Le génie génétique regroupe l’ensemble des techniques permettant de manipuler, transférer et modifier l’ADN d’un organisme, notamment en y introduisant un gène provenant d’une autre espèce. Rendu possible par l’universalité du code génétique, il repose sur des outils moléculaires précis et a permis de nombreuses applications médicales et agricoles. Ce chapitre présente le principe général, les principales techniques et quelques applications du génie génétique.
Principe général du génie génétique
Le génie génétique repose sur un principe fondamental : le code génétique est universel, c’est-à-dire que la correspondance entre un codon et un acide aminé est la même chez pratiquement tous les êtres vivants (bactéries, plantes, animaux, Homme). Il est donc possible d’introduire un gène d’une espèce donnée dans une cellule d’une autre espèce (bactérie, levure, plante, animal) et d’obtenir l’expression de ce gène, c’est-à-dire la synthèse de la protéine correspondante, par la cellule receveuse. On parle d’organisme génétiquement modifié (OGM), ou organisme transgénique, lorsque le génome d’un être vivant a été volontairement modifié par l’introduction d’un ou plusieurs gènes étrangers, appelés transgènes.
Les outils moléculaires du génie génétique
La construction d’un ADN recombinant repose sur plusieurs outils enzymatiques. Les enzymes de restriction, extraites de bactéries, reconnaissent une courte séquence spécifique de l’ADN (site de restriction) et coupent la double hélice à cet endroit précis, produisant des fragments aux extrémités souvent « collantes » (cohésives), simple brin et complémentaires. L’ADN ligase permet, à l’inverse, de souder bout à bout deux fragments d’ADN aux extrémités compatibles, en reformant les liaisons du squelette.
Pour introduire un gène d’intérêt dans une cellule receveuse, on utilise un vecteur, le plus souvent un plasmide : une petite molécule d’ADN circulaire, distincte du chromosome bactérien, capable de se répliquer de façon autonome dans une bactérie. Le gène d’intérêt, découpé par une enzyme de restriction, est inséré dans le plasmide (lui-même ouvert par la même enzyme) grâce à l’ADN ligase, formant un ADN recombinant.
La PCR (réaction en chaîne par polymérase) est une technique permettant d’amplifier in vitro, en très grande quantité et en quelques heures, un fragment d’ADN précis, à partir d’une quantité infime de départ. Elle repose sur des cycles répétés de trois étapes réalisées à des températures différentes : la dénaturation de l’ADN (séparation des deux brins par chauffage), l’hybridation d’amorces spécifiques sur les brins matrices, et l’élongation par une ADN polymérase thermorésistante (Taq polymérase). Chaque cycle double le nombre de copies du fragment ciblé.
Les grandes étapes de la construction d’un organisme transgénique
La construction d’un organisme génétiquement modifié suit généralement les étapes suivantes : 1) extraction et découpage du gène d’intérêt à l’aide d’une enzyme de restriction ; 2) insertion de ce gène dans un vecteur (plasmide) à l’aide de la même enzyme de restriction et de l’ADN ligase, formant l’ADN recombinant ; 3) introduction du vecteur recombinant dans la cellule receveuse (bactérie, levure ou cellule végétale/animale), étape appelée transformation génétique ; 4) sélection des cellules effectivement transformées, souvent grâce à un gène marqueur (par exemple un gène de résistance à un antibiotique porté par le même plasmide) ; 5) multiplication (clonage) des cellules transformées et, le cas échéant, récupération de la protéine d’intérêt produite.
Applications médicales du génie génétique
Le génie génétique a révolutionné la production de molécules thérapeutiques. L’exemple historique est celui de l’insuline humaine recombinante (1982) : le gène humain de l’insuline est introduit dans une bactérie (Escherichia coli) qui, transformée, produit alors de l’insuline strictement identique à l’insuline humaine, en grande quantité et à moindre coût, remplaçant l’insuline animale auparavant extraite du pancréas de porc ou de bœuf. D’autres protéines thérapeutiques sont produites selon le même principe : hormone de croissance humaine, facteurs de coagulation, vaccins recombinants (comme le vaccin contre l’hépatite B).
La thérapie génique consiste à introduire directement, chez un patient, une version fonctionnelle d’un gène défectueux à l’origine d’une maladie génétique, à l’aide d’un vecteur (souvent un virus modifié et rendu inoffensif). Bien que prometteuse pour traiter certaines maladies héréditaires graves (déficits immunitaires, certaines maladies de la rétine), cette approche reste complexe et encadrée par des règles éthiques strictes.
