Depuis les travaux fondateurs du XXe siècle, on sait que les caractères héréditaires sont déterminés par une molécule présente dans le noyau de toutes les cellules : l’ADN. Ce chapitre présente la nature chimique de cette molécule, la démonstration expérimentale de son rôle de support de l’information génétique, ainsi que le mécanisme par lequel elle se duplique fidèlement avant chaque division cellulaire.
Localisation et organisation de l’information génétique dans la cellule
Chez les eucaryotes, l’information génétique est contenue dans le noyau de la cellule, sous forme de chromatine, un complexe d’ADN et de protéines (histones). Lors de la division cellulaire, la chromatine se condense pour former des structures individualisées et visibles au microscope optique : les chromosomes. Chaque espèce possède un nombre caractéristique de chromosomes (46 chez l’Homme, organisés en 23 paires), constituant son caryotype.
Un chromosome porte, le long de sa molécule d’ADN, une succession de segments appelés gènes. Un gène est une portion d’ADN qui contient l’information nécessaire à la synthèse d’un produit fonctionnel, le plus souvent une protéine. L’ensemble des gènes d’un organisme constitue son génome.
Structure moléculaire de l’ADN
L’ADN (acide désoxyribonucléique) est un polymère formé de sous-unités appelées nucléotides. Chaque nucléotide comprend trois éléments : un sucre (le désoxyribose), un groupement phosphate, et une base azotée. Il existe quatre bases azotées : l’adénine (A), la thymine (T), la guanine (G) et la cytosine (C).
La molécule d’ADN est constituée de deux brins de nucléotides enroulés en double hélice, décrite par Watson et Crick en 1953. Les deux brins sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène établies entre les bases : l’adénine s’apparie toujours avec la thymine (2 liaisons hydrogène), et la guanine s’apparie toujours avec la cytosine (3 liaisons hydrogène). Cette règle est la complémentarité des bases. Les deux brins sont dits antiparallèles : ils sont orientés en sens opposés.
Cette complémentarité explique la loi de Chargaff, observée expérimentalement avant même la découverte de la structure : dans une molécule d’ADN, la quantité d’adénine est égale à celle de thymine (%A = %T), et la quantité de guanine est égale à celle de cytosine (%G = %C).
Mise en évidence expérimentale du rôle de l’ADN
Plusieurs expériences historiques ont permis d’identifier l’ADN comme support de l’information héréditaire. Griffith (1928), en travaillant sur des souches de pneumocoques, a mis en évidence l’existence d’un principe transformant capable de transférer un caractère héréditaire (la virulence) d’une souche à une autre.
Avery, MacLeod et McCarty (1944) ont identifié la nature chimique de ce principe transformant en traitant des extraits cellulaires avec des enzymes détruisant spécifiquement les protéines, l’ARN ou l’ADN : seule la destruction de l’ADN supprimait le pouvoir transformant, démontrant que l’ADN est le support de l’information génétique.
L’expérience de Hershey et Chase (1952), réalisée sur des bactériophages marqués radioactivement (protéines au soufre 35, ADN au phosphore 32), a confirmé ce résultat : seul l’ADN du virus pénètre dans la bactérie infectée et dirige la formation de nouveaux virus.
La réplication semi-conservative de l’ADN
Avant chaque division cellulaire, la molécule d’ADN doit être dupliquée à l’identique pour que chaque cellule fille reçoive la même information génétique : c’est la réplication de l’ADN. Meselson et Stahl (1958) ont démontré, grâce à un marquage isotopique de l’azote (15N puis 14N) et une centrifugation en gradient de densité, que la réplication est semi-conservative : chaque molécule fille est constituée d’un brin ancien (matrice) et d’un brin nouvellement synthétisé.
Le mécanisme se déroule en plusieurs étapes : l’hélicase ouvre la double hélice en rompant les liaisons hydrogène ; l’ADN polymérase synthétise un nouveau brin complémentaire à chaque brin matrice, en respectant la règle A-T et G-C, à partir de nucléotides libres présents dans le noyau ; enfin, l’ADN ligase soude les fragments néoformés. Cette réplication assure la conservation et la transmission fidèle de l’information génétique au cours des divisions cellulaires successives (mitose).
Exercices
Exercice 1 — Donnez la définition d’un gène et d’un chromosome. Quelle relation existe-t-il entre ces deux structures ?
Exercice 2 — Un brin d’ADN a pour séquence : 5′-A T G C C G T A C-3′. Donnez la séquence du brin complémentaire, en précisant son orientation.
Exercice 3 — Une molécule d’ADN contient 30 % d’adénine. Calculez les pourcentages de thymine, de guanine et de cytosine dans cette molécule. Justifiez votre réponse à l’aide de la loi de Chargaff.
Exercice 4 — Expliquez, en une dizaine de lignes, le principe et la conclusion de l’expérience d’Avery, MacLeod et McCarty (1944). Pourquoi cette expérience a-t-elle été déterminante pour identifier la nature chimique du matériel génétique ?
Exercice 5 — Dans l’expérience de Hershey et Chase, les chercheurs ont marqué séparément les protéines virales (au soufre 35) et l’ADN viral (au phosphore 32). Après infection de bactéries puis agitation au mixeur, on retrouve la radioactivité au soufre 35 dans le surnageant (à l’extérieur des bactéries) et la radioactivité au phosphore 32 dans le culot (à l’intérieur des bactéries). Interprétez ces résultats et concluez quant à la nature du matériel génétique transmis à la descendance virale.
