La naissance de la biologie moléculaire

La naissance de la biologie moléculaire
Le XXe siècle coïncide avec la naissance génétique : débutant avec la redécouverte des travaux de Mendel précisément en 1900, se poursuivant par l'élaboration de la théorie chromosomique de l'hérédité au début du siècle, la découverte de l'ADN comme support biochimique de l'information génétique, l'élucidation de sa structure, et l'explosion de la biologie moléculaire à partir des années 70. Et l'aube du XXIe siècle verra vraisemblablement le patrimoine génétique de l'homme intégralement décrypté.

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La génétique moderne remonte aux travaux de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], qui le premier établit les lois de l'hérédité. Il publie ses résultats en 1866, mais ils passent alors à peu près inaperçus. Leur redécouverte n'aura lieu qu'en 1900.

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Ce sont les travaux de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], sur la drosophile, qui conduisent au développement de la théorie chromosomique de l'hérédité. Les gènes sont alors localisés sur les chromosomes, et avec [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], ils pourront même y être ordonnés, constituant les premières cartes génétiques. C'est encore dans le laboratoire de Morgan que sont développées les procédures de mutagenèse expérimentales par [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].

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Si la présence des gènes sur les chromosomes est alors établie, rien n'est connu de la nature biochimique des gènes ou de leur mode d'action. La première relation entre un gène et un enzyme est établie en 1902 par [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], à partir d'une observation portant sur une maladie génétique humaine. [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et Tatum approfondissent cette relation sur un système accessible à l'expérimentation, le champignon [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. L'ensemble de ces travaux aboutissent finalement à la conclusion que les gènes contrôlent la synthèse des enzymes, et que chaque protéine est codée par un gène différent.

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Le premier phénomène qui allait permettre de progresser dans l'identification du support de l'hérédité est celui de la transformation bactérienne, rapporté en 1928 par l'anglais [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Ce phénomène représente alors un test d'activité biologique, grâce auquel il est possible de déterminer la nature du matériel génétique. Ce test ne sera pas mis à profit par Griffith lui même, mais par [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] qui l'utilise pour élucider la nature biochimique du matériel génétique : il s'agit de l'ADN. Cette découverte est toutefois accueillie avec beaucoup de scepticisme. Il faudra de nombreux autres travaux pour que cette réalité soit acceptée : en particulier ceux de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ou de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. L'acceptation définitive ne viendra qu'avec l'élucidation de la structure de l'ADN par [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].

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L'influence des physiciens va marquer la génétique moléculaire. Certains, comme [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], n'ont qu'un rôle d'observateur. D'autres y consacrent leur carrière, car il perçoivent cette science comme la nouvelle frontière de la connaissance scientifique. Ainsi [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ou [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] jouent un rôle déterminant dans le développement de cette science. Delbrück sera en particulier le fondateur du Groupe du phage, avec [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et Hershey.
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Finalement, c'est avec l'élucidation de la structure de l'ADN que la biologie moléculaire connaît son apothéose. Cette réussite est le fait de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], mais aussi de chercheurs tels que [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ou Wilkins.
. L'émergence de la génétique formelle

Les lois de l'hérédité
La génétique classique débute avec les travaux d'un moine tchèque : Gregor Mendel, qui travaille de façon isolée dans un monastère morave. Il avait reçu au cours de sa formation les enseignements de Franz Unger (1800 - 1870) et Christian Doppler (1803-1853). Le premier est son professeur de botanique, qui avait déjà proposé des idées évolutionnistes, en avance sur son époque. Le second est son professeur de physique (c'est le découvreur de l'effet Doppler), dont l'influence s'est révélée déterminante pour l'analyse statistique que Mendel mène sur les résultats de ses croisements.
Grâce à de rigoureuses observations menées sur les pois (Pisum sativum), il établit dès 1866 les premières lois de l'hérédité. L'espèce choisie permet de mener à volonté soit des auto-fécondations, soit des fécondations croisées, et sa fécondité importante autorise des analyses sur un nombre important de plantes à chaque génération. Sur ce modèle expérimental, Mendel étudie la transmission au cours des générations d'un certain nombre de caractères simples à observer. Ce sont toujours des caractères à versions alternatives tranchées : fruits lisses ou rugueux, verts ou jaunes, graines rondes ou irrégulières, jaunes ou vertes, tige haute ou petite.
