Séance 4.
Chapitre 3 : Du gène de Morgan à sa nature biochimique.
Parallèlement aux avancées de la génétique formelle, la biochimie commence à élucider les voies du métabolisme.(thème 2)
La biologie moléculaire naît :
- De la rencontre entre la génétique et la biochimie d'une part (liaison entre génétique et métabolisme), la physique d'autre part (techniques d'analyse) ;
- Du choix d'un matériel biologique nouveau : les microorganismes.
http://www.savoirs.essonne.fr/dossiers/le-patrimoine/histoire-des-
sciences/article/type/0/intro/histoire-de-la-genetique-de-la-connaissance-des-petits-pois-aux- manipulations-genetiques/chapitre/la-premiere-carte-genetique-d-un-chromosome/
I. La découverte de la relation gène – protéine
1. Les précurseurs. (Page 122)
Dès 1902, Archibald GARROD établie pour la première fois la relation entre un gène et une enzyme.
Il étudie les cas d’acalptonurie (http://www.vulgaris-medical.com/encyclopedie/alcaptonurie- 305.html) dans une famille et observe que la transmission de cette anomalie s'effectue chez l'homme selon les lois de Mendel: mode autosomal récessif, ce qui lui laisse penser qu'elle est due à un gène unique. Il suggère donc que la déficience enzymatique soit due à une anomalie du gène responsable de la synthèse de cette enzyme. Il avance une explication similaire pour plusieurs maladies génétiques (albinisme).
http://www.genoscope.cns.fr/externe/HistoireBM/#garrod
Pb : Les remarquables conclusions de GARROD ne pouvaient aboutir à un programme de recherche, car des défauts génétiques décrits chez l'homme ne pouvaient pas se prêter à des expériences génétiques.
2. Les travaux de Beadle et Tatum (Page 139)
Beadle et Tatum montrent qu'une mutation provoquée chez un microorganisme se traduit par la perte de son aptitude à réaliser une réaction métabolique.
Ils en déduisent qu'un gène détermine la synthèse d'une enzyme, relation qui sera généralisée à l'ensemble des protéines par la suite.
Après avoir tout d’abord travaillé sur la coloration des yeux de la drosophile, George BEADLE, (mais la complexité du système ne permet pas d'établir une conclusion définitive : (Cf. correction du DM de génétique !!!) se tourne alors vers un système biochimique plus simple, décrit dans l'organisme modèle Neurospora crassa, un champignon haploïde. Avec Edward TATUM, qui avait une bonne expérience de la culture de ce micro-organisme, il mène ses travaux.
- Les expériences :
Neurospora crassa est une moisissure cultivable sur un milieu artificiel qui ne contient que du sucre, des sels minéraux, et de la biotine (vitamine du groupe B appelée aussi vitamine H).
Par irradiation, BEADLE et TATUM obtiennent des mutants incapables de se développer sur ce milieu minimal (MM), mais qui poussent sur un milieu complémenté avec tel ou tel métabolite.
En particulier, des mutants de phénotype [Arg-],
auxotrophes (=qui nécessitent la présence d'un nutriment pour se développer) pour l'arginine sont cultivés. On précise la chaîne de biosynthèse de l'arginine:
Quelles sont les conditions qui sont nécessaires pour produire de l’arginine ?
Quelles hypothèses devez vous émettre pour expliquer qu’une souche ne produise pas d’arginine (et en ai donc besoin pour se développer : [Arg-]) ?
Trois souches [Arg-] sont cultivées sur milieu minimum (MM) et sur des milieux supplémentés en une ou plusieurs substances de la chaîne de biosynthèse de l'arginine.
Les résultats obtenus sont traduits ci- contre (+ : croissance, - : pas de croissance):
Interprétez chacun des résultats en utilisant l’hypothèse émise par Garrod.
Résultats :
Exercice : Des expériences de fusion ont donné les résultats ci-dessous quant à la capacité des dicaryons (cellules à 2 noyaux se comportant comme des cellules diploïdes) de croître sur milieu minimum
Interprétez les hybridations réalisées par Beadle, en quoi ces résultats confirment-ils son hypothèse, en accord avec la génétique mendélienne ?
http://www.genoscope.cns.fr/externe/HistoireBM/#garrod
Ces travaux concrétisent alors la rencontre de la biochimie et de la génétique : la protéine vient combler la lacune qui existait entre le gène et le caractère. Beadle et Tatum s'en verront récompensés en 1958 par l'attribution du prix Nobel de physiologie et de médecine. Des travaux similaires seront par la suite produits selon cette stratégie par de nombreux autres chercheurs. Tous confirment que chaque étape des voies biochimiques est contrôlée par un gène unique, codant l'enzyme impliquée à cette étape.
Pb : mais on ignore toujours quel est le supprt chimique de l’hérédité.
