La génétique - Genetics

La génétique est une branche de la biologie qui s'intéresse à l'étude des gènes , de la variation génétique et de l' hérédité dans les organismes .

Bien que l'hérédité ait été observée depuis des millénaires, Gregor Mendel , scientifique morave et moine augustinien travaillant au XIXe siècle à Brno , fut le premier à étudier la génétique de manière scientifique. Mendel a étudié « l'hérédité des traits », les modèles de transmission des traits des parents à la progéniture au fil du temps. Il a observé que les organismes (plants de pois) héritent de traits par le biais d'« unités d'héritage » discrètes. Ce terme, encore utilisé aujourd'hui, est une définition quelque peu ambiguë de ce qu'on appelle un gène.

L' hérédité des traits et les mécanismes d'hérédité moléculaire des gènes sont toujours les principes fondamentaux de la génétique au 21e siècle, mais la génétique moderne s'est étendue au-delà de l'hérédité pour étudier la fonction et le comportement des gènes. La structure et la fonction des gènes, la variation et la distribution sont étudiées dans le contexte de la cellule , de l'organisme (par exemple, la dominance ) et dans le contexte d'une population. La génétique a donné naissance à un certain nombre de sous-domaines, notamment la génétique moléculaire , l' épigénétique et la génétique des populations . Les organismes étudiés dans le vaste domaine couvrent les domaines de la vie ( archées , bactéries et eucaryas ).

Les processus génétiques fonctionnent en combinaison avec l'environnement et les expériences d'un organisme pour influencer le développement et le comportement , souvent appelés nature contre culture . L' environnement intracellulaire ou extracellulaire d'une cellule ou d'un organisme vivant peut activer ou désactiver la transcription génique. Un exemple classique est celui de deux semences de maïs génétiquement identiques, l'une placée dans un climat tempéré et l'autre dans un climat aride (manque de chute d'eau ou de pluie suffisante). Alors que la hauteur moyenne des deux tiges de maïs peut être déterminée génétiquement comme étant égale, celle du climat aride ne pousse que jusqu'à la moitié de la hauteur de celle du climat tempéré en raison du manque d'eau et de nutriments dans son environnement.

Étymologie

Le mot génétique vient du grec ancien γενετικός genetikos signifiant « génitif »/« génératif », qui à son tour dérive de γένεσις genèse signifiant « origine ».

Histoire

L'observation selon laquelle les êtres vivants héritent des traits de leurs parents a été utilisée depuis la préhistoire pour améliorer les plantes cultivées et les animaux grâce à la reproduction sélective . La science moderne de la génétique, cherchant à comprendre ce processus, a commencé avec les travaux du frère augustinien Gregor Mendel au milieu du XIXe siècle.

Avant Mendel, Imre Festetics , un noble hongrois , qui vivait à Kőszeg avant Mendel, fut le premier à utiliser le mot « génétique ». Il a décrit plusieurs règles du patrimoine génétique dans son ouvrage La loi génétique de la nature (Die genetische Gesätze der Natur, 1819). Sa seconde loi est la même que celle publiée par Mendel. Dans sa troisième loi, il développe les principes de base de la mutation (on peut le considérer comme un précurseur d' Hugo de Vries ).

Le mélange de l'héritage conduit à la moyenne de chaque caractéristique, ce qui, comme l'a souligné l'ingénieur Fleeming Jenkin , rend impossible l' évolution par sélection naturelle .

D'autres théories de l'héritage ont précédé les travaux de Mendel. Une théorie populaire au 19ème siècle, et impliquée par Charles Darwin sur l'origine des espèces en 1859 , mélangeait l'héritage : l'idée que les individus héritent d'un mélange homogène de traits de leurs parents. Le travail de Mendel a fourni des exemples où les traits n'étaient certainement pas mélangés après l'hybridation, montrant que les traits sont produits par des combinaisons de gènes distincts plutôt que par un mélange continu. Le mélange des caractères dans la descendance s'explique maintenant par l'action de plusieurs gènes aux effets quantitatifs . Une autre théorie qui avait un certain soutien à l'époque était l' hérédité des caractéristiques acquises : la croyance que les individus héritent des traits renforcés par leurs parents. Cette théorie (communément associée à Jean-Baptiste Lamarck ) est maintenant connu pour être mal-les expériences des individus n'affectent pas les gènes qu'ils passent à leurs enfants, d' autres théories comprenaient la pangenèse de Charles Darwin (qui avaient tous deux acquis et aspects hérités) et la reformulation de Francis Galton de la pangenèse à la fois particulaire et héritée.

Génétique mendélienne et classique

L'observation de Morgan de l' hérédité liée au sexe d'une mutation causant des yeux blancs chez la drosophile l'a conduit à l'hypothèse que les gènes sont situés sur les chromosomes.

La génétique moderne a commencé avec les études de Mendel sur la nature de l'hérédité chez les plantes. Dans son article " Versuche über Pflanzenhybriden " (" Expériences sur l'hybridation des plantes "), présenté en 1865 à la Naturforschender Verein (Société pour la recherche dans la nature) à Brünn , Mendel a retracé les modèles d'héritage de certains traits chez les plantes de pois et les a décrits mathématiquement. Bien que ce modèle d'hérédité n'ait pu être observé que pour quelques traits, les travaux de Mendel suggéraient que l'hérédité était particulaire, non acquise, et que les modèles d'hérédité de nombreux traits pouvaient être expliqués par des règles et des ratios simples.

L'importance des travaux de Mendel n'a été largement comprise qu'en 1900, après sa mort, lorsque Hugo de Vries et d'autres scientifiques ont redécouvert ses recherches. William Bateson , un partisan des travaux de Mendel, a inventé le mot génétique en 1905 (l'adjectif génétique , dérivé du mot grec genèse —γένεσις, « origine », est antérieur au nom et a été utilisé pour la première fois dans un sens biologique en 1860). Bateson a tous deux agi en tant que mentor et a été considérablement aidé par le travail d'autres scientifiques du Newnham College de Cambridge, en particulier le travail de Becky Saunders , Nora Darwin Barlow et Muriel Wheldale Onslow . Bateson a popularisé l'utilisation du mot génétique pour décrire l'étude de l'hérédité dans son discours inaugural à la troisième conférence internationale sur l'hybridation des plantes à Londres en 1906.

