Acides Nucléiques : ADN, ARN et les Fondements de l'Hérédité

Introduction aux Biomolécules et Acides Nucléiques

Les biomolécules sont des substances étroitement liées aux processus de vie. Parmi elles, on peut mentionner les glucides, les lipides et les protéines, qui sont métabolisés pour produire de l'énergie et de nouveaux matériaux cellulaires. Une quatrième biomolécule sont les acides nucléiques, qui ne sont pas transformées en énergie ou en nouveaux matériaux pour notre métabolisme. Leur importance réside dans leur implication dans la transmission des caractères héréditaires et la synthèse protéique.

On appelle donc les acides nucléiques deux types de molécules : l'acide désoxyribonucléique ou ADN et l'acide ribonucléique ou ARN. L'ADN se trouve principalement dans le noyau de la cellule, avec une petite quantité dans les mitochondries et les chloroplastes. 80% de l'ARN se trouve dans les ribosomes.

Chromosomes et Gènes : Les Porteurs de l'Information

Pendant la division cellulaire, la chromatine subit une série de boucles et de raccourcissements pour former de plus petites structures appelées chromosomes, qui sont doubles (Fig. 2). Les cellules humaines comportent 23 paires de chromosomes. Chaque chromosome est constitué de deux brins appelés chromatides, qui se rejoignent dans une région appelée kinétochore. L'ADN est à l'intérieur de ces structures pour former des unités appelées gènes. Notre information génétique est stockée dans 26 383 à 39 114 gènes, selon les résultats du Projet Génome Humain par Francis Collins et le séquençage par la société Celera Genomics par Craig Venter.

La Découverte de l'ADN comme Matériel Héréditaire

L'un des grands défis de la biologie moléculaire a été la découverte de la structure de l'ADN, biomolécule qui joue un rôle important dans le développement des individus et de leurs caractéristiques, car elle contient l'information génétique. Une fois la structure connue, celle que l'on appelle la double hélice, il a été possible d'expliquer comment l'information génétique est stockée et comment elle est transmise à la descendance.

Une question que nous pouvons nous poser en parlant de la molécule d'ADN est la suivante : comment a-t-on découvert que l'ADN était le matériel de l'hérédité ? Pour résoudre cette question, nous allons faire un bref historique de la série d'enquêtes qui ont aidé à établir les bases moléculaires de l'hérédité et à lier l'héritage génétique à l'ADN.

Les Pionniers de la Recherche sur l'ADN

Nous commençons avec les travaux de Friedrich Miescher, un médecin allemand qui, en 1869, réussit à isoler du noyau des globules blancs et du sperme de saumon une substance qu'il appela nucléine. Miescher fut incapable d'établir la composition chimique et la relation de cette substance avec l'hérédité. Cependant, des années plus tard, l'analyse de cette substance révéla qu'elle était composée de protéines et d'une substance acide, appelée acide nucléique. Par la suite, deux types d'acides nucléiques furent identifiés : l'acide désoxyribonucléique ou ADN et l'acide ribonucléique ou ARN.

Les Premières Hypothèses sur le Matériel Héréditaire

• En 1880, Wilhelm Roux proposa que l'information génétique est stockée sur les chromosomes.
• En 1884, Oscar Hertwig suggéra que la chromatine des chromosomes était le matériau responsable de la transmission des caractères héréditaires.
• En 1914, Robert Feulgen, en utilisant un colorant appelé fuchsine qui colore spécifiquement l'ADN, nota que cette substance était présente dans tous les noyaux des cellules eucaryotes, en particulier dans les chromosomes des animaux et des plantes supérieures.

Le chromosome est une structure très complexe, dont les composants sont les suivants : 27% d'ADN, 66% de protéines et 6% d'ARN. La proportion élevée de protéines dans les chromosomes suggérait fortement que les protéines, et non les acides nucléiques, étaient responsables de l'hérédité (Fig. 3).

Les Défis de la Biologie Moléculaire

Avec la découverte de Miescher et les contributions ultérieures d'autres chercheurs comme Roux et Feulgen, les travaux commencèrent pour trouver "qui" ou "quoi" est responsable de l'hérédité. Probablement, le point de départ était les idées qui prévalaient à ce moment-là :

• Les chromosomes sont associés à l'hérédité.
• La composition chimique des chromosomes implique des protéines, de l'ADN et de l'ARN.
• N'importe laquelle de ces trois substances doit être responsable de l'hérédité.
• Celle qui est responsable doit être capable de se répliquer.
• Cette substance doit être transmise à la descendance.