II. La découverte du support chimique des gènes.
1. Grffith, Avery et des bactéries…(Page 138)
http://www.genoscope.cns.fr/externe/HistoireBM/#support_genetique
Avery, Mac Leod et Mac Carthy montrent qu'une bactérie peut acquérir un nouveau caractère lorsqu'elle est mise en présence de l'ADN d'une autre espèce possédant ce caractère.
a) Le premier phénomène qui allait permettre de progresser dans l'identification du support de l'hérédité est celui de la transformation bactérienne, rapporté en 1928 par l'anglais GRIFFITH.
Pour comprendre son déroulement il est nécessaire de préciser un mécanisme existant chez les bactéries : la conjugaison bactérienne : une « pseudo sexualité » alors que la règle reste la reproduction asexuée par division. Deux bactéries s'accolent l'une à l'autre, puis, par le pont cytoplasmique qui les unit, une des deux bactéries dite "donneuse" transfère une partie de son matériel à l'autre bactérie dite
"receveuse".
Une animation : http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/main-microbiology.htm.
Les pneumocoques sont des bactéries responsables d'une pneumonie chez les Mammifères.
Il en existe deux formes:
- Les pneumocoques de type R - Les pneumocoques de type S qui se distinguent l'une de l'autre par la morphologie de leurs colonies et celle de leurs cellules comme le montre la figure ci-contre.
En 1928, le biologiste anglais GRIFFITH suspecte la possibilité de transformation de bactéries.
Il réalise l'expérience ci-contre. (Cf.
chapitre immuno)
Il évoque l’existence d’un « principe transformant » dont il ignore la nature.
b) Ce n'est qu'en 1944, après dix années de recherches que le principe transformant est identifié par Oswald AVERY, MAC LEOD et MAC CARTHY ; (Pages 122/138)
Avery travaille sur les mêmes souches de pneumocoques :
Seule la destruction de l’ADN entraînant la disparition du potentiel de transformation, Avery écrit :
" [...] la fraction active consiste principalement, sinon uniquement, en une forme visqueuse, hautement polymérisée d'acide désoxyribonucléique".
Le facteur transformant susceptible d'être intégré par d'autres bactéries et qui leur confère de façon héréditaire de nouvelles propriétés génétiques se révèle être l’ADN.
La découverte d'AVERY a été accueillie avec beaucoup de scepticisme et la reconnaissance de l'ADN comme le support chimique de l'hérédité aura du mal à s'imposer.
2. Les travaux de Chargaff 1950 .(Page 123)
http://www.genoscope.cns.fr/externe/HistoireBM/#chargaff
Quand il prend connaissance des travaux d'AVERY, CHARGAFF comprend que l'ADN occupe une place centrale dans les mécanismes héréditaires et il décide de consacrer les activités de son laboratoire de biochimie à l'Université de Columbia à l'étude des acides nucléiques.
En 1950, grâce aux progrès de la chromatographie sur papier, il publie ses travaux sur le contenu en bases azotées de l'ADN chez diverses espèces.
Des résultats historiques :
COMPOSITIONS NUCLEOTIDIQUES (%)
Organismes A T G C
Homme 30,9 29,4 19,9 19,8
Poulet
28,8 29,2 20,5 21,5
Sauterelle
29,3 29,3 20,5 20,7
Oursin 32,8 32,1 17,7 17,3
Blé 27,3 27,1 22,7 22,8
Levure 31,3 32,9 18,7 17,1
E. coli
24,7 23,6 26,0 25,7
Methanococcus
34,5 34,2 15,9 15,5
Analysez les rapports A+T / C+G et C / G ou A / T selon les espèces. D'après les connaissances sur l'ADN que vous avez de la classe de 2e, pouvez-vous expliquer ces constatations?
L'ADN est donc porteur d'une certaine spécificité: cette molécule présente une séquence spécifique, elle est donc susceptible de contenir une information. Les travaux de CHARGAFF vont contribuer à répandre l'idée que l'ADN puisse être une molécule porteuse de l'information génétique.
Pb : Ses observations seront déterminantes pour l'élaboration du modèle de la structure de l'ADN par WATSON et CRICK quelques années plus tard, car on ne connaît toujours pas la structure de cette molécule.
III. La découverte de la structure de l'ADN et de ses propriétés.
Il faut comprendre l'influence des physiciens au milieu du XXe siècle pour prendre la mesure des orientations que prend la biologie dans le domaine moléculaire.
