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La biologie est un sujet énorme. La planète Terre contient un éventail stupéfiant de formes de vie. Nous connaissons déjà l’existence de 286 000 espèces de plantes à fleurs, 500 000 espèces de champignons et 750 000 espèces d’insectes. En outre, de nombreuses autres espèces sont encore en cours de découverte. Il y a cinquante ans, la science de la biologie était divisée en disciplines distinctes, chacune analysant la vie à un niveau différent. Il y avait la morphologie, la physiologie, la biochimie, la taxonomie, l’écologie, la génétique, et ainsi de suite, toutes travaillant largement dans des compartiments académiques séparés. Cependant, les découvertes en génétique ont fourni certains des thèmes unificateurs les plus importants pour l’ensemble de la biologie, de sorte que désormais des fils conceptuels relient les sous-disciplines.

Le principal fil thématique fourni par la génétique est littéralement un fil, la molécule génétique ADN. Nous savons maintenant que l’ADN est la base informationnelle qui sous-tend tous les processus et structures de la vie. La molécule d’ADN possède une structure qui explique deux des propriétés clés de la vie, la reproduction et la génération de formes. Nous apprendrons dans ce livre que l’ADN est une structure à double hélice dont la conception inhérente est telle qu’elle peut être répliquée en deux copies identiques. La réplication de l’ADN est la base de toute reproduction, cellulaire et organique. L’ADN se réplique avant la division cellulaire, ce qui permet aux chromosomes de se diviser en chromatides, qui deviennent finalement des chromosomes filles, qui passent dans les cellules filles. Ce processus de réplication et de formation des chromatides est essentiellement similaire lors de la division des cellules asexuées et sexuées, comme le montre la figure 1-8. (Notez cependant que les deux types de division cellulaire présentent de nombreuses différences, que nous aborderons dans les chapitres suivants). Nous voyons donc que c’est la propriété de la réplication de l’ADN qui permet de créer des répliques de cellules et d’organismes qui persistent dans le temps (figure 1-9). L’ADN peut donc être considéré comme le fil qui nous relie à tous nos ancêtres évolutifs. En outre, l’ADN génère une forme parce que la séquence linéaire des éléments constitutifs d’une molécule d’ADN comporte un code qui contient les instructions nécessaires à la construction d’un organisme ; on peut considérer qu’il s’agit d’une information, ou de « ce qui est nécessaire pour donner une forme ». Les caractéristiques uniques d’une espèce, qu’il s’agisse de structures ou de processus, sont sous l’influence de l’ADN. Ainsi, sous les structures étudiées par les morphologistes, les réactions étudiées par les physiologistes, les homologies étudiées par les évolutionnistes, et ainsi de suite, nous voyons le fil unificateur de la molécule d’ADN.

Figure 1-8

Lorsque de nouvelles cellules sont fabriquées, la réplication de l’ADN permet à un chromosome de devenir une paire de chromatides, qui finissent par devenir des chromosomes filles et passent dans les nouvelles cellules.

Figure 1-9

La réplication de l’ADN est la base de la perpétuation de la vie à travers le temps.

L’ADN fonctionne pratiquement de la même manière dans tous les organismes. Cela constitue en soi un autre thème unificateur, mais cela signifie en outre que ce que nous apprenons dans un organisme peut souvent être appliqué en principe aux autres. C’est pourquoi la génétique a fait un usage intensif d’organismes modèles, dont beaucoup apparaîtront dans les pages de ce livre. En fait, les progrès réalisés en génétique humaine au cours des dernières décennies ont été possibles en grande partie grâce aux avancées réalisées avec des organismes modèles aussi peu évolués que les bactéries et les champignons.

La génétique a également fourni certaines des approches analytiques les plus incisives utilisées aujourd’hui dans l’ensemble des disciplines biologiques. La plus importante est la technique de dissection génétique. Dans cette approche expérimentale, toute structure ou processus peut être décortiqué, ou « disséqué », en examinant comment les gènes mutants l’influencent. En étudiant l’anormalité, on peut en déduire le cas normal. Par exemple, dans l’étude du développement des organismes adultes à partir d’un œuf fécondé, chaque gène mutant qui produit une anomalie du développement identifie un composant du processus normal du développement. La dissection génétique de souches mutantes paralysées de vers nématodes a permis de comprendre les gènes qui contrôlent le mouvement normal. L’image globale d’un processus particulier peut être assemblée en interreliant tous ces composants contrôlés génétiquement.