À cette époque, il n'y avait pas de relation établie entre la molécule d'ADN et l'hérédité. Pour parvenir à une telle relation, il a fallu les contributions de plusieurs chercheurs, notamment : Fred Griffith, Oswald Avery et al., Phoebus Aaron Levene, Erwin Chargaff, Alfred D. Hershey et Martha Chase, James Watson et Francis Crick, en plus de Matthew Meselson et Franklin W. Stahl, entre autres.

Phoebus Aaron Levene et la Composition de l'ADN

En 1920, Levene, un chercheur russe, avait établi la composition chimique de l'ADN :

• Quatre bases azotées (adénine, guanine, cytosine et thymine)
• Une molécule de sucre (le désoxyribose)
• Un groupement phosphate

L'Expérience de Fred Griffith et la Transformation Bactérienne

Les bactéries pneumocoques, associées à une maladie appelée pneumonie, ont joué un rôle important dans la découverte du rôle génétique de l'ADN. Deux mutants de cette bactérie sont connus :

• L'un d'eux, la forme lisse ou "S" (smooth = lisse, uniforme), était entourée d'une fine capsule de polysaccharides brillante, essentielle pour que la bactérie puisse causer la pneumonie chez les humains et autres mammifères (Fig. 4).
• L'autre est la forme rugueuse ou "R", qui n'avait pas de capsule et ne produisait donc pas de maladie.

En 1928, Fred Griffith, en travaillant avec ces bactéries, constata que les pneumocoques rugueux, non pathogènes, pouvaient se transformer en pneumocoques lisses, provoquant une pneumonie. L'expérience qui lui permit de découvrir ce phénomène est la suivante :

1. Il injecta des pneumocoques "S" vivants à un groupe de souris, qui moururent d'une pneumonie. L'analyse du sang des souris mortes révéla la présence de pneumocoques "S" vivants.
2. Il injecta un second groupe de souris avec des pneumocoques "R" vivants. Elles restèrent en bonne santé, et l'analyse de leur sang révéla la présence de pneumocoques "R" vivants.
3. Il injecta ensuite des pneumocoques "S" tués par la chaleur à un troisième groupe de souris. Elles restèrent en bonne santé, et l'analyse de leur sang révéla la présence de pneumocoques "S" morts.
4. Enfin, il injecta un mélange de pneumocoques "R" vivants et de pneumocoques "S" tués par la chaleur à un quatrième groupe de souris. Les souris moururent d'une pneumonie. L'analyse du sang de ces souris révéla la présence de pneumocoques "S" vivants.

Les pneumocoques "R", non pathogènes, s'étaient transformés en pneumocoques "S" pathogènes.

Avery, MacLeod et McCarty : L'ADN est le Matériel Génétique

En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty fractionnèrent l'extrait cellulaire de pneumocoques "S" morts et ajoutèrent chacun de ces composants à des cultures de pneumocoques "R". Ils observèrent que le phénomène de transformation n'était présent que lorsqu'ils ajoutaient la fraction d'ADN des pneumocoques "S" aux pneumocoques "R". Cela les amena à conclure que le principe transformant découvert par Griffith était l'ADN. L'ADN est le matériel de l'hérédité.

C'est la première fois qu'une molécule chimique, l'acide désoxyribonucléique, est expérimentalement liée à l'hérédité, établissant ainsi le rôle génétique de l'ADN.

Les Règles de Chargaff

La découverte d'Avery, MacLeod et McCarty souleva de nouvelles questions, notamment pour Erwin Chargaff qui, entre 1949 et 1951, utilisa une nouvelle technique pour analyser la composition des bases azotées de l'ADN provenant de diverses sources (humain, veau, mouton, rats, poulets, levure, Staphylococcus aureus, etc.). Les résultats lui permirent de tirer les conclusions suivantes :

• Dans tous les types d'ADN, la quantité d'adénine est égale à celle de la thymine (A = T), tandis que la quantité de guanine est égale à celle de la cytosine (G = C).
• L'ADN de différents tissus de la même espèce a la même composition de bases azotées.
• La composition des bases azotées varie d'une espèce à l'autre.
• La composition de l'ADN d'une espèce ne change pas avec l'âge ou la nutrition.

