Le génome remplit deux fonctions majeures : le stockage et la reproduction de l'information, et son expression régulée. La vie repose donc sur un équilibre fragile entre stabilité et modification des gènes, un conservatisme absolu comme des mutations excessives étant également nuisibles. Ce chapitre traite les lésions de l'ADN et leurs agents, les types de mutations géniques et leurs conséquences, les systèmes de réparation, puis la recombinaison homologue et la transposition.
1. Les lésions de l'ADN et leurs agents
L'intégrité du matériel génétique est continuellement remise en cause par des agents génotoxiques. Les agents exogènes comprennent les rayonnements ultraviolets et ionisants, les cancérogènes chimiques et certains médicaments antitumoraux ; les agents endogènes tiennent à l'instabilité chimique des bases nucléiques (dépurination, désamination spontanée) et aux radicaux libres produits par le métabolisme énergétique. S'y ajoutent les erreurs de réplication et les accidents de recombinaison. On estime que chaque cellule de l'organisme subit chaque jour de l'ordre de 1 000 à 10 000 lésions de son ADN.
Les principaux types de lésions sont les bases modifiées (oxydation en 8-oxoguanine, alkylation, désamination de la cytosine en uracile), les sites abasiques, les dimères de pyrimidines induits par les UV, les pontages intra- ou interbrins et les cassures simple ou double brin. Si les mécanismes de réparation ne rétablissent pas l'intégrité de la molécule avant la réplication, la lésion est fixée en mutation, potentiellement à l'origine de maladies génétiques et de cancers.
2. Les mutations géniques et leurs conséquences
Le terme mutation génique désigne tout changement intervenu dans la séquence de l'ADN, sans préjuger de sa pathogénicité ; on parle aussi de variant, et les variations non pathogènes sont appelées polymorphismes. On oppose les mutations germinales ou constitutionnelles, présentes dans les gamètes et donc transmissibles, aux mutations somatiques ou acquises, limitées à un clone cellulaire et non transmises à la descendance. La fréquence des mutations est faible : chez l'Homme, de 10−4 à 10−8 par gène et par génération, pour une valeur moyenne voisine de 10−6. Elle croît avec la taille du gène et la présence de points chauds, et augmente sous l'action des agents mutagènes ; la position d'une mutation, elle, est aléatoire.
On classe les mutations selon leur nature moléculaire. Les substitutions remplacent une base par une autre : transition entre bases de même type (purine/purine ou pyrimidine/pyrimidine), transversion entre types différents. Leurs conséquences dépendent de la position : mutation silencieuse quand le codon modifié code le même acide aminé (dégénérescence du code) ; mutation faux-sens quand l'acide aminé change, comme dans la drépanocytose où un acide glutamique est remplacé par une valine en position 6 de la chaîne bêta de l'hémoglobine ; mutation non-sens quand apparaît un codon stop, d'où une protéine tronquée. Les insertions et délétions d'un nombre de nucléotides non multiple de trois provoquent un décalage du cadre de lecture (frameshift), aux conséquences généralement sévères. Il faut y ajouter les mutations des sites d'épissage, celles des séquences régulatrices et les expansions de triplets répétés, à l'origine de maladies à anticipation comme la chorée de Huntington ou le syndrome de l'X fragile.
3. Les systèmes de réparation de l'ADN
La cellule dispose d'une machinerie enzymatique qui corrige la plupart des anomalies avant la première mitose ; c'est l'échappement à ces systèmes qui produit les mutations. La réversion directe corrige la lésion sans excision : photolyase pour les dimères de pyrimidines (absente chez l'Homme), ou méthyltransférase MGMT qui retire un groupement alkyle. La réparation par excision de base (BER) traite les bases anormales ou oxydées : une ADN glycosylase spécifique excise la base, une AP-endonucléase coupe le squelette, une ADN polymérase resynthétise et une ligase referme. La réparation par excision de nucléotides (NER) élimine un fragment d'une trentaine de nucléotides encadrant une lésion volumineuse comme un dimère de pyrimidines ; son déficit est responsable du xeroderma pigmentosum, maladie autosomique récessive associant photosensibilité extrême et cancers cutanés multiples.
La réparation des mésappariements (MMR) corrige les erreurs de la réplication ayant échappé à l'activité correctrice de l'ADN polymérase ; elle repose sur les protéines de type MutS et MutL (MSH2, MLH1 chez l'Homme) et son déficit entraîne une instabilité des microsatellites caractéristique du syndrome de Lynch, forme héréditaire de cancer colorectal. Les cassures double brin, les plus dangereuses, sont prises en charge par deux voies : la recombinaison homologue, fidèle mais qui exige une chromatide sœur comme matrice et n'opère donc qu'en phases S et G2, et la jonction d'extrémités non homologues (NHEJ), active tout au long du cycle mais infidèle car elle peut perdre quelques nucléotides. L'accumulation de lésions déclenche par ailleurs des réponses cellulaires globales : arrêt du cycle aux points de contrôle sous le contrôle de p53, ou apoptose.
4. La recombinaison homologue
La recombinaison homologue est l'échange de matériel génétique entre deux séquences d'ADN identiques ou très proches. En méiose, elle assure le crossing-over, échange équilibré entre deux portions homologues de chromosomes, qui crée de nouvelles combinaisons alléliques et permet l'appariement correct puis la ségrégation des homologues. En mitose, elle sert avant tout à la réparation fidèle des cassures double brin et au redémarrage des fourches de réplication bloquées.
