chap4.-information g..

Chapitre 4
L’information génétique
1. Information et protéines
2. Gènes et chromosomes
3. Les maladies génétiques
4. Les manipulations génétiques
5. La division cellulaire
6. Le cancer
7. Les virus
8. Jurassic Park ?
Chapitre 4
Objectifs
À la fin de ce module vous serez en mesure de :
1. Expliquer pourquoi la cellule doit posséder de l’information.
2. Expliquer ce qu’est l’ADN
3. Définir les termes : gènes et chromosomes.
4. Expliquer ce que sont les maladies héréditaires.
5. Expliquer ce qu’est une mutation.
6. Expliquer le procédé permettant de transférer un gène d’un organisme à un autre.
7. Décrire les transformations subies par les chromosomes lors de la division cellulaire.
8. Expliquer ce qu’est le cancer. Préciser la différence entre tumeur maligne et tumeur bénigne.
9. Énoncer les principales caractéristiques des cellules cancéreuses.
10. Décrire la structure d’un virus.
11. Expliquer le mode de reproduction des virus.
12. Expliquer la technique permettant de fabriquer un clone d’un organisme à partir
d’une de ses cellules.
4-2
1. Information et protéines
Comme nous l’avons vu au chapitre 2, les protéines sont de grosses
molécules qui remplissent une foule de fonctions différentes dans
nos cellules. Les enzymes, par exemple, contrôlent toutes les réactions chimiques qui se déroulent dans la cellule. Chaque protéine (et
il y en a quelque chose comme 100 000 sortes différentes) est caractérisée par les acides aminés qui la forment.
Pour vivre, une cellule doit donc pouvoir fabriquer les nombreuses
protéines dont elle a besoin (protéines de structure, hormones, protéines de membrane, enzymes, transporteurs de membrane, etc.).
Cependant, pour fabriquer une protéine donnée, la cellule doit posséder :
•
Des acides aminés (ce sont les pièces de construction).
•
L’information, la « recette », permettant d’assembler les
acides aminés dans le bon ordre. C’est-à-dire l’information
lui indiquant quels acides aminés utiliser et l’ordre dans
lequel ils doivent être liés les uns aux autres pour former la
protéine.
Le lysozyme, par exemple, est une protéine (une enzyme plus
précisément) formée par l’enchaînement les uns aux autres de
126 acides aminés. Le premier de ces acides aminés est la lysine
(Lys), le second, la valine (Val), le troisième, la phénylalanine
(Phe) et ainsi de suite jusqu’au dernier acide aminé, le 126e qui
est la leucine (Leu). La moindre erreur dans l’assemblage des
acides aminés, la moindre « faute d’orthographe », risque de rendre la protéine non fonctionnelle. Si c’est une enzyme, celle-ci
peut alors perdre son pouvoir de catalyser une réaction chimique
importante pour la cellule.
Le noyau des cellules humaines
contiendrait ainsi, sous forme
d’ADN, environ 30 à 50 000 recettes
différentes de protéines. On appelle
« gène » chacune de ces recettes.
Où sont donc ces « recettes »? La question a embêté les biologistes
pendant près de 50 ans. On sait, depuis les années 40, que c’est
l’ADN contenu dans le noyau qui indique à la cellule comment fabriquer toutes les protéines qu’elle doit synthétiser. Pour chacune
des milliers de protéines fabriquées par une cellule, il y a, dans le
noyau de la cellule, l’information, « la recette », permettant de fabriquer cette protéine.
Chapitre 4
2. Gènes et chromosomes
L’ADN est un polymère, c’est-à-dire une molécule formée de
l’union, les unes aux autres, de molécules plus petites appelées nucléotides.
Il y a, dans l’ADN, quatre sortes de nucléotides que les chimistes
désignent par les A, T, C et G.
A pour adénine
T pour thymine
C pour cytosine
G pour guanine
Chaque molécule d’ADN présente dans le noyau de nos cellules est
constituée d’une longue, une très longue, une très, très longue succession de nucléotides. Quelque chose comme :
A-A-T-C-C-G-C-T-T-A-G-G-C-T-A-C-T-G-C-C-G-A-C….
En fait, la structure de l’ADN est un peu plus complexe que ça.
