Séquence 1: Génétique : transmission de l'information génétique d'une génération à l'autre.Définitions

MORGAN n'a pas apporté de précision sur les mécanismes d'action des gènes, pourtant, dès le début du XXe siècle, des observations avaient suggéré un lien existant entre les gènes et les réactions chimiques du métabolisme.

1.1 LES TRAVAUX DE GARROD (1902)

La première relation entre un gène et une enzyme est établie en 1902 par Archibald GARROD à Londres au St Bartholomew's Hospital, en observant un jeune garçon atteint d'alcaptonurie.

Après la naissance dans la même famille d'un autre enfant atteint d'alcaptonurie, Garrod se rend compte que les deux parents sont cousins germains. Il étudie les autres cas d'enfants alcaptonuriques et observe que la transmission de cette anomalie s'effectue chez l'homme selon les lois de Mendel: mode autosomal récessif, ce qui lui laisse penser qu'elle est due à un gène unique. Il suggère donc que la déficience enzymatique soit due à une anomalie du gène responsable de la synthèse de cette enzyme.

GARROD publie ces observations en 1909 dans Les erreurs innées du métabolisme, où il avance une explication similaire pour plusieurs maladies génétiques (albinisme, cystinurie, pentosurie). Dans le cas présent, il écrit: "l'ouverture du cycle benzénique [de la molécule de tyrosine] est dans le métabolisme normal, le travail d'une enzyme spéciale et cette enzyme est absente dans l'alcaptonurie congénitale."

1.2 LES EXPERIENCES DE BEADLE ET TATUM SUR NEUROSPORA

Les remarquables conclusions de GARROD ne pouvaient aboutir à un programme de recherche, car des défauts génétiques décrits chez l'homme ne pouvaient pas se prêter à des expériences génétiques.

George BEADLE, en compagnie de Boris EPHRUSSI, choisit tout d'abord l'organisme modèle "drosophile", sur lequel ils étudient la coloration des yeux . La synthèse des pigments responsables de cette coloration représenterait le résultat d'une chaîne de réactions dont chaque étape est contrôlée par une enzyme, chacune de ces enzymes étant elle-même le produit de l'activité d'un gène. Mais la complexité du système ne permet pas d'établir une conclusion définitive.

BEADLE se tourne alors vers un système biochimique plus simple, décrit dans l'organisme modèle Neurospora crassa, un champignon haploïde. Avec Edward TATUM, qui avait une bonne expérience de la culture de ce micro-organisme, il mène des travaux à l'université de Stanford pendant la deuxième guerre mondiale et les publient en 1941. En 1946, BEADLE prend la succession de MORGAN au CalTech (California Institute of Technology).

1.2.1 Cultures de Neurospora

Neurospora crassa est une moisissure cultivable sur un milieu artificiel qui ne contient que du sucre, des sels minéraux, et de la biotine (vitamine du groupe B appelée aussi vitamine H). Par irradiation, BEADLE et TATUM obtiennent des mutants incapables de se développer sur ce milieu minimal (MM), mais qui poussent sur un milieu complémenté avec tel ou tel métabolite.

En particulier, des mutants de phénotype [Arg-], auxotrophes (=qui nécessitent la présence d'un nutriment) pour l'arginine sont cultivés. On précise la chaîne de biosynthèse de l'arginine:

Trois souches [Arg-] sont cultivées sur milieu minimum (MM) et sur des milieux supplémentés en une ou plusieurs substances de la chaîne de biosynthèse de l'arginine.
Les résultats obtenus sont traduits ci-dessous (+ : croissance, - : pas de croissance):

En vous inspirant de la conclusion de GARROD vis-à-vis de l'alcaptonurie, essayez d'expliquer la cause de chacune des mutations ci-dessus: un schéma est souhaité.

1.2.2 Cultures de dicaryons de Neurospora

La mise en contact de deux filaments haploïdes de Neurospora permet d'obtenir des "dicaryons" fonctionnant comme des cellules diploïdes.

