Génétique générale

La génétique

Introduction

L'école peut-elle réduire les inégalités sociales ?

Cette question nous semble directement liée à celle de la génétique, plus précisément à la détermination génétique éventuelle de potentialités intellectuelles à la naissance : si les enfants naissent avec des potentialités intellectuelles vierges, égales, alors la réduction des inégalités sociales semble en théorie possible ; si les enfants ne naissent pas avec des potentialités intellectuelles vierges, égales, alors l'espoir d'une éradication des inégalités sociales semble vain.

Que connaît-on donc actuellement des mécanismes génétiques ?

Nous avons exploré pour ce faire quelques ouvrages récents, mais parmi lesquels tout simplement un Manuel de biologie de classe de terminale de chez Bordas, Collection Tavernier, 1989.

La génétique, par ailleurs, est un terme qui provoque bien des remous, et hérisse bien des poils, notamment, en sciences humaines : on imagine vite le spectre d'engeances maléfiques intervenant sur les gènes ou au nom des gènes pour créer une "race de surhomme", en éliminant tous ceux qui ne seraient pas "digne" de cette race. Le mot "gène" s'associe dans nos esprits à l'idée de différences entre les hommes, établies sientifiquement, de façon irréfutable. Aussi ce mot-là nous invite-t-il à sortir notre revolver, parce que l'eugénisme américain ou le génocide juif ont choqué nos consciences. De la même façon (et pour les mêmes raisons), parler de "gène" en éducation, en sociologie, en psychologie, suggère inévitablement des notions (et à partir de là des intentions) de

"sélection", "d'élitisme", de "ségrégation sociale", voire "raciale".

Il nous a donc semblé bon d'explorer la question de la génétique afin de nous extraire des passions et des fantasmes, qui sont souvent la marque de l'ignorance.

Les gènes : état des lieux

Les caractères d'un individu sont transmis d'une génération à l'autre par plusieurs dizaines de milliers de "gènes" inscrits au sein de molécules "d'ADN", lesquelles sont enfermées dans les

"chromosomes", lesquels sont présents dans la première cellule embryonnaire, puis dans chacune des cellules du futur adulte. Dans une microscopique cellule de peau se détachant de l'oreille d'un individu, par exemple, est inscrite la forme du pied ou la longueur des doigts de cet individu.

Chromosomes et ADN

Les chromosomes sont des filaments, présents, de façon identique, dans chacune des milliards de cellules que comprend un être vivant. Ces chromosomes contiennent les gènes qui déterminent les caractéristiques de l'individu.

Les chromosomes sont regroupés par paires. Les différentes espèces animales comprennent différents nombres de paires de chromosomes. L'homme en compte 23, soit un total de 46 chromosomes.

Chaque chromosome se divise en deux moitiés symétriques appelées "chromatides", soit un total de 92 chromatides pour l'homme. Chacune de ces chromatides est une sorte de sac qui contient, repliée, tire-bouchonnée sur elle-même, une molécule d'ADN (acide désoxyribo-nucléique). Le génotype complet d'un homme (et qui est présent dans chacune de ses cellules) est donc constitué par un total de 92 molécules d'ADN. C'est le long de ces molécules que sont inscrites les caractéristiques de cet individu.

ADN et gènes

Les molécules d'ADN sont les plus grosses qui existent dans le monde vivant (v.fig.). Une telle molécule atteint, chez l'homme, deux mètres de longueur. Son diamètre infime (2nm, 2 milliardièmes de mètre), lui permet d'être contenue à l'intérieur du filament microscopique (5µm) qu'est son chromosome. C'est comme si un sac de 50 cm de diamètre contenait un fil de 200 km de long et 0,2 mm de diamètre.

Chaque molécule d'ADN contient des milliers de gènes, qui définissent la physiologie de son individu. Ces gènes sont des messages écrits à la suite sur l'échelle centrale de la molécule, constituée de bases azotées de quatre sortes : l'adénine, la thymine, la cytosine et la guanine (v.fig.).

Les "montants" de l'échelle sont constitués, eux, de molécules d'acide phosphorique et de désoxyribose (une sorte de sucre), alternées régulièrement et qui ne renferment donc aucun message (v. fig.).