Nous avons vu que le génie génétique moléculaire a ouvert de nouvelles perspectives dans la biotechnologie appliquée, mais les mêmes techniques sont tout aussi utiles dans la recherche fondamentale.Les scientifiques ont manipulé des gènes dans la levure pour produire des chromosomes fonctionnels totalement artificiels qui peuvent porter d’énormes quantités d’ADN supplémentaire à des fins expérimentales spécifiques. Des chromosomes humains artificiels ont même été fabriqués récemment, et ils peuvent être introduits dans des cellules de mammifères, humains ou non. La capacité d’isoler un gène dans un tube à essai, de modifier sa structure de manière spécifique, puis de le réinsérer dans l’organisme a fourni le plus aiguisé des scalpels pour la dissection génétique.

Une autre technique efficace est l’utilisation de gènes spécifiques comme marqueurs.Tout comme vous pourriez utiliser des étiquettes de couleur vive pour marquer les animaux ou les plantes dans une certaine étude biologique, les généticiens utilisent certaines formes de gènes facilement détectables pour garder la trace des structures – chromosomes, cellules ou individus. Cette technique a trouvé des applications dans l’ensemble des disciplines biologiques, de la médecine légale à la biologie cellulaire en passant par l’évolution et l’écologie. Par exemple, les gènes des maladies humaines sont maintenant isolés en vertu de leur proximité chromosomique avec des séquences marqueurs non apparentées (technique du clonage positionnel). Grâce à la possibilité de déplacer les gènes d’un organisme à l’autre, les généticiens ont remplacé les gènes résidents par des gènes « rapporteurs », dont les fonctions sont plus faciles à détecter et à étudier expérimentalement. (Le gène de la luciférase des lucioles a été utilisé de cette façon ; il peut être inséré dans les chromosomes des animaux ou des plantes de manière à ce que les cellules s’illuminent à n’importe quel stade de développement où le gène original était actif. L’agène de la protéine fluorescente verte de la méduse est également utilisé comme rapporteur. Les souris dotées de ce gène s’illuminent en vert sous l’effet d’une irradiation UV (figure 1-10). Dans l’ensemble, le génie génétique a révolutionné les sciences biologiques, et aucun biologiste ne peut aujourd’hui se permettre d’ignorer ce puissant outil d’analyse.

Figure 1-10

Souris transgéniques contenant le gène méduse de la protéine fluorescente verteinséré dans leurs chromosomes. (KYODO News International/AP.)

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L’analyse génétique est désormais une technique essentielle dans tous les domaines de la biologie.

Peut-être que la plus grande réussite biologique de toutes est l’élucidation de la manière précise dont les gènes font leur travail, en d’autres termes, comment l’information se forme. C’est une histoire fascinante qui s’est développée avec une rapidité étonnante. Aujourd’hui, le codage et le flux de l’information génétique dans les cellules sont les fondements de la pensée biologique moderne et les lignes de base à partir desquelles commencent les explorations expérimentales. Il convient de résumer les points essentiels de la circulation de l’information génétique ou, de manière équivalente, de l’action des gènes, que l’on a appelée le nouveau paradigme de la biologie.La figure 1-11 montre de manière schématique les éléments essentiels de l’action des gènes dans une cellule généralisée d’un eucaryote. Les eucaryotes sont les organismes dont les cellules possèdent un noyau lié à une membrane. Les animaux, les plantes et les champignons sont tous des eucaryotes. À l’intérieur du noyau se trouve un réseau de chromosomes et, à l’extérieur du noyau, un réseau complexe de structures membranaires, y compris le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi, et des organites comme les mitochondries et les chloroplastes.

