L'ADN, matériel génétique
Griffith (1928), la transformation : des bactéries Streptococcus pneumoniae vivantes inoffensives de type R + des bactéries mortelles de type S tuées par la chaleur → les souris sont mortes, et l'on a trouvé des bactéries S vivantes. Quelque chose venant des cellules S mortes a « transformé » R en S.
Avery, MacLeod et McCarty (1944) : ils ont détruit un par un les composants de l'extrait S. Les enzymes qui digèrent les protéines (protéases) et la RNase n'ont pas arrêté la transformation ; la DNase, si. Donc la substance transformante était l'ADN.
Hershey et Chase (1952) : ils ont cultivé des bactériophages avec du ³²P radioactif (qui va dans l'ADN) ou du ³⁵S (qui va dans les protéines). Après l'infection et le passage au mixeur, les bactéries contenaient du ³²P mais pas de ³⁵S. Donc c'est l'ADN, et non la protéine, qui entre dans la cellule et porte les instructions.
Qu'est-ce qu'un bon matériel génétique ?
- Il peut se copier (se répliquer).
- Il est stable chimiquement et structuralement.
- Il peut changer lentement (muter) pour permettre l'évolution.
- Il peut s'exprimer sous forme de caractères mendéliens.
L'ARN est moins stable (son groupe 2′-OH le rend réactif), donc l'ADN est meilleur pour stocker l'information ; l'ARN est meilleur pour les tâches rapides. L'ARN a probablement été le premier matériel génétique (monde à ARN).
Structure de l'ADN et de l'ARN
Un nucléotide = base azotée + sucre à cinq carbones (pentose) + phosphate. Base + sucre = nucléoside. Purines : adénine (A), guanine (G). Pyrimidines : cytosine (C), thymine (T, seulement dans l'ADN), uracile (U, seulement dans l'ARN). Le sucre de l'ADN est le désoxyribose ; celui de l'ARN est le ribose.
Les nucléotides s'attachent par des liaisons phosphodiester 3′–5′. Watson et Crick (1953), grâce aux images de rayons X de Rosalind Franklin et de Wilkins, ont proposé la double hélice :
- Deux brins antiparallèles (5′→3′ et 3′→5′).
- A=T (2 liaisons H), G≡C (3 liaisons H). Une purine fait toujours face à une pyrimidine, donc la largeur reste de 2 nm.
- Enroulement vers la droite, un tour = 3,4 nm = 10 paires de bases, écart entre deux paires 0,34 nm.
- Règle de Chargaff : A = T et G = C, donc (A + G) = (C + T).
L'ARN est le plus souvent simple brin. Types : ARNm (message), ARNt (adaptateur), ARNr (partie du ribosome).
Empaquetage de l'ADN
Longueur de l'ADN = nombre de paires de bases × 0,34 nm. Cellule humaine diploïde : 6,6 × 10⁹ pb × 0,34 × 10⁻⁹ m ≈ 2,2 m, rangés dans un noyau large d'environ 10⁻⁶ m.
- Procaryotes : pas de noyau. L'ADN, chargé négativement, est retenu par des protéines chargées positivement dans une zone appelée nucléoïde, en boucles.
- Eucaryotes : l'ADN (négatif) s'enroule autour des histones (positives, riches en lysine et en arginine). Huit histones forment un octamère d'histones ; environ 200 pb d'ADN l'entourent = un nucléosome. Des nucléosomes alignés ressemblent à des « perles sur un fil » → fibre de chromatine → enroulement → chromosome en métaphase. Les protéines chromosomiques non histones (NHC) aident à compacter davantage.
Euchromatine : peu compacte, claire à la coloration, active. Hétérochromatine : très compacte, foncée à la coloration, inactive.
Réplication de l'ADN (semi-conservative)
Watson et Crick avaient prédit que chaque brin sert de matrice. Meselson et Stahl (1958) l'ont prouvé : ils ont cultivé E. coli dans de l'azote lourd ¹⁵N, puis les ont déplacées dans du ¹⁴N normal. Après 1 génération, tout l'ADN était hybride (¹⁵N–¹⁴N) ; après 2 générations, la moitié était hybride et l'autre moitié légère. Taylor a montré la même chose dans des pointes de racines de fève avec de la thymidine radioactive.