Grâce à l'autofécondation pratiquée sur de nombreuses générations, Mendel établit d'abord des lignées pures, dont la descendance présente toujours les mêmes caractères. A partir du croisement de ces lignées, l'analyse de la descendance obtenue allaient amener Mendel à formuler les trois premières lois de l'hérédité:
1) dans la première génération (génération F1) d'un croisement impliquant deux lignées pures différant par un unique caractère (monohybridisme), tous les individus présentent un même phénotype. Le caractère qui se manifeste à l'exclusion de l'autre dans la génération F1 est qualifié de dominant, et le caractère qui en est exclus est qualifié de récessif
2) dans la descendance d'un croisement impliquant deux individus F1 (génération F2), les deux caractères parentaux réapparaissent suivant une proportion prédictible de 3 à 1
3) si l'on croise des lignées pures différant pour plusieurs caractères (polyhybridisme), chacun de ces caractères se comporte de façon indépendante vis à vis de l'autre. Ainsi, pour un croisement impliquant deux caractères, les proportions observées sont 9:3:3:1.
Ces lois ont été amplement vérifiées par la suite. Elles ne sont toutefois pas d'utilisation universelle. D'une part, Mendel n'explique pas l'existence, pour certains caractères, d'individus F1 présentant un phénotype intermédiaire entre celui des parents (du à une codominance ou un polygénisme). D'autre part, elles ne s'appliquent pas aux gènes liés sur un même chromosome (c'est une chance extraordinaire que Mendel se soit attaché à l'étude de gènes portés par des chromosomes différents ou suffisamment éloignés l'un de l'autre). Au début du siècle suivant, la mise en évidence de caractères liés allait conduire [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] à proposer la théorie chromosomique de l'hérédité .
Les conséquences des lois de Mendel
Les lois de Mendel impliquent l'existence d'éléments autonomes et reproductibles, qui contrôlent de façon discrète les caractères héréditaires de génération en génération. Chaque caractère est représenté dans l'œuf fécondé par deux - et seulement deux - éléments, provenant l'un du père, l'autre de la mère. Les autres théories de l'hérédité proposées par des contemporains de Mendel (en particulier Darwin, Weismann, de Vries ou Galton) postulaient toutes la présence simultanée de nombreux éléments déterminant un caractère donné dans chaque cellule.
Enfin, les travaux de Mendel réfutent la théorie de l'hérédité par mélange, théorie alors largement acceptée qui propose que les déterminants d'un caractère donné fusionnent après fécondation. En effet, Mendel n'observe pas de transition graduelle entre les caractères parentaux, et l'intégrité de chaque caractère est préservée lorsqu'ils réapparaissent en F2. Chez les hybrides F1, les éléments correspondant aux versions alternatives d'un caractère donné restent donc distincts, et se séparent à nouveau lors de la formation des cellules germinales. Ces particules, l'unité de l'hérédité, se verront attribuer par le biologiste danois Wilhem Johannsen (1857 - 1927) la dénomination de gènes en 1909.
L'impact de Mendel
Mendel publie ses résultats en 1866 dans un magistral article publié dans les Comptes rendus de la Société d'histoire naturelle de Brno. Ils passent alors à peu près inaperçus, n'étant cités qu'une douzaine de fois entre leur publication et leur redécouverte en 1900. Cette redécouverte est due à Hugo de Vries (Amsterdam), Carl Correns (Berlin), et Erich Tschermack (Vienne), qui retrouvent de façon indépendante des résultats similaires à ceux de Mendel.
Le fait que ces travaux soient restés si longtemps sans impact immédiat s'explique sans doute en partie par plusieurs lacunes qu'ils laissent transparaître pour les contemporains. Tout d'abord, les travaux de Mendel ne permettent pas d'expliquer l'atavisme, c'est à dire la réapparition d'un caractère qui existait non pas chez les parents ou grands-parents, mais chez un ancêtre qui peut être beaucoup plus éloigné. D'autre part, ces travaux ne concernent que les caractères à versions alternatives tranchées, et laissent complètement de côté les caractères à variations continues. La loi de Galton, bien qu'erronée, s'appliquait aux caractères à variations continues, et expliquait l'atavisme les lois : c'est cette théorie qui prévaut à l'époque.
Hugo de Vries (1848 - 1935)
La théorie de la mutation
Hugo de Vries est né à Haarlem, aux Pays-Bas. Entre 1878 et 1918, il est professeur de Botanique à Amsterdam. Il a à son actif plusieurs contributions importantes : la première est bien sûr la redécouverte des lois de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] en 1900 : alors qu'il croit mettre à jour certaines lois de l'hérédité, il s'aperçoit que Mendel l'a devancé de plus de 35 ans ! Sa seconde contribution concerne une théorie de l'hérédité impliquant des particules élémentaires qu'il baptise "pangènes". Cette théorie est plus proche de la réalité que toutes celles qui ont été proposées antérieurement.
