l'ADN-polymérase peut insérer une base en mauvaise position. Ces deux problèmes peuvent être corrigés par une série d'enzymes qui remplissent des fonctions spéciales, et qui sont dites « réparatrices » . Supposons qu'une erreur de réplication ou une mutation ait provoqué la formation d'un dimère de thymine (c'est-à-dire d'un appariement latéral de deux thymines, qui se sont liées entre elles et non pas avec leurs adénines respectives sur l'hélice complémentaire). L'erreur est découverte par l'ADN-polymérase, qui remplit la fonction de « correction d'épreuves » (l'enzyme compare la séquence du nouveau brin avec celle de l'ancien, pour localiser d'éventuelles erreurs). L'enzyme nucléase coupe alors le brin endommagé en deux points autour de la zone où l'erreur s'est produite. Cela crée une zone vide, où seulement l'une des deux hélices est présente. L'ADN-polymérase utilise la portion découverte de l'hélice intacte comme modèle de réplication pour remplacer la coupure provoquée par la nucléase. Enfin, l'ADN-ligase intervient pour recoller les morceaux, refermant le brin endommagé, cette fois avec la séquence de bases voulue. L'ADN ET LE MATÉRIEL GÉNÉTIQUE Aujourd'hui les biologistes donnent pour acquis le fait que l'ADN est la molécule qui sert de support à l'information génétique, mais la situation était bien différente dans la première moitié du XXe siècle. Sur la base d'analyses purement chimiques, on savait que l'ADN était constitué de quatre types de substances (ce qu'aujourd'hui nous appelons nucléotides). Par ailleurs, on savait que les protéines étaient constituées de vingt types différents de « briques » fondamentales (les 6 aminoacides). En toute logique, il semblait que les protéines, disposant d'un alphabet de 20 lettres, avaient la capacité de stocker beaucoup plus d'informations que l'ADN avec son alphabet de 4 lettres (c'est là l'un des nombreux exemples où la nature ne suit pas la logique humaine). En 1928, l'Anglais Frederick Griffith, qui étudiait le virus responsable de la pneumonie, remarqua qu'en mélangeant une souche virulente et une souche non virulente, cette dernière devenait capable de provoquer la maladie. Cette transformation avait lieu même si la souche non virulente était mélangée avec une souche virulente rendue inactive ! Il était donc clair qu'une substance chimique était passée des virus morts aux virus vivants, et les avait transformés. Plusieurs biologistes tentèrent d'isoler la substance en question. En 1944, les Américains Oswald Avery, Maclyn McCarty et Colin MacLeod annoncèrent qu'il s...