Après la redécouverte des travaux de Mendel, les scientifiques ont tenté de déterminer quelles molécules de la cellule étaient responsables de l'hérédité. En 1900, Nettie Stevens a commencé à étudier le ver de farine. Au cours des 11 années suivantes, elle a découvert que les femmes n'avaient que le chromosome X et que les hommes avaient à la fois les chromosomes X et Y. Elle a pu conclure que le sexe est un facteur chromosomique et est déterminé par le mâle. En 1911, Thomas Hunt Morgan a soutenu que les gènes sont sur les chromosomes , sur la base d'observations d'une mutation de l' œil blanc liée au sexe chez les mouches des fruits . En 1913, son élève Alfred Sturtevant a utilisé le phénomène de liaison génétique pour montrer que les gènes sont disposés linéairement sur le chromosome.

Génétique moléculaire

L'ADN , la base moléculaire de l'hérédité biologique . Chaque brin d'ADN est une chaîne de nucléotides , s'appariant au centre pour former ce qui ressemble à des barreaux sur une échelle torsadée.

Bien que les gènes aient été connus pour exister sur les chromosomes, les chromosomes sont composés à la fois de protéines et d'ADN, et les scientifiques ne savaient pas lequel des deux est responsable de l'hérédité. En 1928, Frederick Griffith découvrit le phénomène de transformation (voir l'expérience de Griffith ) : des bactéries mortes pouvaient transférer du matériel génétique pour « transformer » d'autres bactéries encore vivantes. Seize ans plus tard, en 1944, l' expérience Avery-MacLeod-McCarty a identifié l'ADN comme la molécule responsable de la transformation. Le rôle du noyau en tant que dépositaire de l'information génétique chez les eucaryotes avait été établi par Hämmerling en 1943 dans ses travaux sur l'algue unicellulaire Acetabularia . L' expérience Hershey-Chase en 1952 a confirmé que l'ADN (plutôt que la protéine) est le matériel génétique des virus qui infectent les bactéries, fournissant une preuve supplémentaire que l'ADN est la molécule responsable de l'hérédité.

James Watson et Francis Crick ont déterminé la structure de l'ADN en 1953, en utilisant les travaux de cristallographie aux rayons X de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins qui ont indiqué que l'ADN a une structure hélicoïdale (c'est-à-dire en forme de tire-bouchon). Leur modèle à double hélice avait deux brins d'ADN avec les nucléotides pointant vers l'intérieur, chacun correspondant à un nucléotide complémentaire sur l'autre brin pour former ce qui ressemble à des barreaux sur une échelle torsadée. Cette structure a montré que l'information génétique existe dans la séquence de nucléotides sur chaque brin d'ADN. La structure a également suggéré une méthode simple de réplication : si les brins sont séparés, de nouveaux brins partenaires peuvent être reconstruits pour chacun en fonction de la séquence de l'ancien brin. Cette propriété est ce qui donne à l'ADN sa nature semi-conservatrice où un brin d'ADN nouveau provient d'un brin parent d'origine.

Bien que la structure de l'ADN ait montré comment fonctionne l'hérédité, on ne savait toujours pas comment l'ADN influence le comportement des cellules. Au cours des années suivantes, les scientifiques ont tenté de comprendre comment l'ADN contrôle le processus de production de protéines . Il a été découvert que la cellule utilise l'ADN comme matrice pour créer un ARN messager correspondant , des molécules avec des nucléotides très similaires à l'ADN. La séquence nucléotidique d'un ARN messager est utilisée pour créer une séquence d' acides aminés dans une protéine ; cette traduction entre les séquences nucléotidiques et les séquences d'acides aminés est connue sous le nom de code génétique .

Avec la nouvelle compréhension moléculaire de l'hérédité est venue une explosion de la recherche. Une théorie notable est née de Tomoko Ohta en 1973 avec son amendement à la théorie neutre de l'évolution moléculaire en publiant la théorie presque neutre de l'évolution moléculaire . Dans cette théorie, Ohta a souligné l'importance de la sélection naturelle et de l'environnement pour la vitesse à laquelle l'évolution génétique se produit. Un développement important a été le séquençage de l'ADN à terminaison de chaîne en 1977 par Frederick Sanger . Cette technologie permet aux scientifiques de lire la séquence nucléotidique d'une molécule d'ADN. En 1983, Kary Banks Mullis a développé la réaction en chaîne par polymérase , offrant un moyen rapide d'isoler et d'amplifier une section spécifique d'ADN à partir d'un mélange. Les efforts du Projet du génome humain , du Département de l'énergie, du NIH et des efforts privés parallèles de Celera Genomics ont conduit au séquençage du génome humain en 2003.

Caractéristiques de l'héritage

La succession discrète et les lois de Mendel

Un carré de Punnett représentant un croisement entre deux plants de pois hétérozygotes pour les fleurs violettes (B) et blanches (b).

À son niveau le plus fondamental, l'hérédité dans les organismes se produit en transmettant des unités héritables discrètes, appelées gènes , des parents à la progéniture. Cette propriété a été observée pour la première fois par Gregor Mendel , qui a étudié la ségrégation des caractères héréditaires chez les plants de pois . Dans ses expériences d'étude du trait de couleur des fleurs, Mendel a observé que les fleurs de chaque plante de pois étaient soit violettes, soit blanches, mais jamais un intermédiaire entre les deux couleurs. Ces différentes versions discrètes du même gène sont appelées allèles .