Pour une description plus précise de cette structure, voir le site
web du cours à:
http://www.dgpc.ulaval.ca/bio90192/chap4/adn.htm
Le noyau d’une cellule ne contient pas beaucoup de molécules
d’ADN, 46 molécules très précisément dans le cas des cellules humaines. Mais attention, chacune de ces molécules peut contenir
plusieurs centaines de millions de nucléotides liés les uns aux
autres. Chacune de ces molécules ne mesure que 2 nm de large
(deux millièmes de micromètre), mais peut atteindre plusieurs centimètres de longueur. Mises « bout à bout », les 46 molécules
d’ADN du noyau d’une cellule humaine formeraient un long fil
d’environ deux mètres de longueur.
Chaque molécule d’ADN ressemble donc à un long et très, très
mince fil. À l’échelle de la cellule illustrée à la fin du premier chapitre (la cellule de la taille d’un immeuble de six logements), chacune des 46 molécules d’ADN du noyau ressemblerait à une ficelle d’environ 2 mm de diamètre par 2 Km de longueur.
4-4
L’information génétique
Dans la cellule, chaque molécule d’ADN est associée à des protéines autour desquelles elle s’enroule. Une telle molécule d’ADN est
appelée chromosome.
Un chromosome, c’est une des 46 molécules
d’ADN présente dans le noyau de nos cellules
Le nombre de chromosomes par cellule peut varier selon l’espèce.
Ex.
Pois ..............14
Maïs .............20
Drosophile.....8
Rat................42
Chien.................... 78
Chat...................... 38
Chimpanzé .......... 48
Humain................. 46
Les bactéries ne contiennent par contre qu'un seul chromosome. Cidessous, on peut observer le chromosome d’une bactérie vu au microscope électronique. On a fait éclater la cellule et son chromosome s’est répandu tout autour. Ce qui ressemble à un plat de spaghetti renversé n’est en fait qu’une seule molécule d’ADN formée
d’environ 3 millions de nucléotides. Il y a, dans ce long fil, toutes
les recettes des quelques 2 000 protéines différentes que peut fabriquer cette bactérie. Un chromosome humain serait beaucoup plus
long.
Un chromosome
=
une molécule complète d’ADN
Un gène
=
un bout de chromosome correspondant à une recette de protéine.
Chaque chromosome peut être divisé en segments correspondant
chacun à une « recette » de protéine. Chacun de ces segments correspondant à une recette complète s’appelle un gène.
4-5
Chapitre 4
On pourrait faire une analogie avec une cassette audio. Le ruban
complet enroulé sur son support de plastique s’apparente au chromosome. Chaque segment du ruban correspondant à une chanson
complète s’apparente au gène. Un seul chromosome peut ainsi
contenir, bout à bout, comme les chansons qui se suivent sur le ruban d’une cassette, des milliers de gènes différents.
Un gène, c’est donc une longue succession de nucléotides (A, T, C
et G). Ces nucléotides se suivent comme, sur cette page, se suivent
les lettres de l’alphabet. Et tout comme les lettres de l’alphabet, ils
forment des « mots » que la cellule peut comprendre. Ces mots désignent les acides aminés qui entrent dans la composition de la protéine codée par le gène.
Chaque fois qu’une cellule doit synthétiser une protéine, elle doit
« activer » le gène de cette protéine, elle doit « aller lire »
l’information contenue dans ce gène. Nous n’avons malheureusement pas le temps de voir comment sont contrôlés les gènes dans la
cellule, comment un gène s’active puis se désactive (remarquez, on
ne connaît pas encore tous les mécanismes qui interviennent) ni
comment la cellule fait pour identifier, parmi les centaines de milliers de gènes qu’elle possède dans son noyau, celui correspondant à
une protéine précise.
Toute l’activité de la cellule est contrôlée par les enzymes qu’elle
fabrique. En effet, comme nous l’avons vu au module 2, toutes les
réactions chimiques de la cellule sont catalysées par des enzymes
spécifiques. Et puisque la production de ces enzymes est sous le
contrôle de l’ADN, on peut affirmer que l’ADN contrôle la cellule.
Tout le développement embryonnaire, de l’ovule à l’enfant prêt à
naître, est également sous le contrôle de l’ADN du noyau des cellules.