Quantité d'information et dimension du support

Une seule molécule d'ADN contient plusieurs milliards de bases azotées - qui sont autant de lettres - alignées les unes à la suite des autres. A titre de comparaison, un roman de deux cent pages contient trente mille mots. L'information comprise dans une molécule d'ADN est donc comparable à celle d'une bibliothèque de cent mille livres, le tout étant contenu dans un volume microscopique, invisible à l'oeil nu. Le stockage de cinq cent pages d'écriture sur une disquette informatique apparaît, en regard, comme une performance bien modeste !

Le "message" génétique

Chaque gène serait une phrase composée de mots de trois lettres uniquement, lesquels sont écrits dans un alphabet composé de quatre éléments seulement. Certains mots (les "codons-stop") arrêtent la phrase.

L'ADN, de façon concrète, commande (par messagers interposés) la fabrication de protéines particulières qui vont, elles, fabriquer et régir d'une façon particulière l'individu : telle protéine fabriquera des yeux verts ; telle protéine fabriquera tel enzyme de digestion, etc.

Qu'est-ce qu'une protéine ? C'est une suite, ordonnée de façon rigoureuse, d'acides aminés bien précis. Il s'agit de fabriquer ces protéines bien précises à partir des bases azotées de quatre sortes différentes alignées sur l'ADN.

Combien existe-t-il de sortes d'acides aminés ? Vingt⁸. Avec ses mots de trois lettres et son alphabet de quatre éléments (ce qui forme un total de 64 mots possibles), l'ADN peut donc aisément désigner, et dans l'ordre, chacun des acides aminés constituant une protéine bien précise, qui agira, elle, ensuite, sur l'organisme.

Qu'est-ce qui constitue cet alphabet de quatre élément de l'ADN ?

Ce sont les quatre bases organiques azotées que sont : l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G).

Ces quatre bases se succèdent sur l'échelle centrale de l'ADN de façon à former des séquences de trois éléments, des "mots", qui détermineront chacune la fabrication d'un acide aminé particulier (v.fig.). Cet acide aminé constituera l'élément suivant de la chaîne de protéine en construction, à la suite de l'acide aminé déterminé par le "mot" de trois lettres précédent.

Une seule anomalie dans la chaîne de l'ADN (comme une base azotée à la place d'une autre) provoque l'écriture d'un mot dont une lettre est fausse, donc la fabrication d'un acide aminé à la place d'un autre et donc d'une "chaîne polypeptidique" (protéine) erronée. Cet simple erreur peut conduire à des désordres physiologiques très graves⁹.

8Les 20 acides aminés : acide aspartique, acide glutamique, alanine, arginine, asparagine, cystéine, glutamine, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, proline, sérine, thréonine, tryptophane, tyrosine, valine. Chacun de ces acides aminés est défini par une ou plusieurs combinaisons ("codons" formés de trois éléments) des bases azotées constitutives de l'échelle centrale de l'ADN. Ces acides aminés construits puis associés bout-à-bout constitueront des protéines qui agiront (de façon spécifique) sur l'organisme.

9C'est le cas, par exemple, de "l'anémie à hématies falciformes" (AHF) : les globules rouges ont la forme d'une

L'action de l'adn

Comment l'ADN fabrique-t-il une protéine ?

Résumons d'abord l'essentiel de cette vaste et complexe opération : l'un des gènes, c'est-à-dire l'un des segments, de la chaîne d'ADN est dupliquée à l'extérieur du noyau de la cellule par "l'ARN messager". A partir du message apporté par cet ARN messager, des "ARN de transfert" vont collecter les acides aminés commandés et les assembler les uns à la suite des autres au sein d'un

"ribosome". Cet assemblage forme la protéine commandée par l'ADN. Elle aura sur l'organisme une action bien précise.

Quel est, maintenant, le détail de cette opération ?

L'ADN, support du message et support du message exclusivement

Les "gènes", ou messages, inscrits sur l'ADN commandent la fabrication de protéines qui vont agir sur l'organisme, en commandant la fabrication de cellules, d'hormones ou d'enzymes, par exemple.

Mais ces protéines ne sont pas fabriquées directement à partir de la base matérielle de l'ADN.

Pourquoi ? D'abord parce que l'ADN est localisée à l'intérieur du noyau de la cellule alors que la protéine doit être fabriquée à l'extérieur de lui, dans le cytoplasme, ce qui nécessite donc un transfert de l'information de l'intérieur vers l'extérieur du noyau de la cellule¹⁰. Ensuite, parce que l'ADN, qui est le support original des informations, doit être un support matériel durable, en conséquence de quoi il lui est préférable d'être dupliqué (comme on photocopierait un document original) plutôt qu'utilisé directement¹¹.