Dans le cas du pois, qui est une espèce diploïde , chaque plante individuelle possède deux copies de chaque gène, une copie héritée de chaque parent. De nombreuses espèces, y compris les humains, ont ce modèle d'hérédité. Les organismes diploïdes avec deux copies du même allèle d'un gène donné sont appelés homozygotes à ce locus génique , tandis que les organismes avec deux allèles différents d'un gène donné sont appelés hétérozygotes .

L'ensemble des allèles d'un organisme donné est appelé son génotype , tandis que les traits observables de l'organisme sont appelés son phénotype . Lorsque les organismes sont hétérozygotes au niveau d'un gène, un allèle est souvent appelé dominant car ses qualités dominent le phénotype de l'organisme, tandis que l'autre allèle est appelé récessif car ses qualités diminuent et ne sont pas observées. Certains allèles n'ont pas de dominance complète et ont plutôt une dominance incomplète en exprimant un phénotype intermédiaire, ou une codominance en exprimant les deux allèles à la fois.

Lorsqu'une paire d'organismes se reproduit sexuellement , leur progéniture hérite au hasard d'un des deux allèles de chaque parent. Ces observations d'hérédité discrète et de ségrégation des allèles sont collectivement connues sous le nom de première loi de Mendel ou loi de ségrégation.

Notation et diagrammes

Les tableaux d'ascendance génétique aident à suivre les modèles d'héritage des traits.

Les généticiens utilisent des diagrammes et des symboles pour décrire l'héritage. Un gène est représenté par une ou plusieurs lettres. Souvent, un symbole "+" est utilisé pour marquer l' allèle habituel non mutant d'un gène.

Dans les expériences de fertilisation et d'élevage (et en particulier lors de l'examen des lois de Mendel), les parents sont appelés génération « P » et la progéniture comme génération « F1 » (première filiale). Lorsque la progéniture F1 s'accouple, la progéniture est appelée la génération "F2" (seconde filiale). L'un des diagrammes couramment utilisés pour prédire le résultat du croisement est le carré de Punnett .

Lorsqu'ils étudient les maladies génétiques humaines, les généticiens utilisent souvent des tableaux généalogiques pour représenter l'héritage des traits. Ces cartes cartographient l'héritage d'un trait dans un arbre généalogique.

Interactions géniques multiples

La taille humaine est un trait aux causes génétiques complexes. Les données de Francis Galton de 1889 montrent la relation entre la taille de la progéniture en fonction de la taille moyenne des parents.

Les organismes ont des milliers de gènes, et dans les organismes à reproduction sexuée, ces gènes s'assortissent généralement indépendamment les uns des autres. Cela signifie que l'héritage d'un allèle pour la couleur du pois jaune ou vert n'est pas lié à l'héritage des allèles pour les fleurs blanches ou violettes. Ce phénomène, connu sous le nom de « deuxième loi de Mendel » ou « loi d'assortiment indépendant », signifie que les allèles de différents gènes sont mélangés entre les parents pour former une progéniture avec de nombreuses combinaisons différentes. (Certains gènes ne s'assortissent pas indépendamment, démontrant un lien génétique , un sujet abordé plus loin dans cet article.)

Souvent, différents gènes peuvent interagir d'une manière qui influence le même trait. Chez la Marie aux yeux bleus ( Omphalodes verna ), par exemple, il existe un gène avec des allèles qui déterminent la couleur des fleurs : bleu ou magenta. Un autre gène, cependant, contrôle si les fleurs sont colorées ou blanches. Lorsqu'une plante possède deux copies de cet allèle blanc, ses fleurs sont blanches, que le premier gène ait des allèles bleus ou magenta. Cette interaction entre les gènes est appelée épistasie , le deuxième gène étant épistatique par rapport au premier.

De nombreux traits ne sont pas des caractéristiques discrètes (par exemple, des fleurs violettes ou blanches) mais sont plutôt des caractéristiques continues (par exemple, la taille humaine et la couleur de la peau ). Ces traits complexes sont le produit de nombreux gènes. L'influence de ces gènes est médiée, à des degrés divers, par l'environnement qu'un organisme a connu. Le degré auquel les gènes d'un organisme contribuent à un trait complexe est appelé héritabilité . La mesure de l'héritabilité d'un trait est relative : dans un environnement plus variable, l'environnement a une plus grande influence sur la variation totale du trait. Par exemple, la taille humaine est un trait aux causes complexes. Il a une héritabilité de 89 % aux États-Unis. Au Nigeria, cependant, où les gens ont un accès plus variable à une bonne nutrition et à des soins de santé , la taille n'a une héritabilité que de 62%.

Base moléculaire de l'hérédité

ADN et chromosomes

La structure moléculaire de l'ADN. Les bases s'apparient grâce à la disposition des liaisons hydrogène entre les brins.
séquence d'ADN

La base moléculaire des gènes est l'acide désoxyribonucléique (ADN). L'ADN est composé d'une chaîne de nucléotides , dont il existe quatre types : adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et thymine (T). L'information génétique existe dans la séquence de ces nucléotides, et les gènes existent sous forme de tronçons de séquence le long de la chaîne d'ADN. Les virus sont la seule exception à cette règle - parfois, les virus utilisent la molécule très similaire ARN au lieu de l'ADN comme matériel génétique. Les virus ne peuvent pas se reproduire sans hôte et ne sont pas affectés par de nombreux processus génétiques, ils ont donc tendance à ne pas être considérés comme des organismes vivants.

L'ADN existe normalement sous forme de molécule double brin, enroulée sous la forme d'une double hélice . Chaque nucléotide de l'ADN s'apparie préférentiellement avec son nucléotide partenaire sur le brin opposé : A s'apparie avec T, et C s'apparie avec G. Ainsi, dans sa forme bicaténaire, chaque brin contient effectivement toutes les informations nécessaires, redondantes avec son brin partenaire. Cette structure de l'ADN est la base physique de l'hérédité : la réplication de l'ADN duplique l'information génétique en divisant les brins et en utilisant chaque brin comme matrice pour la synthèse d'un nouveau brin partenaire.