Applications agricoles et enjeux du génie génétique
Dans le domaine agricole, le génie génétique a permis la création de plantes transgéniques présentant des caractères d’intérêt agronomique : résistance à des insectes ravageurs (maïs Bt, portant un gène de la bactérie Bacillus thuringiensis codant une toxine insecticide), tolérance à un herbicide, ou amélioration de la valeur nutritionnelle (comme le « riz doré », enrichi en précurseur de vitamine A). Le génie génétique est également à la base des empreintes génétiques, utilisées en médecine légale et en tests de filiation, qui exploitent l’amplification par PCR de régions d’ADN variables d’un individu à l’autre.
Ces applications soulèvent cependant des questions scientifiques, économiques et éthiques importantes : risques pour la biodiversité et les écosystèmes, dépendance des agriculteurs vis-à-vis des semenciers, innocuité sanitaire à long terme, acceptabilité sociale des OGM, et encadrement réglementaire de la thérapie génique chez l’Homme. Ces débats justifient une évaluation rigoureuse, au cas par cas, des bénéfices et des risques de chaque application du génie génétique.
Exercices
Exercice 1 — Définissez les termes suivants : OGM (organisme génétiquement modifié), transgène, plasmide, enzyme de restriction.
Exercice 2 — Expliquez pourquoi l’universalité du code génétique est une condition indispensable au génie génétique.
Exercice 3 — Classez, dans l’ordre chronologique correct, les étapes suivantes de construction d’un organisme transgénique (elles sont données dans le désordre) : sélection des bactéries transformées ; insertion du gène dans le plasmide grâce à l’ADN ligase ; extraction et découpage du gène d’intérêt par une enzyme de restriction ; introduction du plasmide recombinant dans la bactérie receveuse ; multiplication des bactéries transformées et production de la protéine.
Exercice 4 — Une enzyme de restriction reconnaît spécifiquement la séquence GAATTC et coupe l’ADN entre le G et le A (G^AATTC). On donne le fragment d’ADN suivant (un seul brin représenté) : 5′-CCGAATTCGGGAATTCAA-3′. a) Repérez le ou les sites de restriction de cette enzyme sur ce fragment. b) En combien de fragments cette enzyme découpe-t-elle cet ADN ? Donnez la taille de chacun.
Exercice 5 — On réalise une PCR à partir d’une seule molécule d’ADN matrice, avec 10 cycles d’amplification. a) Rappelez les trois étapes d’un cycle de PCR et la fonction de chacune. b) En supposant un rendement idéal (chaque cycle double le nombre de copies), combien de copies du fragment ciblé obtient-on à l’issue des 10 cycles ?
Exercice 6 — Expliquez, étape par étape, le principe de la production industrielle d’insuline humaine par génie génétique, depuis le gène humain de l’insuline jusqu’à la protéine purifiée utilisée par les patients diabétiques. Pourquoi cette méthode est-elle préférable à l’extraction d’insuline à partir de pancréas animal ?
Exercice 7 — Le maïs Bt est une plante transgénique portant un gène issu de la bactérie Bacillus thuringiensis, codant une protéine insecticide. a) Expliquez le principe de son obtention par génie génétique, en citant les outils moléculaires utilisés. b) Citez un avantage agronomique et un risque ou une limite (écologique, économique ou éthique) associés à ce type de culture. c) En quoi cet exemple illustre-t-il concrètement l’universalité du code génétique ?
Corrigés
Corrigé 1 — OGM : organisme vivant dont le patrimoine génétique (génome) a été modifié artificiellement par introduction d’un ou plusieurs gènes étrangers. Transgène : gène provenant d’un autre organisme, souvent d’une autre espèce, introduit et exprimé dans le génome d’un organisme receveur. Plasmide : petite molécule d’ADN circulaire, extrachromosomique, présente chez les bactéries, capable de se répliquer de façon autonome et fréquemment utilisée comme vecteur en génie génétique. Enzyme de restriction : enzyme d’origine bactérienne qui reconnaît une séquence d’ADN spécifique (site de restriction) et coupe la double hélice à cet endroit précis.
Corrigé 2 — Un gène transféré d’une espèce à une autre n’est utile que si la cellule receveuse peut le transcrire puis le traduire correctement. Comme le code génétique est universel, un même codon de l’ARNm code le même acide aminé quelle que soit la cellule qui le traduit : la machinerie de traduction de la cellule receveuse (par exemple une bactérie) interprète donc exactement de la même façon les codons d’un gène humain que le ferait une cellule humaine, et produit une protéine identique (ou quasi identique) à celle synthétisée dans l’organisme d’origine. Sans cette universalité, le transfert de gènes entre espèces différentes ne donnerait aucune protéine fonctionnelle prévisible.
