La génétique est la science des gènes : de leur transmission (génétique formelle) et de leur nature chimique (génétique moléculaire). Ce chapitre retrace les expériences historiques qui ont démontré que l'ADN est le support de l'information héréditaire, puis décrit sa structure et sa réplication. Les questions de cours sur Griffith, Avery ou Hershey et Chase reviennent presque chaque année aux examens de S4.
1. De Mendel aux chromosomes
La génétique moderne naît en 1866 avec les travaux de Gregor Mendel sur le pois : il montre que les caractères héréditaires sont déterminés par des « facteurs » discrets, transmis des parents aux descendants et que l'on appelle aujourd'hui gènes. Trois ans plus tard, en 1869, Friedrich Miescher isole des noyaux de globules blancs un acide faible riche en phosphore, la « nucléine », qui deviendra l'acide désoxyribonucléique (ADN). Les deux pièces du puzzle, gènes et ADN, sont donc connues très tôt, mais elles ne seront réunies qu'au milieu du XXe siècle.
Entre-temps, la cytologie apporte des indices décisifs : les noyaux des gamètes fusionnent à la fécondation (années 1870), les chromosomes se répartissent de façon égale entre les cellules filles, et leur nombre est constant dans une espèce donnée (2n = 46 chez l'homme, 2n = 8 chez la drosophile). En 1902, Sutton et Boveri formulent la théorie chromosomique de l'hérédité : les gènes sont portés par les chromosomes. En 1910, Morgan l'établit expérimentalement chez la drosophile en localisant le gène white sur le chromosome X. Restait à savoir lequel des constituants du chromosome, ADN ou protéines, porte l'information ; la plupart des biologistes penchaient alors pour les protéines, jugées plus « diversifiées » que l'ADN.
2. Le principe transformant : Griffith (1928) et Avery (1944)
Frederick Griffith travaille sur le pneumocoque (Streptococcus pneumoniae). La souche S (smooth, lisse) possède une capsule polysaccharidique et tue la souris ; la souche R (rough, rugueuse), sans capsule, est inoffensive. Des bactéries S tuées par la chaleur n'ont aucun effet. En revanche, l'injection d'un mélange de S tuées et de R vivantes provoque la mort de l'animal, et l'on récupère des pneumocoques S vivants dans son sang. Les bactéries R ont donc acquis, à partir des débris de S, un « principe transformant » stable et héréditaire : c'est la transformation bactérienne. Comme la chaleur dénature les protéines, le facteur responsable n'en est probablement pas une.
En 1944, Avery, MacLeod et McCarty purifient ce facteur à partir d'extraits de souche S. Traité par des protéases ou par la ribonucléase, l'extrait reste transformant ; traité par la désoxyribonucléase (ADNase), il perd tout pouvoir transformant. Le principe transformant est donc de l'ADN : c'est la première démonstration directe de la nature chimique des gènes. La communauté scientifique reste pourtant sceptique, ce qui explique l'importance de l'expérience suivante.
3. Hershey et Chase (1952) et les règles de Chargaff
Hershey et Chase utilisent le bactériophage T2, un virus fait uniquement d'ADN et de protéines, qui infecte Escherichia coli. Ils préparent deux lots de phages : l'un dont l'ADN est marqué au phosphore 32 (32P, l'ADN contient du phosphore mais pas de soufre), l'autre dont les protéines de capside sont marquées au soufre 35 (35S, les protéines contiennent du soufre mais pas de phosphore). Après infection, une agitation au mixeur détache les capsides des bactéries, puis une centrifugation sépare les bactéries (culot) des particules virales (surnageant). Le 32P se retrouve dans le culot bactérien et dans les phages de la descendance, alors que le 35S reste dans le surnageant. Seul l'ADN viral pénètre dans la bactérie et suffit à programmer la fabrication de nouveaux phages : l'ADN est bien le matériel génétique.
Parallèlement, Erwin Chargaff (1947-1950) analyse la composition en bases de l'ADN de nombreuses espèces et tire deux conclusions : chaque espèce possède sa propre composition en bases (ce qui rend l'ADN assez variable pour coder la diversité du vivant), et dans toute molécule d'ADN la quantité d'adénine égale celle de thymine (A = T) et celle de guanine égale celle de cytosine (G = C). Ces règles de Chargaff seront la clé de l'appariement des bases dans la double hélice.