http://www.genoscope.cns.fr/externe/HistoireBM/#physiciens
1. Watson et Crick élucident la structure de l’ADN. (Page 123)
Une collaboration entre des chercheurs, des disciplines, des techniques : http://www.genoscope.cns.fr/externe/HistoireBM/#structure_adn
James Dewey WATSON a décrit dans un livre passionnant "La double hélice" (1968) le récit de la formidable découverte qu'il a réalisée avec Francis CRICK. (sa lecture vous est vivement conseillée si vous poursuivez des études scientifiques, c’est un modèle de l’histoire d’une découverte majeure du XX ieme siècle, rédigée comme un roman, avec beaucoup d’humour…)
Alors qu'ils s'apprêtent à mener leurs travaux, les deux chercheurs disposent des éléments suivants :
- La composition chimique de l'ADN (désoxyribose, bases azotées A, T, C, G et acide phosphorique);
- Les clichés de diffraction aux rayons X d'ADN cristallisé, dus principalement à Rosalind FRANKLIN et Maurice WILKINS du King's College. Ces clichés montrent une figure en croix, caractéristique des structures en hélice
- Les travaux de Erwin CHARGAFF, qui avaient montré que pour toute molécule d'ADN, le nombre de molécules d'adénine est égal au nombre de molécules de thymine, et que celui de cytosine est égal à celui de guanine ;
- Les analyses en microscopie électronique, qui avaient montré que le diamètre de la molécule d'ADN est de 20 Å, ce qui suggérait que cette molécule comportait deux chaînes de désoxyribose-phosphate.
Ils proposent en fin de compte un modèle de structure de la molécule d'ADN qui recevra l'assentiment de toute la communauté scientifique et recevront avec M.WILKINS le prix Nobel de médecine en 1962.
http://www.snv.jussieu.fr/vie/documents/decouverteadn/index.htm#50ans
http://www.fundp.ac.be/sciences/biologie/bio2001/bioscope/1953_watsoncrick/watsoncrick.html
2. Une molécule réplicable.
Un des articles publié par WATSON et CRICK en 1953 mentionnaient: "il n'a pas échappé à notre attention que l'appariement spécifique des bases que nous avons postulé, suggère immédiatement un mécanisme de réplication de l'ADN."
En d'autres termes, ils s'étaient bien rendu compte que, une fois la structure de l'ADN déchiffrée, le mystère de la réplication (et donc de sa duplication) de l'ADN serait bientôt élucidé. La nature semi- conservative du processus de réplication de l'ADN fut proposée par eux sur des bases purement théoriques.
Ses caractéristiques les conduisent à formuler 3 hypothèses :
- L'information génétique est représentée par la séquence des bases ; - Les mutations modifient le séquence des bases ;
- La molécule d'ADN peut se répliquer à l'identique par reconstruction de 2 nouvelles molécules à partir de chacun de ses 2 brins servant de matrice.
Le mécanisme semi-conservatif de la réplication est démontré expérimentalement par Taylor sur les chromosomes et par Meselson et Stahl sur l'ADN.(Cf. programme de 1S)
http://www.edumedia-sciences.com/a75_l1-replication-de-l-adn.html (normalement cela fonctionne pendant quelques minutes, même si l’on n’est pas abonné)
IV. Du gène à la protéine : élaboration des concepts de transcription et de traduction.(Pages 124/125) http://www.edumedia-sciences.com/m218_l1-biologie-moleculaire.html
A la fin des années 1950, on sait que les gènes codent pour l'assemblage ordonné des acides aminés d'une protéine synthétisée au niveau des ribosomes cytoplasmiques. Mais point d'ADN sur les ribosomes: on envisage qu'une autre molécule servant de matrice, porte l'information de l'ADN aux ribosomes.
Jacob, Monod et Lwoff tous trois travaillant à l'Institut Pasteur, avancent alors l'idée, conçue par F. JACOB, qu'existait peut-être un ARN, jusque-là non décrit [...]. Il le baptisa messager pour rendre
compte du fait qu'il devait s'agir d'une molécule fabriquée à partir de gènes, sans doute transportée au niveau des ribosomes [...]. une telle hypothèse était à l'époque hardie.
Ils montrent qu'un autre acide nucléique : l'ARN messager, de courte durée de vie, permet la synthèse des protéines, sur les ribosomes, à partir de l'information génétique (ADN) contenue dans le noyau.
http://www.fundp.ac.be/sciences/biologie/bio2001/bioscope/1961_jacobmonod/jacobmonod.
html
Plusieurs équipes présenteront des protocoles expérimentaux différents, qui conduiront tous à admettre l'existence d'un ARN messager qui s'associe temporairement à l'ARN ribosomial pour assurer la synthèse protéique (voir le cours de 1ère S: transcription et traduction).
Il reviendra à Marshall Warren NIRENBERG et J.Heinrich MATTHAEI en 1961 de mettre en évidence la réalité du code génétique qui sera entièrement décrypté en 1965.
Le code génétique (relation entre les codons de l'ARNm et les acides aminés) est décrypté.
La génétique "fonctionnelle" est née, mais on ne dispose d'aucun outil pour manipuler facilement l'ADN et les gènes.
Ainsi, on connaît désormais le support moléculaire des facteurs héréditaires de Mendel, en 1/2 siècle, la génétique a progressé à pas de géant dans l’élucidation du « secret de la vie » cher à Watson et Crick. Mais une nouvelle ère génétique s’ouvre : celle de la lecture des gènes et cela sera possible grâce à la maîtrise de la technologie génétique : le génie génétique.
PB : Comment est-on parvenu à décoder l’ensemble des gènes, et quelle en sont les applications ?