Comment ça se passe
- L'hélicase ouvre l'hélice à l'origine de réplication, ce qui forme une fourche de réplication en forme de Y.
- L'ADN polymérase ADN-dépendante ajoute des nucléotides uniquement dans le sens 5′→3′, en utilisant des désoxynucléosides triphosphates (ils fournissent à la fois la brique et l'énergie).
- Sur un brin, le nouvel ADN s'allonge en continu (brin précoce) ; sur l'autre, il est fabriqué en petits morceaux (brin tardif, fragments d'Okazaki).
- L'ADN ligase relie les morceaux.
C'est très rapide (E. coli copie 4,6 × 10⁶ pb en 18 minutes environ, soit à peu près 2000 pb par seconde) et très précis. Chez les eucaryotes, cela a lieu en phase S.
Le dogme central
Francis Crick a proposé que l'information génétique circule ADN → ARN → protéine. ADN → ADN est la réplication, ADN → ARN est la transcription, ARN → protéine est la traduction.
La transcription inverse (ARN → ADN) a lieu chez certains virus comme le VIH, grâce à la transcriptase inverse. Le flux peut donc parfois aller en sens inverse (dogme central inversé).
Transcription
Un seul brin est copié. Le brin matrice (3′→5′) est lu ; l'autre est le brin codant (5′→3′), qui a la même séquence que l'ARN, avec T à la place de U.
Une unité de transcription comprend un promoteur (en amont, où se fixe l'ARN polymérase), le gène de structure et un terminateur.
Chez les bactéries
Une seule ARN polymérase fabrique tous les ARN. Avec le facteur σ (sigma) elle démarre (initiation), elle allonge l'ARN (élongation), et avec le facteur ρ (rho) elle s'arrête (terminaison). La transcription et la traduction peuvent avoir lieu en même temps, car il n'y a pas de noyau.
Chez les eucaryotes
- ARN pol I → ARNr (28S, 18S, 5,8S) ; ARN pol II → ARNhn (précurseur de l'ARNm) ; ARN pol III → ARNt, ARNr 5S, ARNsn.
- Les gènes sont morcelés : exons (exprimés) et introns (intercalés). L'ARNhn est transformé : l'épissage retire les introns ; la coiffe ajoute du méthylguanosine triphosphate à l'extrémité 5′ ; la queue ajoute 200 à 300 adénines à l'extrémité 3′ (queue poly-A).
Le code génétique
George Gamow a raisonné ainsi : 4 bases doivent coder 20 acides aminés. 4¹ = 4 et 4² = 16 sont trop peu ; 4³ = 64 suffit. Le code est donc un triplet. Nirenberg, Khorana et Ochoa ont déchiffré les codons.
- 64 codons : 61 codent des acides aminés, 3 sont des codons d'arrêt (UAA, UAG, UGA).
- AUG = méthionine et aussi codon de départ (double rôle).
- Non ambigu et spécifique : un codon → un acide aminé.
- Dégénéré : beaucoup d'acides aminés ont plus d'un codon.
- Lu sans virgules, dans un cadre continu.
- Presque universel : UUU = Phe chez les bactéries et chez l'être humain (quelques exceptions dans les mitochondries).
Mutations et code
Une mutation ponctuelle (une base changée) peut changer un acide aminé (drépanocytose). L'insertion ou la perte de 1 ou 2 bases décale le cadre de lecture (décalage du cadre) ; ajouter ou retirer 3 bases ajoute ou retire un acide aminé et garde le cadre. L'ARNt est l'adaptateur : sa boucle de l'anticodon lit le codon et son extrémité 3′ (CCA) porte l'acide aminé. Il ressemble à un trèfle en 2D et à un L renversé en 3D.
Traduction
- Chargement de l'ARNt (aminoacylation) : chaque acide aminé est attaché à son ARNt, grâce à l'ATP.
- Initiation : la petite sous-unité du ribosome rencontre l'ARNm au niveau d'AUG ; la grande sous-unité vient s'y joindre. Le ribosome a deux sites pour les ARNt.