Enfin, il développe une théorie de l'évolution par mutation : s'intéressant à la théorie de l'évolution proposée par Darwin, il cherche en particulier à déterminer si l'évolution est un phénomène graduel ou saltatoire. Pour cela, il met en culture un nombre considérable d'espèces de plantes herbacées, espérant ainsi observer chez l'une d'entre elles un changement brusque. C'est ce qu'il réussit finalement à observer chez Oenothera lamarckiana : parmi les descendants de cette espèce, un très petit nombre d'individus apparaissent présentant une variation discontinue. De Vries assimile alors ce phénomène à l'apparition d'une nouvelle espèce, et qualifie de mutation ce processus.
Il publie entre 1901 et 1903 La théorie de la mutation, livre où il prétend expliquer la naissance des espèces. D'après sa théorie, les espèces apparaissent en une seule génération, après qu'une variation de grande ampleur - une mutation - est apparue.
En réalité, l'observation rapportée chez Oenothera ne correspondait pas à une mutation génique au sens couramment admis aujourd'hui : ce type de variation est en fait imputable à des translocations chromosomiques, fréquentes dans cette espèce. Ce n'était pas non plus une nouvelle espèce qu'il observait, les individus décrits demeurant fertiles entre eux. De Vries eut cependant le mérite de mettre en évidence l'apparition de nouveautés génétiques.
L'influence de De Vries est considérable chez ses contemporains, c'est d'ailleurs en voulant valider cette théorie de la mutation chez la drosophile que [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] sera amené à élaborer la théorie chromosomique de l'hérédité.
Mutations et évolution
La théorie saltatoire de l'évolution présentée par de Vries se démarque notablement de la théorie gradualiste de Darwin, qui proposait que les nouvelles espèces apparaissent grâce à des modifications progressives : l'idée de Darwin était que la nature ne fait pas de saut (Natura non facit saltum). Les idées de de Vries vont cependant se développer dans le premier tiers du XXe siècle, avec le mouvement des évolutionnistes mutationistes (regroupant entre autres Bateson, Johannsen, ou Galton). Cette tendance était combattue par les évolutionnistes naturalistes, qui observaient les variations des espèces sur le terrain, et défendaient l'idée du gradualisme de l'évolution des espèces.
Le darwinisme revient cependant en force avec l'élaboration de la théorie synthétique de l'évolution entre 1936 et 1947. D'une part, les généticiens reconnaissent que les variations continues peuvent être dues à des facteurs mendéliens multiples, ce qui contribue à atténuer la contradiction entre la discontinuité des gènes et le caractère continu de la variation individuelle. D'autre part, les naturalistes adoptent progressivement la population comme unité de l'évolution. Les acteurs principaux de cette synthèse sont le naturaliste Ernst Mayr, le paléontologiste George Simpson, les généticiens Ronald Fisher, John Haldane, Alfred [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], Julian Huxley, et Theodosius Dobzhansky (la théorie synthétique de l'évolution sera cependant à nouveau contestée en 1968 par la théorie neutraliste de Motoo Kimura, et en 1972 par la théorie des équilibres ponctués de Niles Elderedge et Stephen Jay Gould).

2. Le chromosome support de l'hérédité [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
L'hérédité liée au sexe
Morgan est né en 1866 à Lexington. Il obtient sa thèse en 1890 à l'université John Hopkins, sur une étude portant sur les Pycnogonides (arthropodes marins). Par la suite, il se tourne vers l'embryologie expérimentale : il s'intéresse en particulier à la régénération chez les vers et le développement de l'oursin. Il rejoint en 1904 l'université de Columbia, où se déroulera la phase la plus productive de sa carrière, portant sur la théorie chromosomique de l'hérédité. En 1928 il part au Cal Tech, où il restera jusqu'à sa mort en 1945.
Morgan avait été très intéressé par les travaux de de Vries sur les mutations, car ils proposaient un mécanisme permettant d'expliquer l'évolution et l'apparition de nouvelles espèces. Morgan se met alors lui aussi en quête de mutations de grande ampleur. Il choisit pour cela comme modèle d'étude la mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster). Ce petit insecte se prête facilement à l'élevage et à l'observation, son cycle de reproduction est très court (9 jours à 25deg.C), il ne possède que 4 paires de chromosomes, et la descendance nombreuse à chaque génération (une femelle pond plusieurs centaines d'œufs).
