BIOLOGIELa biologie moléculaire

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Première période : des règles communes à tous les êtres vivants

L'ADN, support matériel de l'hérédité

Dès le début du xxe siècle, la génétique formelle (cf. génétique) a établi que les gènes, en tant qu'entités définissant des caractères phénotypiques, sont disposés linéairement le long des chromosomes. L'ordre fixe des gènes les uns par rapport aux autres permet d'établir une cartographie du patrimoine génétique caractérisant chaque espèce.

Quel est le lien entre un gène et un caractère ? La réponse est donnée entre 1935 et 1942 aux États-Unis, dans le laboratoire de Morgan, par Edward Tatum, George Beadle et Boris Ephrussi. Le gène du caractère « œil sombre » de la drosophile spécifie une protéine, une enzyme de la synthèse d'un pigment, et cette enzyme est inactive chez les sujets porteurs de la mutation « œil rouge ». On voit ici l'importance de la biochimie du métabolisme dans l'interprétation d'un résultat de génétique. Cette interprétation de la relation entre gène et caractère est prouvée chez Neurospora, dont les voies métaboliques sont plus accessibles. Un gène spécifie donc une protéine, et la protéine induit le caractère, la particularité phénotypique.

Quelle est la nature chimique d'un gène, sachant qu'un chromosome est un complexe de protéines et d'acides nucléiques ? La réponse est venue du monde bactérien. Les pneumocoques virulents sont entourés d'une capsule polysaccharidique qui est absente chez les pneumocoques non virulents. Fred Griffiths avait montré en 1928 qu'un « principe » extrait des formes virulentes transforme les pneumocoques inoffensifs en formes virulentes. Oswald Avery, Colin Mac Leod et Maclyn McCarthy découvrent, en 1944, que ce « principe transformant » est très probablement de l'ADN (cf. adn). La démonstration formelle est donnée en 1952 quand Alfred Hershey et Martha Chase montrent que l'ADN du bactériophage et lui seul suffit à la multiplication de ce virus dans une bactérie. L'ADN est donc le support matériel de l'hérédité virale, notion bientôt généralisée à tous les autres organismes (à l'exception de quelques autres virus dont l'hérédité est assurée par des molécules d'ARN).

La double hélice de l'ADN

En raison des caractéristiques associées au support matériel de l'hérédité, l'ADN doit être en même temps capable de coder l'information génétique et de se répliquer à l'identique lors des divisions cellulaires. Or l'ADN est une longue fibre issue de l'enchaînement de milliers ou de milliards des quatre bases nucléotidiques, l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Cet enchaînement produit une séquence (...AATCGATG...) dont la monotonie paraissait peu compatible avec le codage d'une multiplicité de protéines. Cependant, Erwin Chargaff montre en 1950 qu'il y a autant de A que de T, de C que de G dans toute molécule d'ADN, ce qui est l'indice d'une structure binaire. Le rapport AT/CG varie d'une espèce à une autre, ce qui suggère des différences caractéristiques. La structure dans l'espace de l'ADN est obtenue grâce à une technique physique familière aux cristallographes et étendue depuis peu aux protéines par Linus Pauling, la diffraction des rayons X. En 1953, Maurice Wilkins, James Watson et Francis Crick décrivent cette structure, devenue « emblématique » de la biologie moléculaire, la double hélice de l'ADN, déduite des clichés de Rosalind Franklin publiés dans le même numéro de Nature. Si l'on assimile la molécule d'ADN à une colonne, les bases nucléotidiques sont empilées les unes sur les autres et séparées de 0,34 nm. Elles sont disposées en deux chaînes (structure bicaténaire dans laquelle un A d'une chaîne fait face à un T sur l'autre) enroulées en double hélice l'une autour de l'autre. Le squelette de chaque chaîne est constitué de désoxyribose (un sucre à 5 atomes de carbone) et le lien entre chaque plateau est assuré par une liaison phosphate entre hydroxyles 5' et 3' de deux sucres successifs (fig. 1). L'hélice est stabilisée par des liaisons faibles en énergie échangées entre bases, 3 entre C et G, 2 entre A et T. Une molécule d'ADN est donc constituée de deux chaînes de séquences complémentaires en bases mais de sens opposé. Ainsi, le code de l'hérédité se trouve dans la séquence des bases. Le gène, toujours unité de fonction et de recombinaison, devient un morceau de cette séquence. La structure proposée permet la réplication par copie directe d'un brin complémentaire sur un brin matrice, ce qui a été démontré par la suite.

