Génétique

Résumé

(Vignette dans le café scientifique de Science en jeu)

La génétique est la science qui étudie l’hérédité et les gènes. Les travaux du moine autrichien Gregor Mendel (1822 - 1884) ont fondé les bases de cette science. En étudiant les pois, Mendel a en effet pu établir des principes permettant de comprendre l’hérédité de certains caractères transmis d’une génération à l’autre, par exemple : forme, couleur, etc. Plus tard, le concept de gène a été proposé pour définir les unités fondamentales de l’hérédité qui déterminent ces traits.

Notions de base

ADN et chromosomes

La génétique est la science qui étudie la transmission des caractères d’une génération à la suivante qui se fait grâce à l’ADN. L’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est une énorme molécule chimique repliée sur elle-même sous la forme d’une double hélice. L’ADN résulte en fait de la combinaison de 4 molécules chimiques appelées « bases » attachées les unes à la suite des autres, soit l’adénine (A), la thymine (T), la guanine (G) et la cytosine (C). L’enchaînement de ces bases forme un « code » qui peut être lu et traduit en protéines.

Chez les organismes complexes, l’ADN se trouve dans des chromosomes eux-mêmes situés dans le noyau des cellules. Le nombre de chromosomes varie d’une espèce à l’autre. On en trouve, par exemple, 23 paires chez l’être humain, 39 paires chez la poule et 4 paires chez la mouche à fruits. Sur les chromosomes se trouvent les gènes. Les gènes sont les parties d’ADN qui « codent » pour une protéine. La cellule peut en effet « traduire » un gène en protéine par un mécanisme cellulaire complexe. Une grande part de l’ADN des chromosomes ne code pour aucune protéine : il s’agit de l’ADN non codant, ou ADN « poubelle ». On ne sait pas vraiment à quoi servent ces parties non codantes. Il semble toutefois que certaines portions de l’ADN non codant participent à la régulation de la traduction des gènes en protéines.

Capsule du Code Chastenay sur l’ADN « poubelle » : [1]

Hérédité et évolution

Chez les organismes complexes, les chromosomes se retrouvent généralement par paire (2 chromosomes I, 2 chromosomes II et ainsi de suite). On qualifie les 2 chromosomes d’une seule paire de « chromosomes homologues ». Pour chaque paire, un des chromosomes est hérité de la mère, l’autre du père. En effet, les cellules reproductrices (spermatozoïdes et ovules chez les mammifères) ne contiennent qu’une version de chaque chromosome (chez l’humain, 23 chromosomes au lieu de 46). La fécondation de l’ovule par le spermatozoïde permet aux chromosomes du père de se jumeler à ceux de la mère. De cette façon, chaque individu hérite pour chaque gène d’une version maternelle et d’une version paternelle. Ces différentes versions d’un gène sont appelées « allèles ». Pour chaque gène, nous avons donc hérité d’un des deux allèles de notre mère biologique et d’un des deux allèles de notre père biologique.

Cet héritage mixte des chromosomes parentaux n’explique pas à lui seul toute la variété d’individus, et surtout d’espèces, qui peuplent notre planète (des bactéries aux animaux en passant par les plantes et les champignons). D’autres phénomènes entrent en jeux : d’abord, les mutations. Bien que ce soit rare, il arrive que l’ADN se modifie (spontanément ou sous l’action d’un stress tel le rayonnement solaire) ou soit mal recopié par la cellule (l’ADN est recopié chaque fois qu’une cellule se divise). Si ces erreurs ne sont pas réparées, elles deviendront des mutations qui ajouteront une autre version possible de l’ADN.

En plus, avant d’être distribués dans les cellules reproductrices, les chromosomes sont « réarrangés ». De ce fait, nous n’héritons pas tout simplement d’un des deux chromosomes de nos parents. En effet, dans le processus de maturation des cellules reproductrices, les chromosomes homologues se mélangent avant de se séparer (http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9iose). Le chromosome I dont nous héritons de notre mère biologique est donc un mélange de ses deux chromosomes I et ainsi de suite pour les autres chromosomes, ainsi que pour ceux de notre père biologique. L’évolution peut donc agir sur les différentes versions des gènes, ou allèles, qui résultent des mutations accumulées au travers les siècles, de même que sur leurs différentes combinaisons rendues possibles par la reproduction sexuée (mélange des chromosomes et à l’intérieur des chromosomes).