Corrigé 3 — Ordre correct : 1) extraction et découpage du gène d’intérêt par une enzyme de restriction ; 2) insertion du gène dans le plasmide grâce à l’ADN ligase ; 3) introduction du plasmide recombinant dans la bactérie receveuse ; 4) sélection des bactéries transformées ; 5) multiplication des bactéries transformées et production de la protéine.
Corrigé 4 — Le fragment (18 nucléotides, positions 1 à 18) est : C(1)C(2)G(3)A(4)A(5)T(6)T(7)C(8)G(9)G(10)G(11)A(12)A(13)T(14)T(15)C(16)A(17)A(18). a) On repère la séquence GAATTC à deux endroits : positions 3 à 8 (G-A-A-T-T-C) et positions 11 à 16 (G-A-A-T-T-C) : il y a donc deux sites de restriction. b) L’enzyme coupe entre le G et le A de chaque site, donc après la position 3 et après la position 11 : on obtient 3 fragments : le premier « CCG » (positions 1-3, 3 nucléotides), le deuxième « AATTCGGG » (positions 4-11, 8 nucléotides) et le troisième « AATTCAA » (positions 12-18, 7 nucléotides). Vérification : 3 + 8 + 7 = 18, ce qui correspond bien à la longueur totale du fragment.
Corrigé 5 — a) Un cycle de PCR comprend : la dénaturation (chauffage vers 94-95 °C), qui sépare les deux brins d’ADN en rompant les liaisons hydrogène ; l’hybridation des amorces (50-65 °C selon les amorces), au cours de laquelle de courtes amorces spécifiques se fixent de part et d’autre du fragment à amplifier ; l’élongation (72 °C), durant laquelle une ADN polymérase thermostable (Taq polymérase) synthétise le brin complémentaire à partir de chaque amorce. b) En partant d’une seule molécule et avec un doublement à chaque cycle, le nombre de copies après n cycles est 2^n. Pour n = 10, on obtient 2^10 = 1024 copies du fragment ciblé.
Corrigé 6 — Étapes : isolement (ou synthèse) du gène humain codant l’insuline ; découpage de ce gène et d’un plasmide bactérien par la même enzyme de restriction, puis insertion du gène dans le plasmide grâce à l’ADN ligase, formant un ADN recombinant ; introduction de ce plasmide recombinant dans une bactérie (Escherichia coli), c’est-à-dire une transformation génétique ; sélection des bactéries effectivement transformées (par exemple grâce à un gène de résistance à un antibiotique porté par le plasmide) ; culture à grande échelle, dans des fermenteurs industriels, des bactéries transformées qui expriment le gène et produisent l’insuline humaine ; extraction et purification de l’insuline obtenue, avant conditionnement pharmaceutique. Cette méthode est préférable à l’extraction animale car elle permet une production illimitée, à grande échelle et à moindre coût, indépendante de l’approvisionnement en pancréas animaux ; elle fournit une insuline rigoureusement identique à l’insuline humaine (évitant les réactions immunitaires parfois provoquées par l’insuline animale, dont la structure diffère de quelques acides aminés) ; enfin, elle réduit les risques sanitaires liés à une éventuelle contamination par des agents pathogènes d’origine animale.
Corrigé 7 — a) Le gène codant la toxine insecticide est isolé et découpé à partir du génome de Bacillus thuringiensis à l’aide d’une enzyme de restriction, puis inséré, grâce à l’ADN ligase, dans un vecteur adapté aux cellules végétales. Ce vecteur recombinant est introduit dans des cellules de maïs (transformation génétique, réalisée par exemple à l’aide de la bactérie Agrobacterium tumefaciens ou par biolistique) ; les cellules transformées, sélectionnées puis régénérées en plantes entières, expriment alors le gène bactérien et produisent la toxine insecticide dans leurs tissus. b) Avantage agronomique : la plante se protège elle-même contre certains insectes ravageurs, ce qui réduit le recours aux insecticides chimiques et peut améliorer le rendement. Risque ou limite : apparition possible d’une résistance des insectes ciblés à la toxine au fil du temps, impact potentiel sur des espèces non ciblées et sur la biodiversité, dépendance économique des agriculteurs vis-à-vis des semences brevetées, et débat sociétal sur l’acceptabilité des OGM. c) Cet exemple illustre l’universalité du code génétique car un gène provenant d’une bactérie (Bacillus thuringiensis) est correctement transcrit puis traduit par une cellule végétale totalement différente (le maïs), qui produit une protéine fonctionnelle (la toxine) : cette expression réussie d’un gène d’une espèce dans une espèce très éloignée n’est possible que parce que toutes les cellules vivantes partagent la même correspondance entre codons et acides aminés.