L’ADN contrôle:
•
•
4-6
Le fonctionnement de la
cellule
Le développement embryonnaire
L’information génétique
Fondamentalement, la différence entre un moustique et un humain, entre un mouton et un poisson, entre un érable et une baleine vient du fait que ces organismes ne possèdent pas exactement le même ADN. De même la différence entre vous et moi, le
fait que nous n’ayons pas la même forme de nez, les mêmes
oreilles, la même couleur des yeux, la même sensibilité au cancer
ou aux maladies cardiaques vient du fait que nous ne possédons
pas tout à fait le même ADN. Bien sûr, de nombreux gènes sont
les mêmes. Votre gène de l’hémoglobine, la protéine transportant
l’oxygène dans le sang, est exactement le même que le mien.
Nous fabriquons exactement la même hémoglobine. Il en est de
même pour un grand nombre de protéines fabriquées par nos
cellules. Un grand nombre, mais pas toutes. De nombreux gènes
sont différents et codent donc pour des protéines légèrement différentes les unes des autres. Ce sont ces différences génétiques qui sont responsables de nos différences physiques. Il n’y
a pas deux humains qui ont exactement le même ADN sauf un
cas. Le connaissez-vous ?
Le chimpanzé, notre plus proche
parent dans l’évolution, possède un
ADN identique au nôtre à 98% La
différence entre lui et nous ne vient
donc que de ce petit 2% de différence génétique.
Plus une espèce est éloignée de nous évolutivement, plus la différence génétique est importante.
L’ADN est donc aussi personnel que les empreintes digitales. S’il
n’y a pas deux personnes identiques, c’est qu’il n’y a pas deux personnes qui possèdent exactement le même ADN. Les policiers exploitent d’ailleurs ce fait lorsqu’ils désirent démontrer qu’un échantillon biologique (cheveux, sang, sperme, cellules présentes dans la
salive, etc.) appartient bien à un suspect. Il suffit alors de comparer
son ADN à l’ADN des cellules de l’échantillon. On ne compare pas
tout l’ADN, bien sûr, mais seulement quelques petits segments de
chromosomes judicieusement choisis. S’ils sont identiques (la
même séquence de nucléotides, c’est-à-dire les mêmes nucléotides,
dans le même ordre), on est alors presque certain qu’ils proviennent
du même individu (moins d’une chance sur plusieurs milliards de
faire erreur).
Environ 75% des gènes sont exactements les mêmes
d’un humain à l’autre. 25% sont dits « polymorphes ».
Ce sont des gènes qui peuvent varier d’un individu à
l’autre. Certains de ces gènes polymorphes peuvent
présenter jusqu’à 20 variations différentes.
4-7
Chapitre 4
Actuellement, on ne sait pas si l’ADN détermine aussi notre niveau
d’intelligence et nos principaux traits de caractères. C’est là un des
plus anciens débats en psychologie. Notre personnalité est-elle le
résultat de nos expériences de vie ou de nos gènes, ou des deux? Le
meilleur moyen de trancher la question serait de comparer des jumeaux identiques (mêmes gènes) qui auraient été séparés à la naissance et élevés dans des milieux différents. Mais, vous voyez bien
le problème, de tels couples sont rares.
Une équipe américaine est tout de même parvenue, il y a quelques
années, à réunir une vingtaine de ces cas. Les chercheurs ont observé, chez ces jumeaux, des similitudes de personnalités étonnantes.
Même niveau d’intelligence, mêmes goûts, même personnalité, etc.
Selon leurs conclusions, nos gènes seraient responsables d’environ
75% de notre personnalité. Cependant, ces études ont été contestées
par plusieurs. On a remis en cause la validité des tests psychologiques utilisés et surtout souligné la faiblesse de l’échantillonnage
(une vingtaine, ce n’est pas assez pour tirer des conclusions valables). Certains ont également fait valoir que, même si le milieu de
vie était différent, les jumeaux avaient évidemment exactement le
même physique. Or, il est démontré que l’apparence physique joue
un rôle important dans la perception qu’ont les autres de nous et
donc dans leur façon de se comporter avec nous. C’est donc peutêtre parce que ces jumeaux se ressemblent physiquement qu’ils ont
développé des traits de caractère semblables.
Le débat est toujours ouvert.
