F E R N A N D L O T
LA VIE
SCIENTIFIQUE
Les grandes étapes de la génétique
Précédemment ont été é v o q u é e s les principales étapes de la génétique depuis l'énoncé par Mendel des lois qui immortalisent son nom jusqu'aux découvertes qui conduisirent à révéler que l'agent inducteur des mutations était l ' A D N , l'acide désoxyribonu- cléique présent dans les chromosomes, support chimique de l'héré- dité.
En 1952, la forme et la constitution de l ' A D N ont été préci- sées par Watson et Crick, lauréats avec Wilkins du prix Nobel en 1962. Ce modèle consiste en deux longues chaînes de molécules enroulées autour l'une de l'autre en sens opposé, formant ainsi une double hélice comparable à un escalier en c o l i m a ç o n . Les deux rampes de l'escalier sont représentées par une chaîne de molécules d'acide phosphorique et de désoxyribose en alternance régulière ; ses degrés, ce sont des bases reliées entre elles par des ponts d'hy- drogène, deux bases puriques, adénine et guanine, et deux pyri- midiques, thymine et cytosine.
Le couplage n'est possible qu'entre deux bases déterminées : l'adénine et la thymine, la guanine et la cytosine s'appellent entre elles. L a séquence des bases dans une chaîne est arbitraire, mais du fait du couplage restreint, elle détermine la séquence des bases dans la seconde chaîne, de sorte que celle-ci sera toujours complémentaire de la première. L'ensemble d'une base, d'un désoxyribose et d'un acide phosphorique constitue un nucléotide, unité structurale des acides nucléiques.
Or les quatre bases que voilà se manifestent comme un code à quatre lettres dont la séquence détermine la spécificité du legs héréditaire — code absolument universel, le m ê m e pour les virus, les bactéries, les plantes et les animaux.
L A V I L . S C ! L ; N T I I l U l ' F . 455 Longue d'environ un millimètre dans la b a c t é r i e et portant quelque vingt millions de signes, de deux m è t r e s dans le chromo- some de la cellule humaine avec quelques milliards de signes, la m o l é c u l e g é a n t e de l ' A D N peut se comparer à une bande ma- g n é t i q u e sur laquelle se trouverait inscrit le programme complet de l'hérédité. U n e mutation, c'est le changement de place d'une lettre ou d'un groupe de lettres.
L o r s du processus de duplication, c'est-à-dire lorsqu'un chro- mosome se d é d o u b l e , chacune des hélices est capable de d é t e r m i - ner la spécificité de l'hélice qui vient la c o m p l é t e r pour constituer une nouvelle hélice double — tour de passe-passe au cours duquel se transmet tout un patrimoine g é n é t i q u e .
L ' A D N c o n t r ô l e la fabrication des protéines au sein des ribosomes, organites cellulaires o ù s'effectue leur synthèse, ceia par l'intermédiaire de T A R N messager, acide r i b o n u c l é i q u e d'une composition et d'une structure analogues, au voisinage duquel il est synthétisé, m o l é c u l e à vie brève a n n o n c é e par M o n o d et Jacob en 1961 et dont F r a n ç o i s Ciros a c o n f i r m é l'existence.
Fabriquer de protéines, c'est synthétiser les vingt acides a m i n é s qui les constituent et ordonner, parmi les innombrables séquences possibles de ceux-ci, celles qui forment les protéines utiles. A ces o p é r a t i o n s multiples, complexes et ultra-rapides, par- ticipent aussi les A R N ribosomiques (présents dans les ribosomes) et les A R N de transfert, qui transportent les amino-acides, cha- cun prenant s p é c i f i q u e m e n t en charge un seul d'entre eux.
Selon une h y p o t h è s e qui s'est m o n t r é e justifiée, une s é q u e n c e de trois n u c l é o t i d e s — triplet appelé codon — code pour un acide a m i n é . A la suite des travaux de N i r e m b e r g . d ' O c h o a et de K h o - rana. on c o n n a î t aujourd'hui tous les triplets correspondant à chaque acide a m i n é .
Deux autres notions d'importance ont é t é acquises, celles de répresseur (J. M o n o d ) et d'allostérie ( M o n o d et J . - P . Changeux).
L e r é p r e s s e u r . synthétisé dans la cellule par un g è n e parti- culier, a pour fonction de bloquer l'activité du g è n e responsable de la synthèse de telle ou telle p r o t é i n e . A u signal d'un m é t a - bolite. le circuit sera d é b l o q u é et la cellule s é l e c t i o n n e r a la pro- téine convenable.