Les gènes sont disposés linéairement le long de longues chaînes de séquences de paires de bases d'ADN. Chez les bactéries , chaque cellule contient généralement un seul génophore circulaire , tandis que les organismes eucaryotes (tels que les plantes et les animaux) ont leur ADN disposé en plusieurs chromosomes linéaires. Ces brins d'ADN sont souvent extrêmement longs ; le plus gros chromosome humain, par exemple, a une longueur d'environ 247 millions de paires de bases . L'ADN d'un chromosome est associé à des protéines structurelles qui organisent, compactent et contrôlent l'accès à l'ADN, formant un matériau appelé chromatine ; chez les eucaryotes, la chromatine est généralement composée de nucléosomes , des segments d'ADN enroulés autour de noyaux de protéines histones . L'ensemble complet du matériel héréditaire dans un organisme (généralement les séquences d'ADN combinées de tous les chromosomes) est appelé le génome .

L'ADN se trouve le plus souvent dans le noyau des cellules, mais Ruth Sager a aidé à la découverte de gènes non chromosomiques trouvés à l'extérieur du noyau. Chez les plantes, on les trouve souvent dans les chloroplastes et dans d'autres organismes, dans les mitochondries. Ces gènes non chromosomiques peuvent toujours être transmis par l'un ou l'autre des partenaires dans la reproduction sexuée et ils contrôlent une variété de caractéristiques héréditaires qui se répliquent et restent actives tout au long des générations.

Alors que les organismes haploïdes n'ont qu'une seule copie de chaque chromosome, la plupart des animaux et de nombreuses plantes sont diploïdes , contenant deux de chaque chromosome et donc deux copies de chaque gène. Les deux allèles d'un gène sont situés sur des loci identiques des deux chromosomes homologues , chaque allèle hérité d'un parent différent.

Diagramme de 1882 de Walther Flemming sur la division cellulaire eucaryote. Les chromosomes sont copiés, condensés et organisés. Ensuite, au fur et à mesure que la cellule se divise, les copies chromosomiques se séparent dans les cellules filles.

De nombreuses espèces possèdent des chromosomes sexuels qui déterminent le sexe de chaque organisme. Chez l'homme et de nombreux autres animaux, le chromosome Y contient le gène qui déclenche le développement des caractéristiques spécifiquement masculines. Au cours de l'évolution, ce chromosome a perdu la majeure partie de son contenu ainsi que la plupart de ses gènes, tandis que le chromosome X est similaire aux autres chromosomes et contient de nombreux gènes. Ceci étant dit, Mary Frances Lyon a découvert qu'il y a une inactivation du chromosome X pendant la reproduction pour éviter de transmettre deux fois plus de gènes à la progéniture. La découverte de Lyon a conduit à la découverte d'autres choses, y compris les maladies liées à l'X. Les chromosomes X et Y forment une paire fortement hétérogène.

la reproduction

Lorsque les cellules se divisent, leur génome complet est copié et chaque cellule fille hérite d'une copie. Ce processus, appelé mitose , est la forme de reproduction la plus simple et constitue la base de la reproduction asexuée . La reproduction asexuée peut également se produire dans les organismes multicellulaires, produisant une progéniture qui hérite de leur génome d'un seul parent. Les descendants génétiquement identiques à leurs parents sont appelés clones .

Les organismes eucaryotes utilisent souvent la reproduction sexuée pour générer une progéniture contenant un mélange de matériel génétique hérité de deux parents différents. Le processus de reproduction sexuée alterne entre des formes qui contiennent des copies simples du génome ( haploïdes ) et des copies doubles ( diploïdes ). Les cellules haploïdes fusionnent et combinent du matériel génétique pour créer une cellule diploïde avec des chromosomes appariés. Les organismes diploïdes forment des haploïdes en se divisant, sans répliquer leur ADN, pour créer des cellules filles qui héritent aléatoirement d'un chromosome de chaque paire. La plupart des animaux et de nombreuses plantes sont diploïdes pendant la plus grande partie de leur vie, la forme haploïde étant réduite à des gamètes unicellulaires tels que le sperme ou les œufs .

Bien qu'elles n'utilisent pas la méthode haploïde/diploïde de reproduction sexuée, les bactéries disposent de nombreuses méthodes pour acquérir de nouvelles informations génétiques. Certaines bactéries peuvent subir une conjugaison , transférant un petit morceau circulaire d'ADN à une autre bactérie. Les bactéries peuvent également capter des fragments d'ADN bruts trouvés dans l'environnement et les intégrer dans leurs génomes, un phénomène connu sous le nom de transformation . Ces processus entraînent un transfert horizontal de gènes , transmettant des fragments d'informations génétiques entre des organismes qui, autrement, n'auraient aucun lien. La transformation bactérienne naturelle se produit dans de nombreuses espèces bactériennes et peut être considérée comme un processus sexuel de transfert d' ADN d'une cellule à une autre (généralement de la même espèce). La transformation nécessite l'action de nombreux produits géniques bactériens , et sa fonction adaptative principale semble être la réparation des dommages à l' ADN dans la cellule receveuse.

Recombinaison et liaison génétique

Thomas Hunt Morgan 's 1916 illustration d'un double croisement entre les chromosomes.

La nature diploïde des chromosomes permet aux gènes sur différents chromosomes de s'assortir indépendamment ou d'être séparés de leur paire homologue au cours de la reproduction sexuée où se forment les gamètes haploïdes. De cette façon, de nouvelles combinaisons de gènes peuvent se produire dans la progéniture d'un couple d'accouplement. Les gènes sur le même chromosome ne se recombineraient théoriquement jamais. Cependant, ils le font, via le processus cellulaire de croisement chromosomique . Pendant le croisement, les chromosomes échangent des segments d'ADN, mélangeant efficacement les allèles du gène entre les chromosomes. Ce processus de croisement chromosomique se produit généralement pendant la méiose , une série de divisions cellulaires qui créent des cellules haploïdes. La recombinaison méiotique , en particulier chez les eucaryotes microbiens , semble servir la fonction adaptative de réparation des dommages à l'ADN.