La première mutation qu'il observe est une mouche mâle présentant des yeux blancs, au lieu d'yeux normalement rouges. Il remarque alors que ce caractère n'est jamais présenté que par les mâles, ce qui le conduit à proposer que le facteur déterminant ce caractère est porté par le chromosome sexuel. Ainsi, un facteur mendélien est pour la première fois expérimentalement assigné à un chromosome défini. Morgan définit ainsi l'hérédité liée au sexe.
La théorie chromosomique de l'hérédité

Morgan est rejoint à partir de 1910 par Sturtevant. Ils vont identifier de nombreuses autres mutations, dont l'étude de la ségrégation va les conduire à établir les premières cartes génétiques,. Ces cartes sont complètement superposables aux chromosomes : toutes ces mutations se rangent en 4 groupes de liaison, correspondant à chacune des 4 paires de chromosomes. Ces travaux permettent donc de reconnaître les chromosomes comme support physique des gènes, et d'établir la théorie chromosomique de l'hérédité : les gènes sont organisés en série linéaire le long du chromosome. Ces découvertes furent résumées dans un livre publié en 1915 : Le mécanisme de l'hérédité mendélienne (Morgan, Sturtevant, Muller, Bridges). Pour ces travaux, Morgan reçut le prix Nobel de physiologie et de médecine en 1933.
Il convient de remarquer qu'une théorie similaire avait été précédemment avancée par les cytologistes Sutton (1903) et Boveri (1904), mais qu'elle n'avait pas alors reçut bon accueil. Morgan lui-même s'y était vigoureusement opposé entre 1903 et 1910, ce sont ses propres données expérimentales qui le conduisirent à se "convertir" à la théorie chromosomique de l'hérédité.
Le "labo des mouches"
Le laboratoire de Morgan a été extraordinairement fécond, en raison d'un magnifique esprit de collaboration, resté légendaire. Plusieurs scientifiques de grande envergure y feront leurs premières contributions : outre [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et Bridges, ce laboratoire accueillît aussi Théodosius Dobzhansky, qui allait devenir un des maîtres d'œuvre de la théorie synthétique de l'évolution, et Hermann [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], qui allait mettre au point en 1927 l'induction artificielle de mutations par les rayons X.

Alfred Sturtevant est né en 1891 à Jacksonville. Il entre à l'université à 17 ans, et publie à 19 ans ses premiers travaux scientifiques. A partir de 1910, Sturtevant travaille avec Morgan à l'université de Columbia. Ils identifient chez la drosophile plusieurs mutations portant sur la couleur des yeux, la forme des ailes, la couleur du corps. Ils observent alors que tous ces caractères semblent liés au chromosome X. Les gènes qui les déterminent sont donc vraisemblablement portés par ce chromosome sexuel.
L'analyse de leur ségrégation montre que ces gènes sont en général transmis ensemble à la génération suivante. Cependant, dans de rares cas, ils semblent pouvoir être séparés. Sturtevant et Morgan rapprochent alors ces observations à celles du cytologiste belge Janssens, qui avait remarqué en 1909 que lors de la méiose, il se produit quelques fois des enjambements (crossing-over) entre chromosomes homologues dans la région qui les sépare. De tels crossing-over entraînent l'échange de portions de chromosomes entre les deux homologues impliqués. Toutes ces observations s'intègrent alors dans un schéma cohérent : les allèles portés par deux gènes portés sur le même chromosome sont séparés dans le cas où un crossing-over se produit dans l'intervalle qui les sépare.
Morgan et Sturtevant ont alors l'idée géniale de corréler la fréquence de tels événements à la distance qui sépare les gènes, et de proposer que la fréquence de recombinaison exprime une distance entre gènes. L'estimation des distances séparant les différents gènes allait conduire à l'établissement des premières cartes génétiques. Ces cartes sont établies en analysant la ségrégation des caractères correspondant au cours des générations, les distances reflétant le degré de liaison qui les lie. L'unité de distance adoptée est le centimorgan (cM) : un centimorgan correspond à une fréquence de recombinaison de 1% (un crossing-over pour cent méioses) entre deux marqueurs.
Sturtevant et Morgan publièrent en 1913 la première carte génétique jamais établie d'un chromosome, celle du chromosome X de la drosophile (Sturtevant est alors âgé de 22 ans). Elle montrait l'ordre et la succession des gènes y (corps de couleur jaune), w (yeux blancs), et m (ailes vestigiales).
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Hermann Muller (1890 - 1967)
Muller travaille tout d'abord avec [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] à l'université de Columbia. Par la suite, à l'université du Texas, il met au point en 1927 l'induction artificielle de mutations par les rayons X : il montre que les rayons X augmentent d'un facteur 100 le nombre de mutations chez la drosophile.
