La génétique Moléculaire

Chapitre 2 : L’avènement de la biologie moléculaire puis la révolution technologique des années 1970

I) De la nature chimique du gène à la synthèse des protéines grâce à la biologie moléculaire

A) La nature chimique du gène

En 1868, Miescher, met à jour, pour la première fois, l’ADN : Acide DésoxyriboNucléique.

Sa nature chimique est alors révélée : l’ADN est constitué d’acides nucléiques.

Entre 1882 et 1920, Kossel, Fischer et Levene, entre autres, montrent que l’ADN est une succession de nucléotides.

Chaque nucléotide comprend : un groupement phosphate, un sucre (désoxyribose) et une base (Adénine, Thymine, Cytosine ou Guanine).

En 1928, Griffith et en 1944 Avery, prouvent que l’ADN est une molécule informative mais ce n’est qu’en 1952 qu’Hershey et Chase montrent que l’ADN est bien le support de l’hérédité.

En 1953 Watson et Crick publient un modèle de structure de l’ADN : c’est une molécule en double hélice, antiparallèle, composée d’une succession de nucléotides dont les bases s’associent par complémentarité deux à deux : A-T et C-G.

En 1957, Meselson et Stahl démontrent que la réplication de l’ADN est semi-conservative.

B) La synthèse des protéines

En 1902, Garrod montre qu’il existe une relation entre gène et enzyme à la suite de l’étude de patients atteints d’une maladie génétique récessive (à l’époque, « qui se transmet comme un facteur mendélien ») sans gravité l’alcaptonurie (présent dans les urines, l’alcaptone est un produit résiduel issu de la dégradation d’acides aminés comme la tyrosine ou la phénylalanine).

En parallèle, Garrod établissait que la maladie provenait d’un dysfonctionnement d’une enzyme impliquée dans le métabolisme de la tyrosine.

En 1941, Beadle et Tatum précise la relation : « un gène – une enzyme » (cf document 1)

En 1952, Hersey et Chase déterminent que le gène est un intermédiaire dans la synthèse des protéines (cf document 2).

En 1961, Yanofsky apporte la preuve de la relation entre « un gène – une protéine ».

En 1961 également, les biologistes français Jacob et Monod, prix Nobel de Médecine, découvrent le rôle de l’ARNm dans la synthèse des protéines.

Entre 1961 et 1966, par calcul on découvre qu’il faut 3 nucléotides pour coder les 20 acides Aminés (2 nucléotides ne permettent de coder, à l’aide des combinaisons des 4 bases différentes que 16 acides aminés, 3 nucléotides offrent 64 combinaisons différentes avec des redondances).

En 1966, grâce à Nirenberg, Matthaei puis Khorona, le code génétique, universel et redondant, est entièrement déchiffré (cf document 3).

Fin 1966, le dogme central de la biologie moléculaire (union de la biochimie et de la génétique formelle) est établi : L’ADN est le support de l’hérédité à partir duquel un ARNm est transcrit.

Cet ARNm sort du noyau pour être traduit par des ribosomes dans le cytoplasme et permettent ainsi la synthèse d’une protéine.

II) Les années 1970, avancées technologiques en génie génétique, manipulation et décryptage

Comment isoler les gènes ?

A) Les enzymes de restriction : des ciseaux moléculaires

Le génome humain comporte environ 35 000 gènes répartis sur 23 paires de chromosomes, une molécule d’ADN peut mesurer jusqu’à 4 cm.

Pour pouvoir étudier les gènes, il faut les isoler et il faut découper l’ADN.

En 1965, on découvre des bactéries capables de se défendre contre les virus en découpant l’ADN viral grâce à des enzymes dites de restriction.

Ce sont des endonucléases, c'est-à-dire des enzymes qui coupent les acides nucléiques en fragments plus courts, comme toutes les enzymes elles ont un spécificité d’action : couper la molécule d’ADN.

Leur substrat spécifique est l’ADN mais une enzyme donnée coupe les liaisons au niveau d’une séquence spécifique de l’enzyme : les sites de restriction.

Les fragments obtenus suite à l’action de l’enzyme sont appelés fragments de restriction.

Schéma du fonctionnement d’une enzyme de restriction

Les coupes peuvent être franches ou non mais toujours cohésives c’est-à-dire capable de se combiner avec une séquence complémentaire qui a été coupée avec la même enzyme de restriction. La liaison se fait par une autre enzyme : une ligase.

Les généticiens utilisent ces ciseaux moléculaires, 500 espèces différentes à ce jour, pour découper des molécules d’ADN de grande taille en fragments de restriction de tailles variables, séparés par électrophorèse.

L’utilisation de différentes enzymes de restriction, ensemble et séparément, permet d’établir, par comparaison, une carte de restriction de la molécule d’ADN initiale.

Cette carte révèle l’agencement des fragments de restriction les uns par rapport aux autres et de parties chevauchantes en parties chevauchantes, une cartographie physique de l’ADN est alors réalisée.

Les enzymes de restriction, puis les ligases, sont les premiers outils permettant de manipuler le génome grâce à un ensemble de techniques regroupées sous le terme de génie génétique.

B) Les enzymes de restriction permettent le clonage des gènes et leur séquençage

1) Le clonage des gènes dans des bactéries et la banque d’ADN

L’utilisation des enzymes de restriction, suivie d’électrophorèses, permettent d’obtenir des fragments de restriction de petites tailles, mais chaque fragment est unique.

Le clonage de ces fragments est indispensable pour obtenir suffisamment de « matière » pour les analyses futures, il fut donc la

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