- Élongation : les ARNt apportent les acides aminés codon après codon ; les liaisons peptidiques se forment (l'ARNr 23S joue le rôle d'enzyme, c'est un ribozyme). Le ribosome avance le long de l'ARNm dans le sens 5′→3′.
- Terminaison : à un codon d'arrêt, un facteur de libération détache le polypeptide.
L'ARNm a aussi des régions non traduites (UTR) avant AUG et après le codon d'arrêt ; elles aident à une traduction efficace.
Régulation de l'expression des gènes : l'opéron lactose
Les cellules n'activent un gène que lorsqu'il est utile. Chez les bactéries, plusieurs gènes d'une même fonction sont regroupés avec un seul promoteur et un seul opérateur = un opéron. Jacob et Monod ont décrit l'opéron lactose (lac) d'E. coli :
- gène i : fabrique la protéine répresseur (toujours actif).
- gène z : β-galactosidase, qui coupe le lactose en glucose et galactose.
- gène y : perméase, qui fait entrer le lactose dans la cellule.
- gène a : transacétylase.
Sans lactose : le répresseur se place sur l'opérateur et bloque l'ARN polymérase → gènes éteints.
Avec du lactose : le lactose (l'inducteur) se fixe sur le répresseur, change sa forme, et il se détache de l'opérateur → l'ARN polymérase transcrit z, y, a → les enzymes sont fabriquées. C'est une régulation négative d'un opéron inductible. Quand le lactose est épuisé, le répresseur se fixe de nouveau.
Projet Génome humain et génome du riz
Le Projet Génome humain (HGP) a duré de 1990 à 2003 pour lire les ~3 × 10⁹ pb de l'ADN humain. Méthodes : les étiquettes de séquences exprimées (pour trouver les gènes exprimés) et l'annotation de séquence (tout lire, puis chercher les gènes). L'ADN a été coupé en morceaux, cloné dans des vecteurs BAC/YAC, séquencé avec des machines automatiques (méthode de Sanger), puis les morceaux ont été assemblés par ordinateur grâce à leurs recouvrements.
Principales découvertes
- Environ 3164,7 millions de pb ; un gène moyen compte environ 3000 bases ; le plus grand gène, la dystrophine, fait 2,4 millions de bases.
- Environ 30 000 gènes (bien moins qu'on ne le pensait) ; 99,9 % des bases sont identiques chez tous les humains.
- Moins de 2 % du génome code pour des protéines ; de grandes parties sont des répétitions.
- Le chromosome 1 a le plus de gènes (2968) ; le Y en a le moins (231).
- Environ 1,4 million d'endroits avec des différences d'une seule base (SNP).
D'autres organismes ont été séquencés, dont le riz, des bactéries, la levure, Caenorhabditis elegans, la drosophile et Arabidopsis. Le génome du riz aide à trouver des gènes de rendement, de résistance aux maladies et de tolérance au stress.
Empreinte génétique
99,9 % de l'ADN est identique chez tous les humains, on compare donc les 0,1 % qui diffèrent, surtout l'ADN répétitif. Quand l'ADN est centrifugé dans un gradient de densité, les répétitions forment de petits pics appelés ADN satellite. Ils ne codent pas de protéines et varient beaucoup d'une personne à l'autre (polymorphisme). Alec Jeffreys a mis au point la méthode avec les VNTR (nombre variable de répétitions en tandem).
- Isoler l'ADN (sang, racine de cheveu, salive, sperme).
- Le couper avec des enzymes de restriction.
- Séparer les fragments par électrophorèse sur gel.
- Les transférer sur une membrane de nylon ou de nitrocellulose (Southern blot).
- Ajouter une sonde VNTR marquée qui se colle aux morceaux correspondants (hybridation).
- Détecter les bandes sur un film radiographique (autoradiographie).
Un enfant reçoit la moitié de ses bandes de sa mère et l'autre moitié de son père. Utilisations : affaires criminelles, tests de paternité, études de populations et d'évolution. La PCR peut d'abord multiplier de très petits échantillons.