La première démonstration cytologique de croisement a été réalisée par Harriet Creighton et Barbara McClintock en 1931. Leurs recherches et expériences sur le maïs ont fourni des preuves cytologiques de la théorie génétique selon laquelle les gènes liés sur des chromosomes appariés échangent en fait des places d'un homologue à l'autre.

La probabilité de croisement chromosomique se produisant entre deux points donnés sur le chromosome est liée à la distance entre les points. Pour une distance arbitrairement longue, la probabilité de croisement est suffisamment élevée pour que l'hérédité des gènes soit effectivement décorrélée. Pour les gènes qui sont plus proches, cependant, la plus faible probabilité de croisement signifie que les gènes démontrent une liaison génétique ; les allèles des deux gènes ont tendance à être hérités ensemble. Les quantités de liaison entre une série de gènes peuvent être combinées pour former une carte de liaison linéaire qui décrit approximativement l'arrangement des gènes le long du chromosome.

L'expression du gène

Code génétique

Le code génétique : A l'aide d'un code triplet , l'ADN, par l'intermédiaire d'un ARN messager , spécifie une protéine.

Les gènes expriment généralement leur effet fonctionnel par la production de protéines , qui sont des molécules complexes responsables de la plupart des fonctions de la cellule. Les protéines sont constituées d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques, dont chacune est composée d'une séquence d' acides aminés , et la séquence d'ADN d'un gène (par l'intermédiaire d'un ARN intermédiaire) est utilisée pour produire une séquence d'acides aminés spécifique . Ce processus commence par la production d'une molécule d' ARN avec une séquence correspondant à la séquence d'ADN du gène, un processus appelé transcription .

Cette molécule d' ARN messager sert ensuite à produire une séquence d'acides aminés correspondante grâce à un processus appelé traduction . Chaque groupe de trois nucléotides de la séquence, appelé codon , correspond soit à l'un des vingt acides aminés possibles dans une protéine, soit à une instruction pour terminer la séquence d'acides aminés ; cette correspondance s'appelle le code génétique . Le flux d'informations est unidirectionnel : les informations sont transférées des séquences nucléotidiques dans la séquence d'acides aminés des protéines, mais elles ne sont jamais transférées de la protéine dans la séquence de l'ADN - un phénomène que Francis Crick a appelé le dogme central de la biologie moléculaire .

La séquence spécifique d'acides aminés donne une structure tridimensionnelle unique pour cette protéine, et les structures tridimensionnelles des protéines sont liées à leurs fonctions. Certaines sont de simples molécules structurelles, comme les fibres formées par la protéine collagène . Les protéines peuvent se lier à d'autres protéines et molécules simples, agissant parfois comme des enzymes en facilitant les réactions chimiques au sein des molécules liées (sans modifier la structure de la protéine elle-même). La structure des protéines est dynamique ; la protéine hémoglobine se plie sous des formes légèrement différentes car elle facilite la capture, le transport et la libération des molécules d'oxygène dans le sang des mammifères.

Une seule différence de nucléotide dans l'ADN peut provoquer un changement dans la séquence d'acides aminés d'une protéine. Étant donné que les structures des protéines sont le résultat de leurs séquences d'acides aminés, certains changements peuvent modifier considérablement les propriétés d'une protéine en déstabilisant la structure ou en modifiant la surface de la protéine d'une manière qui modifie son interaction avec d'autres protéines et molécules. Par exemple, la drépanocytose est une maladie génétique humaine qui résulte d'une seule différence de base dans la région codante de la section β-globine de l'hémoglobine, provoquant un seul changement d'acide aminé qui modifie les propriétés physiques de l'hémoglobine. Les versions drépanocytaires de l'hémoglobine se collent à elles-mêmes, s'empilant pour former des fibres qui déforment la forme des globules rouges transportant la protéine. Ces cellules en forme de faucille ne circulent plus facilement dans les vaisseaux sanguins , ayant tendance à se boucher ou à se dégrader, provoquant les problèmes médicaux associés à cette maladie.

Certaines séquences d'ADN sont transcrites en ARN mais ne sont pas traduites en produits protéiques - de telles molécules d'ARN sont appelées ARN non codant . Dans certains cas, ces produits se replient dans des structures qui sont impliquées dans des fonctions cellulaires critiques (par exemple, l'ARN ribosomique et l' ARN de transfert ). L'ARN peut également avoir des effets régulateurs par le biais d'interactions d'hybridation avec d'autres molécules d'ARN (telles que le microARN ).

Nature et culture

Les chats siamois ont une mutation de production de pigment sensible à la température.

Bien que les gènes contiennent toutes les informations qu'un organisme utilise pour fonctionner, l'environnement joue un rôle important dans la détermination des phénotypes ultimes qu'un organisme présente. L'expression « nature et culture » fait référence à cette relation complémentaire. Le phénotype d'un organisme dépend de l'interaction des gènes et de l'environnement. Un exemple intéressant est la coloration du pelage du chat siamois . Dans ce cas, la température corporelle du chat joue le rôle de l'environnement. Les gènes du chat codent pour les poils foncés, ainsi les cellules productrices de poils du chat fabriquent des protéines cellulaires qui donnent les poils foncés. Mais ces sombres protéines productrices de cheveux sont sensibles à la température (c. -à- ont une mutation entraînant sensibilité à la température) et dénaturent dans des environnements à température plus élevée, à défaut de produire un pigment cheveux sombres dans les zones où le chat a une température corporelle plus élevée. Dans un environnement à basse température, cependant, la structure de la protéine est stable et produit normalement un pigment de cheveux foncés. La protéine reste fonctionnelle dans les zones de peau plus froides, telles que ses pattes, ses oreilles, sa queue et son visage, de sorte que le chat a des poils foncés à ses extrémités.