4-8
L’information génétique
3. Les maladies génétiques
Tout comme les lettres de l’alphabet s’assemblent pour former des
messages que vous pouvez décoder, les nucléotides se succèdent le
long de la molécule d’ADN pour former des messages, les gènes,
que la cellule peut décoder en « recettes » de protéines. Mais l’ADN
n’a pas la stabilité de la feuille de papier sur laquelle vous lisez ce
texte. Différents facteurs peuvent déstabiliser la molécule, la briser
ou l’altérer. Parfois, un nucléotide peut, au hasard, être remplacé
par un autre (un nucléotide « A » remplacé par un nucléotide « C »,
par exemple). Cette « erreur de frappe » peut fausser le message. Le
gène modifié code maintenant pour une protéine légèrement différente de celle pour laquelle il codait.
Le plus souvent, la nouvelle protéine résultant de l’erreur dans
l’ADN ne peut remplir adéquatement sa fonction. Si cette protéine
était vitale, c’est la mort de la cellule.
Vous vous souvenez de l’anémie falciforme, cette maladie héréditaire dont nous parlions dans le deuxième chapitre ? Les personnes
souffrant de cette maladie fabriquent une hémoglobine légèrement
différente de l’hémoglobine normale. Le 6e acide aminé de leur
hémoglobine est une valine (Val) alors qu’on devrait y trouver un
acide glutamique (Glu). Cette anomalie est due à une toute petite
erreur dans le gène codant pour cette protéine. Suite à un accident
génétique, un nucléotide du gène de l’hémoglobine a été changé par
un autre nucléotide différent. Cette petite modification a modifié la
recette de la protéine codée. Là où la cellule devrait placer l’acide
aminé « acide glutamique », elle place l’acide aminé « valine ». Un
seul nucléotide qui n’est pas à sa place et c’est la catastrophe.
Plusieurs facteurs peuvent être responsables de telles erreurs:
1. Au cours de la reproduction de la cellule, des erreurs peuvent se produire dans la copie des chromosomes (à chaque
division, la cellule effectue une copie de chacun de ses
chromosomes). Normalement, des enzymes corrigent ces erreurs. Mais, parfois (heureusement c’est rare), l’enzyme correcteur peut ne pas « voir » l’erreur.
2. Certaines substances chimiques toxiques peuvent réagir
avec l’ADN et endommager la molécule. Les enzymes de
4-9
Chapitre 4
réparation peuvent alors faire des erreurs en reconstruisant
les gènes endommagés.
3. Des radiations (naturelles ou non) peuvent également endommager l’ADN et causer ces erreurs. C’est pourquoi il y a
toujours danger à s’exposer à des radiations comme, par
exemple, les rayons X.
Si l’erreur se produit au niveau d’une des cellules impliquées dans
la reproduction, spermatozoïde ou ovule, elle peut alors être transmise. À chaque division cellulaire, l’ADN de la cellule est fidèlement reproduit. Un gène anormal qui serait présent dans un ovule
fécondé serait donc reproduit à chaque division cellulaire. Toutes
les cellules de l’individu à naître porteront donc l’erreur génétique,
y compris ses cellules reproductives. L’erreur génétique pourra
donc être transmise à une nouvelle génération. L’anomalie du gène
est transmissible de générations en générations, c’est une maladie
génétique.
On appelle « mutations » ces erreurs apparaissant occasionnellement dans l’ADN et « mutagènes » les facteurs pouvant causer ces
erreurs.
Parfois une mutation peut résulter en un nouveau gène conférant au
« mutant » un certain avantage sur les individus normaux ne possédant pas cette mutation. Cet individu aura donc plus de chances de
survie que les autres et plus de chances de se reproduire, donc de
transmettre sa mutation. La mutation ainsi sélectionnée à chaque
génération (ceux qui la possèdent ont plus de chances de survivre)
se répandra de plus en plus dans l’espèce. C’est ainsi, de mutations
en mutations, que les espèces se modifient avec le temps. C’est là le
principe de base de l’évolution.
4-10
L’information génétique
4. Les manipulations génétiques
Toutes les cellules de tous les êtres vivants « lisent » l’ADN de la
même façon. Si on place dans une bactérie le gène de
l’hémoglobine humaine, celle-ci pourra l’utiliser comme le fait une
cellule humaine et fabriquer de l’hémoglobine humaine. On peut
ainsi introduire dans une cellule un gène provenant d’une cellule
d’une autre espèce. Un gène de cellule de chat introduit dans une
cellule de plant de tomate, par exemple. La cellule recevant le gène
l’utilisera de la même façon que le faisait la cellule donneuse. Une
cellule de tomate peut donc, suite à cette manipulation, fabriquer
une protéine normalement fabriquée par un chat.