Cette technique de production de mutation n'est pas spécifique, car une mutation ne peut être obtenue sur un gène choisi à l'avance. La possibilité d'augmenter la fréquence des mutations va cependant s'avérer d'un intérêt considérable : le nombre de mutations décrites va véritablement exploser, permettant l'établissement de cartes génétiques de plus en plus précises.
La technique d'irradiation va aussi être utilisée par [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], qui lui s'intéresse à la nature chimique du gène. Elle permet aussi à Muller d'avancer une première estimation du nombre de gènes présents chez un organisme : il propose en 1929 que la drosophile contiendrait environ 1400 à 1800 gènes (estimation toutefois inférieure d'un ordre de grandeur au nombre obtenu à partir du séquençage complet : 13.400).
Le parcours scientifique de Muller est peu ordinaire : après avoir travaillé dans le groupe de Morgan à Columbia, puis développé sa technique de production de mutations par irradiation à l'université du Texas, il part travailler en URSS. Il y est invité par Vavilov, et doit alors affronter Lyssenko, auquel il s'oppose vigoureusement (Vavilov y laissera la vie : déporté en 1940 à l'instigation de Lyssenko, il meurt dans un camps en 1943). Il s'engage par la suite dans une brigade internationale durant la guerre civile espagnole, avant de retourner aux Etats-Unis en 1945. Il reçoit le prix Nobel de Médecine en 1946.
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3. La convergence de la biochimie et de la génétique
Achibald Garrod (1857 - 1936)
La première relation entre un gène et un enzyme est établie en 1902 par Archibald Garrod (St Bartholomew's Hospital, Londres), à partir d'une observation portant sur une anomalie métabolique chez l'homme : l'alcaptonurie. L'alcaptonurie est une anomalie d'excrétion, affectant le métabolisme de la tyrosine et de la phénylalanine. Les sujets atteints souffrent d'arthrite débilitante. C'est une maladie rare, dont l'incidence est estimée à 1/250000 ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]).
Cette maladie se manifeste par le noircissement des urines lorsqu'elles sont exposées à l'air. Le noircissement est dû à la présence dans les urines d'acide homogentisique, qui est un produit intermédiaire de la dégradation de la tyrosine et de la phénylalanine. Cette substance est dégradée chez les individus normaux, mais pas chez les alcaptonuriques, chez lesquels elle s'accumule. Le sérum des premiers contient l'enzyme capable de la métaboliser (l'homogentisate 1,2 desoxygénase), mais cet enzyme n'est pas présent dans le sérum des seconds.
Garrod observe que la transmission de cette anomalie s'effectue chez l'homme en strict accord avec les lois de Mendel (selon un mode autosomal récessif), ce qui lui suggère qu'elle est due à un gène unique. Il propose donc que la déficience enzymatique soit due à une anomalie du gène responsable de la synthèse de cet enzyme. Garrod publie ces observations en 1909 dans Les erreurs innées du métabolisme, livre où il avance une explication similaire pour plusieurs maladies génétiques (albinisme, cystinurie, pentosurie). Plus généralement, il propose que chaque enzyme serait le fruit de l'activité d'un gène.
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George Wells Beadle (1903 - 1989)
Le travail de Beadle est essentiellement consacré au contrôle génétique des réactions métaboliques. Les remarquables contributions de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] à ce domaine ne pouvaient aboutir à un programme de recherche, car des défauts génétiques décrits chez l'homme ne pouvaient évidemment pas se prêter à des expériences génétiques, envisageables uniquement sur des organismes modèles.
Beadle, en compagnie de Boris Ephrussi, choisit tout d'abord le modèle drosophile, sur lequel ils étudient la coloration des yeux (d'abord au Cal Tech, puis à Paris). Ces travaux semblent alors montrer que la synthèse des pigments responsables de cette coloration représente le résultat d'une chaîne de réactions dont chaque étape est contrôlée par un enzyme, chacun de ces enzymes étant lui-même le produit de l'activité d'un gène. Mais la complexité du système ne permet pas d'établir une conclusion définitive.
Beadle se tourne alors vers un système biochimique plus simple, décrit chez le champignon Neurospora crassa. Avec Edward Tatum, ils établissent grâce à ce micro-organisme la correspondance entre gène et enzyme (et plus généralement entre gène et polypeptide). Ces travaux sont menés à l'université de Stanford en pleine guerre mondiale, et publiés en 1941.
En 1946, Beadle prend la succession de Morgan au CalTech. De 1961 à 1968 (date de sa retraite), il est président de l'université de Chicago. Durant cette dernière période d'activité, il se consacre à l'étude du maïs.