Exercice 6 — Une cellule contient une molécule d’ADN. Après une réplication semi-conservative, combien de molécules d’ADN obtient-on, et quelle est la composition (brins anciens/nouveaux) de chacune d’elles ? Cette molécule subit ensuite une seconde réplication : combien de molécules obtient-on au total, et combien d’entre elles contiennent encore un brin de la molécule initiale ?
Exercice 7 — On réalise l’expérience de Meselson et Stahl : des bactéries cultivées plusieurs générations en milieu à l’azote lourd (15N) sont transférées dans un milieu à l’azote léger (14N). Après une génération en milieu léger, on observe une seule bande de densité intermédiaire (hybride). Après une deuxième génération, on observe deux bandes, une intermédiaire et une légère, en proportions égales. a) Ce résultat est-il compatible avec un modèle conservatif, semi-conservatif ou dispersif de la réplication ? Justifiez en indiquant ce qu’on observerait avec chacun de ces trois modèles. b) Quelles proportions de molécules hybrides et légères obtiendrait-on après une troisième génération ?
Corrigés
Corrigé 1 — Un gène est un segment (une portion) d’ADN qui porte l’information nécessaire à la synthèse d’un produit, le plus souvent une protéine. Un chromosome est une structure condensée d’ADN associé à des protéines (histones), visible lors de la division cellulaire, qui porte un grand nombre de gènes alignés les uns à la suite des autres le long de la molécule d’ADN. Relation : le chromosome est le support physique qui contient de nombreux gènes ; chaque gène occupe un emplacement précis, appelé locus, sur un chromosome donné.
Corrigé 2 — La complémentarité des bases impose A-T et G-C, et les deux brins sont antiparallèles. Brin donné (5’→3′) : A T G C C G T A C. Brin complémentaire, écrit dans le même sens de lecture (3’→5′) : T A C G G C A T G. En orientation conventionnelle 5’→3′, le brin complémentaire s’écrit donc : 5′-G T A C G G C A T-3′.
Corrigé 3 — D’après la loi de Chargaff, %A = %T et %G = %C. Si %A = 30 %, alors %T = 30 %. Il reste 100 − 60 = 40 % à répartir également entre G et C, donc %G = %C = 20 % chacune.
Corrigé 4 — Avery, MacLeod et McCarty ont extrait des composants de bactéries pneumocoques virulentes (S) tuées par la chaleur, puis ont traité séparément ces extraits avec une protéase (détruisant les protéines), une ribonucléase (détruisant l’ARN) ou une désoxyribonucléase (détruisant l’ADN), avant de les mettre en contact avec des bactéries non virulentes (R). Seul le traitement à la DNase supprimait le pouvoir transformant (transformation des bactéries R en bactéries S virulentes) ; les traitements détruisant les protéines ou l’ARN n’avaient aucun effet. Cette expérience a été déterminante car elle a permis, pour la première fois, d’identifier précisément l’ADN, et non les protéines (alors considérées comme de meilleures candidates en raison de leur plus grande diversité structurale), comme le support chimique de l’information héréditaire.
Corrigé 5 — Le soufre 35 marque les protéines et le phosphore 32 marque l’ADN. Le fait que la radioactivité au soufre 35 reste à l’extérieur des bactéries (dans le surnageant) montre que les protéines virales (capside) ne pénètrent pas dans la bactérie. Le fait que la radioactivité au phosphore 32 se retrouve à l’intérieur des bactéries (culot), et qu’elle est ensuite transmise aux virus de la descendance, montre que seul l’ADN viral pénètre dans la cellule hôte et dirige la synthèse des nouveaux virus. On en conclut que l’ADN, et non la protéine, est le matériel génétique transmis à la descendance.
Corrigé 6 — Après une première réplication semi-conservative, on obtient 2 molécules d’ADN, chacune constituée d’un brin ancien (matrice) et d’un brin nouvellement synthétisé (molécules hybrides). Après une seconde réplication, chacune de ces 2 molécules donne à son tour 2 molécules : on obtient donc 4 molécules au total. Parmi elles, 2 molécules contiennent encore un brin de la molécule initiale (associé à un brin nouveau), et 2 molécules sont entièrement nouvelles (leurs deux brins ont été synthétisés lors des deux réplications).
Corrigé 7 — a) Le modèle conservatif prédirait, dès la première génération en milieu léger, deux bandes distinctes : une lourde (molécule parentale intacte) et une légère (molécule entièrement nouvelle) — ce qui n’est pas observé. Le modèle dispersif prédirait un mélange homogène de segments lourds et légers dans chaque molécule, donc une bande unique qui se déplacerait progressivement et continûment vers la position légère au fil des générations, sans jamais donner deux bandes nettement séparées — ce qui n’est pas observé non plus. Seul le modèle semi-conservatif rend compte exactement des résultats : une bande hybride unique après la première génération (chaque molécule = un brin ancien + un brin nouveau), puis deux bandes distinctes et en proportions égales (hybride et légère) après la deuxième génération. Les résultats de Meselson et Stahl valident donc le modèle semi-conservatif. b) À chaque génération, le nombre total de molécules double, mais le nombre de molécules hybrides reste constant et égal à 2 (les deux brins de la molécule initiale sont conservés indéfiniment, chacun associé à un nouveau brin). Après la troisième génération, on a 8 molécules au total : 2 sont hybrides (2/8 = 25 %) et 6 sont légères (6/8 = 75 %).
