HISTOIRE DE LA BIOLOGIE MOLÉCULAIRE
Publié le 02/05/2019
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LE GÉNIE GÉNÉTIQUE : LE CLONAGE ET LES GÈNES EN ÉPROUVETTE
Le génie génétique est l'ensemble des technologies utilisées pour agir directement sur les gènes de façon à pouvoir les étudier in vivo en les transférant d'une cellule à l'autre, ou in vitro, grâce aux techniques de ce que l'on appelle l’ADN recombiné, qui permettent d’obtenir des « gènes en éprouvette ».
Dans des conditions particulières, par exemple dans l'œuf fécondé, la fusion des noyaux de deux cellules d'espèces différentes peut mener à la réalisation de chimères, des embryons contenant un mélange des caractères héréditaires des deux espèces de départ. Une variante de cette technique consiste à insérer le noyau isolé d'une cellule somatique (soma) dans un œuf auquel on a soustrait le noyau. Cette expérience, réalisée pour la première fois par J. B. Gudron en 1968, a été à l'origine de certaines recherches, et de nombreux débats, sur la possibilité de « cloner » des individus, c'est-à-dire de reproduire intégralement les caractères d'un organisme adulte dans un œuf auquel on a soustrait le noyau. Le développement d'un œuf de ce genre produirait un individu génétiquement identique à l'individu originaire.
Les techniques de fusion nucléaire ont permis la création de cellules hybrides - les hybridomes - formées d'un plasmocyte tumoral et d'un lymphocyte. Les cellules en question héritent du lymphocyte la capacité de produire un certain type d'anticorps, et du plasmocyte la caractéristique de se reproduire en grande quantité. De cette façon, il est possible d'obtenir des quantités virtuellement illimitées de n'importe quel anticorps (technique des anticorps monoclonaux).
L'autre type de technique, plus caractéristique du génie génétique, est celle de l'ADN recombiné. Elle consiste à fragmenter les molécules d'ADN au moyen d'enzymes de restriction et à relier les fragments obtenus (contenant les gènes que l'on veut reproduire) à d'autres molécules d'ADN en utilisant une enzyme appelée ligase. On obtient ainsi des vecteurs d'ADN capables de transporter de l'ADN dans les cellules où a lieu leur réplication. De cette façon, on peut obtenir des segments reproductibles et constants à partir de l’ADN d'une espèce donnée, qui peuvent être utilisés pour d’autres expériences.
Pour couper l'ADN en certaines zones déterminées, l'action des enzymes de restriction est nécessaire. La première de ces enzymes fut isolée par deux microbiologistes américains, Hamilton O. Smith (1931) et Daniel Nathans (1928), en 1970. La première molécule d'ADN recombiné obtenue par cette technique a été réalisée à la Stanford University en 1972. Depuis, plusieurs succès ont été obtenus dans les domaines industriel et pharmacologique. En 1982, on a commencé à produire industriellement de l'insuline, des enzymes et certaines hormones à effet thérapeutique, ce qui a permis d'en réduire sensiblement le coût.
Le développement du génie génétique a permis de disposer d’instruments révolutionnaires pour l'étude du génome des organismes supérieurs. On a pu appliquer aux plantes et aux animaux (y compris à l'homme) les méthodes de la manipulation génétique des micro-organismes. Ces résultats ont permis un renouveau spectaculaire de la recherche.
Mais de façon concomitante, des inquiétudes sont apparues concernant les risques d'une manipulation incontrôlée du patrimoine héréditaire, dont pourraient naître des organismes inconnus ou des agents pathogènes nouveaux. C'est pour cette raison qu’en 1975, plusieurs spécialistes réunis à Asilomar, en Californie, ont décidé de formaliser les règles d’éthique à respecter dans les expériences sur l'ADN recombiné. L'année suivante le National Institute of Health américain a interdit différents types d'expériences. On s’est aperçu ensuite que les risques de manipulation avaient été exagérés. La communauté scientifique a décerné, en 1978, le Prix Nobel de médecine à Nathans et à Smith pour la découverte et l'utilisation des enzymes de restriction, et, en 1980, le Prix Nobel de chimie à Frederick Sanger (1918) pour le développement de nouvelles techniques de séquençage.
LA STRUCTURE DISCONTINUE DE L'ADN
L'un des résultats les plus surprenants obtenus dans les dernières décennies par la biologie moléculaire a été la démonstration selon laquelle l'organisation génétique des organismes supérieurs est très différente de celle des Bactéries. Tandis que chez les Bactéries la structure du chromosome est linéaire et continue (génome des Procaryotes), chez les organismes supérieurs les gènes sont fragmentés, interrompus par de longues séquences de bases non codantes (génome des Eucaryotes). Durant le processus de transcription, ces parties sont ignorées et l'unité du message est rétablie. En 1978, Walter Gilbert (1932-1982) a proposé une nouvelle terminologie, appelant exons les séquences de nucléotides qui font partie du gène et sont ensuite transcrites dans l'ARNm, et introns les parties non codantes ou « silencieux » du génome. À la transcription initiale succède donc une scission de la séquence de nucléotides qui composent l'ARNm. Certains traits de la molécule sont éliminés (les séquences complémentaires aux introns), tandis que d'autres traits sont à nouveau associés entre eux (les séquences correspondant aux exons), pour former à nouveau l'intégrité du message génétique.
En outre, un parallèle fut établi entre les introns et les gènes appelés « gènes sauteurs », capables de changer de position sur la carte génétique. Cela signifie que les introns seraient capables de se déplacer sur les chaînes d'ADN, quittant un gène pour se placer dans un autre.
