Naissance de la biologie moléculaire

, par  adn, Grainede Ble , popularité : 2%

Le XXe siècle coïncide avec la naissance génétique : débutant avec la redécouverte des travaux de Mendel précisément en 1900, se poursuivant par l’élaboration de la théorie chromosomique de l’hérédité au début du siècle, la découverte de l’ADN comme support biochimique de l’information génétique, l’élucidation de sa structure, et l’explosion de la biologie moléculaire à partir des années 70. Et l’aube du XXIe siècle verra vraisemblablement le patrimoine génétique de l’homme intégralement décrypté.

  Sommaire  

Naissance de la biologie moléculaire


Le XXe siècle coïncide avec la naissance génétique : débutant avec la
redécouverte des travaux de Mendel précisément en 1900, se poursuivant par
l’élaboration de la théorie chromosomique de l’hérédité au début du siècle, la
découverte de l’ADN comme support biochimique de l’information génétique,
l’élucidation de sa structure, et l’explosion de la biologie moléculaire à
partir des années 70. Et l’aube du XXIe siècle verra vraisemblablement le
patrimoine génétique de l’homme intégralement décrypté.

 1 L’émergence de la génétique formelle

La génétique moderne remonte aux travaux de
Mendel
, qui le premier établit les lois de l’hérédité. Il publie ses
résultats en 1866, mais ils passent alors à peu près inaperçus. Leur
redécouverte n’aura lieu qu’en 1900.

 2. Le chromosome support de l’hérédité

Ce sont les travaux de Morgan, sur la
drosophile, qui conduisent au développement de la théorie chromosomique de
l’hérédité. Les gènes sont alors localisés sur les chromosomes, et avec
Sturtevant, ils pourront même y être ordonnés,
constituant les premières cartes génétiques. C’est encore dans le laboratoire de
Morgan que sont développées les procédures de mutagenèse expérimentales par
Muller.

 3. La convergence de la biochimie et de la génétique

Si la présence des gènes sur les chromosomes est alors
établie, rien n’est connu de la nature biochimique des gènes ou de leur mode
d’action. La première relation entre un gène et un enzyme est établie en 1902
par Garrod, à partir d’une observation portant sur une
maladie génétique humaine. Beadle et Tatum approfondissent
cette relation sur un système accessible à l’expérimentation, le champignon
Neurospora crassa. L’ensemble de ces travaux
aboutissent finalement à la conclusion que les gènes contrôlent la synthèse des
enzymes, et que chaque protéine est codée par un gène différent.

 4. L’ADN support de l’information génétique

Le premier phénomène qui allait permettre de progresser dans
l’identification du support de l’hérédité est celui de la transformation
bactérienne, rapporté en 1928 par l’anglais Griffith .
Ce phénomène représente alors un test d’activité biologique, grâce auquel il est
possible de déterminer la nature du matériel génétique. Ce test ne sera pas mis
à profit par Griffith lui même, mais par Avery qui
l’utilise pour élucider la nature biochimique du matériel génétique : il s’agit
de l’ADN. Cette découverte est toutefois accueillie avec beaucoup de
scepticisme. Il faudra de nombreux autres travaux pour que cette réalité soit
acceptée : en particulier ceux de Chargaff ou de
Hershey. L’acceptation définitive ne viendra qu’avec
l’élucidation de la structure de l’ADN par Watson et
Crick.

 5. L’influence des physiciens

L’influence des physiciens va marquer la génétique
moléculaire. Certains, comme Schrödinger, n’ont qu’un
rôle d’observateur. D’autres y consacrent leur carrière, car il perçoivent cette
science comme la nouvelle frontière de la connaissance scientifique. Ainsi
Pauling ou Delbrück jouent un
rôle déterminant dans le développement de cette science. Delbrück sera en
particulier le fondateur du Groupe du phage, avec Luria et
<H
href="#hershey">Hershey.

 6. La structure de l’ADN

Finalement, c’est avec l’élucidation de la structure de l’ADN
que la biologie moléculaire connaît son apothéose. Cette réussite est le fait de
Watson et Crick, mais aussi de
chercheurs tels que Franklin ou Wilkins.

 Bibliographie


1. L’émergence de la génétique formelle

 

 Gregor Mendel (1822 - 1884)

 Les lois de l’hérédité

La génétique classique débute avec les travaux d’un moine
tchèque : Gregor Mendel, qui travaille de façon isolée dans un monastère morave.
Il avait reçu au cours de sa formation les enseignements de Franz Unger (1800 -
1870) et Christian Doppler (1803-1853). Le premier est son professeur de
botanique, qui avait déjà proposé des idées évolutionnistes, en avance sur son
époque. Le second est son professeur de physique (c’est le découvreur de l’effet
Doppler), dont l’influence s’est révélée déterminante pour l’analyse statistique
que Mendel mène sur les résultats de ses croisements.

Grâce à de rigoureuses observations menées sur les pois (Pisum
sativum
), il établit dès 1866 les premières lois de l’hérédité. L’espèce
choisie permet de mener à volonté soit des auto-fécondations, soit des
fécondations croisées, et sa fécondité importante autorise des analyses sur un
nombre important de plantes à chaque génération. Sur ce modèle expérimental,
Mendel étudie la transmission au cours des générations d’un certain nombre de
caractères simples à observer. Ce sont toujours des caractères à versions
alternatives tranchées : fruits lisses ou rugueux, verts ou jaunes, graines
rondes ou irrégulières, jaunes ou vertes, tige haute ou petite.

Grâce à l’autofécondation pratiquée sur de nombreuses
générations, Mendel établit d’abord des lignées pures, dont la descendance
présente toujours les mêmes caractères. A partir du croisement de ces lignées,
l’analyse de la descendance obtenue allaient amener Mendel à formuler les trois
premières lois de l’hérédité :

1) dans la première génération (génération F1) d’un croisement
impliquant deux lignées pures différant par un unique caractère (monohybridisme),
tous les individus présentent un même phénotype. Le caractère qui se manifeste à
l’exclusion de l’autre dans la génération F1 est qualifié de dominant, et le
caractère qui en est exclus est qualifié de récessif

2) dans la descendance d’un croisement impliquant deux
individus F1 (génération F2), les deux caractères parentaux réapparaissent
suivant une proportion prédictible de 3 à 1

3) si l’on croise des lignées pures différant pour plusieurs
caractères (polyhybridisme), chacun de ces caractères se comporte de façon
indépendante vis à vis de l’autre. Ainsi, pour un croisement impliquant deux
caractères, les proportions observées sont 9:3:3:1.

Ces lois ont été amplement vérifiées par la suite. Elles ne
sont toutefois pas d’utilisation universelle. D’une part, Mendel n’explique pas
l’existence, pour certains caractères, d’individus F1 présentant un phénotype
intermédiaire entre celui des parents (du à une codominance ou un polygénisme).
D’autre part, elles ne s’appliquent pas aux gènes liés sur un même chromosome
(c’est une chance extraordinaire que Mendel se soit attaché à l’étude de gènes
portés par des chromosomes différents ou suffisamment éloignés l’un de l’autre).
Au début du siècle suivant, la mise en évidence de caractères liés allait
conduire Morgan à proposer la théorie chromosomique de
l’hérédité .

 Les conséquences des lois de Mendel

Les lois de Mendel impliquent l’existence d’éléments autonomes
et reproductibles, qui contrôlent de façon discrète les caractères héréditaires
de génération en génération. Chaque caractère est représenté dans l’œuf fécondé
par deux - et seulement deux - éléments, provenant l’un du père, l’autre de la
mère. Les autres théories de l’hérédité proposées par des contemporains de
Mendel (en particulier Darwin, Weismann, de Vries ou Galton) postulaient toutes
la présence simultanée de nombreux éléments déterminant un caractère donné dans
chaque cellule.

Enfin, les travaux de Mendel réfutent la théorie de l’hérédité
par mélange, théorie alors largement acceptée qui propose que les déterminants
d’un caractère donné fusionnent après fécondation. En effet, Mendel n’observe
pas de transition graduelle entre les caractères parentaux, et l’intégrité de
chaque caractère est préservée lorsqu’ils réapparaissent en F2. Chez les
hybrides F1, les éléments correspondant aux versions alternatives d’un caractère
donné restent donc distincts, et se séparent à nouveau lors de la formation des
cellules germinales. Ces particules, l’unité de l’hérédité, se verront attribuer
par le biologiste danois Wilhem Johannsen (1857 - 1927) la dénomination de gènes
en 1909.

 L’impact de Mendel

Mendel publie ses résultats en 1866 dans un magistral article
publié dans les Comptes rendus de la Société d’histoire naturelle de Brno.
Ils passent alors à peu près inaperçus, n’étant cités qu’une douzaine de fois
entre leur publication et leur redécouverte en 1900. Cette redécouverte est due
à Hugo de Vries (Amsterdam), Carl Correns (Berlin), et Erich Tschermack
(Vienne), qui retrouvent de façon indépendante des résultats similaires à ceux
de Mendel.

Le fait que ces travaux soient restés si longtemps sans impact
immédiat s’explique sans doute en partie par plusieurs lacunes qu’ils laissent
transparaître pour les contemporains. Tout d’abord, les travaux de Mendel ne
permettent pas d’expliquer l’atavisme, c’est à dire la réapparition d’un
caractère qui existait non pas chez les parents ou grands-parents, mais chez un
ancêtre qui peut être beaucoup plus éloigné. D’autre part, ces travaux ne
concernent que les caractères à versions alternatives tranchées, et laissent
complètement de côté les caractères à variations continues. La loi de Galton,
bien qu’erronée, s’appliquait aux caractères à variations continues, et
expliquait l’atavisme les lois : c’est cette théorie qui prévaut à l’époque.

 Références

Mayr, E. (1982) Histoire de la biologie (trad française :
Fayard, 1989)

Fincham, J.R.S.(1990) Mendel - now down to the molecular
level. Nature 343, 208-209.


 

 —>Hugo de Vries (1848 - 1935)

 La théorie de la mutation

Hugo de Vries est né à Haarlem, aux Pays-Bas. Entre 1878 et
1918, il est professeur de Botanique à Amsterdam. Il a à son actif plusieurs
contributions importantes : la première est bien sûr la redécouverte des lois de
Mendel en 1900 : alors qu’il croit mettre à jour certaines
lois de l’hérédité, il s’aperçoit que Mendel l’a devancé de plus de 35 ans ! Sa
seconde contribution concerne une théorie de l’hérédité impliquant des
particules élémentaires qu’il baptise "pangènes". Cette théorie est plus proche
de la réalité que toutes celles qui ont été proposées antérieurement.

Enfin, il développe une théorie de l’évolution par mutation :
s’intéressant à la théorie de l’évolution proposée par Darwin, il cherche en
particulier à déterminer si l’évolution est un phénomène graduel ou saltatoire.
Pour cela, il met en culture un nombre considérable d’espèces de plantes
herbacées, espérant ainsi observer chez l’une d’entre elles un changement
brusque. C’est ce qu’il réussit finalement à observer chez Oenothera
lamarckiana
 : parmi les descendants de cette espèce, un très petit nombre
d’individus apparaissent présentant une variation discontinue. De Vries assimile
alors ce phénomène à l’apparition d’une nouvelle espèce, et qualifie de mutation
ce processus.

Il publie entre 1901 et 1903 La théorie de la mutation,
livre où il prétend expliquer la naissance des espèces. D’après sa théorie, les
espèces apparaissent en une seule génération, après qu’une variation de grande
ampleur - une mutation - est apparue.

En réalité, l’observation rapportée chez Oenothera ne
correspondait pas à une mutation génique au sens couramment admis aujourd’hui :
ce type de variation est en fait imputable à des translocations chromosomiques,
fréquentes dans cette espèce. Ce n’était pas non plus une nouvelle espèce qu’il
observait, les individus décrits demeurant fertiles entre eux. De Vries eut
cependant le mérite de mettre en évidence l’apparition de nouveautés génétiques.

L’influence de De Vries est considérable chez ses
contemporains, c’est d’ailleurs en voulant valider cette théorie de la mutation
chez la drosophile que Morgan sera amené à élaborer la
théorie chromosomique de l’hérédité.

 Mutations et évolution

La théorie saltatoire de l’évolution présentée par de Vries se
démarque notablement de la théorie gradualiste de Darwin, qui proposait que les
nouvelles espèces apparaissent grâce à des modifications progressives : l’idée
de Darwin était que la nature ne fait pas de saut (Natura non facit saltum).
Les idées de de Vries vont cependant se développer dans le premier tiers du XXe
siècle, avec le mouvement des évolutionnistes mutationistes (regroupant entre
autres Bateson, Johannsen, ou Galton). Cette tendance était combattue par les
évolutionnistes naturalistes, qui observaient les variations des espèces sur le
terrain, et défendaient l’idée du gradualisme de l’évolution des espèces.

Le darwinisme revient cependant en force avec l’élaboration de
la théorie synthétique de l’évolution entre 1936 et 1947. D’une part, les
généticiens reconnaissent que les variations continues peuvent être dues à des
facteurs mendéliens multiples, ce qui contribue à atténuer la contradiction
entre la discontinuité des gènes et le caractère continu de la variation
individuelle. D’autre part, les naturalistes adoptent progressivement la
population comme unité de l’évolution. Les acteurs principaux de cette synthèse
sont le naturaliste Ernst Mayr, le paléontologiste George Simpson, les
généticiens Ronald Fisher, John Haldane, Alfred Sturtevant,
Julian Huxley, et Theodosius Dobzhansky (la théorie synthétique de l’évolution
sera cependant à nouveau contestée en 1968 par la théorie neutraliste de Motoo
Kimura, et en 1972 par la théorie des équilibres ponctués de Niles Elderedge et
Stephen Jay Gould).

 Référence

Mayr, E. (1982) Histoire de la biologie (trad française :
Fayard, 1989)



2. Le chromosome support de l’hérédité


 

 http://www.nobel.se

 Thomas Morgan (1866 - 1945)

 L’hérédité liée au sexe

Morgan est né en 1866 à Lexington. Il obtient sa thèse en 1890
à l’université John Hopkins, sur une étude portant sur les Pycnogonides
(arthropodes marins). Par la suite, il se tourne vers l’embryologie
expérimentale : il s’intéresse en particulier à la régénération chez les vers et
le développement de l’oursin. Il rejoint en 1904 l’université de Columbia, où se
déroulera la phase la plus productive de sa carrière, portant sur la théorie
chromosomique de l’hérédité. En 1928 il part au Cal Tech, où il restera jusqu’à
sa mort en 1945.

Morgan avait été très intéressé par les travaux de de Vries
sur les mutations, car ils proposaient un mécanisme permettant d’expliquer
l’évolution et l’apparition de nouvelles espèces. Morgan se met alors lui aussi
en quête de mutations de grande ampleur. Il choisit pour cela comme modèle
d’étude la mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster). Ce petit insecte
se prête facilement à l’élevage et à l’observation, son cycle de reproduction
est très court (9 jours à 25deg.C), il ne possède que 4 paires de chromosomes,
et la descendance nombreuse à chaque génération (une femelle pond plusieurs
centaines d’œufs).

La première mutation qu’il observe est une mouche mâle
présentant des yeux blancs, au lieu d’yeux normalement rouges. Il remarque alors
que ce caractère n’est jamais présenté que par les mâles, ce qui le conduit à
proposer que le facteur déterminant ce caractère est porté par le chromosome
sexuel. Ainsi, un facteur mendélien est pour la première fois expérimentalement
assigné à un chromosome défini. Morgan définit ainsi l’hérédité liée au sexe.

 La théorie chromosomique de l’hérédité

Morgan est rejoint à partir de 1910 par Sturtevant. Ils vont
identifier de nombreuses autres mutations, dont l’étude de la ségrégation va les
conduire à établir les premières cartes génétiques,. Ces cartes sont
complètement superposables aux chromosomes : toutes ces mutations se rangent en
4 groupes de liaison, correspondant à chacune des 4 paires de chromosomes. Ces
travaux permettent donc de reconnaître les chromosomes comme support physique
des gènes, et d’établir la théorie chromosomique de l’hérédité : les gènes sont
organisés en série linéaire le long du chromosome. Ces découvertes furent
résumées dans un livre publié en 1915 : Le mécanisme de l’hérédité
mendélienne
(Morgan, Sturtevant, Muller, Bridges). Pour ces travaux, Morgan
reçut le prix Nobel de physiologie et de médecine en 1933.

Il convient de remarquer qu’une théorie similaire avait été
précédemment avancée par les cytologistes Sutton (1903) et Boveri (1904), mais
qu’elle n’avait pas alors reçut bon accueil. Morgan lui-même s’y était
vigoureusement opposé entre 1903 et 1910, ce sont ses propres données
expérimentales qui le conduisirent à se "convertir" à la théorie chromosomique
de l’hérédité.

 Le "labo des mouches"

Le laboratoire de Morgan a été extraordinairement fécond, en
raison d’un magnifique esprit de collaboration, resté légendaire. Plusieurs
scientifiques de grande envergure y feront leurs premières contributions : outre
Sturtevant et Bridges, ce laboratoire accueillît aussi
Théodosius Dobzhansky, qui allait devenir un des maîtres d’œuvre de la théorie
synthétique de l’évolution, et Hermann Muller, qui allait
mettre au point en 1927 l’induction artificielle de mutations par les rayons X.

 Références

Morgan, T.H.(1910) Sex limited inheritance in Drosophila.
Science
32, 120.

Morgan, T.H.(1911) The origin of nine wing mutations in
Drosophila. Science 33, 496.

Morgan, T.H.(1911) The origin of five mutations in eye color
in Drosophila and their mode of inheritance. Science 33, 534.

Morgan, T.H., Sturtevant, A.H., Muller, H.J.& Bridges, C.
(1915) The mechanism of mendelian heredity. New-York.


 Courtesy of the archives, California institute of technology

 Alfred Sturtevant (1891 - 1970)

Alfred Sturtevant est né en 1891 à Jacksonville. Il entre à
l’université à 17 ans, et publie à 19 ans ses premiers travaux scientifiques. A
partir de 1910, Sturtevant travaille avec Morgan à l’université de Columbia. Ils
identifient chez la drosophile plusieurs mutations portant sur la couleur des
yeux, la forme des ailes, la couleur du corps. Ils observent alors que tous ces
caractères semblent liés au chromosome X. Les gènes qui les déterminent sont
donc vraisemblablement portés par ce chromosome sexuel.

L’analyse de leur ségrégation montre que ces gènes sont en
général transmis ensemble à la génération suivante. Cependant, dans de rares
cas, ils semblent pouvoir être séparés. Sturtevant et Morgan rapprochent alors
ces observations à celles du cytologiste belge Janssens, qui avait remarqué en
1909 que lors de la méiose, il se produit quelques fois des enjambements
(crossing-over) entre chromosomes homologues dans la région qui les sépare. De
tels crossing-over entraînent l’échange de portions de chromosomes entre les
deux homologues impliqués. Toutes ces observations s’intègrent alors dans un
schéma cohérent : les allèles portés par deux gènes portés sur le même
chromosome sont séparés dans le cas où un crossing-over se produit dans
l’intervalle qui les sépare.

Morgan et Sturtevant ont alors l’idée géniale de corréler la
fréquence de tels événements à la distance qui sépare les gènes, et de proposer
que la fréquence de recombinaison exprime une distance entre gènes. L’estimation
des distances séparant les différents gènes allait conduire à l’établissement
des premières cartes génétiques. Ces cartes sont établies en analysant la
ségrégation des caractères correspondant au cours des générations, les distances
reflétant le degré de liaison qui les lie. L’unité de distance adoptée est le
centimorgan (cM) : un centimorgan correspond à une fréquence de recombinaison de
1% (un crossing-over pour cent méioses) entre deux marqueurs.

Sturtevant et Morgan publièrent en 1913 la première carte
génétique jamais établie d’un chromosome, celle du chromosome X de la drosophile
(Sturtevant est alors âgé de 22 ans). Elle montrait l’ordre et la succession des
gènes y (corps de couleur jaune), w (yeux blancs), et m
(ailes vestigiales).

 Référence

The linear arrangement of six sex-linked factors in
Drosophila, as shown by their mode of association. J. Exp. Zool. 14,
43-59.


 —>Hermann Muller (1890 - 1967)

Muller travaille tout d’abord avec Morgan
à l’université de Columbia. Par la suite, à l’université du Texas, il met au
point en 1927 l’induction artificielle de mutations par les rayons X : il montre
que les rayons X augmentent d’un facteur 100 le nombre de mutations chez la
drosophile.

Cette technique de production de mutation n’est pas
spécifique, car une mutation ne peut être obtenue sur un gène choisi à l’avance.
La possibilité d’augmenter la fréquence des mutations va cependant s’avérer d’un
intérêt considérable : le nombre de mutations décrites va véritablement
exploser, permettant l’établissement de cartes génétiques de plus en plus
précises.

La technique d’irradiation va aussi être utilisée par
Delbrück, qui lui s’intéresse à la nature chimique du
gène. Elle permet aussi à Muller d’avancer une première estimation du nombre de
gènes présents chez un organisme : il propose en 1929 que la drosophile
contiendrait environ 1400 à 1800 gènes (estimation toutefois inférieure d’un
ordre de grandeur au nombre obtenu à partir du séquençage complet : 13.400).

Le parcours scientifique de Muller est peu ordinaire : après
avoir travaillé dans le groupe de Morgan à Columbia, puis développé sa technique
de production de mutations par irradiation à l’université du Texas, il part
travailler en URSS. Il y est invité par Vavilov, et doit alors affronter
Lyssenko, auquel il s’oppose vigoureusement (Vavilov y laissera la vie : déporté
en 1940 à l’instigation de Lyssenko, il meurt dans un camps en 1943). Il
s’engage par la suite dans une brigade internationale durant la guerre civile
espagnole, avant de retourner aux Etats-Unis en 1945. Il reçoit le prix Nobel de
Médecine en 1946.

 Référence

Muller, H.J.(1927) Artificial transmutation of the gene.
Science
66, 84-87.


3. La convergence de la biochimie et de la génétique


 

 —>Archibald Garrod (1857 - 1936)

La première relation entre un gène et un enzyme est établie en
1902 par Archibald Garrod (St Bartholomew’s Hospital, Londres), à partir d’une
observation portant sur une anomalie métabolique chez l’homme : l’alcaptonurie.
L’alcaptonurie est une anomalie d’excrétion, affectant le métabolisme de la
tyrosine et de la phénylalanine. Les sujets atteints souffrent d’arthrite
débilitante. C’est une maladie rare, dont l’incidence est estimée à 1/250000 (OMIM
203500
).

Cette maladie se manifeste par le noircissement des urines
lorsqu’elles sont exposées à l’air. Le noircissement est dû à la présence dans
les urines d’acide homogentisique, qui est un produit intermédiaire de la
dégradation de la tyrosine et de la phénylalanine. Cette substance est dégradée
chez les individus normaux, mais pas chez les alcaptonuriques, chez lesquels
elle s’accumule. Le sérum des premiers contient l’enzyme capable de la
métaboliser (l’homogentisate 1,2 desoxygénase), mais cet enzyme n’est pas
présent dans le sérum des seconds.

Garrod observe que la transmission de cette anomalie
s’effectue chez l’homme en strict accord avec les lois de Mendel (selon un mode
autosomal récessif), ce qui lui suggère qu’elle est due à un gène unique. Il
propose donc que la déficience enzymatique soit due à une anomalie du gène
responsable de la synthèse de cet enzyme. Garrod publie ces observations en 1909
dans Les erreurs innées du métabolisme, livre où il avance une
explication similaire pour plusieurs maladies génétiques (albinisme, cystinurie,
pentosurie). Plus généralement, il propose que chaque enzyme serait le fruit de
l’activité d’un gène.

Cette observation établit pour la première fois une
corrélation entre un gène et un enzyme. Cette corrélation allait être
généralisée par Beadle et Tatum grâce aux
mutants métaboliques de Neurospora crassa.

 Références

Garrod, A.E.(1909) Inborn errors of metabolism. Lancet
2, 1-7, 73-79, 142-148, 214-220.

Fernandez-Canon, J.M. et al (1996) The molecular basis of
alcaptonuria. Nature Genet. 14, 19-24.


 —>George Wells Beadle (1903 - 1989)

Le travail de Beadle est essentiellement consacré au contrôle
génétique des réactions métaboliques. Les remarquables contributions de
Garrod à ce domaine ne pouvaient aboutir à un programme de
recherche, car des défauts génétiques décrits chez l’homme ne pouvaient
évidemment pas se prêter à des expériences génétiques, envisageables uniquement
sur des organismes modèles.

Beadle, en compagnie de Boris Ephrussi, choisit tout d’abord
le modèle drosophile, sur lequel ils étudient la coloration des yeux (d’abord au
Cal Tech, puis à Paris). Ces travaux semblent alors montrer que la synthèse des
pigments responsables de cette coloration représente le résultat d’une chaîne de
réactions dont chaque étape est contrôlée par un enzyme, chacun de ces enzymes
étant lui-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 chez le champignon Neurospora crassa. Avec Edward Tatum,
ils établissent grâce à ce micro-organisme la correspondance entre gène et
enzyme (et plus généralement entre gène et polypeptide). Ces travaux sont menés
à l’université de Stanford en pleine guerre mondiale, et publiés en 1941.

En 1946, Beadle prend la succession de Morgan au CalTech. De
1961 à 1968 (date de sa retraite), il est président de l’université de Chicago.
Durant cette dernière période d’activité, il se consacre à l’étude du maïs.

 Référence

Beadle, G.W.(1974) Recollections. Ann. Rev. Biochem.
43, 1-3.

 

 Les mutants nutritionnels de Neurospora crassa

Neurospora crassa est une moisissure
facilement cultivable sur un milieu artificiel qui ne contient que du sucre, des
sels minéraux, et de la biotine. Par mutagenèse artificielle (irradiation),
Beadle et Tatum obtiennent des mutants incapables de se
développer sur ce milieu minimal, mais qui poussent sur un milieu complémenté
avec tel ou tel métabolite. En particulier, les études sur la synthèse du
tryptophane, ou sur le cycle de l’ornithine, montrent que chacun de ces mutants
est en réalité déficient en un des enzymes nécessaires à l’une des étapes des
ces chaînes métaboliques. L’analyse génétique de ces mutants permet à Beadle et
Tatum de montrer que chacune de ces 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 formuler le célèbre aphorisme : "un gène <-> un
enzyme", généralisé par la suite en "un gène <-> un polypeptide".

Ces travaux concrétisent alors 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 s’en verront récompensés en 1958 par
l’attribution du prix Nobel de physiologie et de médecine. Des travaux
similaires seront par la suite produits selon cette stratégie par de nombreux
autres chercheurs. Tous confirment que chaque étape des voies biochimiques est
contrôlée par un gène unique, codant l’enzyme impliquée à cette étape.

 Référence

Beadle, G.W.& Tatum, E.L.(1941) Genetic control of
biochemical reactions in Neurospora. Proc. Natl. Acad. Sci USA 27,
499-506.


4. L’ADN support de l’information génétique


 

 L’expérience de Griffith

Le premier phénomène qui allait permettre de progresser dans
l’identification du support de l’hérédité est celui de la transformation
bactérienne, rapporté en 1928 par l’anglais Fred Griffith (1877 - 1941).
Celui-ci travaille alors au laboratoire de pathologie du ministère de la santé
du Royaume Uni.

Griffith décrit deux souches de pneumocoques Diplococcus
pneumomiae
 : la souche R (rough, car lorsque cette souche est
cultivée sur milieu de culture artificiel, les colonies obtenues ont un aspect
rugueux) et la souche S (smooth, car les colonies ont au contraire un
aspect lisse). La souche S doit son aspect à une capsule polysaccharidique
qu’elle synthétise autour d’elle. Cette souche est mortelle pour la souris
lorsqu’elle lui est injectée. A l’inverse, la souche R ne synthétise pas une
telle capsule, et elle n’est pas nocive lorsqu’elle est injectée à une souris.
On sait aujourd’hui que cette différence entre les deux souches est due à une
mutation, chez la bactérie R, du gène codant l’enzyme responsable de la synthèse
de la capsule.

Griffith observe tout d’abord que l’injection de bactéries S,
si elles ont été préalablement tuées par la chaleur, n’est plus létale pour la
souris. Pour une raison qui nous est toujours inconnue, Griffith décide alors
d’injecter conjointement des bactéries S chauffées mélangées à des bactéries R
vivantes. Cette fois, les souris meurent de septicémie. Les bactéries R, au
contact des bactéries S tuées, ont donc acquis un caractère pathogène qu’elles
ne possédaient pas précédemment. Ce phénomène a été appelé transformation
bactérienne, et il a été par la suite reproduit chez plusieurs autres espèces
bactériennes.

Il existe en fait plusieurs souches de pneumocoques (types I,
II, ou III), discernables grâce à des tests immunologiques. Lorsque qu’une
souche R de type III est injectée avec une souche S de type II inactivée, la
bactérie virulente qui est ré-isolée de la souris tuée est toujours du type II.
Ce changement est stable et définitif.

Ceci suggère donc qu’il existe chez les cellules un "facteur
transformant", probablement libéré par la chaleur, susceptible d’être intégré
par d’autres bactéries, et qui leur confère de façon héréditaire de nouvelles
propriétés génétiques.

Ce phénomène représentait un test d’activité biologique, grâce
auquel on pouvait envisager de déterminer la nature du matériel génétique
responsable de la transformation de bactérie du type R en bactérie de type S.
Griffith ne sut pas en tirer lui-même avantage, et la nature du "facteur
transformant" sera élucidée plus de 10 ans plus tard par Avery et ses collègues.


Courtesy of Cold Spring
Harbor Laboratory Press

 

 Oswald Avery (1877 - 1955)

La nature biochimique du matériel génétique mis en évidence
par Griffith est élucidée en 1944 par les travaux de Oswald Avery, et de ses
collègues (Colin McLeod, et McLyn McCarthy), qu’ils mènent à l’Institut
Rockfeller de New-York. Ils reprennent les expériences de Griffith sur la
transformation bactérienne, et cherchent à purifier le facteur transformant du
pneumocoque.

Cette caractérisation prendra 10 ans, elle les conduit à
montrer que ce facteur n’est autre que l’ADN : en effet, l’ADN extrait d’une
souche S suffit à lui seul pour transformer une souche non virulente en souche
virulente. La transformation des bactéries R s’effectue par incorporation de
fragments d’ADN provenant des bactéries S tuées. On sait aujourd’hui que de tels
fragments sont capables de rentrer dans une bactérie vivante, et de s’intégrer
au chromosome de celle-ci en lieu et place de la région homologue.

L’identification de l’ADN comme principe transformant est à
l’époque suffisamment extraordinaire pour nécessiter qu’une telle découverte
soit étayée par des arguments indiscutables. Aussi Avery et ses collègues
effectuent-ils leurs analyses avec un soin particulièrement méticuleux. Tous les
contrôles alors disponibles sont testés : l’absence de protéine dans les
préparations est testée par divers réactifs chimiques, leur composition chimique
est analysée par des moyens chimiques ou spectrophotométrique. Enfin,
l’utilisation d’enzymes montre que le pouvoir transformant réside bien dans
l’ADN, puisque la DNAse anéantit ce pouvoir, alors que la RNAse ou des
protéinases le laisse intact.

 Référence

Avery, O.T., McLeod, C.M. & McCarthy M. (1944) Induction of
transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus
Type III J. Exp. Med. 79, 137-158.

 La difficulté à accepter l’ADN comme support de l’hérédité

Malgré une accumulation croissante de preuves jusqu’au début
des années 50, la communauté scientifique n’a pas accepté facilement que l’ADN
puisse être le support de l’hérédité. Selon les thèses alors les plus largement
acceptées, l’ADN n’est qu’une molécule simple, et donc incapable de véhiculer
une information complexe. La théorie tétranucléotidique proposée par Phoebus
Aaron Levene (1869 - 1940), stipulait que la structure de l’ADN est régulière et
monotone, comprenant un enchaînement répétitif des 4 bases azotées. Levene était
alors un des plus grands spécialistes des acides nucléiques, c’est lui qui avait
identifié le désoxyribose comme un des constituants de l’ADN. Les protéines,
dont on avait perçut l’immense diversité, semblaient de bien meilleurs candidats
pour véhiculer une information génétique.

La découverte de Avery a été accueillie
avec beaucoup de scepticisme, ils furent interprétés par beaucoup comme le
résultat d’une contamination des préparations d’ADN par de faible quantité de
protéines ou d’une autre substance. Et même si ces préparations d’ADN étaient
absolument pures, il était possible d’envisager que cette molécule ne soit pas
elle même porteuse d’information, mais qu’elle joue simplement un rôle de
commutateur : toutes les informations nécessaire à la transition de la forme R
vers la forme S auraient déjà été présentes dans chacune des souches, et l’ADN
n’aurait alors contribué qu’à la transition d’un type vers l’autre.

Avery lui-même n’a pas véritablement cherché à imposer ses
conclusions. Ainsi, l’importance fondamentale de ces travaux ne sera reconnue
que tardivement, et le comité Nobel ne le retiendra pas pour l’attribution d’un
prix. Lorqu’en 1953 Watson et Crick
décriront la structure de l’ADN, ils ne prendront
même pas la peine de citer ces travaux dans leur article.

Certains scientifiques ont cependant saisis immédiatement la
portée immense des travaux d’Avery. Ce fut en particulier le cas de E.
Chargaff, J. Lederberg, G. Beadle, ou de A. Lwoff.


Courtesy of Cold Spring
Harbor Laboratory Press

 

 Erwin Chargaff (1905 - 1992)

Chargaff est un biochimiste d’origine autrichienne ayant
émigré aux USA en 1934. Il fait partie des scientifiques qui saisissent
immédiatement la portée immense des travaux d’ Avery sur la
transformation bactérienne. Lorsque Avery publie ses résultats, Chargaff dirige
un laboratoire de biochimie à l’université de Columbia. Le thème central en est
alors la biochimie des lipoprotéines. Quand il prend connaissance des travaux
d’Avery, Chargaff comprend aussitôt que l’ADN occupe une place centrale dans les
mécanismes héréditaires, et il décide de consacrer désormais les activités de
son laboratoire à l’étude des acides nucléiques.

En 1950, il publie ses travaux sur le contenu en bases azotées
de l’ADN chez diverses espèces, réalisés grâce aux progrès de la chromatographie
sur papier. Il montre alors que le rapport A+T/C+G est variable selon les
espèces, mais constant pour tous les membres d’une espèce donnée. L’ADN est donc
porteur d’une certaine spécificité, cette molécule n’a pas une structure
polymérique monotone, elle est donc susceptible de contenir une information. Ces
travaux contribuent à répandre l’idée que l’ADN puisse être une molécule
porteuse de l’information génétique.

Chargaff montre par ailleurs que le rapport C/G ou A/T est à
l’inverse constant et quasiment égal à un chez toutes les espèces étudiées.
Cette dernière observation sera déterminante pour l’élaboration du modèle de la
structure de l’ADN par Watson et Crick
quelques années plus tard.

A la suite du succès remporté par ce modèle, Chargaff est très
réticent à en reconnaître l’entière paternité à ses auteurs, pour lesquels il
n’a jamais eu grande estime (à la suite de sa première rencontre avec Watson et
Crick, il les avait comparés à deux clowns). Il continuera à revendiquer pour
son propre compte le modèle d’appariement des bases, alors qu’il n’y avait lui
même jamais pensé, et n’ayant mis en évidence que les rapports égaux d’adénine
et de thymine, de cytosine et de guanine.

 Référence

Chargaff, E. (1950) Chemical specificity of nucleic acids and
mechanism of their enzymatic degradation. Experientia 6, 201.

 http://www.nobel.se

 Alfred Hershey (1908 - 1997)

Al Hershey est, avec Delbrück et
Luria, la troisième personnalité marquante du Groupe du
phage. Sa première contribution importante est la mise en évidence d’une
génétique des bactériophages : Il montre en effet en 1946 que peuvent apparaître
des mutations chez ces organismes, caractérisés par différentes formes de plages
de lyse. Ces résultats confirment donc ceux obtenus par Luria l’année
précédente.

Hershey parvient aussi à détecter des phénomènes de
recombinaison chez les phages : en infectant simultanément une souche
bactérienne avec deux phages portant des mutations distinctes, il observe
l’apparition de phages recombinants, portant soit simultanément les deux
mutations, soit aucune d’entre elles. Des observations similaires seront
rapportées par Delbrück.

Mais l’expérience la plus célèbre de Hershey concerne l’étude
du rôle que jouent chacun des constituants du phage (ADN et protéines) dans la
transmission de l’information génétique. Pour cela, il utilise - avec Martha
Chase - le bactériophage T2. Leur expérience est une des premières expériences
de biologie moléculaire où des isotopes radioactifs permettent de tracer des
molécules. Ils utilisent un marquage isotopique différentiel de chacun des
constituants du phage : du phosphore radioactif, incorporé à l’ADN, et du soufre
radioactif, incorporé aux protéines de la capside. Ces phages sont utilisés pour
infecter des bactéries. Immédiatement après l’infection, il est possible de
séparer par agitation mécanique les bactéries des phages qui les ont infectés,
et de séparer par centrifugation les particules phagiques des bactéries
infectées. Lorsqu’elles sont remises en culture, ces bactéries produisent des
phages. Or l’analyse de la répartition de la radioactivité montre que ces
bactéries ne contiennent que du phosphore radioactif : seul l’ADN a donc pénétré
dans la cellule, et cette fraction est responsable à elle seule de la
reproduction du phage. C’est donc l’ADN qui détient l’information génétique.

Bien que cette expérience était dans sa conception plus
grossière que celle d’Avery, son impact fut au moins aussi important. Ceci était
dû en partie au fait qu’elle avait été effectuée par des membres du Groupe du
phage, qui représentait alors les scientifiques les plus influents dans le
domaine de la biologie moléculaire. D’autre part, ces résultats arrivaient
pratiquement simultanément avec l’élucidation de la structure de l’ADN par
Watson et Crick.

 Références

Hershey, A.D.(1946) Spontaneous mutations in bacterial
viruses. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology XI,
33-37.

Hershey, A.D.(1946) Mutations of bacteriophage with respect
to type of plaque. Genetics 31, 620-640.

Hershey, A.D.& Chase, M. (1952) Independant functions of
viral proteins and nucleic acid in growth of bacteriophage. J. Gen. Physiol.
36, 39-56.


5. L’influence des physiciens


 

 —>Erwin Schrödinger (1887-1961)

Erwin Schrödinger fuit l’Autriche après son annexion par
l’Allemagne en 1938. Sa carrière de physicien est principalement associée à la
description quantique de l’atome, liée au modèle ondulatoire de la matière. Il
est cependant aussi attiré par la biologie, domaine auquel il consacre en 1944
un petit livre : Qu’est ce que la vie ? Il y développe des idées d’une
extraordinaire clairvoyance :

- il décrit le matériel génétique comme un "cristal
apériodique". On sait aujourd’hui que l’ADN présente effectivement globalement
deux ordres de symétrie (rotationnel et translationnel), cette régularité
l’apparente bien à un cristal. Mais dans le détail, l’enchaînement des paires de
bases n’est pas exactement répétitif, ce cristal est apériodique.

- il insiste sur la notion de programme, de code génétique :
"ces chromosomes (...) qui contiennent sous la forme d’une espèce de code le
modèle intégral du développement futur de l’individu et de son fonctionnement
dans l’état adulte".

- enfin, il expose sa profonde conviction que le problème du
gène est nécessairement accessible à l’expérimentation. En particulier, son
appréciation des travaux de Delbrück sur la mutagenèse
induite par les rayons X est remarquable.

De nombreux biologistes fameux, parmi lesquels
Watson, Crick, ou
Wilkins
ont reconnu que la lecture de Qu’est ce que la vie ? a été
décisive pour leur engagement dans la recherche en biologie.

 Référence

Schrödinger, E. (1944) Qu’est ce que la vie ? (trad.
française : Points/Seuil, 1986)


 http://www.nobel.se

 Max Delbrück (1906 - 1981)

L’influence de Delbrück, bien que largement reconnue, est
difficile à expliquer, car son œuvre n’est pas associée à une avancée
scientifique majeure. C’est essentiellement sa rigueur et son charisme
scientifiques qui en ont fait le leader de ce qui allait devenir la biologie
moléculaire.

Max Delbrück est né à Berlin, et suit tout d’abord un cursus
de physicien. Après sa thèse, obtenue en 1930, il rejoint le laboratoire de
Niels Bohr à Copenhague. L’influence de ce dernier le pousse alors à
s’intéresser à la biologie, et plus précisément à la nature du gène. De retour à
Berlin en 1932, Delbrück réalise ses premiers travaux sur les propriétés
physiques du gène.

La première expérience menée par Delbrück est révélatrice de
sa formation : de même que les physiciens étudient l’atome de façon indirecte
grâce à un bombardement particulaire, Delbrück décide d’étudier le gène par le
biais de l’effet que des rayonnements induisent sur celui-ci. Comme l’avait
montré Muller, la fréquence de mutations peut être accrue
par un rayonnement du type rayons X ou gamma. Delbrück cherche alors à préciser
les propriétés du gène en étudiant les variations du taux de mutation en
fonction de l’énergie du rayonnement utilisé. L’analyse de la fréquence des
mutations obtenues permet à Delbrück en 1935 d’estimer la dimension d’un gène à
un volume d’environ 10 distances atomiques de côté, ne contenant donc qu’un
millier d’atomes environ. Delbrück interprète les mutations en termes quantiques
 : il propose que chaque mutation représente un saut quantique entre deux états
stables du gène. Bien que par plusieurs aspects ces conclusions soient erronées,
le mérite de Delbrück est d’avoir montré que le vivant pouvait être approché par
les outils et les démarches du domaine de la physique.
Schrödinger
allait accorder une grande importance à ces travaux dans son
livre Qu’est ce que la vie ?

A partir de 1937, Delbrück travaille aux Etats-Unis, au
California Institute of Technology
(Pasadena). Convaincu que le meilleur modèle d’étude du vivant doit être le plus
simple possible, il choisit le bactériophage, dont la très faible taille
l’assimile à un "gène pur". Ce matériel devrait par conséquent se prêter plus
facilement à l’étude des mécanismes de réplication. Les premiers travaux de
Delbrück sur le phage ont porté sur l’analyse de sa cinétique de croissance.
Avec Emory Ellis, ils montrent que celle-ci s’effectue de façon discontinue, des
phases de brusque multiplication alternant avec des phases stationnaires. La
phase de multiplication correspond à la phase de lyse cellulaire libérant les
phages qui viennent d’être produits au cours du cycle d’infection précédent.
Cette description de la "croissance en une étape" eut un retentissement
significatif : la façon très rigoureuse de mener les expériences, leur analyse
statistique soignée, le détachement total par rapport à toute idée préconçue,
étaient remarquables, et ces caractéristiques allaient marquer tous ses travaux
ultérieurs. En 1940, Delbrück s’installe à l’université Vanderbilt à Nashville,
puis retourne au Cal Tech à partir de 1947.

Delbrück va devenir le chef de file de ce qui allait devenir
le Groupe du Phage, qui regroupait l’ensemble des chercheurs ayant choisi cet
organisme comme modèle d’étude. Ce groupe informel allait s’étoffer avec en
particulier Salvador Luria (à partir de 1941) et
Alfred Hershey (à partir de 1943). Des cours seront
organisés chaque année (pendant 26 ans) sur cet organisme au
Cold Spring Harbor Laboratory.

La mise au point du test de fluctuation par Delbrück et Luria
en 1943 font entrer la bactérie dans le monde de la génétique moderne. En 1946,
Delbrück toujours, et indépendamment Hershey, rapportent les premiers indices
témoignant de recombinaisons possibles entre phages portant des mutations
distinctes. Cela allait aboutir aux premières cartes génétiques de phages.

Par la qualité de ses travaux, Delbrück et le Groupe du phage
allaient acquérir une réputation considérable. De son vivant même, un livre sera
consacré à Delbrück à l’occasion de son 60e anniversaire. Enfin, Luria,
Hershey, et Delbrück recevront en 1969 le prix
Nobel de
médecine pour l’ensemble de leurs travaux.

Après 1953, et la solution de la structure de l’ADN qui
apportait enfin une réponse au problème de la réplication du gène, Delbrück se
détourne du phage pour se consacrer à l’étude de la réponse à la lumière. Il
choisit pour cela ce qu’il pense être l’équivalent du phage pour ce problème :
le champignon Phycomyces , sur lequel il travaillera encore 25 ans (il y
aura aussi un Groupe du Phycomyces).

 Références

Ellis, E. & Delbrück, M. (1939) The growth of bacteriophage.
J. Gen. Physiol. 22, 365-384.

Luria, S.E.& Delbrück, M. (1943) Mutations from virus
sensitivity to virus resistance. Genetics 28, 491-511.

Schrödinger, E. (1944) Qu’est ce que la vie ? (trad
française : Points/Seuil, 1986)

Cairns, J., Stent, G.S.& Watson, J.D.(1966) Phage and the
origins of molecular biology
. CSHL Press.


 Le bactériophage

Les bactériophages sont mis en évidence indépendamment en 1915
par l’anglais Frederick Twort (Londres) et par un franco-canadien, Felix
d’Hérelle (Institut Pasteur). Ils sont alors caractérisés comme des entités de
taille extrêmement faible (capables de traverser des filtres très fins qui par
ailleurs retenaient les bactéries), susceptibles de détruire des bactéries.

Les bactériophages sont des entités très simples, constituées
d’une tête et d’une queue qui forment une capside protéique. Dans la tête est
logée une molécule d’ADN. Les bactériophages ne sont pas à proprement parler des
êtres vivants, car ils sont incapables de se reproduire de façon autonome, et
ils exigent pour cela d’interagir avec une bactérie qu’ils infectent. Cette
infection s’effectue par fixation du phage sur une bactérie au niveau de
récepteurs spécifiques, injection de leur matériel génétique, et détournement de
la machinerie enzymatique de la bactérie hôte pour la production de plusieurs
centaines de nouveaux phages.

A l’époque ou ce système phage/bactérie commence à percer, il
représente un système de reproduction fascinant de par son apparente simplicité,
sa facilité et sa rapidité de mise en œuvre (un cycle lytique s’effectue en 20
minutes environ). Il semble alors constituer le modèle idéal pour s’attaquer au
problème du gène et de sa réplication. De plus, avec ces organismes, ce sont des
millions de "descendants" qui peuvent être obtenus à chaque "génération" (alors
que le modèle favori jusque là des généticiens, la drosophile, ne permet
d’examiner que quelques centaines de descendants par génération). Le nombre de
mutations détectables s’en trouve accru d’autant, ce qui permettra en
particulier d’observer et d’étudier des recombinaisons intragéniques. Ce sont
ces organismes extrêmement simples, qui vont apporter les preuves ultimes que
l’ADN est le support de l’hérédité (expérience de Hershey
et Chase).

En 1944, le nombre de chercheurs impliqués dans la recherche
sur les bactériophages s’est accru dans de telles proportions que Delbrück est
amené à proposer un "Traité des Phages", qui encourage les chercheurs de cette
communauté à utiliser les mêmes systèmes bactériophages/bactéries, afin que
l’ensemble des résultats obtenus soient comparables et intégrables. Les systèmes
alors choisis sont les phages de la série T (T1 à T7), et leur bactérie hôte,
E. coli
.


 http://www.nobel.se

 Salvador Luria (1912 - 1991)

Salvador Luria est né à Turin. Médecin de formation, il se
tourne néanmoins vers la physique, et travaille tout d’abord dans le laboratoire
d’Enrico Fermi. Puis il se tourne vers la biologie, et commence en particulier à
s’intéresser au bactériophage. La montée de
l’antisémitisme le conduit à quitter l’Italie pour la France en 1938, d’où il
fuit l’invasion allemande en 1940 pour se réfugier aux Etats-Unis. Il travaille
tout d’abord à l’Université Columbia à New-York, avant d’obtenir un poste à
l’université de l’Indiana à Bloomington.

A partir de 1941, il collabore avec
Delbrück
sur le système bactérie/phage. Leur première contribution majeure
est le développement du test de fluctuation. Ce teste avait pour but
d’identifier l’origine de bactéries résistantes aux bactériophages, qui peuvent
apparaître lorsque ces organismes sont mis en présence. Luria et Delbrück furent
les premiers à poser clairement ce problème, et à y répondre par des arguments
expérimentaux (1943). Deux hypothèses étaient susceptibles d’expliquer
l’apparition de cette résistance : soit le phage induit lui même la résistance
(vision lamarckienne), soit les bactéries mutantes pré-existent à la
confrontation avec le phage, et sont sélectionnées par la pression sélective que
celui-ci exerce (vision darwinienne). Dans le premier cas, le nombre de
bactéries résistantes devrait être uniforme à chaque expérience, le nombre moyen
de bactéries résistantes représentant simplement le produit du nombre de
bactéries initiales par la probabilité qu’une bactérie développe la résistance
au virus avant que celui la tue. Dans le second, il devrait être aléatoire,
dépendant uniquement du nombre de bactéries mutantes déjà présentes dans la
population étudiée avant l’introduction du phage. Lorsque Luria testa ces deux
hypothèses, il observa un nombre de bactéries résistantes très variable selon
les expériences, ce qui validait la seconde hypothèse. Ce résultat constituait
la première preuve que les bactéries pouvaient subir des mutations, il
consacrait la naissance de la génétique bactérienne.

Avec Anderson, Luria obtient en 1942 les premières
photographies en microscopie électronique de bactériophage. Enfin, Luria montre
en 1946 que peuvent apparaître des mutations chez les phages : des phages
incapables d’infecter une souche bactérienne résistante peuvent par exemple
acquérir par mutation la capacité d’infecter cette souche.

Dans les années suivantes, Luria poursuit ses travaux au sein
du Groupe du phage. Ceci le conduira à partager le prix
Nobel de
physiologie et médecine en 1969 avec Delbrück et Hershey.
Aujourd’hui, sa mémoire est toujours présente dans les laboratoire, puisque le
milieu L a conservé l’initiale de son nom.

 Références

Luria, S.E.& Delbrück, M. (1943) Mutations of bacteria from
virus sensitivity to virus resistance. Genetics 28, 491-511.

Luria, S.E.& Anderson, T.F.(1945) The identification and
characterization of bacteriophages with the electron microscope. Proc. Natl.
Acad. Sci. USA
28, 127-130.

Luria, S.E.(1945) Mutations of bacterial viruses affecting
their host range. Genetics 30, 84-99.


6. La structure de l’ADN

 L’élaboration du modèle par Watson et Crick


La structure en double hélice de l’ADN est élucidée par Watson et Crick en 1953.
Watson a décrit dans son livre passionnant La double
hélice
(1968) le récit de la formidable découverte réalisée avec Crick . Les
deux chercheurs disposent alors des éléments suivants : (i) la composition
chimique de l’ADN (désoxyribose, bases azotées, et groupements phosphate) ; (ii)
les clichés de diffraction aux rayons X d’ADN cristallisé, clichés dus
principalement à Rosalind Franklin et Maurice
Wilkins
du King’s College. Ces clichés montrent une figure en croix, caractéristique des
structures en hélice ; (iii) les travaux de Erwin Chargaff, qui avaient montré
que pour toute molécule d’ADN, le nombre de molécules d’adénine est égal au
nombre de molécules de thymine, et que celui de cytosine est égal à celui de
guanine ; (iv) les analyses en microscopie électronique, qui avaient montré que
le diamètre de la molécule d’ADN est de 20 Å, ce qui suggérait que cette
molécule comportait deux chaînes de désoxyribose-phosphate.

C’est en élaborant successivement plusieurs modèles
moléculaires que Watson et Crick réussissent à proposer une structure qui
satisfasse à l’ensemble des données cristallographiques et biochimiques alors
disponibles. Cette structure est aujourd’hui connue de tous, elle est devenue
l’emblème de la biologie moléculaire : deux brins constitués des groupements
phosphates et des sucres forment une double hélice où les orientations de chacun
des brins sont opposées. Sur les sucres de chacun des deux brins sont liées les
bases azotées, chaque base d’un brin étant maintenue en vis-à-vis d’une base de
l’autre brin par des liaisons hydrogène. Une cytosine fait toujours face à une
guanine, et une adénine à une thymine. Les deux brins d’une molécule d’ADN sont
dits complémentaires.

Crick, Watson, et Wilkins reçurent en 1962 le prix
Nobel pour ces
travaux, qui a été qualifiée par Peter Medawar de "la plus grande réussite
scientifique de notre siècle". Rosalind Franklin aurait vraisemblablement été
associée à ce prix si la maladie ne l’avait prématurément emportée.

 

 La molécule sémantique

L’ordre des bases le long de la molécule définit l’information
génétique portée par l’ADN. Les possibilités offertes par l’agencement des
quatre bases de l’ADN sont immenses (4n pour une séquence de n bases,
soit par exemple plus d’un million de combinaisons pour une séquence de 10
bases).

L’ordre des bases nucléotidiques détermine l’enchaînement des
acides aminés des protéines (par l’intermédiaire des processus de transcription
et de traduction). Une structure à une dimension détermine donc des structures à
3 dimensions. Ce paradoxal "gain d’information" est réalisé spontanément, par le
reploiement des protéines au fur et à mesure de leur synthèse, en fonction des
contraintes thermodynamiques imposées par leur séquence et par le milieu dans
lequel elles sont synthétisées.

Les êtres vivants disposent donc d’un système informatif à une
dimension, entièrement compris dans une séquence linéaire, qui peut être
facilement copié ou dupliqué. De cette séquence linéaire découle celle des
protéines, qui adoptent spontanément la structure à trois dimensions nécessaire
à leur fonction.

 

 La réplication

La propriété auto-réplicative des gènes constituait un
phénomène mystérieux, qui avait suscité de nombreuses théories explicatives.
Celle qui s’approchait le plus de la réalité fut sans doute proposée par
Pauling et Delbrück en 1940 :
probablement, une telle opération pouvait s’effectuer par l’intermédiaire d’une
structure intermédiaire, un moule en négatif, dont le moulage produira à son
tour une structure identique à l’original.

Dans la

publication
de leur modèle, Watson et Crick mentionnent : "il n’a pas
échappé à notre attention que l’appariement spécifique des bases que nous avons
proposé suggère immédiatement un mécanisme possible de réplication pour le
matériel génétique". Cet appariement suggère en effet le mécanisme par lequel
chacun des brins complémentaires de l’ADN peut être à la fois matrice et
participant pour la constitution de deux nouvelles molécules d’ADN : après
séparation des deux brins, chacun d’eux est utilisé comme matrice pour la
synthèse du brin complémentaire, ce qui aboutit à la formation de deux molécules
identiques entre elles et identiques à la molécule initiale.


 http://www.nobel.se

 James Dewey Watson (1928
  • )

Jim Watson est né à Chicago le 6 avril 1928. Très précoce, il
entre à l’université de Chicago à l’âge de 15 ans. Il prépare sa thèse entre
1948 et 1950 dans le laboratoire de Salvador Luria, dont il
est le premier étudiant. Il est donc bien informé des travaux menés par le
groupe du phage. Il effectue une courte période post-doctorale au Danemark,
avant de rejoindre en 1951 Francis Crick à Cambridge au
laboratoire Cavendish (dirigé par Max Perutz et Lawrence Bragg). En 1953, Crick
et Watson élucident la structure en

double hélice de l’ADN
. A partir de 1953, Watson est Senior Research Fellow
au Californian Institute of Technology
, jusqu’en 1956, où il devient professeur à l’université de Harvard.

En 1962, le prix
Nobel de
physiologie et de médecine est attribué à James Watson, Francis Crick et Maurice
Wilkins, pour "leur découverte concernant la structure moléculaire des acides
nucléiques et son importance concernant le transfert d’information dans les
systèmes vivants". La même année est attribué le prix Nobel de chimie à Max
Perutz et John Cowdery Kendrew pour "leurs études de la structure des protéines
globulaires". Ces deux prix couronnent l’application de la diffraction des
rayons X à la détermination de structures de molécules biologiques.

En 1968, Watson prend la direction du
Cold Spring Harbor Laboratory , où il
développe en particulier la recherche sur les bases moléculaires du cancer. Il
dirige alors parallèlement deux laboratoires (l’un à Harvard, l’autre à CSH),
jusqu’en 1977 où il renoncera à celui d’Harvard. En 1988, dans le cadre du
Projet Génome Humain , lui est confiée la
direction du programme Génome Humain du National Institutes of Health (qui
allait devenir l’année suivante le NCHGR : National Center for Human Genome
Research of the National Institutes of Health). Il en démissionne en 1992,
lorsque le NIH manifeste la volonté de prendre des brevets sur des séquences
partielles de cDNA humains. Il est actuellement président du CSHL.

 Références

Watson, J.D.& Crick, F.H.C.(1953) A structure for
desoxyribose nucleic acid. Nature 171, 737-738.

Watson, J.D.& Crick, F.H.C.(1953) Genetical implications of
the structure of deoxyribonucleic acid. Nature 171, 964-967.

Watson J.D.(1968) La double hélice, Hachette/Pluriel.

Recombinant DNA, (1992) Watson,
J.D., Gilman, M., Witkowski, J. & Zoller, M. Scientific American Books.

Molecular biology of the cell,
(1994) Alberts, B., Bray, D., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Watson, J.D.
Ed. Garland Publishing.


 http://www.nobel.se

 Francis Harry Compton Crick (1916 - )

Francis Crick est physicien de formation. Il travaille tout
d’abord à l’University College de Londres, sur la viscosité de l’eau à haute
pression et haute température. Pendant la guerre, il est embauché par l’Amirauté
pour la mise au point et la détection de mines magnétiques. Une fois la guerre
finie, il s’oriente vers la cristallographie, au sein du laboratoire Cavendish,
dirigé par Max Perutz et Lawrence Bragg. C’est là que le rejoint Jim
Watson en 1951. Crick a alors 35 ans, et il prépare
toujours sa thèse. Watson et Crick se consacrent alors à la
structure de l’ADN, pour laquelle ils proposent un
modèle en 1953. Ces travaux seront couronnés par un
prix Nobel
attribué en 1962.

Par la suite, toujours au laboratoire Cavendish, Crick
s’attache avec Sidney Brenner au déchiffrage du code génétique. Après que ce
code est élucidé en 1966, Crick se tourne vers la biologie du développement.
Enfin, en 1976, Crick rejoint le Salk Institute for Biological Studies, près de
San Diego, où il se consacre à la neurobiologie.

Crick a apporté d’importantes contributions à plusieurs
domaines de la biologie moléculaire : c’est à lui que l’on doit le dogme central
de la biologie, qui stipule que le flux d’information depuis les acides
nucléiques vers les protéines est à sens unique. Par ailleurs, il est un des
premiers auteurs à proposer en 1968 que le matériel génétique des premiers
organismes vivants ait été de l’ARN. Enfin, en 1980, il contribue à
l’élaboration de la notion d’ADN égoïste.

 Références

Watson, J.D.& Crick, F.H.C.(1953) A structure for
desoxyribose nucleic acid. Nature 171, 737-738.

Watson, J.D.& Crick, F.H.C.(1953) Genetical implications of
the structure of deoxyribonucleic acid. Nature 171, 964-967.

Crick, F.H.C.(1968) The origin of the genetic code. J.
Mol. Biol.
38, 367-379.

Crick, F.H.C.(1970) Central dogma of molecular biology.
Nature
227, 561-563

Orgel, L.E.& Crick, F.H.C.(1980) The selfish DNA : the
ultimate parasite. Nature 284, 604-607.


Courtesy of Cold Spring
Harbor Laboratory Press

 

 Rosalind Franklin (1920 - 1958)

Née en 1920, Franklin suit ses études à l’université de
Cambridge. En 1947, elle travaille dans un laboratoire parisien, jusqu’en 1951,
où elle rejoint le King’s College, pour travailler sur la structure de l’ADN.
Ses rapports avec ses collègues sont médiocres, et Watson
en a brossé un portrait caricatural dans La double hélice. C’est
toutefois à elle que l’on doit tous les clichés de diffraction aux rayons X de
l’ADN, qui permettent à Watson et Crick de proposer leur modèle en 1953. Elle
reconnaît d’autre part deux formes distinctes pour les cristaux d’ADN, qu’elle
nomme forme A (forme compactée) et forme B (forme
hydratée). Ces travaux sont publiés dans le même numéro de Nature que celui
décrivant le

modèle
de Watson et Crick.

En mars 1953, Franklin quitte le King’s College pour le
Birbeck College. Elle se consacrera désormais à l’étude du virus de la mosaïque
du tabac, dans le laboratoire du professeur Bernal. Une leucémie l’emportera à
l’âge de 38 ans.

 Références

Franklin, R.E.& Gosling R.G.(1953) Molecular configuration
in sodium thymonucleate. Nature 171, 742.

Franklin, R.E.& Gosling R.G.(1953) Evidence for 2-chain
helix in crystalline structure of sodium desoxyribonucleate. Nature
172
156.

Klug, A. (1968) Rosalind Franklin and the discovery of the
structure of DNA. Nature 219, 808-844.


 

 Cliché au rayons X de l’ADN sous la forme B, pris par Rosalind Franklin à la fin de 1952.

Courtesy
of Cold Spring Harbor Laboratory Press



 http://www.nobel.se

 Linus Pauling (1901 - 1994)

Linus Pauling (1901 - 1994) fut sans doute le plus grand
chimiste de ce siècle, qui aborda avec succès des domaines variés tels que la
physique quantique, la structure des cristaux, ou la biologie moléculaire. Ses
premières contributions essentielles concernent la liaison chimique, et il est
en particulier le premier à reconnaître l’importance des liaisons faibles. En
1940, avec Delbrück, il développe l’idée que la
complémentarité stéréospécifique est à la base des interactions moléculaires en
biologie. Il publie deux livres qui ont révolutionné la chimie : La nature de
la liaison chimique
(1939), et Chimie générale (1947). Plus que tout
autre, il contribue à faire de la structure des molécules le thème essentiel de
la biochimie. Il élucide la structure de plusieurs centaines de substances
minérales, et il est le découvreur de certaines structures protéiques, telles
que l’hélice alpha et le feuillet beta ;. Il aussi le premier à apporter une
explication moléculaire à une maladie génétique : l’anémie falciforme, pour
laquelle il propose comme origine une altération de l’hémoglobine.

L’ensemble de ces travaux lui vaut un premier prix
Nobel en 1954.
Un prix Nobel de la paix
lui est aussi attribué en 1962, en raison de ses engagements pacifistes en
faveur du désarmement (seuls trois autres chercheurs ont reçu deux prix Nobel :
Marie Curie, Antoine-Henri Becquerel, et Frederick Sanger). Là encore, il fait
figure de pionnier, puisqu’il est le premier à avancer que les radiations
puissent être dangereuses pour le patrimoine génétique.

Pauling est aussi à l’origine de l’utilisation des séquences
de protéines pour la reconstruction d’arbres phylogéniques, et il propose avec
Emile Zuckerkandl, en 1965, le concept d’horloge moléculaire. Il travaille aussi
sur la structure de l’ADN, et a été à ce titre le
concurrent le plus sérieux de Watson et
Crick
. En 1953, il publie ce qu’il pense en être la structure : trois
chaînes de riboses phosphates s’enroulant étroitement l’une autour de l’autre,
et les bases azotées pointant radialement vers l’extérieur de ce faisceau. Cette
idée totalement erronée s’explique en partie par le fait que Pauling n’avait pas
accès aux résultats récents de Rosalind Franklin .

A partir des années 70, il s’intéresse aux antioxydants, en
particulier la vitamine E et la vitamine C. Il accorde à ces molécules
d’importantes vertus anti-cancérigènes et anti-vieillissantes. Ceci le conduit
vers un singulier engouement pour la vitamine C, dont il prône la consommation
sans modération...

 Références

Pauling, L. (1948) Nature of forces between molecules of
biological interest. Nature 161, 707-709.

Pauling, L. & Delbrück, M. (1940) The nature of the
intermolecular forces operative in biological processes. Science 92,
77-79.

Pauling, L., Itano, H.A.& Singer, S.J.(1949) Sickle cell
anemia, a molecular disease. Science 110, 64-66.

Pauling, L., Corey, R.B.& Branson, H.R.(1951) The structure
of proteins : two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide
chain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 37, 205-211.

Pauling, L. & Corey, R.B.(1953) A proposed structure for the
nucleic acids. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 39, 84-97.

Zuckerkandl, E. & Pauling, L. (1965) Molecules as documents of
evolutionary history. J. Theoret. Biol. 8, 357-366.



 

 Bibliographie générale

Cairns, J., Stent, G.S.& Watson, J.D.(1992) Phage and the
origins of molecular biology, Cold Spring Harbor Laboratory Press

Crick, F. (1988) Une vie à découvrir, Odile Jacob

Gros, F. (1986) Les secrets du gène, Points/Seuil

Jacob, F. (1981) Le jeu des possibles, Le Livre de Poche

Jacob, F. (1970) La logique du vivant, Gallimard

Judson, H.F.(1996) The eighth day of creation, Cold Spring
Harbor Laboratory Press

Mayr, E. (1989) Histoire de la biologie, Fayard

Morange, M. (1994) Histoire de la biologie moléculaire, La
Découverte

Schrödinger E. (1986) Qu’est ce que la vie ? Points/Seuil

Watson J.D.(1984) La double hélice, Hachette/Pluriel




 

Alain Bernot est également l’auteur du livre "Analyse de génomes, transcriptomes et protéomes", éd. Dunod, collection Biotech.info

 


© généthon
 

 

http://www.genoscope.cns.fr/externe/

Navigation