acide désoxyribonucléique (ADN)


Acide nucléique caractéristique des chromosomes, constitué de deux brins enroulés en double hélice et formés chacun d'une succession de nucléotides. (Porteur de l'information génétique, l'ADN assure le contrôle de l'activité des cellules.) (Abréviations : ADN ou DNA [terminologie anglo-saxonne].)
Constituant essentiel des chromosomes, présent aussi dans les mitochondries et les plastes, l'ADN est le support de l'information héréditaire.
La structure de la molécule d’ADN

Assemblage des nucléotides dans l'ADN
La macromolécule d'ADN est constituée de deux chaînes polynucléotidiques enroulées l'une autour de l'autre en forme de double hélice (l’article exposant cette particularité structurale a été publié en 1953 par James D. Watson et Francis H. Crick dans la revue Nature).
Les chaînes sont constituées de maillons, ou nucléotides, comportant chacun un sucre à cinq atomes de carbone (le désoxyribose), une base organique et une molécule d'acide phosphorique. Il existe quatre bases organiques différentes (adénine, thymine, guanine et cytosine, désignées par leur initiale : ATCG) qui s'associent deux à deux selon un ordre rigoureusement invariable (la thymine avec l'adénine, la guanine avec la cytosine), liant ainsi les deux chaînes complémentaires par une liaison chimique lâche : un pont d'atomes d'hydrogène. Une telle structure assure la cohésion de la double hélice, mais ménage la possibilité de séparation des deux chaînes au moment de la division cellulaire (ou mitose).
L'expression génétique
Le bon fonctionnement d'une cellule repose sur deux classes de macromolécules : les acides nucléiques (l'ADN, dépositaire de l'information génétique, et les ARN, impliqués dans la traduction de cette information) et les protéines (produits de la traduction de l'information). Les protéines présentent des activités variées : catalyse (enzymes), stockage de molécules (protéines de liaison), transport actif ou passif à travers les membranes (transporteurs, canaux), communications cellulaires (hormones peptidiques, récepteurs), architecture et mouvement (protéines du cytosquelette), reconnaissance du non-soi (anticorps)…
La relation universelle entre ces macromolécules s'exprime ainsi : toute protéine est codée par un gène, segment d'ADN constituant une unité fonctionnelle. Le nombre de gènes varie selon les organismes (de l'ordre de 2 500 chez les bactéries, de 30 000 chez l’espèce humaine). L'expression d'un gène aboutit à la synthèse d'une protéine spécifique. Chez les organismes pluricellulaires, toutes les cellules disposent du même stock de gènes, hérité d'une cellule initiale unique (l'œuf issu de la fécondation), et pourtant elles ne sont pas toutes identiques, parce qu'elles sont capables de synthétiser plus ou moins – voire pas du tout – les différentes protéines codées dans le génome, en fonction de leur type cellulaire et du stade de développement de l'organisme. Ainsi, l'hémoglobine est produite dans les précurseurs des globules rouges, les anticorps dans les lymphocytes B, l'actine et la myosine dans les cellules du muscle, la kératine dans celles de l'épiderme.
Par ailleurs certaines protéines sont fabriquées uniquement au stade embryonnaire, les phénomènes de développement et de différenciation reposant sur l'expression différentielle d'un matériel génétique commun. De même, chez les organismes adultes, le cycle cellulaire fait appel au contrôle de l'expression des gènes. De nombreuses maladies, dont les cancers, les infections virales, les désordres immunitaires et les réactions allergiques, ainsi que les malformations au cours du développement embryonnaire, découlent de la production excessive ou insuffisante de certaines protéines.
Le contrôle de l'expression génétique est effectué au niveau de la transcription de l'ADN par une famille de protéines, les régulateurs de transcription; ceux-ci sont codés par les gènes régulateurs, qui pourraient représenter de 5 à 10 % du nombre total de gènes chez les eucaryotes supérieurs. Il apparaît que de nombreux désordres génétiques proviennent de mutations affectant les gènes régulateurs.
Le code génétique
À l’intérieur des gènes, les bases sont organisées en triplets appelés codons. La séquence des codons dans l'ADN détermine celle des acides aminés qui constituent les protéines, conférant à chaque protéine sa spécificité. Le code génétique est le code de lecture, linéaire et séquentiel, des codons de l’ADN.
Il existe 20 acides aminés naturels, qui se rencontrent chez tous les êtres vivants, de la bactérie à l'homme. Chaque protéine n'est pas synthétisée directement à partir de l'image de la séquence des nucléotides de l'ADN, mais grâce à un intermédiaire : l'ARN messager, dont la structure est complémentaire de celle de l'ADN, à cette différence que la thymine (T) y est remplacée par l'uracile (U) – les quatre bases de l’ARN sont donc AUGC. Le processus de synthèse de l'ARN messager, à partir de l'ADN chromosomique, est appelé transcription.
Grâce à la spécificité d'appariement entre les bases, l'information contenue dans l'ADN se transmet sans aucun changement à l'ARN. Cette information se trouve dans la séquence des nucléotides, qui détermine celle des acides aminés. À chaque acide aminé de la chaîne protéique correspond une succession de trois nucléotides de la chaîne, conformément à une relation appelée code génétique. Compte tenu que chaque série de trois nucléotides constitue un codon et que quatre nucléotides en s'unissant par trois donnent 64 combinaisons possibles, dans l'hypothèse retenue il y aurait 44 combinaisons « en trop », 44 types de triplets qui ne correspondraient à aucun acide aminé, puisque 20 acides aminés seulement doivent être synthétisés. En réalité on sait maintenant que tous les triplets sont utilisés : certains d'entre eux correspondent à des signes de ponctuation dans la synthèse d'une chaîne polypeptidique, et par ailleurs le code est en quelque sorte « dégénéré », c'est-à-dire que certains acides aminés peuvent être codés par plusieurs triplets différents.
Le déchiffrement du code génétique, c'est-à-dire l'assignation de l'acide aminé correspondant à chacun des codons, fut réalisé en 1965, grâce aux travaux de M. W. Nirenberg et de H. Matthaei et à ceux de H. G. Khorana.
La réplication de l’ADN
La réplication de l’ADN, qui précède toute mitose (division cellulaire), ainsi que la première division de la méiose, permet une duplication de l'information génétique, afin que celle-ci puisse être transmise dans son intégralité aux cellules filles. La réplication de l'ADN commence par l’ouverture partielle de la molécule et la séparation des deux brins, et aboutit à la formation de deux longues molécules d’ADN en tous points semblables. Elle s'effectue selon un modèle dit semi-conservatif, dans lequel chaque brin de la double hélice engendre un brin complémentaire puis s'y associe.