L'intermédiaire de commande : l'ARN messager

Les protéines ne sont donc pas fabriquées à partir du message écrit sur l'ADN mais à partir de la base matérielle de l'ARNm (ou acide ribo-nucléique messager), une base nucléique (de quelques centaines de nucléotides), qui vient dupliquer, à l'intérieur de la cellule, un gène particulier inscrit sur l'ADN avant de sortir de la cellule et, à l'extérieur d'elle, commander la fabrication de la protéine.

Il faut noter que le message "dupliqué" sur l'ARNm est l'inverse exact, le complémentaire, de celui inscrit sur l'ADN, à savoir : guanine pour cytosine, cytosine pour guanine, uracile¹² pour adénosine et adénosine pour thymine. Cet ARNm est fabriquée, synthétisée, à partir des bases azotées alignées sur une des chaînes de l'ADN, par un autre acide nucléique, appelé "ARN polymérase" et roulé en boule celui-là, et qui est un complexe enzymatique.

Tout l'ADN n'est pas utile

Il faut noter que 80 à 90 % de l'ADN est inutile. Des sections de nucléotides qui ne codent rien sont insérées entre les gènes et à l'intérieur même des gènes. Ces portions inutiles sont appelées

"introns". L'ARN messager duplique-t-il la totalité de ces nucléotides ? Non. Il effectue un tri. Un ARN intermédiaire, dit "ARN pré-messager", duplique la totalité des nucléotides de l'ADN, inutiles

polypeptidiques. L'une de ces chaînes est une succession de 146 acides aminés. Dans le cas de l'AHF, le sixième acide aminé de cette chaîne (l'acide glutamique) est erroné : il a été remplacé par la valine. Pourquoi ? Cet acide aminé a été commandé par un "mot" erroné, lequel était constitué d'une "lettre", d'une base azotée erronée de l'échelle centrale de l'ADN chromosomique. L'anémie à hématies falciformes, aux conséquences bien évidemment graves, est héréditaire - en attendant de pouvoir corriger directement l'ADN des sujets qui la portent.

10Chez les bactéries qui ne possèdent de noyau, l'ARNm n'a donc pas besoin de sortir de ce noyau, qui n'existe pas. Ce gain d'étape permet aux ribosomes de commencer à assembler la protéine avant même que l'ARNm ait fini de dupliquer l'ADN.

11Il ne faudrait pas croire, bien évidemment, que cette deuxième exigence ait une quelconque origine intentionnelle. "Dieu" n'a pas exigé de ses ribosomes qu'ils photocopient soigneusement l'ADN pour éviter de l'abîmer. C'est la Nature, qui, dans sa sélection, a retenu cette deuxième qualité - associée à la première, ainsi qu'à l'ARN messager - comme étant probablement la plus fiable.

compris. Le véritable ARN messager, lui, sélectionne à partir de cet ARN pré-messager les seules portions utiles (appelées "exons").

L'identification des codons de l'ARNm et leur correspondance à l'acide aminé par l'ARN de transfert

Chaque codon inscrit le long de la chaîne d'ARNm ne peut être identifié et associé à l'acide aminé qui lui correspond que par un nouvel acide nucléique, l'ARN de transfert, d'une longueur de quelques dizaines de nucléotides et replié en boule. Chaque ARNt est spécialisé dans l'identification d'un seul codon et (donc) dans l'apport d'un seul acide aminé. L'ARNt, en liberté dans le cytoplasme - au nombre d'au moins un pour chaque codon possible - est muni de son acide aminé attitré (correspondant au codon qu'il est chargé d'identifier) et attend que ce codon se présente sur le long de la chaîne d'ARNm. Lorsque ce codon se présente, l'ARNt se fixe sur la chaîne d'ARNm à la suite de l'ARNt précédent et fixe à l'acide aminé de cet ARNt précédent le sien propre, prolongeant ainsi la chaîne de protéine en cours de fabrication. Lorsque l'ARNt est libéré de son acide aminé, il se dégage de la chaîne d'ARNm et retourne chercher une autre molécule de son acide aminé attitré pour, de nouveau et plus loin, participer à la construction de la protéine.