Génotype, phénotype et héritabilité

L’ensemble du matériel génétique d’un individu constitue son génotype. L’interaction entre le génotype et l’environnement donne à un individu son phénotype, c’est-à-dire son apparence et sa manière d’être. L’influence relative des gènes et de l’environnement sur le phénotype est très variable d’un trait à l’autre et d’une population à l’autre. Une caractéristique physique ou comportementale peut ainsi résulter uniquement de l’environnement (l’habillement chez l’humain) ou uniquement des gènes (le sexe génétique de l’individu). Toutefois, la vaste majorité des traits physiques et comportementaux sont influencés à la fois par le matériel génétique et par l’environnement. Les facteurs environnementaux pouvant avoir un effet sur le phénotype sont de plus extrêmement variés : environnement intra-utérin, soins parentaux, environnement social, habitudes alimentaires, etc.

Historique

Naissance de la génétique

L’histoire de la génétique prend sa source dans celle de l’hérédité. Chez la plupart des organismes complexes, les jeunes ressemblent à leurs parents sans pour autant en être des copies conformes. Ce fait a intrigué nombre de savants qui ont cherché à expliquer la transmission des caractères d’une génération à la suivante, soit l’hérédité.

L’étude de l’hérédité a fait un bon majeur au XIXe siècle grâce aux travaux d’un moine et botaniste autrichien, Gregor Johann Mendel (1822 - 1884), qui étudia la transmission des caractères en effectuant des croisements de variétés de pois. L’originalité des travaux de Mendel repose sur la méthodologie méticuleuse que celui-ci employa (plus près de celle des jardiniers qui cherchent à améliorer leurs cultures que de celle des naturalistes de l’époque qui travaillent plutôt sur la classification des êtres vivants). Ainsi, l’Autrichien s’appliqua d’abord à sélectionner avec soin les traits à l’étude. Il choisit 7 caractères facilement observables qui se transmettent indépendamment les uns des autres et sur le mode du tout ou rien. C’est-à-dire que pour un caractère donné, un individu ne peut adopter que deux apparences extrêmes, jamais de formes intermédiaires. Pour la couleur des cosses par exemple, les pois étaient soit jaunes soit verts, jamais jaune verdâtre.

Cette sélection lui a permis d’observer facilement la transmission héréditaire, mais elle a aussi limité la portée de ses découvertes aux caractères ne dépendant que d’un seul gène aux allèles dominants ou récessifs. En fait, la majorité des caractères ne se transmettent pas de manière si simple. En effet, les caractéristiques des individus (taille, couleur, comportement, capacité physique, etc.) résultent presque toujours de l’expression d’une multitude de gènes et sont grandement influencées par l’environnement.

Tout de même, la sélection de traits simples permit à Mendel d’établir certains principes que l’on connaît maintenant sous le nom de « lois mendéliennes de l’hérédité ». Ces « lois » prennent leur appui sur l’hypothèse de l’existence d’entités physiques transmettant les caractères héréditaires (on appelle maintenant ces entités « gènes », mais Mendel les nommait « facteurs héréditaires »). C’est en rendant possible la prévision des caractéristiques des générations futures à partir de la seule connaissance du génotype parental que cette hypothèse va révolutionner l’étude de l’hérédité et fonder les bases d’une nouvelle science, la génétique.

Au moment de ses travaux, Mendel n’a aucune idée des mécanismes qui rendent possibles les résultats qu’il observe. Il en déduit toutefois que les traits sont hérités en parts égales des deux parents (la mère et le père) et que l’expression de certains traits (qu’il appellera « dominants ») masque celle des traits « récessifs ». Il explique ainsi le mystère des caractéristiques qui sautent des générations (les yeux bleus, par exemple). Il est intéressant de noter que Mendel aurait « amélioré » les résultats de ses croisements pour les rendre plus conformes aux valeurs qui correspondaient exactement aux principes qu’il avait mis de l’avant. C’est du moins ce que soutient le statisticien Ronald Aylmer Fisher qui, en 1936, a estimé la probabilité d’obtenir les fréquences prétendument observées par Mendel à 1 pour 2000 compte tenu des aléas du hasard (www.linternaute.com/science/histoires-de-science/mendel/mendel.shtml). Comme quoi la fraude scientifique ne date pas d’hier…