4. La double hélice de Watson et Crick (1953)
L'ADN est un polymère de nucléotides, chacun formé d'un désoxyribose, d'un groupement phosphate et d'une base azotée : deux purines (adénine A, guanine G) et deux pyrimidines (cytosine C, thymine T). Les nucléotides sont reliés par des liaisons phosphodiester entre le carbone 3' d'un sucre et le carbone 5' du suivant, ce qui donne à chaque brin une polarité 5' → 3'. En 1953, à partir des clichés de diffraction aux rayons X de Rosalind Franklin et des règles de Chargaff, Watson et Crick proposent le modèle de la double hélice : deux brins antiparallèles enroulés en hélice droite, squelette sucre-phosphate à l'extérieur, bases à l'intérieur, appariées par des liaisons hydrogène (deux entre A et T, trois entre G et C). Dans la forme B, l'hélice a un diamètre d'environ 2 nm, un pas de 3,4 nm et compte environ 10 paires de bases par tour, avec un grand et un petit sillon.
La complémentarité des brins explique à la fois la conservation de l'information (chaque brin permet de reconstituer l'autre) et sa variabilité (la séquence des bases est libre). L'ARN diffère de l'ADN par son sucre (ribose), par l'uracile qui remplace la thymine et par sa structure généralement simple brin ; il constitue le génome de certains virus seulement. Chez les procaryotes, le génome est le plus souvent un chromosome circulaire unique, parfois accompagné de plasmides ; chez les eucaryotes, l'ADN linéaire est associé aux histones pour former les nucléosomes de la chromatine, répartie sur plusieurs chromosomes.
5. La réplication semi-conservative
En 1958, Meselson et Stahl cultivent E. coli sur azote lourd (15N) puis la transfèrent sur azote léger (14N). Après une génération, tout l'ADN a une densité hybride ; après deux générations, on observe moitié d'ADN hybride, moitié d'ADN léger. Ce résultat élimine les modèles conservatif et dispersif : la réplication est semi-conservative, chaque molécule fille conservant un brin parental et un brin néoformé. La réplication débute à une origine (unique chez les bactéries, multiples chez les eucaryotes), progresse de façon bidirectionnelle grâce à l'hélicase qui ouvre la double hélice, et l'ADN polymérase ne synthétise que dans le sens 5' → 3' à partir d'une amorce d'ARN : d'où un brin continu (précoce) et un brin discontinu (tardif) fait de fragments d'Okazaki ensuite soudés par la ligase.
Substance libérée par des bactéries S mortes et capable de transformer de façon héréditaire des bactéries R en bactéries S ; Avery a montré en 1944 qu'il s'agit de l'ADN.
Unité physique et fonctionnelle de l'hérédité : segment d'ADN dont la séquence est nécessaire à la synthèse d'un polypeptide ou d'un ARN fonctionnel, occupant un locus précis sur un chromosome.
| Expérience | Année | Matériel | Conclusion |
|---|---|---|---|
| Griffith | 1928 | Pneumocoques S et R, souris | Existence d'un principe transformant héréditaire |
| Avery, MacLeod, McCarty | 1944 | Extraits de S + enzymes | Le principe transformant est l'ADN |
| Chargaff | 1947-1950 | ADN de diverses espèces | A = T et G = C ; composition propre à chaque espèce |
| Hershey et Chase | 1952 | Phage T2, 32P et 35S | Seul l'ADN viral entre dans la bactérie |
| Watson et Crick | 1953 | Diffraction RX, modèles | Double hélice antiparallèle |
| Meselson et Stahl | 1958 | E. coli, 15N / 14N | Réplication semi-conservative |
Les expériences fondatrices à connaître par cœur
- Mendel (1866) découvre les gènes, Miescher (1869) l'ADN ; la théorie chromosomique (Sutton, Boveri, Morgan) relie gènes et chromosomes.
- Griffith : S tuées + R vivantes → souris morte et pneumocoques S vivants ; Avery : seule l'ADNase détruit le principe transformant.
- Hershey et Chase : le 32P (ADN) entre dans la bactérie, le 35S (protéines) reste dehors.
- Chargaff : A = T, G = C ; Watson et Crick : deux brins antiparallèles, A-T (2 liaisons H) et G-C (3 liaisons H).
- Meselson et Stahl : réplication semi-conservative ; ADN polymérase 5' → 3', amorce d'ARN, fragments d'Okazaki.
Les examens de S4 demandent très souvent de décrire une expérience et d'en tirer la conclusion : sache redessiner le schéma de Griffith (quatre lots de souris) et expliquer pourquoi Hershey et Chase ont choisi le phosphore et le soufre. Piège classique : Avery n'a pas « découvert l'ADN » mais démontré que l'ADN est le principe transformant. Attention aussi à ne pas inverser les liaisons hydrogène (A-T : deux, G-C : trois) et à préciser que Meselson et Stahl excluent les modèles conservatif et dispersif.