Figure 1-11

Vue simplifiée de l’action des gènes dans une cellule eucaryote. Le flux de base de l’information génétique va de l’ADN à l’ARN et à la protéine. Quatre types de gènes sont représentés. Le gène 1 répond à des signaux de régulation externes et fabrique une protéine pour l’exportation ; le gène 2 répond à (suite…)

À l’intérieur du noyau eucaryote, certains gènes codant pour des protéines synthétisent leur produit protéique plus ou moins constamment, mais d’autres doivent être activés et désactivés pour répondre aux besoins de la cellule ou de l’organisme. Le signal d’activation d’un gène peut provenir de l’extérieur de la cellule, par exemple d’une substance telle qu’une hormone stéroïde. Les substances régulatrices se lient à une région spéciale du gène et déclenchent la synthèse des transcrits de l’ADN du gène. Dans la région codant pour les protéines d’un gène eucaryote sont intercalés des segments qui ne sont pas destinés à être traduits en protéines. Ces régions non codantes du gène sont appelées introns ; elles sont coupées de la transcription initiale. La séquence d’ARN restante constitue l’ARN messager. Les molécules d’ARNm passent par les pores du noyau pour se retrouver dans le cytoplasme, où des organelles cytoplasmiques appelées ribosomes se lient à l’ARNm et traduisent les informations contenues dans la séquence d’ARNm en protéines. L’ARNm passe par les ribosomes, qui catalysent l’assemblage du polypeptide, la chaîne d’acides aminés qui constituera la structure primaire de la protéine. Chaque acide aminé est amené au ribosome par une molécule d’ARN de transfert (ARNt) spécifique qui se fixe sur une unité de codage spécifique de l’ARNm. Les ARNt sont synthétisés à partir de gènes d’ARNt spéciaux. Aucun ARNt n’est jamais traduit en protéine ; ils se recyclent constamment, délivrant leur acide aminé spécifique aux ribosomes. Le ribosome lui-même est constitué d’un ensemble complexe de protéines et de plusieurs types d’ARN appelés ARN ribosomique (ARNr). Les gènes de l’ARNr sont situés dans une région chromosomique spéciale appelée organisateur nucléolaire. Comme l’ARNt, l’ARNr n’est jamais traduit en protéine.

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Les gènes codant pour les protéines fonctionnent via deux étapes de transfert d’information:

Chaque gène codant pour une protéine distincte, ayant des fonctions spécifiques soit au sein de la cellule (par exemple, la protéine carrée de la figure 1-11), soit pour l’exportation vers d’autres parties de l’organisme (la protéine circulaire). La synthèse des protéines destinées à l’exportation (protéines sécrétoires) a lieu sur des ribosomes situés à la surface du réticulum endoplasmique rugueux, un système de grandes vésicules aplaties. Les chaînes d’acides aminés terminées passent dans la lumière du réticulum endoplasmique, où elles se replient spontanément pour prendre leur forme protéique. Les protéines peuvent être modifiées à ce stade, mais sont finalement passées dans les chambres de l’appareil de Golgi, puis dans des vaisseaux sécrétoires qui fusionnent avec la membrane cellulaire et libèrent leur contenu vers l’extérieur.

Les protéines destinées à fonctionner dans le cytosol, et la plupart des protéines qui fonctionnent dans les mitochondries et les chloroplastes, sont synthétisées dans le cytosol sur des ribosomes non liés aux membranes. Par exemple, les protéines qui fonctionnent comme des enzymes dans la glycolyse suivent cette voie. La synthèse des protéines se fait selon le même mécanisme en utilisant les mêmes types d’ARNt. La protéine terminée se détache du ribosome et se replie dans le cytosol pour prendre sa forme. Les protéines destinées aux organites sont spécialement marquées afin de les cibler pour les insérer dans l’organite. En outre, les mitochondries et les chloroplastes possèdent leurs propres petites molécules d’ADN circulaires. La synthèse des protéines codées par les gènes de l’ADN mitochondrial ou chloroplastique a lieu sur les ribosomes à l’intérieur des organites eux-mêmes. Par conséquent, les protéines des mitochondries et des chloroplastes ont deux origines différentes, soit codées par le noyau et importées dans l’organite, soit codées par l’organite et synthétisées à l’intérieur du compartiment de l’organite.

Les procaryotes sont des organismes tels que les bactéries dont les cellules ont une structure plus simple ; il n’y a pas de noyau ou d’autres structures liées à la membrane à l’intérieur de ces cellules. La synthèse des protéines chez les procaryotes ressemble généralement à celle des eucaryotes, utilisant l’ARNm, l’ARNt et les ribosomes, mais il existe quelques différences importantes. Forexample, les procaryotes n’ont pas d’introns.

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Le flux d’information de l’ADN à l’ARN à la protéine est devenu l’un des fondements de la compréhension biologique.