Les soupçons de Ronald A. Fisher mettent aussi en évidence le fait que la méthode scientifique ne consiste pas toujours à déduire une théorie à partir de l’observation, ni à tester une hypothèse. Il arrive que les scientifiques cherchent plutôt à confirmer une intuition ou un principe préétabli.

Théorie chromosomique de l’hérédité

Au moment de leur publication, les travaux de Mendel ne suscitèrent pas un grand intérêt. Ils seront redécouverts 35 ans plus tard. À cette époque, les observations de Mendel prennent un sens tout nouveau. En effet, les biologistes ont entre-temps mis en évidence l’existence des chromosomes. Ils ont également observé que les jeunes reçoivent la moitié des chromosomes de leur mère et l’autre moitié de leur père (voir la section « Notions de base »).

À partir de ces nouvelles connaissances, un Américain et un Allemand, Walter S. Sutton (1877-1916) et Theodor Boveri (1862-1915), proposeront chacun d’établir un lien entre la distribution des chromosomes parentaux et la ségrégation des facteurs héréditaires de Mendel. Cette association donnera naissance à la théorie chromosomique de l’hérédité. D’abord controversée, cette théorie gagnera en crédibilité grâce aux travaux de Thomas Hunt Morgan (1866-1945). Inspiré par Hugo De Vries (1848-1935), qui avance l’idée de mutation comme source de variation des caractères, Morgan s’applique à étudier des modifications brusques et héritables chez les mouches à fruits – ou drosophiles. Avec l’aide de son équipe d’étudiants, notamment Alfred H. Sturtevant, Hermann J. Müller et Calvin B. Bridges, il se lancera dans l’élevage de ces petits insectes.

En étudiant plusieurs mutations simultanément, Morgan et son équipe pourront les premiers établir des cartes génétiques, plus précisément des cartes de liaison. En simplifiant, les cartes sont dessinées de la manière suivante : en étudiant la transmission de plusieurs mutations des parents aux enfants, on observe à quelle fréquence 2 mutations sont transmises ensemble. Plus souvent cela arrive, plus ces mutations devraient être proches l’une de l’autre. Une correspondance entre liaison héréditaire et arrangement chromosomique permettra de proposer un support physique aux gènes et à l’hérédité : le chromosome. C’est ce qu’on appelle la théorie chromosomique de l’hérédité.

Les travaux de Morgan et d’autres scientifiques indiquent donc que les gènes se retrouvent sur les chromosomes. Cependant, on ne sait toujours pas ce que sont les gènes – leur structure chimique – ou par quels mécanismes ils produisent leur effet. Ainsi, en 1934, Morgan affirmait : « Au niveau où se situent les expériences génétiques, cela ne fait pas la moindre différence que le gène soit une unité hypothétique, ou qu’il soit une particule matérielle. Dans les deux cas, l’unité est associée à un chromosome spécifique, et peut être localisée par une analyse purement génétique » (Morgan, 1934 cité dans Lecourt, 2006).

Génétique moléculaire (1950 à aujourd’hui)

Bien que tous les constituants de l’ADN soient connus dès 1910 et que de nombreux scientifiques – médecins et chimistes – proposent un lien entre gènes et protéines, ce n’est que dans les années 1950 qu’un lien entre ADN, gènes et protéines sera considéré par la communauté scientifique. Il faut dire qu’à l’époque, les scientifiques pensent que seules les protéines peuvent agir dans la cellule. On pense donc que l’hérédité doit nécessairement être transmise par des protéines. Oswald Theodore Avery, un médecin d’origine canadienne, premier à soutenir un rôle déterminant de l’ADN, sera d’ailleurs ignoré pendant bien des années. Il finira même par se retirer du monde de la recherche prématurément.