Les circuits, admirablement m o n t é s dans l a cellule, sont essentiellement répressifs. Ils r e p r é s e n t e n t le p h é n o m è n e fonda- mental de la vie cellulaire. C e sont des m é c a n i s m e s tout automa- tiques, c y b e r n é t i q u e m e n t o r g a n i s é s , gardiens de l'ordre biologique et assurant l'élaboration des enzymes et autres p r o t é i n e s dans les proportions et à la cadence convenables.
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Quant à la notion d'allostérie, Jacques M o n o d et J.-P. C h a n - geux ont été a m e n é s à la concevoir parce que la nature des r é p r e s - seurs restant inconnue, il devait s'agir ici de p r o t é i n e s n'ayant au- cune activité en dehors de leur contexte. U n e p r o t é i n e allostérique est une m o l é c u l e f o r m é e de plusieurs morceaux identiques, chacun par l u i - m ê m e d é p o u r v u de s y m é t r i e , mais assemblés de telle sorte que l'ensemble possède un é l é m e n t de s y m é t r i e . D u fait que cette symétrie existe, chacun des morceaux, s'il se trouve d é f o r m é , en- t r a î n e une d é f o r m a t i o n identique des autres morceaux, d ' o ù r é - sulte le transfert d'une information structurale de l ' u n quelconque d'entre eux à tous ceux q u i sont assemblés avec l u i . C e sont là des r é g u l a t e u r s , et c'est leur d é f o r m a t i o n qui a un rôle fonctionnel.
Des interactions peuvent, au moyen de telles p r o t é i n e s , s'établir entre des corps q u i , chimiquement, n'interagissent pas. C e type de p r o t é i n e est apparu comme un é l é m e n t de connexion universel g r â c e auquel il est d o n n é à un système chimique de « savoir » ce qui se passe dans un autre système chimique.
Deux autres grandes d é c o u v e r t e s ont ouvert la voie aux manipulations g é n é t i q u e s , par lesquelles on parvient à modifier le programme h é r é d i t a i r e des bactéries pour les d é t e r m i n e r à remplir des fonctions particulières : celle des enzymes de restriction et celle des plasmides.
O n parlait autrefois de ferments, puis i l a été question de diastases. L e terme d'enzyme (du grec en, dans, et z.umé, levain) a p r é v a l u . (Certaine publicité l'a n a g u è r e p o p u l a r i s é en vantant les vertus détersives des « enzymes gloutons ». « Gloutonnes », faudrait-il plutôt dire maintenant, le féminin l'ayant e m p o r t é . )
Les enzymes sont des substances de nature p r o t é i q u e , solu- bles. agissant comme catalyseurs des r é a c t i o n s chimiques. A i n s i que toutes les p r o t é i n e s , elles sont constituées de m o l é c u l e s for- m é e s par une s é q u e n c e plus ou moins longue d'acides a m i n é s , chaque type n'intervenant que s p é c i f i q u e m e n t , pour un substrat et une réaction d é t e r m i n é s . Elles se montrent i n t e n s é m e n t acti- ves à très faible dose : une m o l é c u l e de catalase, par exemple, suffit pour d é c o m p o s e r en une seconde cinq millions de m o l é c u l e s d'eau o x y g é n é e .
Les enzymes isolées pour la p r e m i è r e fois, obtenues pures à l'état cristallisé, ont é t é la pepsine (1932), la trypsine (1934), la p a p a ï n e (1937). Depuis lors, leur liste n'a cessé de s'allonger.
P a r m i les d e r n i è r e s venues : celles dites de restriction, au sujet desquelles VVerner A r b e r , leur d é c o u v r e u r , Daniel Nathans et H a -
LA V I E S C I E N T I F I Q U E 457 milton Smith — à qui Ton doit d'avoir tiré les c o n s é q u e n c e s de la d é c o u v e r t e — ont conjointement reçu le prix N o b e l de m é d e c i n e en 1978.
Werner A r b e r a mis en évidence dans diverses souches bac- t é r i e n n e s ; don^ les colibacilles, l'existence d'un système enzyma- tique de défense à l'égard des acides n u c l é i q u e s de virus capables d'attenter à leur identité. Dans ce système de défense intervien- nent les enzymes de restriction, dont on c o n n a î t à p r é s e n t une centaine q u i , comme l'ont m o n t r é Nathans et Smith, attaquent et coupent les c h a î n e s moléculaires de l ' A D N en des points définis.
Il est ainsi apparu qu'avec ces enzymes, n ' o p é r a n t ainsi chacune qu'en un certain site de l ' A D N , on disposait de toute une série de bistouris subtils permettant aux e x p é r i m e n t a t e u r s de d é c o u p e r de façon rigoureusement précise n'importe quel brin d ' A D N en autant de morceaux que l'on désire. O n peut de l a sorte choisir le fragment porteur des gènes commandant la fabrication de telle ou telle substance et le confier à un vecteur a p p r o p r i é , q u i est en général le plasmide.