James Dewey Watson

Photographie : James Dewey Watson

Le biologiste américain James Dewey Watson, en compagnie de son épouse, en 1968. Il fut Prix Nobel de médecine en 1962, conjointement avec les Britanniques Wilkins et Crick, pour la découverte de la structure des acides nucléiques. 

Crédits : A Jones/ Hulton Archive/ Getty Images

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Hélices de Watson et Crick

Diaporama : Hélices de Watson et Crick

Les hélices de Watson et Crick : les deux chaînes appariées (structure bicaténaire) sont représentées par les deux rubans reliés entre eux par des barreaux qui simulent les liaisons hydrogène des couples A = T et G = C. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ce sont les propriétés attendues du support matériel de l'hérédité. La double hélice est la forme la plus stable de l'ADN et la plus capable de préserver le patrimoine génétique d'un organisme, bien qu'elle ne soit pas la seule et que d'autres structures de l'ADN existent. Les molécules d'ADN sont, comme toutes les macromolécules biologiques, des structures dynamiques, susceptibles d'adopter des conformations qui sont autant de réponses appropriées aux exigences physiologiques de la cellule (cf. adn).

Linus Carl Pauling

Photographie : Linus Carl Pauling

L'Américain Linus Carl Pauling (1901-1994) reçoit le prix Nobel de chimie, en 1954, pour ses travaux sur la nature de la liaison chimique, et le prix Nobel de la paix, en 1962, pour son combat en faveur du désarmement nucléaire. 

Crédits : Central Press/ Hulton Archive/ Getty Images

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Le contrôle de l'expression des gènes

L'étude systématique de mutations affectant l'expression de gènes du colibacille et de ses bactériophages permet, entre 1955 et 1960, de comprendre leur réponse adaptative ou encore leur expression en protéines. En bref, l'expression d'un gène est initiée, modulée ou réprimée par la fixation de protéines régulatrices sur de courtes séquences de l'ADN localisées au tout début du gène. Ce mécanisme de base, en grande partie dû à l'école française de génétique et à ses nombreux collaborateurs en particulier américains (André Lwoff, Jacques Monod, François Jacob, Elie Wollman, Arthur Pardee...), s'inspire de la logique de physiciens comme Leo Szilard et Aaron Novick et des travaux de l'« école du phage » (Max Delbrück, Salvador Luria...). Il mène à la notion de gènes de structure (codant pour les protéines effectrices) et de gènes de régulation (codant pour les protéines régulatrices), notion dont le corollaire est celle de séquences d'ADN régulatrices (sur lesquelles se fixent les protéines régulatrices) et de séquences codantes (envers des protéines soit régulatrices soit effectrices).

Jacques Monod

Photographie : Jacques Monod

Biochimiste français, Jacques Monod (1910-1976), Prix Nobel de médecine en 1965, est nommé, en 1967, professeur au Collège de France. De 1971 jusqu'à sa mort, il a dirigé l'Institut Pasteur. 

Crédits : Keystone/ Getty Images

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Salvador Luria

Photographie : Salvador Luria

L'Américain d'origine italienne Salvador Luria (1912-1991) a reçu le prix Nobel de médecine en 1969, conjointement avec Max Delbrück (1906-1981) et Alfred Hershey (1908-1997), pour ses découvertes sur la génétique des virus. 

Crédits : Hulton Getty

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La synthèse des protéines lors de l'expression d'un gène aurait pu s'opérer directement sur le gène lui-même, sur sa séquence en ADN. Une solution différente a été retenue par l'évolution. Les gènes sont d'abord copiés (on dit « transcrits ») en un acide nucléique particulier, monocaténaire, l'ARN messager (ARNm) : à la substitution près d'une autre base, un uracile, à chaque T de l'ADN, la séquence d'un ARNm est celle du brin du gène copié (fig. 2) ; la transcription est catalysée par une enzyme, l'ARN polyméras [...]

Transcription de l'ADN en ARNm

Dessin : Transcription de l'ADN en ARNm

Cette photographie, prise au microscope électronique, montre un segment d'ADN en voie de transcription, à côté d'une région d'ADN génétiquement inactive. On distingue des filaments d'ARN messager et les ribosomes qui y sont accrochés. Sur les ribosomes se trouvent les chaînes protéiques... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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  • : chercheur en histoire des sciences, université Paris-VII-Denis-Diderot, ancien chef de service à l'Institut Pasteur

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Pour citer l’article

Gabriel GACHELIN, « BIOLOGIE - La biologie moléculaire », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/biologie-la-biologie-moleculaire/