La réplication est un phénomène biochimique très complexe nécessitant la participation de nombreuses enzymes dont le rôle est de dérouler le filament d'ADN, de séparer les deux brins, de synthétiser les brins complémentaires et, enfin, de reconstituer la structure native des brins fils.
Les problèmes topologiques du brin d'ADN
À l'état natif, sous sa forme spontanée au sein de la cellule, l'ADN n'est pas un simple filament. Il est enroulé autour de différentes protéines, et cette structure est elle-même organisée de façon plus complexe en solénoïde ou en superboules. Cet ADN linéaire est donc soumis à des contraintes et à des torsions importantes.
Comme les deux brins qui le constituent doivent être séparés au début de la réplication, l'ADN natif doit d'abord être libéré de ses contraintes et déroulé. Ces changements de conformation sont assurés par des enzymes, les topo-isomérases appelées également déroulases ou relaxases. Les topo-isomérases de type I agissent en coupant l'un des brins de la double hélice pour qu'il se déroule librement.
Cette réaction chimique ne nécessite pas d'énergie (sous forme d'ATP). Les topo-isomérases de type II, ou gyrases, coupent les deux brins de l'ADN. Leur action est inverse des premières, puisqu'elles réalisent des torsions de l'ADN pour relier ensuite les extrémités des brins libérés. Elles permettent de retirer d'éventuels nœuds formés au cours des différentes opérations réalisées sur la double hélice.
Le réplicon
En 1958, Matthew S. Meselson et Franklin W. Stahl réalisèrent une expérience qui confirma la structure en double hélice de l'ADN décrite par Watson et Crick en 1953 et qui, en même temps, révéla quelques propriétés fondamentales de la réplication. Ils ont, dans un premier temps, laissé une bactérie, Escherichia coli, se multiplier sur un milieu contenant l'isotope 15N de l'azote. La culture bactérienne est ensuite transférée sur un milieu contenant un autre isotope lourd, le 14N. Au cours de ces deux étapes, l'azote métabolisé est normalement entré comme constituant des bases de l'ADN. Après un temps de culture permettant l'apparition d'une nouvelle génération de bactéries, les ADN bactériens sont extraits et analysés.
On constate alors qu'il existe deux types d'ADN, caractérisés par une densité différente. Le plus lourd ne comporte que de l'isotope 15 et provient des bactéries qui se sont développées pendant la première culture. L'autre type d'ADN est issu de bactéries de première génération après changement de milieu; il est composé d'un brin à base d'azote 15 et d'un brin à base d'azote 14. Ainsi, le brin contenant l'azote 15 a servi de matrice à son complémentaire formé, lui, avec de l'azote 14, seul disponible dans le second milieu de culture. Le processus semi-conservatif de la réplication était démontré.
En 1963, les études en microscopie électronique de John Cairns sur le chromosome circulaire bactérien ont montré que la réplication débute en un point unique du chromosome. D'autres études ont ensuite montré qu'elle s'effectuait dans les deux sens à partir du point d'initiation. On doit à Huberman et Riggs d'avoir, en 1968, démonté ce mécanisme pour les chromosomes humains ; mais, chez les eucaryotes, l'opération est un peu plus complexe du fait de la longueur des chromosomes. Des examens autoradiographiques ont permis de préciser que les points d'initiation étaient multiples et autorisaient une réplication suffisamment rapide de l'ADN.
Chaque unité de réplication est appelée réplicon, et sa longueur moyenne est d'environ 20 000 à 500 000 paires de bases, soit 3 à 150 mm Si l'on considère qu'un chromosome humain a une longueur moyenne – déroulé – de 51 mm, et que la vitesse de réplication est de l'ordre de 1mm/min, l'opération complète dure moins d'une heure. Tous les réplicons du génome ne sont cependant pas initiés en même temps : on remarque, de façon constante sur les chromosomes, des zones de réplication précoces et d'autres tardives.
Le mécanisme de la réplication
Le détail de ces mécanismes a pu être connu, chez les procaryotes (bactéries) par l'étude d'un grand nombre de mutants. Dans un premier temps, les deux brins de la double hélice sont séparés localement l'un de l'autre par des enzymes appelées hélicases. Elles se fixent sur l'un des brins, le coupent et le déroulent. Les brins séparés d'ADN sont ensuite stabilisés dans cette conformation par la fixation de protéines particulières, les protéines SSB (Single Stand Binding), et rapidement tout l'ADN simple brin est recouvert par ces tétramères.
La réplication proprement dite commence par la synthèse d'un acide ribonucléique (ARN) réalisée par un complexe enzymatique appelé primosome. Celui-ci est constitué de différentes molécules, dont des protéines qui assurent la reconnaissance du site où la synthèse doit être initiée. Ensuite, l'ADN polymérase III synthétise le brin d'ADN complémentaire à partir de l'amorce d'ARN en utilisant l'un des deux brins d'ADN libre comme matrice. Les protéines SSB sont chassées au fur et à mesure de la progression de la synthèse. Deux molécules d'ADN polymérase III, enzyme complexe composée de sept sous-unités, sont associées au niveau du point de réplication permettant ainsi la duplication simultanée des deux brins de l'ADN. Les brins complémentaires sont synthétisés de façon discontinue sous la forme de petits éléments, appelés fragments d'Okasaki. À la fin de la réplication du réplicon, les amorces d'ARN sont détruites par une ARNase (une enzyme), et les lacunes ainsi formées sont comblées par la synthèse de fragments d'ADN, grâce à l'action de l'ADN polymérase I. Enfin, une enzyme ligase effectue les liaisons entre les différents fragments d'Okasaki.
Le mécanisme de la réplication est moins bien connu chez les eucaryotes. Les résultats montrent toutefois que celui-ci est relativement proche de celui observé chez les procaryotes. Les différences connues portent essentiellement sur les polymérases. L'ADN polymérase α est la principale enzyme de réplication chez les eucaryotes. Mais on connaît également des polymérases β et δ impliquées au niveau du site de réplication, ainsi qu'une polymérase γ à localisation mitochondriale.
L'intégrité de l'ADN
L'ADN est une matrice sur laquelle toutes les cellules prélèvent le plan de fabrication des différentes enzymes dont elles ont besoin pour fonctionner normalement. Il est donc indispensable pour leur survie que les informations contenue dans la double hélice soient fiables. Or de nombreuses substances ou événements sont susceptibles d'altérer sa structure. Généralement, ce phénomène est appelé mutation.
Pour pallier cet inconvénient, il existe normalement dans toute cellule des systèmes enzymatiques capables de détecter ces altérations et de les réparer. Leur principe est relativement simple. Le fragment anormal est excisé par des nucléases qui dégradent l'ADN, puis une ADN polymérase resynthétise le fragment correct. Enfin, une ligase assure la fixation covalente du brin néoformé.