Les mutants nutritionnels de Neurospora crassa
Neurospora crassa est une moisissure facilement cultivable sur un milieu artificiel qui ne contient que du sucre, des sels minéraux, et de la biotine. Par mutagenèse artificielle (irradiation), [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et Tatum obtiennent des mutants incapables de se développer sur ce milieu minimal, mais qui poussent sur un milieu complémenté avec tel ou tel métabolite. En particulier, les études sur la synthèse du tryptophane, ou sur le cycle de l'ornithine, montrent que chacun de ces mutants est en réalité déficient en un des enzymes nécessaires à l'une des étapes des ces chaînes métaboliques. L'analyse génétique de ces mutants permet à Beadle et Tatum de montrer que chacune de ces déficiences segrège de façon mendélienne, et correspond donc à une mutation dans un unique gène. L'ensemble de ces observations aboutit donc à la conclusion que les gènes contrôlent la synthèse des enzymes, et que chaque protéine est codée par un gène différent. Ceci conduit Beadle et Tatum à formuler le célèbre aphorisme : "un gène <-> un enzyme", généralisé par la suite en "un gène <-> un polypeptide".
Ces travaux concrétisent alors la rencontre de la biochimie et de la génétique : la protéine vient combler la lacune qui existait entre le gène et le caractère. Beadle et Tatum s'en verront récompensés en 1958 par l'attribution du prix Nobel de physiologie et de médecine. Des travaux similaires seront par la suite produits selon cette stratégie par de nombreux autres chercheurs. Tous confirment que chaque étape des voies biochimiques est contrôlée par un gène unique, codant l'enzyme impliquée à cette étape.
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4. L'ADN support de l'information génétique
L'expérience de Griffith
Le premier phénomène qui allait permettre de progresser dans l'identification du support de l'hérédité est celui de la transformation bactérienne, rapporté en 1928 par l'anglais Fred Griffith (1877 - 1941). Celui-ci travaille alors au laboratoire de pathologie du ministère de la santé du Royaume Uni.
Griffith décrit deux souches de pneumocoques Diplococcus pneumomiae : la souche R (rough, car lorsque cette souche est cultivée sur milieu de culture artificiel, les colonies obtenues ont un aspect rugueux) et la souche S (smooth, car les colonies ont au contraire un aspect lisse). La souche S doit son aspect à une capsule polysaccharidique qu'elle synthétise autour d'elle. Cette souche est mortelle pour la souris lorsqu'elle lui est injectée. A l'inverse, la souche R ne synthétise pas une telle capsule, et elle n'est pas nocive lorsqu'elle est injectée à une souris. On sait aujourd'hui que cette différence entre les deux souches est due à une mutation, chez la bactérie R, du gène codant l'enzyme responsable de la synthèse de la capsule.
Griffith observe tout d'abord que l'injection de bactéries S, si elles ont été préalablement tuées par la chaleur, n'est plus létale pour la souris. Pour une raison qui nous est toujours inconnue, Griffith décide alors d'injecter conjointement des bactéries S chauffées mélangées à des bactéries R vivantes. Cette fois, les souris meurent de septicémie. Les bactéries R, au contact des bactéries S tuées, ont donc acquis un caractère pathogène qu'elles ne possédaient pas précédemment. Ce phénomène a été appelé transformation bactérienne, et il a été par la suite reproduit chez plusieurs autres espèces bactériennes.
Il existe en fait plusieurs souches de pneumocoques (types I, II, ou III), discernables grâce à des tests immunologiques. Lorsque qu'une souche R de type III est injectée avec une souche S de type II inactivée, la bactérie virulente qui est ré-isolée de la souris tuée est toujours du type II. Ce changement est stable et définitif.
Ceci suggère donc qu'il existe chez les cellules un "facteur transformant", probablement libéré par la chaleur, susceptible d'être intégré par d'autres bactéries, et qui leur confère de façon héréditaire de nouvelles propriétés génétiques.
Ce phénomène représentait un test d'activité biologique, grâce auquel on pouvait envisager de déterminer la nature du matériel génétique responsable de la transformation de bactérie du type R en bactérie de type S. Griffith ne sut pas en tirer lui-même avantage, et la nature du "facteur transformant" sera élucidée plus de 10 ans plus tard par Avery et ses collègues.[size=9]
Oswald Avery (1877 - 1955)
La nature biochimique du matériel génétique mis en évidence par Griffith est élucidée en 1944 par les travaux de Oswald Avery, et de ses collègues (Colin McLeod, et McLyn McCarthy), qu'ils mènent à l'Institut Rockfeller de New-York. Ils reprennent les expériences de Griffith sur la transformation bactérienne, et cherchent à purifier le facteur transformant du pneumocoque.