L'environnement joue un rôle majeur dans les effets de la phénylcétonurie, une maladie génétique humaine . La mutation qui provoque la phénylcétonurie perturbe la capacité du corps à décomposer l'acide aminé phénylalanine , provoquant une accumulation toxique d'une molécule intermédiaire qui, à son tour, provoque des symptômes graves de déficience intellectuelle progressive et de convulsions. Cependant, si une personne atteinte de la mutation phénylcétonurie suit un régime strict qui évite cet acide aminé, elle reste normale et en bonne santé.

Une méthode courante pour déterminer comment les gènes et l'environnement ("nature et culture") contribuent à un phénotype consiste à étudier des jumeaux identiques et fraternels , ou d'autres frères et sœurs de naissances multiples . Les frères et sœurs identiques sont génétiquement les mêmes puisqu'ils proviennent du même zygote. Pendant ce temps, les jumeaux fraternels sont aussi génétiquement différents les uns des autres que les frères et sœurs normaux. En comparant la fréquence à laquelle un certain trouble se produit chez une paire de jumeaux identiques à la fréquence à laquelle il se produit chez une paire de jumeaux fraternels, les scientifiques peuvent déterminer si ce trouble est causé par des facteurs environnementaux génétiques ou postnatals. Un exemple célèbre a impliqué l'étude des quadruplés Genain , qui étaient des quadruplés identiques tous diagnostiqués avec la schizophrénie . Cependant, ces tests ne peuvent pas séparer les facteurs génétiques des facteurs environnementaux affectant le développement fœtal.

Régulation des gènes

Le génome d'un organisme donné contient des milliers de gènes, mais tous ces gènes n'ont pas besoin d'être actifs à un moment donné. Un gène est exprimé lorsqu'il est transcrit en ARNm et il existe de nombreuses méthodes cellulaires pour contrôler l'expression des gènes, de sorte que les protéines ne sont produites que lorsque la cellule en a besoin. Les facteurs de transcription sont des protéines régulatrices qui se lient à l'ADN, favorisant ou inhibant la transcription d'un gène. Au sein du génome des bactéries Escherichia coli , par exemple, il existe une série de gènes nécessaires à la synthèse de l'acide aminé tryptophane . Cependant, lorsque le tryptophane est déjà disponible pour la cellule, ces gènes pour la synthèse du tryptophane ne sont plus nécessaires. La présence de tryptophane affecte directement l'activité des gènes - les molécules de tryptophane se lient au répresseur tryptophane (un facteur de transcription), modifiant la structure du répresseur de telle sorte que le répresseur se lie aux gènes. Le répresseur tryptophane bloque la transcription et l'expression des gènes, créant ainsi une régulation négative du processus de synthèse du tryptophane.

Les facteurs de transcription se lient à l'ADN, influençant la transcription des gènes associés.

Les différences dans l'expression des gènes sont particulièrement claires au sein des organismes multicellulaires , où les cellules contiennent toutes le même génome mais ont des structures et des comportements très différents en raison de l'expression de différents ensembles de gènes. Toutes les cellules d'un organisme multicellulaire dérivent d'une seule cellule, se différenciant en types cellulaires variants en réponse à des signaux externes et intercellulaires et établissant progressivement différents modèles d'expression génique pour créer différents comportements. Comme aucun gène unique n'est responsable du développement des structures au sein des organismes multicellulaires, ces modèles résultent des interactions complexes entre de nombreuses cellules.

Chez les eucaryotes , il existe des caractéristiques structurelles de la chromatine qui influencent la transcription des gènes, souvent sous la forme de modifications de l'ADN et de la chromatine qui sont héritées de manière stable par les cellules filles. Ces caractéristiques sont appelées « épigénétiques » car elles existent « au-dessus » de la séquence d'ADN et conservent l'héritage d'une génération cellulaire à la suivante. En raison des caractéristiques épigénétiques, différents types de cellules cultivées dans le même milieu peuvent conserver des propriétés très différentes. Bien que les caractéristiques épigénétiques soient généralement dynamiques au cours du développement, certaines, comme le phénomène de paramutation , ont un héritage multigénérationnel et existent comme de rares exceptions à la règle générale de l'ADN comme base de l'hérédité.

Changement génétique

Mutation

La duplication de gènes permet la diversification en assurant la redondance : un gène peut muter et perdre sa fonction d'origine sans nuire à l'organisme.

Au cours du processus de réplication de l' ADN , des erreurs se produisent parfois dans la polymérisation du deuxième brin. Ces erreurs, appelées mutations , peuvent affecter le phénotype d'un organisme, surtout si elles se produisent dans la séquence codant pour la protéine d'un gène. Les taux d'erreur sont généralement très faibles - 1 erreur sur 10 à 100 millions de bases - en raison de la capacité de « relecture » ​​des ADN polymérases . Les processus qui augmentent le taux de changements dans l'ADN sont appelés mutagènes : les produits chimiques mutagènes favorisent les erreurs de réplication de l'ADN, souvent en interférant avec la structure de l'appariement des bases, tandis que le rayonnement UV induit des mutations en endommageant la structure de l'ADN. Les dommages chimiques à l'ADN se produisent également naturellement et les cellules utilisent des mécanismes de réparation de l'ADN pour réparer les mésappariements et les cassures. Cependant, la réparation ne restaure pas toujours la séquence d'origine. Une source particulièrement importante de dommages à l'ADN semble être les espèces réactives de l'oxygène produites par la respiration aérobie cellulaire , et celles-ci peuvent entraîner des mutations.