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hérédité


Transmission des caractères génétiques des parents à leurs descendants.
C'est à un moine tchèque de Brno (Moravie), Gregor Mendel, qu'on doit une contribution décisive à la compréhension des mécanismes de l'hérédité. Pendant 8 ans à partir de 1856, Mendel fit des croisements entre des lignées de pois (les « pois de Mendel ») et en dégagea les lois qui portent son nom. Il présenta les résultats de ses travaux oralement en 1865, puis les publia en 1866. Mais ses résultats passèrent largement inaperçus, et c'est seulement à partir de 1900 qu’ils furent redécouverts – de façon indépendante – par trois botanistes : Hugo De Vries, Carl Correns et Erich Von Tschermak. C’est en raison de l’antériorité des découvertes de Gregor Mendel que les lois de l’hérédité sont appelées lois de Mendel.
Les expériences de Mendel
Protocole expérimental

Dans un premier temps, Mendel sélectionna des lignées de pois de race pure, c'est-à-dire des pois dont tous les descendants présentent de façon constante le même profil pour un caractère donné. Une telle plante offrait en outre quelques avantages tels qu'une culture aisée et une facilité de protection contre la fécondation par les pollens de plants non sélectionnés.
Il s'intéressa à 22 variétés de pois, et plus particulièrement à 7 caractères héréditaires : la forme des graines mûres (lisse ou ridée), leur couleur (jaune ou verte), la coloration de leur enveloppe (blanche ou grise), la forme des gousses mûres (rectiligne ou présentant des constrictions), la couleur des gousses à maturité (jaune ou verte), la position des fleurs (axiale ou apicale) et la longueur des tiges (courte ou longue).
Les expériences permettant d'analyser les règles de transmission d'un seul caractère sont aujourd'hui appelées « expériences de monohybridisme » ; les résultats les plus célèbres de Mendel concernent la transmission de la couleur et de la forme des pois.
Mendel réalisa toutes ses expériences selon un protocole rigoureusement identique : aussitôt après la formation des boutons de fleur, il coupait les étamines des plants dont il voulait contrôler la descendance pour éviter le phénomène d'autopollinisation. Pour supprimer tout risque de pollinisation croisée, il enveloppait chaque fleur dans un petit sac en papier.
Expérience sur la transmission d’un seul caractère