Cette caractérisation prendra 10 ans, elle les conduit à montrer que ce facteur n'est autre que l'ADN : en effet, l'ADN extrait d'une souche S suffit à lui seul pour transformer une souche non virulente en souche virulente. La transformation des bactéries R s'effectue par incorporation de fragments d'ADN provenant des bactéries S tuées. On sait aujourd'hui que de tels fragments sont capables de rentrer dans une bactérie vivante, et de s'intégrer au chromosome de celle-ci en lieu et place de la région homologue.
L'identification de l'ADN comme principe transformant est à l'époque suffisamment extraordinaire pour nécessiter qu'une telle découverte soit étayée par des arguments indiscutables. Aussi Avery et ses collègues effectuent-ils leurs analyses avec un soin particulièrement méticuleux. Tous les contrôles alors disponibles sont testés : l'absence de protéine dans les préparations est testée par divers réactifs chimiques, leur composition chimique est analysée par des moyens chimiques ou spectrophotométrique. Enfin, l'utilisation d'enzymes montre que le pouvoir transformant réside bien dans l'ADN, puisque la DNAse anéantit ce pouvoir, alors que la RNAse ou des protéinases le laisse intact.
La difficulté à accepter l'ADN comme support de l'hérédité
Malgré une accumulation croissante de preuves jusqu'au début des années 50, la communauté scientifique n'a pas accepté facilement que l'ADN puisse être le support de l'hérédité. Selon les thèses alors les plus largement acceptées, l'ADN n'est qu'une molécule simple, et donc incapable de véhiculer une information complexe. La théorie tétranucléotidique proposée par Phoebus Aaron Levene (1869 - 1940), stipulait que la structure de l'ADN est régulière et monotone, comprenant un enchaînement répétitif des 4 bases azotées. Levene était alors un des plus grands spécialistes des acides nucléiques, c'est lui qui avait identifié le désoxyribose comme un des constituants de l'ADN. Les protéines, dont on avait perçut l'immense diversité, semblaient de bien meilleurs candidats pour véhiculer une information génétique.
La découverte de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] a été accueillie avec beaucoup de scepticisme, ils furent interprétés par beaucoup comme le résultat d'une contamination des préparations d'ADN par de faible quantité de protéines ou d'une autre substance. Et même si ces préparations d'ADN étaient absolument pures, il était possible d'envisager que cette molécule ne soit pas elle même porteuse d'information, mais qu'elle joue simplement un rôle de commutateur : toutes les informations nécessaire à la transition de la forme R vers la forme S auraient déjà été présentes dans chacune des souches, et l'ADN n'aurait alors contribué qu'à la transition d'un type vers l'autre.
Avery lui-même n'a pas véritablement cherché à imposer ses conclusions. Ainsi, l'importance fondamentale de ces travaux ne sera reconnue que tardivement, et le comité Nobel ne le retiendra pas pour l'attribution d'un prix. Lorqu'en 1953 [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] décriront la [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], ils ne prendront même pas la peine de citer ces travaux dans leur article.
Certains scientifiques ont cependant saisis immédiatement la portée immense des travaux d'Avery. Ce fut en particulier le cas de E. [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], J. Lederberg, G. Beadle, ou de A. Lwoff.
Erwin Chargaff (1905 - 1992)
Chargaff est un biochimiste d'origine autrichienne ayant émigré aux USA en 1934. Il fait partie des scientifiques qui saisissent immédiatement la portée immense des travaux d'[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] sur la transformation bactérienne. Lorsque Avery publie ses résultats, Chargaff dirige un laboratoire de biochimie à l'université de Columbia. Le thème central en est alors la biochimie des lipoprotéines. Quand il prend connaissance des travaux d'Avery, Chargaff comprend aussitôt que l'ADN occupe une place centrale dans les mécanismes héréditaires, et il décide de consacrer désormais les activités de son laboratoire à l'étude des acides nucléiques.
En 1950, il publie ses travaux sur le contenu en bases azotées de l'ADN chez diverses espèces, réalisés grâce aux progrès de la chromatographie sur papier. Il montre alors que le rapport A+T/C+G est variable selon les espèces, mais constant pour tous les membres d'une espèce donnée. L'ADN est donc porteur d'une certaine spécificité, cette molécule n'a pas une structure polymérique monotone, elle est donc susceptible de contenir une information. Ces travaux contribuent à répandre l'idée que l'ADN puisse être une molécule porteuse de l'information génétique.