On peut ainsi faire produire des protéines humaines en greffant au
chromosome d’une bactérie un gène extrait d’un chromosome humain.
C’est tout comme si on découpait le segment de ruban magnétique correspondant à une chanson sur une cassette de Céline
Dion pour le coller entre deux chansons sur une cassette de Metallica.
Et le plus beau de l’affaire, c’est que lorsque la bactérie se reproduit, elle reproduit également le gène qu’on lui a greffé. Donc, toute
sa descendance pourra fabriquer la protéine codée par ce gène greffé.
Plusieurs protéines humaines sont actuellement produites par des
bactéries ainsi manipulées. Depuis quelques années, par exemple,
l’insuline, cette hormone essentielle aux diabétiques, est produite
par des bactéries auxquelles on a greffé le gène humain de l’insuline
(l’insuline est une protéine).
On peut même introduire des gènes d’une espèce dans le noyau de
l’ovule fécondé d’une autre espèce. À chaque division de l’ovule, le
gène sera reproduit. On obtiendra ainsi un individu dont chacune
des cellules possède le gène greffé au départ. On pourrait ainsi introduire des gènes responsables du goût des fraises dans les cellules
d’un bananier de façon à obtenir des bananes aromatisées aux fraises. On peut même (ça a déjà été fait) greffer un gène animal à une
plante, ou l’inverse. Actuellement, on se livre à de telles manipulations génétiques un peu partout dans le monde.
4-11
Chapitre 4
Il est plus facile de réaliser ces greffes génétiques sur des végétaux que sur des animaux. Dans le cas des végétaux, on peut utiliser n’importe quelle cellule de la plante. Après avoir introduit
dans le noyau le gène désiré, un traitement chimique particulier
stimule la division de la cellule. De division en division, il se formera une nouvelle plante dont chacune des cellules contient le
gène greffé.
Chez les animaux, il faut utiliser un ovule fécondé. Le gène est
introduit dans le noyau et l’ovule est ensuite réimplanté dans
l’utérus d’une mère porteuse. La plupart du temps, l’ovule ainsi
manipulé ne parvient pas à se développer. Il faut procéder à de
nombreux essais avant de réussir la manipulation.
Il n’y a pas de limites à ces manipulations. Plusieurs craignent
d’ailleurs le dérapage de certaines de ces expériences. En jouant
ainsi avec la vie, ne risque-t-on pas d’introduire dans
l’environnement des formes vivantes dangereuses? Que se produirait-il, par exemple, si on introduisait dans une bactérie commune
un gène lui permettant de fabriquer une toxine mortelle du type de
celle sécrétée par la « bactérie mangeuse de chair ».
Nul doute que bien des laboratoires militaires y ont déjà pensé (remarquez, officiellement, les recherches sur de telles armes bactériologiques sont interdites par les traités internationaux; mais...).
4-12
L’information génétique
Chromosome principal
Plasmide
Le gène désiré est localisé sur le chromosome
humain. Des enzymes spéciales appelées enzymes
de restriction sont utilisées pour découper le
chromosome et extraire le gène. On peut aussi le
synthétiser artificiellement.
On extrait de bactéries des
plasmides qui sont ensuite
« ouverts » par une enzyme de
restriction (enzyme pouvant
découper la molécule d'ADN).
Les plasmides sont de petites
boucles d'ADN présentes dans
certaines bactérie en plus du
chromosome principal. Ces petites
boucles ne sont constituées que de
quelques gènes. Faciles à extraire et
à manipuler, on les utilise
couramment en génie génétique.
Plusieurs copies du gène et plusieurs
plasmides sont mélangés. Des
enzymes spéciales fusionnent les
brins d'ADN. Avec un peu de chance,
on devrait voir quelques plasmides se
reformer en intégrant le gène extrait
du chromosome.
Gilles Bourbonnais
Le plasmide manipulé est
introduit dans une bactérie
La bactérie recombinante se multiplie. À
chaque reproduction, le gène greffé est
également reproduit. Toutes les
descendantes peuvent ainsi produire la
protéine codée par le gène greffé.
4-13
Chapitre 4
5. La division cellulaire
L’ADN porte toute l’information nécessaire à la cellule pour synthétiser les milliers de protéines nécessaires à son bon fonctionnement. Une cellule ne pourrait évidemment pas vivre sans cette information.