Lors d'une première expérience, il féconda une fleur dont le plant était issu de pois à graines lisses avec le pollen d'une fleur dont le plant donnait normalement des pois à graines ridées. Il procéda également, avec une rigueur toute scientifique, à la fécondation inverse : par dépôt du pollen de plants à graines lisses sur le pistil de fleurs provenant d'un plant à graines ridées. Les résultats étaient semblables quel que soit le sens du croisement.
Lors de la première génération (notée conventionnellement F1), tous les descendants, c'est-à-dire toutes les graines de pois produites par les plantes, avaient un aspect lisse : on dit qu'elles sont de phénotype (caractère apparent) « lisse ». Le caractère « ridé », pourtant présent chez l'un des parents, n'apparaissait chez aucun des descendants (loi d’uniformité des hybrides de première génération) ; il semblait avoir complètement disparu. Toutefois, parmi les descendants de seconde génération (F2), obtenus par croisement des plants de première génération, Mendel compta 5 474 graines lisses et 1 850 graines ridées : le caractère « ridé » était réapparu dans une proportion de 1 pour 3. Ainsi, sur quatre individus de F2, trois sont de phénotype « lisse » et un est de phénotype « ridé ». Une conclusion s'imposa alors : le caractère « ridé » devait être porté par les individus de la F1, mais il ne s'exprimait pas : il est récessif, l’autre étant dominant.
Expérience sur la transmission de deux caractères
Mendel conduisit ce type de recherches en analysant la transmission simultanée de deux caractères – la forme des pois et de leur couleur – au cours de générations successives (expériences de dihybridisme). Après croisement de pois jaunes et lisses avec des pois verts et ridés, les individus de la première génération sont tous jaunes et lisses. Ce résultat impose la constatation suivante : le caractère « jaune » et le caractère « lisse » sont tous deux dominants. Après croisement des individus de la F1, Mendel obtint toutes les combinaisons possibles entre les différents allèles, dans des proportions comparables à chaque expérience : sur 16 pois, il en compta 9 lisses et jaunes, 3 lisses et verts, 3 ridés et jaunes pour 1 vert et ridé. Le fait que, dans la F2, on trouve des pois ridés et jaunes, ainsi que des pois lisses et verts montre que les caractères « jaune » et « lisse », associé en F1, ne sont pas liés l’un à l’autre. Il en déduisit que la transmission de chacun de ces caractères se fait indépendamment (loi de ségrégation indépendante des caractères).
Les lois de transmission des caractères héréditaires
→ lois de Mendel
Les chromosomes, supports de l’hérédité
C’est Thomas Hunt Morgan et son équipe qui, entre 1910 et 1915, établissent la théorie chromosomique de l’hérédité : les gènes sont des entités physiques, constituées d’ADN et alignées sur les chromosomes, éléments du noyau cellulaire visibles à un certain stade de la mitose (division cellulaire). Après la division d'une cellule, la répartition des chromosomes dans les cellules filles se fait au hasard.
Chromosomes, autosomes et chromosomes sexuels
Chez l'être humain, le noyau de chaque cellule contient 44 chromosomes homologues (regroupés par paires), appelés chromosomes autosomes, et deux chromosomes sexuels : les chromosomes sexuels de la femme sont identiques et traditionnellement désignés par les lettres XX. Les chromosomes sexuels de l'homme sont différents et désignés par les lettres XY.
La molécule de l'hérédité
Un chromosome est constitué par deux molécules d'A.D.N. en forme d'hélice, associées à des protéines. L'A.D.N. est le support de l'hérédité. Sa molécule comporte des segments correspondant chacun à un caractère héréditaire déterminé (la couleur des yeux, par exemple). Cet élément du chromosome, porteur d'un caractère héréditaire, s'appelle un gène. Chaque chromosome contient plusieurs milliers de gènes. Toutes les cellules d'un même organisme contiennent exactement les mêmes gènes car elles sont issues d'une même cellule qui provient de la réunion d'un ovule et d'un spermatozoïde lors de la fécondation.
Dominance et récessivité
Selon les lois de l'hérédité, un caractère génétique est dominant ou récessif.
Un caractère dominant (tel le caractère « yeux bruns ») se manifeste chez l'enfant même s'il n'est transmis que par un seul des deux parents. Il s'exprime même s'il existe un autre caractère (« yeux bleus ») sur le chromosome homologue.
Un caractère récessif (le caractère « yeux bleus », par exemple) doit être transmis par les deux parents pour se manifester chez l'enfant. Il ne peut s'exprimer que s'il est porté par les deux gènes homologues.
L'hybridation réalisée par Johann Mendel entre des variétés de pois illustre cette différence : le croisement entre pois lisses et pois ridés donne toujours à la première génération (F1) des pois lisses exclusivement. Ce n'est qu'à la deuxième génération (F2) que le caractère ridé réapparaît. Le caractère lisse est un caractère dominant, le caractère ridé, un caractère récessif.
Chaque gène est présent chez un individu en deux exemplaires (un sur chacun des deux chromosomes homologues d’une paire). De plus, chaque gène existe en plusieurs versions, appelées allèles . Lorsque, pour un caractère donné, un allèle récessif et un allèle dominant sont présents, seul l’allèle dominant est en mesure de s'exprimer. Mais lorsque la fécondation met en présence deux allèles récessifs, c'est le caractère récessif qui s'exprime.
Des expériences comparables à celles de Mendel sur le pois ont été réalisées avec des fleurs, les belles-de-nuit, et ont permis d'observer l'apparition d'un caractère intermédiaire en F1, qui se maintient en F2.
Si l'on croise, comme dans les expériences précédentes, les individus de variétés pures de belles-de-nuit à fleurs blanches et à fleurs rouges, tous les descendants de F1 sont roses : le caractère blanc et le caractère rouge s’expriment tous les deux, à part égale. On dit que ces caractères sont codominants.
Des expériences menées sur les capacités d'expression d'un grand nombre de gènes différents ont montré que tous les degrés d'expression, de la dominance complète à la récessivité absolue, peuvent être rencontrés.
Hétérozygotie et monozygotie
Lorsque, pour un caractère donné, un individu est porteur des deux allèles différents du même gène, il est dit hétérozygote pour ce gène ; lorsqu'il est porteur de deux allèles identiques, il est dit homozygote pour ce gène. Un individu peut être homozygote pour un gène et hétérozygote pour un autre ; toutes les combinaisons sont possibles pour chacun des gènes de chaque espèce (qui se comptent par milliers, voire dizaines de milliers [le génome humain renferme ainsi quelque 30 000 gènes]).
La détermination du sexe
C’est en 1905 que deux chercheurs, Edmond Wilson et Nettie Stevens, travaillant chacun sur un insecte, firent – indépendamment – la découverte de l’existence d’une différence morphologique majeure dans deux chromosomes qu’ils attribuent à la détermination du sexe : la femelle possède deux chromosomes en forme de X, alors que le mâle n'en possède qu'un ; en revanche, il possède un chromosome unique (non apparié) qui n'a pas d'équivalent chez la femelle et qui a la forme d'un Y (ainsi, chez de nombreuses espèces, dont l’homme, la femelle est XX, et le mâle XY).
Reproduction des cellules
Les cellules de notre corps, comme les êtres vivants les plus simples, telles les bactéries, se reproduisent par division cellulaire. Mais le mécanisme de la division n'est pas le même pour les cellules sexuelles que pour les autres cellules de l'organisme.
Une cellule mère non sexuelle se divise selon un processus appelé mitose et donne ainsi naissance à deux cellules filles qui ont un nombre de chromosomes et de gènes identique à celui de la cellule mère.
La cellule sexuelle, ou gamète, résulte d'un processus de division particulier, la méiose. Celle-ci, qui ne se produit que dans les ovaires et les testicules, conduit à la formation de cellules qui ne contiennent chacune que la moitié du matériel génétique présent dans les autres cellules, soit 23 chromosomes, dont un chromosome sexuel : X pour l'ovule, X ou Y pour le spermatozoïde.
La rencontre d'un ovule et d'un spermatozoïde lors de la fécondation forme une cellule qui contient à nouveau 46 chromosomes, 23 provenant du père et 23 de la mère. Les deux chromosomes sexuels seront soit XX (une fille), soit XY (un garçon).
Hérédité autosomique et hérédité liée au sexe

