14.1 Fondement historique de la compréhension moderne
Objectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :
- Expliquer le principe de transformation de l’ADN
- Décrire les expériences clés qui ont permis d’identifier que l’ADN est le matériel génétique
- Énoncer et expliquer les règles de Chargaff
Notre compréhension actuelle de l’ADN a commencé avec la découverte des acides nucléiques, suivie du développement du modèle à double hélice. Dans les années 1860, Friedrich Miescher (Figure 14.2), médecin de profession, a isolé des produits chimiques riches en phosphate à partir de globules blancs (leucocytes). Il a nommé ces produits chimiques (qui seraient finalement connus sous le nom d’ADN) nucléine parce qu’ils étaient isolés des noyaux des cellules.
Un demi-siècle plus tard, en 1928, le bactériologiste britannique Frederick Griffith a fait rapport de la première démonstration de la transformation bactérienne – un processus dans lequel l’ADN externe est absorbé par une cellule, modifiant ainsi sa morphologie et sa physiologie. Griffith a mené ses expériences avec Streptococcus pneumoniae, une bactérie qui cause la pneumonie. Griffith a travaillé avec deux souches de cette bactérie appelées rugueuse (R) et lisse (S). (Les deux types de cellules ont été appelés « rugueuse » et « lisse » après l’apparition de leurs colonies cultivées sur une plaque de gélose nutritive.)
La souche R est non pathogène (ne cause pas de maladie). La souche S est pathogène (causant la maladie) et possède une capsule à l’extérieur de sa paroi cellulaire. La capsule permet à la cellule d’échapper aux réponses immunitaires de la souris hôte.
Lorsque Griffith a injecté la souche S vivante à des souris, elles sont mortes d’une pneumonie. En revanche, lorsque Griffith a injecté la souche R vivante à des souris, elles ont survécu. Dans une autre expérience, lorsqu’il a injecté à des souris la souche S tuée par la chaleur, elles ont également survécu. Cette expérience a montré que la capsule seule n’était pas la cause de la mort. Dans une troisième série d’expériences, un mélange de souche R vivante et de souche S tuée par la chaleur a été injecté à des souris et, à sa grande surprise, les souris sont mortes. En isolant les bactéries vivantes de la souris morte, seule la souche S de la bactérie a été récupérée. Lorsque cette souche S isolée a été injectée à des souris fraîches, les souris sont mortes. Griffith a conclu que quelque chose était passé de la souche S tuée par la chaleur à la souche R vivante et l’avait transformée en souche S pathogène. Il a appelé cela le principe transformant (Figure 14.3). Ces expériences sont maintenant connues sous le nom d’expériences de transformation de Griffith.
Les scientifiques Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty (1944) souhaitaient approfondir ce principe transformateur. Ils ont isolé la souche S des souris mortes et isolé les protéines et les acides nucléiques (ARN et ADN), car ils étaient des candidats possibles pour la molécule de l’hérédité. Ils ont utilisé des enzymes qui ont spécifiquement dégradé chaque composant, puis ont utilisé chaque mélange séparément pour transformer la souche R. Ils ont constaté que lorsque l’ADN était dégradé, le mélange résultant n’était plus capable de transformer les bactéries, alors que toutes les autres combinaisons étaient capables de transformer les bactéries. Cela les a amenés à conclure que l’ADN était le principe transformant.
CONNEXIONS CARRIÈRES
Scientifique de la médecine légale
Les scientifiques médico-légaux ont utilisé des preuves d’analyse ADN pour la première fois pour résoudre une affaire d’immigration. L’histoire a commencé avec un adolescent revenant du Ghana à Londres pour être avec sa mère. Les autorités de l’immigration à l’aéroport se méfiaient de lui, pensant qu’il voyageait avec un faux passeport. Après beaucoup de persuasion, il fut autorisé à aller vivre avec sa mère, mais les autorités de l’immigration n’ont pas abandonné les poursuites contre lui. Tous les types de preuves, y compris des photographies, ont été fournies aux autorités, mais une procédure d’expulsion a néanmoins été engagée. À peu près à la même époque, le Docteur Alec Jeffreys de l’Université de Leicester au Royaume-Uni avait inventé une technique connue sous le nom d’empreinte génétique. Les autorités de l’immigration ont approché le Docteur Jeffreys pour obtenir de l’aide. Il a prélevé des échantillons d’ADN de la mère et de trois de ses enfants, ainsi que d’une mère sans lien de parenté, et a comparé les échantillons avec l’ADN du garçon. Comme le père biologique n’était pas présent, l’ADN des trois enfants a été comparé à l’ADN du garçon. Le Docteur Jeffreys a trouvé une correspondance entre l’ADN du garçon et celui de la mère et des trois frères et sœurs. Il a conclu que le garçon était bien le fils de la mère.