Le "ribosome", atelier d'assemblage de la protéine

Ce contact de l'ARNt le long de l'ARNm et la soudure de son acide aminé avec l'acide aminé de l'ARNt précédent est effectuée au sein d'un petit organite cytoplasmique appelé "ribosome", véritable atelier d'assemblage dont la fonction est de souder entre eux, les uns à la suite des autres, par une "liaison peptidique", les acides aminés apportés par les ARNt.

Cette élaboration de la liaison peptidique est assurée par une enzyme, "l'aminoacyl-ARNt-synthétase", et un apport d'énergie, sous forme d'ATP (adénosine triphosphate)¹³.

On peut noter que plusieurs ribosomes peuvent à la fois se fixer sur l'ARNm (en divers points) et donc fabriquer (presque) simultanément plusieurs exemplaires de la protéine commandée.

Initialisation et fin de la fabrication

On peut noter que la fabrication d'une protéine débute toujours par l'acide aminé "méthionine"¹⁴. En fin de fabrication, cette méthionine est libérée, conférant à la protéine sa véritable et définitive configuration (et donc identité).

L'assemblage de la protéine s'achève lorsqu'advient, sur la chaîne d'ARNm, un "codon-stop"

(UAA, UAG ou UGA), qui ne désigne aucun acide aminé mais commande l'arrêt de la fabrication.

Enfin, malgré la complexité de la fabrication d'une protéine, cette fabrication est effectuée à la vitesse de vingt acides aminés par seconde !

Quand et pourquoi l'ADN se duplique-t-il pour fabriquer une protéine ?

Ce sont des protéines, "régulatrices", fixées directement sur l'ADN, qui activent ou inhibent, selon les besoins de l'organisme, la duplication de l'un de ses gènes pour la fabrication d'une protéine précise.

Pourquoi les protéines sont-elles composées justement d'acides aminés et non d'autres corps ?

Les acides aminés, modestes molécules¹⁵ formées sous l'effet des éclairs, des radiations et de la chaleur aux tout débuts de l'histoire de la terre à partir du formaldéhyde et de l'acide cyanhidrique

13L'ATP (adénosine triphosphate) est la molécule qui, dans le monde vivant, sert d'apport d'énergie, de

"combustible" à la cellule. Les liaisons chimiques reliant les unités de phosphates sont riches en énergie. La cellule consomme cette énergie, puis rejette de l'ADP (adénosine diphosphate) et une unité de phosphate libérée. A titre d'indication, la synthèse d'une protéine nécessite la consommation de 1500 molécules d'ATP. L'organisme est contraint de raffiner et de stocker en permanence de l'ATP à partir des aliments absorbés et de l'oxygène respiré.

14La méthionine est "commandée" par le codon AUG sur l'ARNm, lequel codon est donc la duplication du triplet TAC sur l'ADN. On peut donc en déduire facilement que le début de chaque gène, sur la molécule d'ADN, est repérable par le triplet TAC (thymine, adénine, cytosine).

- elles-mêmes petites molécules¹⁶ issues de l'eau, du méthane et de l'ammoniac - sont naturellement disposées à s'associer entre elles. Pourquoi ? Parce que chacun des vingt acides aminés est borné par une partie acide d'un côté et une partie amine de l'autre. Or, ces deux parties sont susceptibles de réagir entre elles pour former une molécule d'eau et souder l'un à l'autre deux acides aminés.

Les acides aminés, formés naturellement au cours de l'histoire moléculaire, ont donc de fortes chances de s'associer à nouveau entre eux de façon spontanée pour former de longues chaînes.

Il semble tout naturel, dès lors, que s'il devait apparaître (comme ce fut le cas) de grosses molécules (comme celles de protéines), ces molécules avaient les plus grandes chances d'être composées d'acides aminés et non d'autres corps.

Pourquoi les protéines ont-elles une action sur l'organisme ?

Les vingt acides aminés susceptibles de composer une protéine sont eux-même constitués d'une partie commune à tous (la branche NH2-CH-COOH) et d'une partie différente pour chacun (qui, justement, les spécifie).

Or, il se trouve que la partie commune à tous est justement celle qui relie les acides aminés les uns aux autres, pour former une longue chaîne centrale uniforme, succession de branches NH2-CH-COOH comme autant de wagons identiques d'un train, cependant les parties spécifiques se trouvent, elles, au contraire, accrochées à la périphérie de cette chaîne centrale, comme autant de structures différentes soudées sur les toits des wagons.