Il s'agit d'une m o l é c u l e d ' A D N , de forme circulaire et de petite taille, q u i , en plus du chromosome, se trouve à l'état libre dans le cytoplasme de certaines souches b a c t é r i e n n e s o ù i l constitue un moyen de défense de la b a c t é r i e contre antibiotiques et virus.
Le plasmide porte quelques gènes et possède un pouvoir de répli- cation propre : i l peut se multiplier. Une fois extrait de la b a c t é r i e , ce qui est facile, on l'ouvre en un point, l'outil é t a n t i c i une enzyme de restriction. L'anneau ouvert, on insère dans l a coupure un fragment d ' A D N é t r a n g e r . L ' a n n e a u se trouve ainsi r é p a r é , et cela d'autant mieux que l'on peut employer une e n d o n u c l é a s e q u i rend cohésives les deux extrémités de l a coupure. U n e greffe solide est donc obtenue. L a molécule hybride ainsi réalisée peut être ensuite r é i n t r o d u i t e dans l a b a c t é r i e o ù elle v a se multiplier, le plasmide portant les gènes de r é p l i c a t i o n , et faire a c q u é r i r à la cellule b a c t é r i e n n e un c a r a c t è r e nouveau. Ces gènes de r é - plication sont é v i d e m m e n t a d a p t é s à la b a c t é r i e , puisqu'ils en proviennent. Si l ' o n avait introduit dans la b a c t é r i e , directement, le gène de l ' h é m o g l o b i n e de lapin, par exemple, i l y demeurerait inerte. G r â c e au plasmide i n t e r m é d i a i r e , il y reprend vie. C e vec- teur, astucieusement choisi, est nécessaire. « / / joue, en somme, le rôle d'un cheval de Troie pour que la place puisse être occupée par un étranger » (Pierre Tiollais).
L a m é t h o d e s'est tout de suite m o n t r é e f é c o n d e . C'est ainsi que l'on est parvenu à transplanter dans le chromosome du coli- bacille le gène q u i d é t e r m i n e l'élaboration de l'insuline chez le rat.
M a i s , tout d'abord, bien que faisant d è s lors partie de l a program-
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mation génétique bactérienne et donc reproduit par les générations successives, ce gène n'était pas fonctionnel, faute d'un codage convenable aux deux extrémités de la séquence moléculaire intro- duite. L'équipe de Walter Gilbert, de l'université Harvard, est venue à bout des difficultés qui se présentaient ici : les colibacilles expérimentés se sont mis à fabriquer de l'insuline de rat. Troisième étape : une équipe de biologistes du centre médical national de la Cité de l'Espoir, à Duarte, en Californie, a réussi à mettre au point un gène imitant de si près le gène humain que l'insuline produite par les bactéries était très voisine de l'hormone que synthétise notre pancréas.
Trois autres équipes américaines travaillant en coopération, celles d'Herbert Boyer (San Francisco), d'Arthur Riggs (Los Ange- les) et de Wylie Vale (San Diego), ont obtenu la production d'une des hormones cérébrales découvertes par Roger Guillemin, la stomatostatine, par une bactérie dans laquelle avait été inséré un gène artificiel, en complet « état de marche », celui-ci. C'était la première fois qu'au lieu de prendre un gène quelconque provenant d'une espèce d o n n é e , on en a synthétisé un — petit, codant seule- ment pour 15 acides aminés — à partir de nucléotides. Ce g è n e artificiel fut façonné de manière qu'il eût toutes les chances de fonctionner dans la bactérie après avoir été judicieusement accro- ché à un autre gène bactérien et fusionné avec celui-ci. L a struc- ture remarquablement simple de la stomatostatine, formée seule- ment de 15 acides aminés, a facilité cette synthèse artificielle du gène.
R é c e m m e n t , une équipe britannique de l'université d'Edim- bourg, que dirige le Pr Murray, et, en France l'équipe conduite par le Pr Pierre Tiollais, chef de laboratoire à l'Institut Pasteur, directeur du groupe de recherches génétiques de l'INSERM, et le Dr François Galibert, directeur de recherches au C.N.R.S. (hôpi- tal Saint-Louis), ont réussi, indépendamment l'une de l'autre, à modifier le programme génétique du colibacille en y insérant une partie de celui du virus de l'hépatite B. L e colibacille a été ainsi rendu capable d'élaborer la protéine vaccinante.