Formules et définitions clés
- Appariement des bases : A = T (2 liaisons H), G ≡ C (3 liaisons H)
- Chargaff : A = T, G = C, donc A + G = C + T (purines = pyrimidines)
- Longueur de l'ADN = nombre de pb × 0,34 nm
- Un tour d'hélice = 10 pb = 3,4 nm
- Codons = 4³ = 64 (61 codants + 3 d'arrêt)
- Acides aminés d'une protéine = (bases codantes ÷ 3) − 1 codon d'arrêt
- Meselson–Stahl après n générations dans ¹⁴N : fraction hybride = 2/2ⁿ, légère = 1 − 2/2ⁿ
Exemples résolus
1. Un échantillon d'ADN contient 20 % d'adénine. Trouve le % de T, de G et de C.
Étape 1 : A = T, donc T = 20 %. Étape 2 : A + T = 40 %, donc G + C = 60 %. Étape 3 : G = C = 30 % chacun.
2. Une molécule d'ADN a 1000 paires de bases, dont 300 paires A–T. Combien de liaisons hydrogène tiennent les deux brins ensemble ?
Étape 1 : paires G–C = 1000 − 300 = 700. Étape 2 : liaisons H = 300 × 2 + 700 × 3 = 600 + 2100. Réponse : 2700 liaisons H.
3. Trouve la longueur d'une molécule d'ADN de 5386 paires de bases (taille du phage φX174).
Étape 1 : longueur = pb × 0,34 nm. Étape 2 : 5386 × 0,34 = 1831,24 nm. Réponse : environ 1,83 µm.
4. Écris l'ARNm fabriqué à partir du brin matrice 3′-TACGCAATG-5′.
Étape 1 : apparie chaque base : T→A, A→U, C→G, G→C. Étape 2 : ARNm 5′-AUGCGUUAC-3′. Étape 3 : il est égal au brin codant 5′-ATGCGTTAC-3′ avec U à la place de T.
5. Un ARNm se lit 5′-AUG UUU GGC AAA UGA-3′. Combien d'acides aminés la protéine aura-t-elle, et lesquels ?
Étape 1 : lis les codons : AUG (Met), UUU (Phe), GGC (Gly), AAA (Lys), UGA (arrêt). Étape 2 : l'arrêt n'ajoute aucun acide aminé. Réponse : 4 acides aminés : Met–Phe–Gly–Lys.
6. Une protéine a 300 acides aminés. Quel est le nombre minimum de bases de sa partie codante de l'ARNm (avec le codon d'arrêt) ?
Étape 1 : 300 codons pour les acides aminés + 1 arrêt = 301 codons. Étape 2 : 301 × 3 = 903 bases.
7. Des E. coli dont l'ADN ne contient que du ¹⁵N sont placées dans un milieu ¹⁴N. Après 3 générations, quelle fraction des molécules d'ADN est hybride ?
Étape 1 : molécules après 3 générations = 2³ = 8 (à partir d'une seule). Étape 2 : seules 2 gardent un ancien brin ¹⁵N → hybrides. Étape 3 : 2/8 = 1/4 hybrides, 6/8 = 3/4 légères.
8. Dans l'ARNm AUG CCU AAA UGA, une base (C en position 4) est supprimée. Que se passe-t-il ?
Étape 1 : nouvelle séquence AUG CUA AAU GA… Étape 2 : les codons changent après la suppression : Met–Leu–Asn… Étape 3 : c'est une mutation par décalage du cadre : tous les acides aminés suivants changent, et le codon d'arrêt peut disparaître.
Erreurs fréquentes
- Dire que le brin codant est copié pendant la transcription. C'est le brin matrice qui est lu ; l'ARN ressemble au brin codant (avec U).
- Compter un codon d'arrêt comme un acide aminé. Les codons d'arrêt n'ajoutent rien.
- Croire que le répresseur de l'opéron lactose n'est fabriqué qu'en l'absence de lactose. Le gène i est toujours actif ; le lactose ne fait qu'éteindre le répresseur.
- Utiliser la règle de Chargaff pour de l'ADN simple brin ou de l'ARN. A = T et G = C ne marchent que pour les doubles brins.