Le modèle de référence fait intervenir une invasion de brin par une extrémité simple brin recouverte de protéines de type RecA chez la bactérie ou RAD51 chez l'eucaryote, la formation d'une structure croisée appelée jonction de Holliday, sa migration, puis sa résolution qui donne des produits recombinés ou non pour les régions flanquantes. Un phénomène associé est la conversion génique : transfert non réciproque d'information, un allèle « convertissant » l'autre, qui explique les écarts aux proportions mendéliennes observés dans l'analyse des tétrades. Un crossing-over inégal, entre séquences répétées mal alignées, engendre au contraire duplications et délétions : c'est un mécanisme important de création de familles multigéniques et de maladies génomiques.
5. Les éléments génétiques mobiles : les transposons
Les éléments transposables, découverts par Barbara McClintock chez le maïs, sont des séquences d'ADN capables de se déplacer dans le génome. On distingue deux classes. Les éléments de classe II, ou transposons à ADN, se déplacent selon un mécanisme « couper-coller » : ils portent des répétitions terminales inversées et codent une transposase qui reconnaît ces extrémités, excise l'élément et l'insère ailleurs, en créant à l'insertion une courte duplication du site cible. Les éléments de classe I, ou rétrotransposons, se déplacent selon un mécanisme « copier-coller » passant par un intermédiaire ARN rétrotranscrit en ADN par une transcriptase inverse : leur nombre de copies augmente donc à chaque transposition. Chez l'Homme, les principaux sont les éléments LINE-1, longs de quelques kilobases et autonomes, et les éléments Alu, courts, non autonomes et présents en très grand nombre de copies.
Leur intérêt est double. Ils sont d'abord une source de mutations : l'insertion dans un exon ou un promoteur inactive un gène, et la recombinaison entre deux copies dispersées d'un même élément provoque délétions, duplications et inversions. Ils constituent ensuite un puissant moteur d'évolution des génomes, en dispersant des séquences régulatrices, en favorisant les duplications géniques et en contribuant à la fraction répétée, très majoritaire, du génome humain. La cellule limite leur activité par la méthylation de l'ADN et des mécanismes de silencing à petits ARN. En laboratoire, ils sont utilisés comme outils de mutagenèse insertionnelle et de transgenèse.
Substitution qui remplace un acide aminé par un autre dans la protéine, comme la mutation bêta-globine responsable de la drépanocytose.
Réparation des mésappariements post-réplicatifs par les protéines MutS et MutL ; son déficit provoque une instabilité des microsatellites.
Élément mobile de classe I se déplaçant par copier-coller via un intermédiaire ARN rétrotranscrit, comme LINE-1 et Alu.
| Voie | Lésion réparée | Acteurs clés | Pathologie associée |
|---|---|---|---|
| Réversion directe | Bases alkylées | MGMT, photolyase | — |
| BER | Bases oxydées, désaminées, sites abasiques | ADN glycosylases, AP-endonucléase | Polypose associée à MUTYH |
| NER | Dimères de pyrimidines, adduits volumineux | Complexe d'excision, hélicases | Xeroderma pigmentosum |
| MMR | Mésappariements de réplication | MSH2, MLH1 | Syndrome de Lynch |
| Recombinaison homologue | Cassures double brin | RAD51, BRCA1/2 | Cancers du sein et de l'ovaire |
| NHEJ | Cassures double brin | Ku, ADN-PK, ligase IV | Déficits immunitaires |
Les grandes voies de réparation de l'ADN
- 1 000 à 10 000 lésions par cellule et par jour ; agents exogènes (UV, radiations, chimiques) et endogènes (radicaux libres, instabilité des bases).
- Mutation germinale (transmissible) vs somatique (acquise) ; variant pathogène vs polymorphisme.
- Substitution silencieuse, faux-sens, non-sens ; insertion/délétion non multiple de 3 → décalage du cadre de lecture.
- Fréquence de mutation chez l'Homme : 10⁻⁴ à 10⁻⁸ par gène et par génération, moyenne 10⁻⁶.
- Réparation : réversion directe, BER, NER (xeroderma pigmentosum), MMR (syndrome de Lynch), RH et NHEJ pour les cassures double brin.
- Recombinaison homologue = crossing-over, jonction de Holliday, RecA/RAD51 ; conversion génique = transfert non réciproque.
- Transposons de classe II (couper-coller, transposase) vs rétrotransposons de classe I (copier-coller, ARN intermédiaire, LINE-1 et Alu).
Attends-toi à un exercice de traduction : on donne une séquence d'ADN, on impose une substitution ou une délétion et l'on demande la protéine obtenue et le type de mutation. Écris systématiquement l'ARNm, repère le cadre de lecture et vérifie la présence d'un codon stop avant de conclure. Les questions de cours portent le plus souvent sur la comparaison BER / NER / MMR et sur la distinction recombinaison homologue / NHEJ : retiens le critère de fidélité et la phase du cycle. Sur les transposons, la réponse attendue tient en une phrase — classe I par ARN et copier-coller, classe II par ADN et couper-coller — suivie de leur intérêt évolutif et mutationnel.