Les gènes sauteurs - connus à présent sous le nom de transposons - furent décrits par Barbara McClintock (1902) dès les années 40. Cette géniale généticienne américaine, qui a passé une grande partie de sa vie scientifique dans le Cold Spring Harbor Laboratory, était parvenue, au cours de ses études génétiques sur le plant de maïs, à la conclusion qu'il existait des éléments génétiques en mesure de modifier le comportement de gènes adjacents. Mais ce qui était surprenant, c’est que ces éléments semblaient disparaître de l’endroit où ils se trouvaient auparavant pour réapparaître autre part. Même si les recherches de Barbara McClintock ne rencontrèrent aucune forme d'ostracisme de la part de la communauté scientifique, elles ne reçurent pas l'attention qu'elles méritaient. À cette époque, on concevait le génome comme une structure fixe, et l'idée que les gènes puissent « sauter » semblait tout à fait curieuse. Au cours des années 60, toutefois, des éléments présentant ces caractéristiques furent identifiés de façon claire dans les Bactéries, et Barbara McClintock, à laquelle fut décerné le Prix Nobel, reçut les honneurs qu'elle méritait.
L'introduction de la notion d'éléments génétiques mobiles et d'ADN silencieux a profondément modifié les représentations de la biologie moléculaire. L'ADN a perdu la rigidité qu'il semblait avoir jusque-là, et cela a conduit, entre autres, à une nouvelle interprétation des théories concernant l'évolution génétique. En effet, les reconstructions des lignes évolutives fondées sur le nombre des gènes ou sur la quantité d'ADN ont été profondément révisées, étant donné qu'une plus grande quantité d'ADN n'entraîne pas une augmentation linéaire proportionnelle du nombre de gènes.
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trouvés dans le noyau des cellules (lorsqu'on découvrit qu'ils se trouvaient aussi
ailleurs, leur nom était déjà diffusé).
Pendant des décennies, on se limita à en
étudier la structure sans essayer d'en expliquer la fonction, et encore moins de les
relier à la transmission des caractères héréditaires, car on imaginait que leur
simplicité ne les prédisposait pas à une fonction aussi déterminante.
Cependant,
durant les années 20, on savait qu'il existait deux acides nucléiques, l'acide
désoxyribonucléique (ou ADN) et l'acide ribonucléique (ou ARN).
Curieusement, ce fut un bactériologiste, Oswald T.
Avery (1877-1955), et non un
biochimiste, qui mena en 1944 les expériences les plus significatives.
Ses
recherches (voir aussi ADN et le matériel génétique) tentaient de faire comprendre
la raison pour laquelle certains pneumocoques, des Bactéries responsables de la
pneumonie, avaient une capsule externe et d'autres non.
Une première expérience
montra qu'un extrait de Bactéries pourvues de capsules, ajouté à une culture de
pneumocoques qui en étaient dépourvus, conduisait ces derniers à synthétiser
cette enveloppe.
La deuxième expérience décisive montra que la substance
responsable de la « métamorphose » était un acide nucléique.
Étant donné que la
capsule était formée d'une protéine, le sens de l'expérience était clair : l'acide
nucléique guidait la production de la protéine (gènes et protéines).
La conclusion à laquelle était parvenu Avery fut confirmée plusieurs fois au cours
des années suivantes.
Toutefois, des questions telles que « comment et de quelle
façon est-il possible que des molécules aussi petites que les acides nucléiques
jouent un rôle aussi important ? » restèrent sans réponse.
Quand l'étude de ces
molécules fut plus avancée, on découvrit que les acides nucléiques étaient en
réalité des macromolécules, de grandes dimensions.
Mais il fallait encore en définir
la structure.
En 1945, le physicien Erwin Schrödinger (1887-1961) avait suggéré que la molécule
du gène était un cristal apériodique.
Seul un cristal de ce genre peut maintenir une
forme rigide et servir de modèle à d'autres cristaux et, en même temps, avoir une
structure non régulière, nécessaire pour servir de soutien à la variabilité du matériel
héréditaire.
De cette façon, Schrödinger présentait en termes physiques un
problème fondamental de la biologie.
Plusieurs physiciens, à cette époque,
commencèrent à s'occuper de problèmes biologiques, en appliquant aux sciences
de la vie leur méthode d'étude des objets complexes, consistant à les simplifier et à
utiliser autant que possible une formalisation abstraite.
De cette façon, la physique
apporta une contribution fondamentale à la naissance de la biologie moléculaire.
LA DÉCOUVERTE DE LA DOUBLE HÉLICE
Le problème central que l’on devait résoudre pour comprendre la structure de l'ADN
consistait à faire cohabiter dans une structure unique deux qualités apparemment
opposées : la permanence et la variabilité.
Dans les années 40, plusieurs
hypothèses avaient été avancées sur la façon dont les chaînes polypeptidiques des
protéines sont disposées dans l'espace.
L'une des techniques les plus utilisées était
la cristallographie à rayons X, une méthode qui permettait d'enregistrer sur une
plaque photographique l'image produite par un faisceau de rayons X envoyé sur un
cristal et diffracté par celui-ci, et qui permettait d'en reconstruire la structure comme
une sorte d’« ombre chinoise ».
Cette technique avait amené John C.
Kendrew
(1917) et Max F.
Perutz (1914) du laboratoire Cavendish de Cambridge à
reproduire la structure de deux protéines semblables, l'hémoglobine et la
myoglobine.
Le résultat se révéla particulièrement significatif, puisqu'il démontra.
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