Chez les organismes qui utilisent un croisement chromosomique pour échanger de l'ADN et recombiner des gènes, des erreurs d'alignement pendant la méiose peuvent également provoquer des mutations. Les erreurs de croisement sont particulièrement probables lorsque des séquences similaires amènent les chromosomes partenaires à adopter un alignement erroné ; cela rend certaines régions des génomes plus susceptibles de muter de cette manière. Ces erreurs créent d'importants changements structurels dans la séquence d'ADN— duplications , inversions , délétions de régions entières—ou l'échange accidentel de parties entières de séquences entre différents chromosomes ( translocation chromosomique ).

Il s'agit d'un diagramme montrant des mutations dans une séquence d'ARN. La figure (1) est une séquence d'ARN normale, constituée de 4 codons. La figure (2) montre une mutation faux-sens, ponctuelle, non silencieuse. Les figures (3 et 4) montrent toutes deux des mutations de décalage du cadre de lecture , c'est pourquoi elles sont regroupées. La figure 3 montre une délétion de la deuxième paire de bases dans le deuxième codon. La figure 4 montre une insertion dans la troisième paire de bases du deuxième codon. La figure (5) montre une expansion répétée, où un codon entier est dupliqué.

Sélection naturelle et évolution

Les mutations modifient le génotype d'un organisme, ce qui provoque parfois l'apparition de différents phénotypes. La plupart des mutations ont peu d'effet sur le phénotype, la santé ou la capacité de reproduction d'un organisme . Les mutations qui ont un effet sont généralement néfastes, mais parfois certaines peuvent être bénéfiques. Des études sur la mouche Drosophila melanogaster suggèrent que si une mutation modifie une protéine produite par un gène, environ 70 pour cent de ces mutations seront nocives, le reste étant soit neutre, soit faiblement bénéfique.

Un arbre évolutif d' organismes eucaryotes , construit par la comparaison de plusieurs séquences de gènes orthologues .

La génétique des populations étudie la distribution des différences génétiques au sein des populations et comment ces distributions changent au fil du temps. Les changements dans la fréquence d'un allèle dans une population sont principalement influencés par la sélection naturelle , où un allèle donné fournit un avantage sélectif ou reproductif à l'organisme , ainsi que d'autres facteurs tels que la mutation , la dérive génétique , l'auto - stop génétique , la sélection artificielle et la migration .

Au cours de nombreuses générations, les génomes des organismes peuvent changer de manière significative, entraînant une évolution . Dans le processus appelé adaptation , la sélection de mutations bénéfiques peut amener une espèce à évoluer vers des formes mieux à même de survivre dans son environnement. De nouvelles espèces sont formées par le processus de spéciation , souvent causé par des séparations géographiques qui empêchent les populations d'échanger des gènes entre elles.

En comparant l' homologie entre les génomes de différentes espèces, il est possible de calculer la distance évolutive entre eux et quand ils ont pu diverger . Les comparaisons génétiques sont généralement considérées comme une méthode plus précise pour caractériser la parenté entre les espèces que la comparaison des caractéristiques phénotypiques. Les distances évolutives entre espèces peuvent être utilisées pour former des arbres évolutifs ; ces arbres représentent la descendance commune et la divergence des espèces au fil du temps, bien qu'ils ne montrent pas le transfert de matériel génétique entre des espèces non apparentées (connu sous le nom de transfert horizontal de gènes et le plus courant chez les bactéries).

Organismes modèles

La mouche commune des fruits ( Drosophila melanogaster ) est un organisme modèle populaire dans la recherche en génétique.

Bien que les généticiens aient initialement étudié l'hérédité dans un large éventail d'organismes, les chercheurs ont commencé à se spécialiser dans l'étude de la génétique d'un sous-ensemble particulier d'organismes. Le fait qu'il existait déjà des recherches importantes pour un organisme donné encouragerait de nouveaux chercheurs à le choisir pour une étude plus approfondie, et ainsi, finalement, quelques organismes modèles sont devenus la base de la plupart des recherches en génétique. Les sujets de recherche courants en génétique des organismes modèles comprennent l'étude de la régulation des gènes et l'implication des gènes dans le développement et le cancer .

Les organismes ont été choisis, en partie, pour des raisons de commodité : les temps de génération courts et la manipulation génétique facile ont fait de certains organismes des outils de recherche génétique populaires. Les organismes modèles largement utilisés comprennent la bactérie intestinale Escherichia coli , la plante Arabidopsis thaliana , la levure de boulanger ( Saccharomyces cerevisiae ), le nématode Caenorhabditis elegans , la mouche des fruits ( Drosophila melanogaster ) et la souris commune ( Mus musculus ).

Médicament

Relation schématique entre biochimie , génétique et biologie moléculaire .

La génétique médicale cherche à comprendre comment la variation génétique est liée à la santé et à la maladie humaines. Lors de la recherche d'un gène inconnu pouvant être impliqué dans une maladie, les chercheurs utilisent couramment des liens génétiques et des tableaux d'ascendance génétique pour trouver l'emplacement sur le génome associé à la maladie. Au niveau de la population, les chercheurs profitent de la randomisation mendélienne pour rechercher des emplacements dans le génome associés à des maladies, une méthode particulièrement utile pour les traits multigéniques non clairement définis par un seul gène. Une fois qu'un gène candidat est trouvé, des recherches supplémentaires sont souvent effectuées sur les gènes correspondants (ou homologues ) d'organismes modèles. En plus de l'étude des maladies génétiques, la disponibilité accrue des méthodes de génotypage a conduit au domaine de la pharmacogénétique : l'étude de la façon dont le génotype peut affecter les réponses aux médicaments.