Certains caractères et certaines maladies peuvent être transmis par les parents aux enfants soit par les chromosomes non sexuels, ou autosomes – on parle alors d'hérédité autosomique –, soit par les chromosomes sexuels : on parle alors d'hérédité liée au sexe.
Le principe de l'hérédité autosomique d'un caractère dominant se manifeste par exemple dans la syndactylie, malformation héréditaire à transmission autosomique qui se manifeste chez un sujet par la fusion de doigts ou d'orteils. Le gène D porteur du caractère « syndactylie » est dominant. Lors de la fécondation, selon le spermatozoïde et l'ovule en présence, les chromosomes concernés, pouvant chacun porter le gène D ou le gène d (récessif), se réunissent selon une combinaison donnée parmi quatre possibilités : gène D du père et gène D de la mère (DD), gène D du père et gène d de la mère (Dd) ; gène D de la mère et gène d du père (Dd), gène d de la mère et gène d du père (dd). Seul le descendant présentant l'association dd ne porte pas le gène D de la maladie. La syndactylie des parents se retrouvera chez trois descendants sur quatre, ce qui prouve qu'il suffit d'un seul gène D dans le chromosome pour que l'anomalie s'exprime chez l'individu.
Le principe de l'hérédité liée au sexe peut être illustré par l'hémophilie.
X et Y sont les chromosomes sexuels sains transmis à un garçon. Le chromosome x' est le chromosome sexuel porteur du gène récessif de l'hémophilie.
Lors de la fécondation, selon le spermatozoïde et l'ovule en présence, les chromosomes sexuels associés formeront l'une des quatre combinaisons possibles suivantes : chromosome X du père et chromosome x' de la mère (Xx') ; chromosome X du père et chromosome X de la mère (XX) ; chromosome x' de la mère et chromosome Y du père (x'Y) ; chromosome X de la mère et chromosome Y du père (XY).
Seuls les descendants ayant les chromosomes XX (femme saine) et XY (homme sain) ne sont pas porteurs de la maladie. Le gène de l'hémophilie est présent chez les descendants Xx' et x'Y, qui peuvent le transmettre. Cependant, sauf de très rares exceptions, la maladie ne se développera pas chez le sujet Xx' (une femme porteuse de l'hémophilie), car le chromosome x', récessif et porteur de la maladie, ne pourra s'exprimer en présence d'un chromosome homologue X sain. En revanche, le sujet x'Y (un homme hémophile) développera la maladie : les deux chromosomes homologues étant des chromosomes sexuels ne portant pas le même caractère, l'un ne peut empêcher l'autre de s'exprimer.
Les maladies héréditaires
Les maladies héréditaires sont dues à la mutation d'un gène, c'est-à-dire à l'altération de l'information qu'il porte. Cette information regroupe les instructions qui définissent l'élaboration et le rôle d'une protéine. Lorsque le gène mute, la protéine élaborée est modifiée, elle s'écarte de sa fonction normale ou ne peut pas jouer son rôle, ce qui cause une pathologie particulière tranmissible de génération en génération.
Victor Almon Mac Kusick, généticien américain né en 1923, a répertorié plus de 5 000 maladies génétiques.