À la fin des années 1940, les tenants de l’importance de l’ADN finir, à force d’expériences et d’argumentation, par persuader leurs collègues que cette molécule portait l’information héréditaire. Les études menées sur des virus infectant des bactéries (les « bactériophages ») effectuées par Max Delbrück et son équipe et par Alfred Hershey et Martha Chase seront particulièrement efficaces dans cette tâche. La course pour établir la structure chimique de cette fameuse molécule d’ADN est alors bien enclenchée.

Utilisant des données colligées par Rosalind Franklin et soutirant des informations à des compétiteurs, James D. Watson et Francis Crick devanceront de peu leurs concurrents en publiant, en 1953, leur article sur la structure de l’ADN. Avant même cette publication, la génétique avait définitivement pris un tournant moléculaire. La réplication de l’ADN et ses mécanismes de traduction en protéines seront par la suite élucidés. Plus encore, dans les années 1990 d’énormes sommes seront investies dans le projet de séquençage du génome de l’être humain. Les équipes ayant travaillé sur la bombe atomique et leurs installations seront ainsi recyclées dans la biologie moléculaire. Après avoir traversé de nombreuses sagas, dont un risque de privatisation du génome humain (!), le Projet génome humain se terminera enfin en 2003 ([2]).

Le gène et la génétique occupent aujourd’hui une grande place en biologie. S’il est clair que la génétique jette un éclairage nouveau sur de nombreuses questions, son importance semble souvent enflée, comme si les gènes détenaient la clé de toutes les solutions. L’ancien président étatsunien, Bill Clinton, annonçait ainsi en 2000 : « Dans les prochaines années, les médecins parviendront à traiter la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et le cancer, en s’attaquant à leurs racines génétiques. » (Lambert, 2003, p. 4)

Selon Bertrand Jordan (2000, présentation de l’ouvrage), « cette idéologie du "tout génétique" engendre aussi bien la résignation à des inégalités sociales vite présentées comme biologiques, que la confiance exagérée dans les possibilités d’une thérapie génique encore dans l’enfance. » Diverses dérives et scandales ont d’ailleurs entaché l’histoire de la génétique, notamment l’eugénisme, les brevets sur le vivant et les problèmes liés aux OGM.

Conférence TED (en anglais) de James Watson sur sa découverte, avec Francis Crick, de la structure de l’ADN et sur ce qui l’intéresse dans l’avenir de la génétique : http://www.ted.com/talks/lang/en/james_watson_on_how_he_discovered_dna.htmlhttp://www.ted.com/talks/lang/en/james_watson_on_how_he_discovered_dna.html

Hérédité et eugénisme

À venir Article encyclopédique sur l’internement des Canadiens japonais pendant la Deuxième Guerre mondiale : [3]

Documentaire de l’ONF sur le traitement des Canadiens japonais pendant la Deuxième Guerre mondiale : [4]

Article Wikipédia sur la stérilisation contrainte : [5]

Séquençage du génome humain

À venir

Entretien scientifique sur l’histoire du séquençage du génome humain et ce qui s’en suit : [6]

Biotechnologies (génie génétique)

À venir

Dossier de Radio-Canada sur les brevets sur le vivant : [7]

Conférence TED (en anglais) de Craig Venter sur ses projets de création de vie artificielle : [8]

Médecine moléculaire

À venir

Génomique et postgénomique

À venir

Épigénétique

À venir

Une émission de Science Suisse sur l'épigénétique : [9]

Capsule du Code Chastenay sur l'épigénétique : [10]

Transhumanisme : l’amélioration de l’être humain

À venir

Références complémentaires

Campbell, Neil A. et Jane B. Reece. 2007. Biologie, 3e édition. Adaptation française, René Lachîne et Michel Bosset. Éditions du Renouveau Pédagogique Inc, Saint-Laurent, 1334 p.

Jordan, Bertrand. 2000. Les imposteurs de la génétique. Paris : Seuil, 170 p.

Lambert, Gérard. 2003. La Légendes des Gènes. Anatomie d’un mythe moderne. Paris : Dunod, 306 p.

Distinction entre génotype et phénotype (Université Pierre et Marie Curie) : [11]

Distinction entre génotype et phénotype, en anglais (Stanford Encyclopedia of Philosophy) : [12]