Chargaff montre par ailleurs que le rapport C/G ou A/T est à l'inverse constant et quasiment égal à un chez toutes les espèces étudiées. Cette dernière observation sera déterminante pour l'élaboration du modèle de la structure de l'ADN par [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] quelques années plus tard.
A la suite du succès remporté par ce modèle, Chargaff est très réticent à en reconnaître l'entière paternité à ses auteurs, pour lesquels il n'a jamais eu grande estime (à la suite de sa première rencontre avec Watson et Crick, il les avait comparés à deux clowns). Il continuera à revendiquer pour son propre compte le modèle d'appariement des bases, alors qu'il n'y avait lui même jamais pensé, et n'ayant mis en évidence que les rapports égaux d'adénine et de thymine, de cytosine et de guanine.
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Alfred Hershey (1908 - 1997)
Al Hershey est, avec [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], la troisième personnalité marquante du Groupe du phage. Sa première contribution importante est la mise en évidence d'une génétique des bactériophages : Il montre en effet en 1946 que peuvent apparaître des mutations chez ces organismes, caractérisés par différentes formes de plages de lyse. Ces résultats confirment donc ceux obtenus par Luria l'année précédente.
Hershey parvient aussi à détecter des phénomènes de recombinaison chez les phages : en infectant simultanément une souche bactérienne avec deux phages portant des mutations distinctes, il observe l'apparition de phages recombinants, portant soit simultanément les deux mutations, soit aucune d'entre elles. Des observations similaires seront rapportées par Delbrück.
Mais l'expérience la plus célèbre de Hershey concerne l'étude du rôle que jouent chacun des constituants du phage (ADN et protéines) dans la transmission de l'information génétique. Pour cela, il utilise - avec Martha Chase - le bactériophage T2. Leur expérience est une des premières expériences de biologie moléculaire où des isotopes radioactifs permettent de tracer des molécules. Ils utilisent un marquage isotopique différentiel de chacun des constituants du phage : du phosphore radioactif, incorporé à l'ADN, et du soufre radioactif, incorporé aux protéines de la capside. Ces phages sont utilisés pour infecter des bactéries. Immédiatement après l'infection, il est possible de séparer par agitation mécanique les bactéries des phages qui les ont infectés, et de séparer par centrifugation les particules phagiques des bactéries infectées. Lorsqu'elles sont remises en culture, ces bactéries produisent des phages. Or l'analyse de la répartition de la radioactivité montre que ces bactéries ne contiennent que du phosphore radioactif : seul l'ADN a donc pénétré dans la cellule, et cette fraction est responsable à elle seule de la reproduction du phage. C'est donc l'ADN qui détient l'information génétique.
Bien que cette expérience était dans sa conception plus grossière que celle d'Avery, son impact fut au moins aussi important. Ceci était dû en partie au fait qu'elle avait été effectuée par des membres du Groupe du phage, qui représentait alors les scientifiques les plus influents dans le domaine de la biologie moléculaire. D'autre part, ces résultats arrivaient pratiquement simultanément avec l'élucidation de la structure de l'ADN par Watson et Crick.
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5. L'influence des physiciens
Erwin Schr&ouml;dinger (1887-1961)
Erwin Schr&ouml;dinger fuit l'Autriche après son annexion par l'Allemagne en 1938. Sa carrière de physicien est principalement associée à la description quantique de l'atome, liée au modèle ondulatoire de la matière. Il est cependant aussi attiré par la biologie, domaine auquel il consacre en 1944 un petit livre : Qu'est ce que la vie ? Il y développe des idées d'une extraordinaire clairvoyance :
- il décrit le matériel génétique comme un "cristal apériodique". On sait aujourd'hui que l'ADN présente effectivement globalement deux ordres de symétrie (rotationnel et translationnel), cette régularité l'apparente bien à un cristal. Mais dans le détail, l'enchaînement des paires de bases n'est pas exactement répétitif, ce cristal est apériodique.
- il insiste sur la notion de programme, de code génétique : "ces chromosomes (...) qui contiennent sous la forme d'une espèce de code le modèle intégral du développement futur de l'individu et de son fonctionnement dans l'état adulte".
- enfin, il expose sa profonde conviction que le problème du gène est nécessairement accessible à l'expérimentation. En particulier, son appréciation des travaux de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] sur la mutagenèse induite par les rayons X est remarquable.
De nombreux biologistes fameux, parmi lesquels [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], ou [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ont reconnu que la lecture de Qu'est ce que la vie ? a été décisive pour leur engagement dans la recherche en biologie.
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