Des expériences de fusion ont donné les résultats ci-dessous quant à la capacité des dicaryons de croître sur milieu minimum:

Expliquez les potentialités biochimiques des différents dicaryons en exprimant leur génotype que vous schématiserez en en faisant une représentation chromosomique.

Ces études montrent que chacun des mutants est en réalité déficient en une des enzymes nécessaires à l'une des étapes de la chaîne métabolique. L'analyse génétique de ces mutants permet à BEADLE et TATUM de montrer que chacune des déficiences segrège de façon mendélienne, et correspond donc à une mutation dans un unique gène. L'ensemble de ces observations aboutit donc à la conclusion que les gènes contrôlent la synthèse des enzymes, et que chaque protéine est codée par un gène différent. Ceci conduit BEADLE et TATUM à exprimer la relation entre la présence d'un gène et la synthèse d'une enzyme ce que Norman HOROWITZ traduisit en 1948 par le célèbre aphorisme : "un gène -> une enzyme", généralisé par la suite en "un gène -> un polypeptide".

Ces travaux concrétisent ainsi la rencontre de la biochimie et de la génétique : la protéine vient combler la lacune qui existait entre le gène et le caractère. BEADLE et TATUM se verront récompensés en 1958 par l'attribution du prix Nobel de physiologie et de médecine.

3.1 VISION ACTUELLE DE LA BIOLOGIE MOLECULAIRE

3.2 LES DECOUVERTES DE L'ARN MESSAGER ET DU CODE GENETIQUE:

A la fin des années 1950, on sait que les gènes codent pour l'assemblage ordonné des acides aminés d'une protéine synthétisée au niveau des ribosomes cytoplasmiques. Mais point d'ADN sur les ribosomes: on envisage qu'une autre molécule servant de matrice, porte l'information de l'ADN aux ribosomes.

On pense à l'ARN ribosomial: les ribosomes sont des grains, découverts par Georges PALADE, associés ou non à des membranes (ergastoplasme ou REG = reticulum endoplasmique granuleux) et impliqués dans l'assemblage des acides aminés. Ils furent longtemps appelés grains de Palade.

3.2.1 VOLKIN-ASTRACHAN et leur "curieux"ARN :

En 1956, Elliot VOLKIN et Lazarre ASTRACHAN ont effectué l'expérience suivante :

        Culture d'E. coli,

        Infection de la culture avec le bactériophage T2,

        Marquage au 32Pi quelques minutes immédiatement après l'infection,

        Isolement et analyse de l'ARN marqué.

Leur analyse a indiqué que l'ARN marqué isolé a représenté seulement 2% de tout l'ARN dans la cellule et il était labile. En outre, la composition en bases de l'ARN fut une surprise:

Montrez en quoi cette composition était inattendue. Sauriez-vous expliquer cet état de fait avec les connaissances actuelles?

La pleine signification de ce résultat n'a pas été appréciée pendant un certain nombre d'années.

3.2.2 La découverte de l'ARN messager et le décryptage du code génétique:

Une nouvelle idée émerge, qui invalide le rôle de l'ARN ribosomial comme intermédiaire: c'est celle de François JACOB, Jacques MONOD et André LWOFF, tous trois travaillant à l'Institut Pasteur.

"MONOD avança alors l'idée, conçue par F. JACOB et lui, qu'existait peut-être un ARN, jusque là non décrit [...]. Il le baptisa messager pour rendre compte du fait qu'il devait s'agir d'une molécule fabriquée à partir de gènes, sans doute transportée au niveau des ribosomes [...]. une telle hypothèse était à l'époque hardie: elle revenait à dire que l'ARN ribosomial n'avait aucun rôle direct dans le transfert de l'information." F. GROS - Les secrets du gène.

Plusieurs équipes présenteront des protocoles expérimentaux différents, qui conduiront tous à admettre l'existence d'un ARN messager qui s'associe temporairement à l'ARN ribosomial pour assurer la synthèse protéique (voir le cours de 1ère S: transcription et traduction).

Il reviendra à Marshall Warren NIRENBERG et J.Heinrich MATTHAEI en 1961 de mettre en évidence la réalité du code génétique qui sera entièrement décrypté en 1965.