Ces branches qui dépassent sont susceptibles de réagir avec d'autres corps.

Or, c'est précisément ce qui se passe lorsque la protéine se roule en boule sur elle-même. Dans cette configuration, des branches spécifiques se trouvent en contact les unes entre elles. Elles réagissent alors chimiquement les unes avec les autres et sont susceptibles de délivrer des substances qui vont agir sur l'organisme¹⁷.

La duplication de l'^ADN L'ADN se duplique

L'ADN se reproduit au cours de la division des cellules. Si chaque cellule diffère, de par sa forme ou sa fonction, l'ADN, c'est-à-dire le matériel qui contient le génotype de l'enfant, lui, ne diffère pas d'une cellule à l'autre. Toutes les cellules renferment les mêmes chromosomes, les mêmes chaînes d'ADN, qui se sont dupliquées de façon rigoureusement identique à plusieurs millards d'exemplaires - autant que le corps humain compte de cellules.

Comment l'ADN se duplique-t-il ?

L'ADN a la forme d'une échelle tordue en spirale, avec des barreaux (formés d'adénine, de thymine, de cytosine et de guanine) et des montants (formés de désoxyribose et d'acide phosphorique). Les liaisons qui unissent les bases azotées (adénine, thymine, guanine et cytosine) en barreaux sont fragiles, car ce sont des liaisons hydrogène. Aussi peuvent-elles se rompre avec aisance. L'ADN se scinde donc ainsi en deux barreaux simples, dont les bases azotées sont apparentes et seules. Sur chacune de ces bases azotées vient se greffer sa complémentaire, à savoir : de l'adénine sur la thymine, de la thymine sur l'adénine, de la guanine sur la cytosine et de la cytosine sur la guanine. Vient enfin se greffer du désoxyribose et de l'acide phosphorique : le deuxième montant est reconstruit ; la molécule d'ADN est reconstituée dans son ensemble.

Pourquoi, dans la chaîne de l'ADN, s'associent toujours ensemble adénine et thymine d'une part, et guanine et cytosine d'autre part ?

L'adénine et la thymine sont chacune porteuses de liaisons potentielles avec un autre corps, lesquelles sont au nombre de deux. L'adénine et la thymine se trouvent donc, par ces deux liaisons, naturellement associées l'une à l'autre.

De la même façon, la guanine et la cytosine sont porteuses de trois liaisons potentielles avec un autre corps. Elles se trouvent donc naturellement aussi associées l'une à l'autre.

Corollairement, il est impossible pour l'adénine ou la thymine de s'associer avec la guanine ou la cytosine, et réciproquement.

S'associent donc ensemble et exclusivement l'adénine et la thymine d'une part, et la guanine et la cytosine d'autre part.¹⁸

(insérer un schéma pour le lecteur)

La génétique dans la reproduction des êtres vivants Le processus élémentaire : faire un enfant.

Des "spermatistes" ont pensé que les spermatozoïdes contenaient chacun en soi un bébé déjà tout fait qui ne venait dans l'utérus que pour y grandir. A ces "spermatistes" se sont opposés des

"ovistes", qui ont pensé, eux, au contraire, que les ovules contenaient des bébés déjà tout faits, et dont le spermatozoïde ne venait simplement que déclencher le développement.

L'une comme l'autre de ces deux théories se trouvait facilement contredite par l'observation puisque ce type de théorie interdisait que l'enfant eut pu ressembler à la fois aux deux parents - ce que révélait pourtant l'observation¹⁹.

Buffon avait imaginé que chaque organe des corps du père et de la mère secrétait des particules qui formaient une "liqueur séminale", l'une répandue par la mère dans son utérus, l'autre apportée par le père dans son vagin, et le tout se combinant pour fabriquer un enfant ressemblant donc à ses parents, organe par organe. Ainsi, les "particules" "envoyées" par les yeux des parents déterminaient la couleur de ceux de l'enfant²⁰.

Buffon avait imaginé que chaque organe des corps du père et de la mère secrétait des particules qui formaient une "liqueur séminale", l'une répandue par la mère dans son utérus, l'autre apportée par le père dans son vagin, et le tout se combinant pour fabriquer un enfant ressemblant donc à ses parents, organe par organe. Ainsi, les "particules" "envoyées" par les yeux des parents déterminaient la couleur de ceux de l'enfant²⁰.