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
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.