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Un souffle de vie dans l’enfer de Dallol

12.10.2016, par Grégory Fléchet
Dallol, formations hydrothermales Le site éthiopien de Dallol est façonné par les remontées d'eaux chaudes du système hydrothermal.
 O.GRUNEWALD

En janvier, des scientifiques partaient en mission sur le site hydrothermal de Dallol, dans le nord de l’Éthiopie. Contre toute attente, ils ont découvert des traces de vie dans cet environnement extrême. Retour sur cette expédition à l’occasion de la diffusion d’un documentaire diffusé dimanche prochain.
Découvrir pour la première fois le site de Dallol, c’est un peu comme débarquer sur une autre planète : sources chaudes acides, concrétions soufrées d’un vert phosphorescent, geysers d’où s’échappent des vapeurs de gaz toxique, mares saumâtres composent cet environnement unique au monde. Situé au nord-est de l’Éthiopie, à quelques kilomètres de la frontière avec l'Érythrée, Dallol s’apparente à un dôme d’une quinzaine de kilomètres carrés façonné par les remontées d'eaux chaudes du système hydrothermal. Le site repose en outre sur une couche de sel de 2 000 mètres d’épaisseur en plein cœur de la dépression Danakil, région parmi les plus chaudes et arides de la planète. Difficile d’imaginer que la vie a pu élire domicile en un lieu aussi inhospitalier. C’est ce qu’est pourtant parvenue à démontrer pour la première fois une équipe de scientifiques internationale1.

Des records de salinité, d'acidité et de température

En janvier 2016, ce groupe constitué de microbiologistes, de géologues et de cristallographes arpente le site deux semaines durant2. Leur objectif : prélever un maximum d’échantillons (eaux salées, fluides hydrothermaux et acides, encroutements, etc.) et mesurer les paramètres physico-chimiques dans les vasques et les geysers qui jalonnent le site. Très vite, les scientifiques sont frappés par les niveaux de saturation en sel relevés. Dans certaines mares saumâtres il avoisine les 50 %, soit un taux de salinité deux fois plus élevé que celui de la mer Morte. Il en va de même du pH qui bat ici tous les records d’acidité, et de la température qui dépasse régulièrement les 100°C à la sortie des geysers.

Collecte d'échantillons par les scientifiques (ici, Purificación López-García et Ludwig Jardillier). Certaines mares affichent un taux de salinité deux fois plus élevé que celui de la mer Morte.
 O.GRUNEWALD

« Le caractère exceptionnel de Dallol tient en grande partie à la coexistence de ces trois paramètres extrêmes au sein d’un même environnement », souligne Purificación López-García, directrice de recherche CNRS au laboratoire Écologie, systématique et évolution3 d’Orsay et coordinatrice de la mission avec David Moreira, également directeur de recherche au CNRS et membre de son équipe. Pour cette spécialiste des micro-organismes des milieux extrêmes, Dallol pourrait aussi constituer un milieu analogue aux environnements présents sur Terre il y a plus de 3,5 milliards d’années, lorsque la vie fit son apparition : « Dallol fait en quelque sorte figure de modèle scientifique à ciel ouvert pour comprendre le fonctionnement de notre planète à une époque où la géologie dominait encore la biologie. »

Les investigations se poursuivent en laboratoire

De retour à l’université Paris-Sud d’Orsay, la biologiste se consacre immédiatement à l’étude des nombreux prélèvements ramenés d’Éthiopie. Les premières analyses révèlent la présence de micro-organismes dans certains d’entre eux. Grâce au microscope électronique, les scientifiques parviennent par ailleurs à repérer de très petites cellules dans quelques échantillons. Il s'agit d'archées, organismes unicellulaires qui ressemblent aux bactéries sur le plan morphologique, dont une bonne partie affectionne les milieux extrêmes comme les sources hydrothermales des dorsales océaniques. « La taille étonnamment réduite des cellules d’archées que nous avons identifiées dans nos prélèvements est sans doute la conséquence d’une adaptation à un milieu très pauvre en ressources énergétiques », précise Purificación López-García.


Parallèlement à ces observations, les chercheurs réussissent à cultiver une poignée de micro-organismes en laboratoire. Ils parviennent ainsi à démontrer que l’une des archées identifiées est capable de se développer dans un milieu à la fois sursaturé en sel et très acide. Ce résultat surprenant est pourtant loin de refléter la diversité du bestiaire microscopique de Dallol, la plupart des organismes unicellulaires étant en effet résistants à la culture in vitro. « D’autres études, toujours en cours, reposant à la fois sur l'analyse de gènes permettant de discriminer chaque espèce de bactérie ou d’archée et sur celle de leurs génomes, vont nous permettre de mesurer cette diversité et de déterminer les adaptations moléculaires développées par chacun de ces organismes », détaille la chercheuse du CNRS. Les premières conclusions de cette analyse d'ADN environnemental attestent d’ores et déjà que certains des micro-organismes découverts à Dallol sont très proches, sur le plan génétique, de ceux vivant dans les saumures au voisinage des sources chaudes localisées au fond de la mer Rouge et de la Méditerranée. « Cela renforce l’hypothèse très répandue selon laquelle des conditions physico-chimiques comparables conduisent à des adaptations similaires de la part des micro-organismes », assure Purificación López-García.