Les individus diffèrent par leur tendance héréditaire à développer un cancer , et le cancer est une maladie génétique. Le processus de développement du cancer dans le corps est une combinaison d'événements. Des mutations se produisent parfois dans les cellules du corps lorsqu'elles se divisent. Bien que ces mutations ne soient héritées par aucune progéniture, elles peuvent affecter le comportement des cellules, les faisant parfois croître et se diviser plus fréquemment. Il existe des mécanismes biologiques qui tentent d'arrêter ce processus ; des signaux sont donnés aux cellules en division inappropriée qui devraient déclencher la mort cellulaire , mais parfois des mutations supplémentaires se produisent qui amènent les cellules à ignorer ces messages. Un processus interne de sélection naturelle se produit dans le corps et, éventuellement, des mutations s'accumulent dans les cellules pour favoriser leur propre croissance, créant une tumeur cancéreuse qui se développe et envahit divers tissus du corps.

Normalement, une cellule se divise uniquement en réponse à des signaux appelés facteurs de croissance et cesse de croître une fois en contact avec les cellules environnantes et en réponse à des signaux inhibiteurs de croissance. Il se divise ensuite généralement un nombre limité de fois et meurt, restant dans l' épithélium où il est incapable de migrer vers d'autres organes. Pour devenir une cellule cancéreuse, une cellule doit accumuler des mutations dans un certain nombre de gènes (trois à sept). Une cellule cancéreuse peut se diviser sans facteur de croissance et ignore les signaux inhibiteurs. De plus, il est immortel et peut croître indéfiniment, même après avoir été en contact avec les cellules voisines. Il peut s'échapper de l'épithélium et finalement de la tumeur primitive . Ensuite, la cellule échappée peut traverser l'endothélium d'un vaisseau sanguin et être transportée par la circulation sanguine pour coloniser un nouvel organe, formant des métastases mortelles . Bien qu'il existe des prédispositions génétiques dans une petite fraction des cancers, la majeure partie est due à un ensemble de nouvelles mutations génétiques qui apparaissent à l'origine et s'accumulent dans une ou un petit nombre de cellules qui se diviseront pour former la tumeur et ne sont pas transmises à la descendance ( mutations somatiques ). Les mutations les plus fréquentes sont une perte de fonction de la protéine p53 , un suppresseur de tumeur , ou dans la voie p53, et des mutations de gain de fonction dans les protéines Ras , ou dans d'autres oncogènes .

Méthodes de recherche

Colonies d' E. coli produites par clonage cellulaire . Une méthodologie similaire est souvent utilisée dans le clonage moléculaire .

L'ADN peut être manipulé en laboratoire. Les enzymes de restriction sont couramment utilisés enzymes que l' ADN coupé à des séquences spécifiques, produisant des fragments d'ADN prévisibles. Les fragments d'ADN peuvent être visualisés grâce à l'électrophorèse sur gel , qui sépare les fragments en fonction de leur longueur.

L'utilisation d' enzymes de ligature permet de connecter des fragments d'ADN. En liant (« ligaturant ») ensemble des fragments d'ADN provenant de différentes sources, les chercheurs peuvent créer de l' ADN recombinant , l'ADN souvent associé à des organismes génétiquement modifiés . L'ADN recombinant est couramment utilisé dans le contexte des plasmides : de courtes molécules d'ADN circulaires contenant quelques gènes. Dans le processus connu sous le nom de clonage moléculaire , les chercheurs peuvent amplifier les fragments d'ADN en insérant des plasmides dans des bactéries puis en les cultivant sur des plaques de gélose (pour isoler des clones de cellules bactériennes - "clonage" peut également désigner les différents moyens de créer des clones (" clonaux").

L'ADN peut également être amplifié à l'aide d'une procédure appelée réaction en chaîne par polymérase (PCR). En utilisant de courtes séquences d'ADN spécifiques, la PCR peut isoler et amplifier de manière exponentielle une région d'ADN ciblée. Parce qu'elle peut amplifier à partir de quantités extrêmement faibles d'ADN, la PCR est également souvent utilisée pour détecter la présence de séquences d'ADN spécifiques.

Séquençage de l'ADN et génomique

Le séquençage de l'ADN , l'une des technologies les plus fondamentales développées pour étudier la génétique, permet aux chercheurs de déterminer la séquence de nucléotides dans des fragments d'ADN. La technique du séquençage à terminaison de chaîne , mise au point en 1977 par une équipe dirigée par Frederick Sanger , est encore couramment utilisée pour séquencer des fragments d'ADN. Grâce à cette technologie, les chercheurs ont pu étudier les séquences moléculaires associées à de nombreuses maladies humaines.

Le séquençage étant devenu moins coûteux, les chercheurs ont séquencé les génomes de nombreux organismes à l'aide d'un processus appelé assemblage du génome , qui utilise des outils informatiques pour assembler des séquences à partir de nombreux fragments différents. Ces technologies ont été utilisées pour séquencer le génome humain dans le cadre du projet du génome humain achevé en 2003. De nouvelles technologies de séquençage à haut débit réduisent considérablement le coût du séquençage de l'ADN, de nombreux chercheurs espérant ramener le coût du reséquençage d'un génome humain à mille dollars.

Le séquençage de nouvelle génération (ou séquençage à haut débit) est né de la demande toujours croissante de séquençage à faible coût. Ces technologies de séquençage permettent de produire potentiellement des millions de séquences simultanément. La grande quantité de données de séquences disponibles a créé le sous-domaine de la génomique , une recherche qui utilise des outils informatiques pour rechercher et analyser des modèles dans le génome complet des organismes. La génomique peut également être considérée comme un sous-domaine de la bioinformatique , qui utilise des approches informatiques pour analyser de grands ensembles de données biologiques . Un problème commun à ces domaines de recherche est de savoir comment gérer et partager les données qui traitent des sujets humains et des informations personnellement identifiables .

Société et culture

Le 19 mars 2015, un groupe de biologistes de premier plan a demandé une interdiction mondiale de l'utilisation clinique de méthodes, en particulier l'utilisation de CRISPR et du doigt de zinc , pour modifier le génome humain d'une manière qui peut être héritée. En avril 2015, des chercheurs chinois ont rapporté les résultats de la recherche fondamentale pour modifier l' ADN d' embryons humains non viables à l' aide de CRISPR.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes