Introduction à la génétique moléculaire

MOLECULES 2
MECANISMES MOLECULAIRES EN
BIOLOGIE
INTRODUCTION A LA GENETIQUE
MOLECULAIRE
INTRODUCTION
Toutes les découvertes en génétique moléculaire se sont faites progressivement au cours du temps, ainsi, la
logique veut qu’il soit nécessaire de présenter tous ces mécanismes de façon chronologique. Pour replacer ces
mécanismes dans leur complexe, il faut bien comprendre que toute la pratique de la génétique est ancienne :
elle date des premières des civilisations, avec la naissance de l’agriculture et de l’élevage, ainsi, il faut savoir
que toutes les espèces domestiques utilisées en agriculture sont issues de sélection génétiques extrêmement
intensives sur de multiples générations. Leur génome a ainsi été « bricolé » par l’homme, ce n’est pas le
génome que l’on retrouve dans la nature. Ces changements ont été provoqués en choisissant sur les espèces
des caractères que les hommes voulaient retrouver à la génération suivante.
Il est facile de s’apercevoir qu’au niveau des chiens, par exemple, on discerne des races, issues des prédites
sélections. Ainsi, les problématiques OGM ont toujours été en rapport avec la sélection d’espèces intéressantes
et de caractères de certains individus. La technologie change, mais la finalité reste la même.
Cela fait une centaine d’années que la génétique a basculé du domaine empirique au domaine scientifique, cela
relativement à la démarche des actions effectuées.
LA LOGIQUE MENDELIENNE
Ce changement de cadre de référence a été amené par un moine, Gregor Mendel, qui s’est dit que, plutôt que
d’essayer d’obtenir une fonction utilitaire, il faudrait s’intéresser aux mécanismes de transmission desdits
caractères. Un point important a été de se dire que s’il travaillait sur des organismes très compliqués, il aurait
risqué de faire face à de grandes difficultés de compréhension des mécanismes, relativement aux variables et
aux temps de reproduction concernés. Dans cette optique, le problème a été simplifié en choisissant un
« système modèle » : on essaie donc de se débrouiller pour que ce l’on découvre soit valable pour l’ensemble
des êtres vivants. Ce système modèle doit :
• être simple
• Mener à des résultats reproductibles
• Permettre une analyse quantitative, autrement dit, on peut répéter les expériences plusieurs fois,
obtenir des résultats, les quantifier précisément, faire des statistiques

Mendel a donc longuement réfléchi sur la façon de construire ce modèle, et a donc pensé que la façon la plus
commode de faire de la génétique est relative à :
• Un système ne prenant pas trop de place
• Capable de générer un grand nombre de générations en un temps relativement court
• Donnant des résultats reproductibles : on doit pouvoir contrôler les croisements et s’assurer que ces
résultats soient reproductibles
Ainsi, son choix a été de travailler sur des plantes plutôt que des animaux : des pois. Ces pois de Mendel vont
donner des descendants aux caractères faciles à étudier : aspect et couleur des graines : lisses, ridées, jaunes,
vertes, fleurs axiales ou terminales, etc. Les expériences de génétique de Mendel consistent donc en la
sélection de pois différent sur un caractère, et à leur croisement, contrôlé par découpe des fleurs et
ensemencement artificiel.
Ces caractères choisis ont certaines propriétés importantes. Il est remarquable qu’ils soient :
• Facilement repérables
• Avec un caractère se trouvant sous deux formes différentes
• indépendants des conditions extérieures
• de « lignées pures » : c’est à dire possédant un caractère donné, de façon a ce qu’à chaque
croisement de lignées entre elles, les descendants aient les mêmes caractères que les parents,
permettant d’avoir des résultats reproductibles
Quand on effectue ce croisement, on
remarque que tous les pois sont jaunes. Pour
expliquer ce résultat en essayant de résonner
rigoureusement, on peut avoir deux
explications différentes :
• Soit l’information est perdue
• Soit l’information est cachée
On précise à ce stade du cours que les
mécanismes de génétique ne peuvent être
décrits par les termes « dominants » ou
« récessifs », ne s’agissant uniquement que
d’outils de description. Ainsi, pour vérifier si
l’information est perdue ou cachée, on
croisera à nouveau la génération F1 les uns
avec les autres pour essayer de retrouver la
génération de pois jaune.
La génération F1 est capable de redonner
dans toujours les mêmes proportions de pois :
• 75% de jaunes
• 25% de verts
De cette façon, on peut trancher entre deux
hypothèses et affirmer que l’information était

cachée, et faire une distinction entre deux concepts centraux en génétique : la notion de génotype et de
phénotype. Des caractères récessifs peuvent néanmoins s’exprimer, même si on ne les voit pas. Qu’est ce qui
permet aux caractères de se recombiner ?
Mendel a ensuite essayé de comprendre ses résultats et les mécanismes impliqués : Un principe important
ayant permis la compréhension du système est que les individus à reproduction séxuée, croisés entre eux, ne
transmettent pas l’intégralité de leur génome à la génération suivante, mais seulement une moitié. Ainsi, un
seul caractère va être transmis, l’hybride possédant un caractère de chaque parent. De nos jours, on sait que ce
sont les gènes qui sont transmis. Ainsi, on conclut en comprenant qu’un individu possède deux allèles, variants
d’un gène. Une lignée pure possède deux allèles identiques. La génération F1 possédant deux allèles différents
n’est pas pure.
Mendel a publié ses travaux dans les journaux scientifiques de son époque, mais les biologistes de l’époque
n’ont pas accordé l’importance qu’ils méritaient, n’en voyant pas l’utilité.
DECOUVERTE DES CHROMOSOMES
Les preuves de ce fonctionnement sont venues
bien après, avec la découverte des
chromosomes par les biologistes cellulaires : au
début du XX°, la technique a permis la mise au
point de microscopes de plus en plus
perfectionnés en parallèle à l’utilisation de
colorants permettant des observations
cellulaires plus fines, permettant des
observations intracellulaires fines. On a ainsi pu
remarquer qu’existent des corpuscules en
bâtonnets pouvant être colorés par des bases.
Cette propriété leur a valu le nom de
chromosome. En observant ces derniers au
cours de la gamétogénèse, on observe que
ceux-ci respectent le même schéma que celui
proposé par Mendel. De cette façon, si on
admet que les gènes de Mendel sont portés
par les chromosomes, on a donc peut être
trouvé le matériel génétique concerné.
En regardant la détermination du phénotype
sexué chez les individus, plus particulièrement
en comparant celui des hommes et des
femmes dans la population humaine grâce aux
chromosomes X et Y, il est important de voir
qu’en créant des gamètes mâles, portant le chromosome X et Y et le gamète femelle, portant un unique
chromosome X, on obtient en fin de croisement 50% de mâles, et 50% de femelles. Ainsi, en admettant que ces
gènes sont portés par X et Y, on obtient une information se transmettant à part égales. On a ainsi un certain
nombre de preuves expérimentales montrant que les gènes sont portés par les chromosomes.
En observant un cliché de microscopie d’un chromosome, on ne peut pas en déduire sa composition. On a pu
néanmoins y trouver 66% de protéines en masse. A partir du moment où les biologistes se sont intéressés à sa

composition, la conclusion logique à été de penser que ces gènes fûrent constitué de protéines, l’ADN servant
donc à garder les gènes ensemble. Cette vision de la génétique de la part des scientifiques perdurera jusque
dans les années 1940.
L’ADN, PORTEUR DE L’INFORMATION GENETIQUE
Comment sait-on que c’est l’ADN qui porte cette information ? Deux grandes séries d’expérience ont permis de
réaliser que ce modèle était faux.
EXPERIENCES D’AVERY
Le laboratoire d’Avery, un microbiologiste
américain s’intéressant aux pneumocoques et
à leur virulence, avait réussi à isoler une
souche mutante, la souche R, non virulente.
On note que les pneumocoques possèdent
une coque protectrice qui empêchent leur
destruction, et que la souche mutante n’est
plus capable de synthétiser cette paroi
protectrice, ayant perdu un des gènes lui
permettant cette synthèse. Ainsi, les
lymphocytes détruisent ces pneumocoques
sans problèmes.

A cette époque, les chercheurs essayaient de préparer des vaccins inactivés : pour des bactéries de souche
sauvage inactivées à la chaleur (autrement dit éclatées) injectées, la souris de test se portera bien. Cependant,
les souris ayant reçu une injection d’un mélange de bactéries inactivées avec celles de la souche R vont dans la
plupart des cas mourir d’une pneumonie.
La seule manière d’interpréter ce phénomène est d’essayer de déterminer quel type de bactéries se sont
développées : on remarque que les souris mortes sont infectées de bactéries S. Ainsi, en prenant des bactéries
S mortes, leur contenu est libéré, passant dans les bactéries de souches R, et permettent la transformation
bactérienne de R en S, permettant le retour d’un gène manquant, sans le savoir.
Le système est ici idéal pour connaitre la composition des bactéries : En utilisant les techniques de purification,
on peut séparer tous les composants des bactéries S mortes et observer les conditions dans lesquelles on
obtient à nouveau des bactéries S : C‘est quand on incube des ADN de la souche S que l’on peut transformer les
bactéries R. Ainsi, le gène manquant à la souche R est amené par la molécule d’ADN : c’est donc le support de
l’information génétique manquante..
Ces expériences n’ont néanmoins pas donné lieu à beaucoup de retombées, étant donné qu’une grande
majorité des scientifiques étaient persuadés que l’information étaient portées par des protéines.
EXPERIENCES DE HERSHEY ET CHASE
Pour convaincre la communauté scientifique, deux biologistes, Hershey et Chase, ont effectué des expériences
sur un système modèle de bactériophages. Un bactériophage est un virus capable d’infecter les bactéries.
Celui-ci va se fixer sur les cellules et utiliser la machinerie cellulaire de ces dernières pour synthétiser ses
propres protéines et ainsi se reproduire. En microscopie électronique, on peut très bien observer que le
bactériophage fonctionne telle une seringue: c’est le génome viral qui est injecté. La question posée étant
relative à la nature de ce génome viral. Qu’est ce que le virus injecte ?
Les chercheurs ont donc travaillé avec des marquages radioactifs. Quand on cultive le bactériophage en
présence de Soufre 35, le marquage se retrouvera dans les protéines (atomes de soufre des acides aminés
cystéine, méthionine). En mettant en présence bactéries et bactériophages, en agitant et centrifugeant ensuite
le tout, on décroche les bactériophages des bactéries. Les bactéries vont tomber au fond du tube, les
bactériophages dans le surnageant, où l’on retrouve tout la radioactivité. Ainsi, les virus n’injectent pas de
protéines.
On marque maintenant de l’ADN viral avec du Phosphore 32, constituant de l’ADN, de la même façon que
précédemment, et on effectue le même protocole expérimental. On retrouve cette fois-ci la radioactivité dans
le culot. On montre de cette façon que ce qui a été injecté dans les bactéries est l’ADN. Les gènes viraux sont
donc portés par la molécule d’ADN.