Un site géologique vivant mais menacé

Si la présence de la vie à Dallol ne fait aujourd’hui plus aucun doute, le site hydrothermal est loin d’avoir dévoilé tous ses secrets. Une nouvelle expédition pourrait d’ailleurs être organisée dans les prochains mois afin de réaliser des prélèvements dans les secteurs encore inexplorés du dôme. Les chercheurs comptent également pratiquer des analyses isotopiques sur des fluides enrichis en hydrocarbures qui les ont particulièrement intrigués lors de leur première visite « Nous voulons vérifier si cette matière organique est entièrement d'origine biologique ou si une partie est au contraire issue de l'activité hydrothermale, explique Purificación López-García. Auquel cas, l'environnement de Dallol présenterait également un intérêt pour explorer les conditions possibles de l'apparition de la vie sur Terre. »

Dallol, formations hydrothermales La poussière de soufre contenue dans le sol s'échauffe parfois et décharge ces flammes bleues caractéristiques.
 O.GRUNEWALD
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Retourner au plus vite à Dallol c’est aussi le souhait du réalisateur Olivier Grunewald. Pour ce photographe passionné de volcanologie, à l’initiative de la mission de janvier 2016, il y a urgence à mieux connaître et protéger ce site exceptionnel. « Nous avons réalisé ce documentaire pour faire connaître Dallol du grand public mais aussi pour interpeller les autorités éthiopiennes sur la nécessité de le protéger alors qu’un projet d’exploitation de la potasse, présente en abondance dans le sous-sol de la région, est en passe de voir le jour. » Les scientifiques redoutent en effet que l’extraction à grande échelle de ce minerai perturbe le fonctionnement du système hydrothermal de Dallol et finisse par conduire à son asséchement. Pour éviter que ce site unique au monde ne disparaisse, Olivier Grunewald et l’équipe de chercheurs réunie autour de Purificación López-García veulent désormais convaincre le gouvernement éthiopien de proposer son classement au Patrimoine mondial de l'Unesco.

   

A voir : Le documentaire « Dallol, aux frontières de la vie », réalisé par Olivier Grunewald (Production Camera Lucida/ Ushuaïa TV, CNRS Images), sera.diffusé sur Ushuaïa TV, dimanche 16 octobre 2016 à 20h40. Voici la bonne-annonce de ce film :




Notes
1. Outre des chercheurs du laboratoire Ecologie, Systématique et Evolution, la mission a réuni des scientifiques du laboratoire d’études cristallographiques de l’Université de Grenade, de l’Institut géologique et minéral d’Espagne, de l’Université autonome de Madrid et de l’institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie de Paris (CNRS/Université Pierre et Marie Curie/MNHN/IRD).
2. Le projet a été financé par la Fondation Iris dont l’objectif est de promouvoir la préservation de l’environnement
3. Unité CNRS/Université Paris-Sud /AgroParisTech

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La biologie de synthèse face à la complexité du vivant