Sans doute un vaccin contre l'hépatite B a-t-il été déjà mis au point par le Pr Philippe Maupas et ses collaborateurs au Centre hospitalier régional de Tours, mais, en recourant à la recombi- naison génétique, on n'aura plus à traiter, ce qui est le mode actuel de préparation du vaccin, des centaines de litres de sang humain infecté, c'est-à-dire provenant de sujets ayant eu une hépatite. E n outre, par la culture en grandes quantités, dans des fermentateurs analogues aux cuves employées pour la production d'antibiotiques, de colibacilles génétiquement reprogrammés, c'est
LA V I E S C I E N T I F I Q U E 4 5 9 un vaccin purifié que l'on obtiendra. I l ne contiendra, en effet, que le principe actif, alors que j u s q u ' à p r é s e n t on injecte toute l'enveloppe virale, o ù se trouve ce principe, l'antigène H B s . Quant à l'abondance de la production, c'est là une question fort importante, é t a n t d o n n é l'extension de la maladie en Afrique tropicale ainsi que dans certaines r é g i o n s de l'Asie. E t l'on estime qu'en E u r o p e et en A m é r i q u e du N o r d la population est pour un d i x i è m e porteuse du virus. M a i s plusieurs a n n é e s de travail seront encore nécessaires avant d'en venir à la fabrication industrielle du nouveau vaccin.
A u t r e succès retentissant : des biologistes de l'Institut Pasteur dirigés par Philippe K o u r i i i s k y , m a î t r e de recherches au C . N . R . S . , en c o o p é r a t i o n avec plusieurs laboratoires financés par le C . N . R . S . , l'Institut national de la s a n t é et de la recherche m é d i c a l e ainsi que par l a Délégation g é n é r a l e à la recherche scientifique et technique, sont parvenus à faire fabriquer par le coiibacille, pour la p r e m i è r e fois, et avec un rendement notable, une p r o t é i n e de grande taille, qui n'est normalement synthétisée que par des organismes s u p é - rieurs : l'albumine de l'œuf de poule ou avalbumine, c o m p o s é e de 4 0 0 acides a m i n é s . C e résultat a m o n t r é l'aptitude des b a c t é r i e s à produire, convenablement r e p r o g r a m m é e s , des p r o t é i n e s à poids m o l é c u l a i r e s élevés, parmi lesquelles il en est beaucoup qui p r é - sentent un intérêt biologique, industrie! ou agricole. 11 n'est plus utopique d'envisager de faire s'exprimer n'importe quel g è n e au sein d'une b a c t é r i e !
Toutes sortes d ' é t o n n a n t e s et heureuses applications peuvent être envisagées : la production par les b a c t é r i e s d'autres hormones que l'insuline, de divers vaccins, de p r o t é i n e s pour l'alimentation du bétail ; on pourrait c r é e r de nouvelles variétés de céréales aptes à fixer l'azote de l'air... Certains de ces projets seront pro- bablement réalisables à court ou à moyen terme, c'est-à-dire dans les a n n é e s qui viennent. M a i s les prévisions sont plus p r o b l é m a t i - ques pour ce qui est du traitement des maladies h é r é d i t a i r e s : malformations c o n g é n i t a l e s , h é m o p h i l i e , daltonisme, certains dia- bètes et certaines a n é m i e s , p h é n y l e é t o n u r i e , mongolisme... D'évi- dence, i l sera infiniment plus difficile d'intervenir dans tout un organisme que dans une cellule isolée, afin d'y remplacer les gènes défectueux responsables de la maladie par des gènes norma- lement actifs.
Telles sont, sommairement é v o q u é e s , les é t a p e s d'une science dont un volume ne suffirait pas à retracer en détail l'histoire. E l l e se divise aujourd'hui en plusieurs disciplines : la g é n é t i q u e for-
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melle et cytologique, qui traite des lois de la transmission des ca- r a c t è r e s h é r é d i t a i r e s et des structures cellulaires qui y participent : la g é n é t i q u e physiologique, qui concerne le mode de fonctionne- ment des gènes ; la g é n é t i q u e évolutive ou des populations, qui analyse la mutation et la sélection dans leurs rapports avec les variations quantitatives des ensembles d'individus composant une c a t é g o r i e p a r t i c u l i è r e ; la g é n é t i q u e humaine, qui se consacre à l'étude de notre h é r é d i t é normale et pathologique et rejoint la m é - decine et l ' e u g é n i q u e ; l a g é n é t i q u e a p p l i q u é e — à l'origine, bien avant la lettre, tout empirique, avec les croisements réalisés par agriculteurs et éleveurs — q u i cherche à utiliser les résultats t h é o r i q u e s pour l ' a m é l i o r a t i o n des lignées végétales et animales ; enfin, l'ingénierie g é n é t i q u e , dont il vient d ' ê t r e question.
Quel chemin parcouru depuis le temps o ù Johann M e n d e l , Père G r e g o r en religion, cultivait des pois dans le jardin de son m o n a s t è r e !
F E R N A N D L O T