Les scientifiques médico-légaux analysent de nombreux objets, notamment des documents, de l’écriture, des armes à feu et des échantillons biologiques. Ils analysent le contenu en ADN des cheveux, du sperme, de la salive et du sang, et le comparent à une base de données de profils ADN de criminels connus. L’analyse comprend l’isolement de l’ADN, le séquençage et l’analyse des séquences. Les scientifiques médico-légaux doivent comparaître aux audiences du tribunal pour présenter leurs conclusions. Ils sont généralement employés dans les laboratoires criminels des agences gouvernementales de la ville et de l’État. Les généticiens qui développent les techniques de l’ADN travaillent également pour des organisations scientifiques et de recherche, des industries pharmaceutiques et des laboratoires collégiaux et universitaires. Les étudiants souhaitant poursuivre une carrière de médecin légiste doivent avoir au moins un baccalauréat en chimie, biologie ou physique, et de préférence une certaine expérience de travail en laboratoire.
Bien que les expériences d’Avery, McCarty et McLeod aient démontré que l’ADN était la composante informationnelle transférée lors de la transformation, l’ADN était toujours considéré comme une molécule trop simple pour transporter de l’information biologique. Les protéines, avec leurs 20 acides aminés différents, ont été considérées comme des candidats plus probables. L’expérience décisive, menée par Martha Chase et Alfred Hershey en 1952, a fourni des preuves confirmatives que l’ADN était bien le matériel génétique et non les protéines. Chase et Hershey étudiaient un bactériophage, un virus qui infecte les bactéries. Les virus ont généralement une structure simple : une enveloppe protéique, appelée capside, et un noyau d’acide nucléique qui contient le matériel génétique (ADN ou ARN). Le bactériophage infecte la cellule bactérienne hôte en se fixant à sa surface, puis il injecte ses acides nucléiques à l’intérieur de la cellule. L’ADN du phage fait de multiples copies de lui-même en utilisant la machinerie hôte, et finalement la cellule hôte éclate, libérant un grand nombre de bactériophages. Hershey et Chase ont sélectionné des éléments radioactifs afin de distinguer spécifiquement les protéines de l’ADN des cellules infectées. Ils ont marqué un lot de phage avec du soufre radioactif, 35S, pour marquer l’enveloppe protéique. Un autre lot de phages a été marqué au phosphore radioactif, 32P. Parce que le phosphore se trouve dans l’ADN, mais pas dans les protéines, l’ADN et non la protéine serait marqué avec du phosphore radioactif. De même, le soufre est absent de l’ADN, mais présent dans plusieurs acides aminés tels que la méthionine et la cystéine.
Chaque lot de phages a été utilisé pour infecter les cellules séparément. Après l’infection, la suspension bactérienne de phage a été mise dans un mélangeur, ce qui a provoqué le détachement de la couche de phage de la cellule hôte. Les cellules exposées suffisamment longtemps pour que l’infection se produise ont ensuite été examinées pour voir laquelle des deux molécules radioactives était entrée dans la cellule. La suspension de phages et de bactéries a été centrifugé. Les cellules bactériennes, plus lourdes, se sont déposées et ont formé un culot, tandis que les particules de phages, plus légères, sont restées dans le surnageant. Dans le tube qui contenait le phage marqué 35S, le surnageant contenait le phage marqué radioactivement, alors qu’aucune radioactivité n’a été détectée dans le culot. Dans le tube qui contenait le phage marqué 32P, la radioactivité a été détectée dans le culot contenant les cellules bactériennes, et aucune radioactivité n’a été détectée dans le surnageant. Hershey et Chase ont conclu que c’était l’ADN du phage qui était injecté dans la cellule et contenait l’information pour produire plus de particules de phage, fournissant ainsi la preuve que l’ADN était le matériel génétique et non les protéines (Figure 14.4).
À peu près à la même époque, le biochimiste autrichien Erwin Chargaff a examiné le contenu de l’ADN chez différentes espèces et a constaté que les quantités d’adénine, de thymine, de guanine et de cytosine n’étaient pas trouvées en quantités égales, et que les concentrations relatives des quatre bases nucléotidiques variaient d’une espèce à l’autre, mais pas dans les tissus d’un même individu ou entre des individus de la même espèce. Il a également découvert quelque chose d’inattendu : Que la quantité d’adénine était égale à la quantité de thymine, et la quantité de cytosine était égale à la quantité de guanine (c’est-à-dire A = T et G = C). Différentes espèces avaient des quantités égales de purines (A+G) et de pyrimidines (T+C), mais des rapports différents de A+T et G+C. Ces observations sont devenues connues sous le nom de règles de Chargaff. Les découvertes de Chargaff se sont avérées extrêmement utiles lorsque Watson et Crick se préparaient à proposer leur modèle d’ADN à double hélice! Après avoir lu les dernières pages, vous pouvez constater que la science s’appuie sur des découvertes antérieures, parfois dans un processus lent et laborieux.