La complexité du vivant, perçue comme verrou pour la biologie de synthèse, suscite des points de vue différents entre les chercheurs.
In EnglishPar Pascale Mollier, rapport OPECST de février 2012 MIS À JOUR LE 08/12/2014PUBLIÉ LE 10/10/2014 MOTS-CLÉS : BIOTECHNOLOGIE - GENOME - SOCIOLOGIE - SCIENCES SOCIALES - BIOLOGIE DE SYNTHÈSE
Robot de la plateforme de clonage-phénotypage haut débit de l'unité Métagenopolis et MICALIS.. © Inra, NICOLAS Bertrand
© Inra, NICOLAS Bertrand
Quelques données permettent de mesurer la complexité du système cellulaire humain : environ 23 000 gènes, six transcrits par gène, exprimés différemment selon les fonctions de la cellule, 60 000 milliards de cellules, des centaines de milliers d’interactions qui se déroulent dans chacune d’elles (1).
Emergence et orthogonalité
La complexité du vivant induit la notion d’émergence, qui caractérise les systèmes vivants. C’est-à-dire que le passage d’une échelle à l’autre, celle des molécules à celles des cellules par exemple, fait apparaître des propriétés nouvelles et inattendues, qui empêchent de manipuler un système complexe de manière prévisible.
A l’opposé de la notion d’émergence, se trouve la notion d’orthogonalité, qui provient de l’informatique. Cette dernière désigne la propriété que possède un système de ne pas être affecté par la modification d’un de ses composants. Par exemple, ajuster le rétroviseur d’une voiture n’affecte pas la conduite. Appliquée au vivant, cette notion le décrit, au moins de façon provisoire ou partielle, comme un ensemble de sous-systèmes autonomes disjoints. Une vision qui s’oppose, selon certains biologistes, aux disciplines en « omiques » (génomique, transcriptomique, protéomique, métabolomique), qui véhiculent l’idée que le vivant serait un système d’interactions complexes.
La biologie de synthèse, qui intègre la notion d’orthogonalité, se distingue des disciplines en « omiques » et affirme ainsi son identité scientifique originale.
« Je déteste les propriétés émergentes »
 Drew Endy, un des leaders du domaine, est certainement, parmi les ingénieurs, celui qui a contesté le plus vivement le recours à la notion de complexité du vivant comme facteur limitatif de l’évolution et de la pertinence même des recherches en biologie de synthèse. Il déclare en 2008 : « Je déteste les propriétés émergentes. J’aime la simplicité. Je ne veux pas que l’avion que je vais prendre demain révèle des propriétés émergentes durant son vol. »(2). Il écrit également en 2011 (3) : « Nous nous lançons avec cette idée naïve que nous pourrions mettre en œuvre une hiérarchie de l’abstraction (4) nous permettant de gérer la complexité des systèmes biologiques. Le but serait qu'un opérateur puisse associer E. coli à une odeur (5), sans qu'il lui soit nécessaire de savoir que l’ADN est constitué de 4, 6 ou 8 paires de bases, ni de connaître les modalités selon lesquelles on peut le synthétiser. » Dans cette mouvance, les chercheurs s’intéressent de plus en plus au contrôle et à la régulation, notamment via l’ARN, principalement pour contrôler l’influence des processus biologiques émergents. Les articles les plus cités dans ce domaine émanent de chercheurs appartenant à des institutions fondées ou dirigées par Drew Endy, dont le credo est « To make biology easier to engineer ».
 La complexité : un défi réel qui n’empêche pas les progrès de la recherche
Le National Research Council (6) pointe l’importance d’acquérir de nouvelles connaissances. Il rappelle qu’au moins un quart des gènes identifiés dans les génomes bactériens sont hypothétiques ou de fonctions inconnues. Son rapport de 2010 relève que : « la communauté scientifique n’a pas les connaissances suffisantes pour créer une nouvelle forme de vie qui soit viable, ni même un virus ». Un autre article récent (7) analyse les difficultés actuelles à anticiper le fonctionnement des organismes synthétiques. Dans son rapport de 2014, le Comité d’éthique de la recherche agronomique, quant à lui, préconise « de renoncer à tout triomphalisme affirmant que le vivant peut être rendu calculable et prédictible par abstraction du contexte évolutif qui lui a donné naissance.» Le Comité d’éthique souligne cependant que de nouvelles approches combinent la démarche d’ingénierie avec la sélection naturelle, en soumettant les organismes porteurs de génomes synthétiques à la sélection par le milieu (8) : « certaines équipes en biologie de synthèse sont d’ores et déjà engagées dans le développement d’outils – de type “haut débit” - combinant avec une grande efficacité mutations et sélections, amplifiant et accélérant la production d’organismes porteurs de génomes synthétiques hautement adaptés à des milieux choisis. »
 Ainsi, que ce soit en biologie moléculaire ou en biologie de synthèse, la notion de complexité ne décourage pas les chercheurs qui produisent des connaissances génériques même s’ils ne sont pas encore parvenus à synthétiser un organisme entier. Grâce à la construction de circuits génétiques simples, les biologistes de synthèse ont progressé dans la programmation du comportement cellulaire et sont parvenus à une meilleure compréhension des principes gouvernant le fonctionnement des réseaux naturels.
 
(1) Exposé de Marie Montus, du Généthon d’Evry, lors du «Colloque sur la biologie intégrative : une nouvelle lecture des pathologie », Les Transversales santé, 18 septembre 2007
(2) Interview sur le site d’Edge – The third Culture, 2008.
(3) Drew Endy, «Building a New Biology», Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, T.14, fascicule 4, 2011,
(4) Cette notion reflète l’assemblage de systèmes complexes non biologiques à partir de sous-systèmes orthogonaux.
(5) Drew Endy mentionne précédemment dans l'article des expériences d'insertion d'ADN conduisant la bactérie E. coli à dégager une odeur de banane ou de menthe.
(6) Le National Research Council est une institution qui rassemble les académies nationales des États-Unis. Son rapport de 2010 est intitulé : Sequence Based Classification of Select Agents.
(7) Cardinale, S. and Arkin, A. P. (2012). Contextualizing context for synthetic biology - identifying causes of failure of synthetic biological systems.Biotechnology journal,7(7),856-66. doi:10.1002/biot.201200085.
(8) D’après Ferry, M. S., Hasty, J. & Cookson, N. A. (2012). Synthetic biology approaches to biofuel production.Biofuels,3(1),9-12. BioCircuits Institute, University of California, San Diego, CA, United States.
LE STATUT DU VIVANT
Le vivant artificiel est-il encore du vivant ? Ne risquons-nous pas d’être envahis par des êtres artificiels qui se font passer pour du vivant, mais n’en sont pas ? Selon la pensée de Descartes, les organismes vivants synthétiques appartiennent à la même catégorie d’êtres que les produits de l’évolution biologique : nous ne produisons pas une nouvelle nature. La distinction entre l’artificiel et le naturel se situerait dans la finalité. Finalité intrinsèque pour les organismes naturels, qui ont la propriété de matérialiser leurs fins propres (croître, s’adapter, se reproduire, etc.), finalité extrinsèque pour les organismes synthétiques, entièrement contrôlés par la volonté humaine. En arrachant ainsi des êtres vivants à leur histoire propre, pour les incorporer dans la seule histoire humaine, la biologie de synthèse se distingue de la domestication et de l’amélioration génétique, qui introduit dans les sociétés humaines des organismes porteurs de leur histoire propre.
 D’après l’Avis du Comité d’éthique pour la recherche agronomique, janvier 2014.

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