Watson et Crick : La Double Hélice de l'ADN

En 1953, Watson et Crick postulèrent un modèle à trois dimensions pour expliquer la structure de l'ADN. Ce modèle est connu sous le nom de double hélice. Pour y parvenir, ils se sont basés sur les travaux de cristallographie aux rayons X de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins, ainsi que sur les lois d'équivalence des bases azotées d'Erwin Chargaff.

Après avoir élucidé la structure tridimensionnelle de l'ADN, Watson et Crick établirent un modèle pour expliquer comment l'ADN peut se répliquer. De même, ils participèrent également au décryptage du code de l'ADN, ou code génétique.

Hershey et Chase : Confirmation du Rôle Génétique de l'ADN

En 1952, un an avant la découverte de la structure de l'ADN, Alfred Hershey et Martha Chase mirent au point une expérience qui confirma le rôle génétique de l'ADN. Ils travaillèrent avec le bactériophage T2 qui infecte une bactérie appelée E. coli. Ils constatèrent qu'après quelques minutes, les bactéries éclataient et libéraient un grand nombre de nouveaux virus (Fig. 6 : Cycle de reproduction du bactériophage T2).

Étant donné que le bactériophage est composé uniquement de protéines et d'ADN, il était logique de supposer que l'une de ces deux composantes forçait les bactéries à produire de nouveaux virus, au lieu de nouvelles bactéries. En utilisant une technique de marquage permettant de marquer radioactivement les protéines et l'ADN du bactériophage T2, ils confirmèrent que l'ADN injecté par les bactériophages était responsable des changements subis par les bactéries.

Cette expérience confirma le rôle génétique de l'ADN (Fig. 7 : Représentation de l'expérience d'Alfred Hershey et Martha Chase avec le bactériophage T2).

Acides Nucléiques : Structure et Composition

Les acides nucléiques sont des substances chimiques qui relient les générations, car ils portent l'information génétique. Cela a été démontré par Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty en 1944. Pour comprendre la fonction remplie par chacun des acides nucléiques, il est essentiel d'étudier leur composition chimique, basée sur les travaux de Phoebus Aaron Levene et Erwin Chargaff.

Le Nucléotide : Unité Structurale

Phoebus Aaron Levene a montré que l'unité structurale des acides nucléiques était le nucléotide, qui est formé par l'union de trois substances chimiques :

1. Une base azotée, qui peut être dérivée des bases puriques ou pyrimidiques, contenant de l'azote et présentes dans la structure des acides nucléiques.
2. Une molécule de sucre à 5 carbones, qui peut être le ribose ou le désoxyribose.
3. Un groupement phosphate, issu de l'acide phosphorique.

Comment ces trois éléments s'assemblent-ils pour former un nucléotide ? Le groupement phosphate et une base azotée sont attachés à la molécule de sucre d'une manière spécifique : le groupement phosphate se lie à la molécule de sucre par l'intermédiaire du carbone 5, tandis que la base azotée l'est par l'intermédiaire du carbone 1. La figure 4 montre la structure des nucléotides d'adénine et de thymine.

Le nom du nucléotide dépend de la base azotée qu'il contient. Conformément à cela, les nucléotides présents dans les acides nucléiques sont : la thymine, l'adénine, la guanine, la cytosine et l'uracile.

Le Polynucléotide

La structure d'un polynucléotide est assez complexe, car elle est formée par l'union de plusieurs unités de nucléotides, formant une structure connue. La liaison des nucléotides se produit entre le groupe OH du carbone 3 d'une molécule de sucre et le groupement phosphate-OH du nucléotide suivant, qui est attaché au carbone 5 de la molécule de sucre. Nous pouvons représenter cela à l'aide de formules ou de figures (représentation d'un polynucléotide).

Composants Chimiques des Acides Nucléiques

L'ADN et l'ARN sont des polynucléotides dont les composants sont répertoriés dans le tableau ci-dessous :