Lorsqu’une cellule se reproduit, elle se divise en deux nouvelles
cellules.
Si la cellule de départ contenait 46 chromosomes, il est essentiel
que les deux cellules obtenues après division contiennent aussi les
mêmes 46 chromosomes. Et c’est bien ce qui se produit lors de la
division cellulaire. Chaque fois qu’une cellule se divise, les 46
chromosomes sont reproduits puis les copies sont réparties dans les
deux nouvelles cellules.
Donc, chaque fois qu’une cellule se divise, elle commence par copier chacun de ses chromosomes. À partir de chacun de ses 46
chromosomes, elle en fabrique un autre identique.
Jusqu’à leur séparation complète, les deux copies demeurent attachées une à l’autre en un point appelé centromère. De plus, les
deux copies, toujours attachées une à l’autre, se spiralisent fortement. Chaque molécule d’ADN s’enroule plusieurs fois sur ellemême. À la fin de ce processus d’enroulement, les chromosomes
sont devenus beaucoup plus courts (ils passent de plusieurs centimètres de longueur à quelques µm seulement) et si épais qu’on peut
les voir même avec un microscope ordinaire.
4-14
L’information génétique
Réplication et spiralisation d’un chromosome
Les chromosomes ne deviennent ainsi visibles que lorsque la cellule
est sur le point de se diviser.
Chaque chromosome s’enroule pour d’abord former une spirale
(comme un ressort en spirale). Ce processus d’enroulement a
pour résultat de rendre le chromosome plus court et plus épais.
Mais le processus ne s’arrête pas là. La spirale obtenue s’enroule
de nouveau en spirale pour former une structure encore plus
courte et plus épaisse. Le processus se poursuit ainsi plusieurs
fois.
Lorsque ces spiralisations sont terminées, chaque chromosome,
qui pouvait mesurer plusieurs centimètres de long (pour seulement 2 nm de largeur), ne mesure plus qu’environ 2 à 3 µm de
long par environ 1 à 2 µm de large. Chaque chromosome est
maintenant environ 5,000 fois plus court et 1000 fois plus large
que lorsqu’il est complètement déroulé.
Sous cette forme compacte, il sera beaucoup plus facile pour la
cellule de répartir convenablement les copies des chromosomes
dans chacune des deux cellules qui se formeront lorsque la division sera complétée (une copie dans une cellule et l’autre copie
dans l’autre, et ce, pour chacun des 46 chromosomes dédoublés).
4-15
Chapitre 4
Un chromosome se dédouble, se spiralise puis, les
copies se séparent et migrent chacune dans une des
nouvelles cellules formées.
Photographie des chromosomes au moment où ils sont dédoublés
et fortement spiralisés. Les plus longs mesurent environ 8 µm.
Chacun des « X » que vous voyez correspond à deux copies identiques d’ADN attachées l’une à l’autre.
À la page suivante, on peut observer les chromosomes dédoublés et
spiralisés d’une cellule en division. Les copies ne sont plus unies
par leur centromère (mais elles sont encore tout près l’une de
l’autre) et s’apprêtent à migrer chacune vers une extrémité de la
cellule. Une fois le processus terminé, la cellule se scindera en deux
cellules identiques.
4-16
L’information génétique
S’agit-il d’une cellule humaine?
Comptez les chromosomes...
Un chromosome
et sa copie exacte
Chromosomes dédoublés sur le point de se séparer
On appelle mitose, le processus complet de division d’une cellule
en deux cellules identiques. À chaque mitose, tous les chromosomes
sont reproduits en deux exemplaires identiques qui migrent chacun
dans une des deux nouvelles cellules qui se formeront à la fin du
processus. Lors de la mitose, on obtient donc deux cellules génétiquement identiques.
4-17
Chapitre 4
MITOSE
Cellule à 4 chromosomes
Cette cellule n'est pas
humaine, puisqu'elle ne
contient que 4 chromosomes
(une cellule humaine en
contiendrait 46, ce qui
compliquerait un peu trop le
dessin!)
Ce dessin n'est pas du tout à
l'échelle. Si on devait respecter le
rapport entre la largeur de chaque
chromosome et sa longueur,
chacun de ces chromosomes
devrait mesurer plusieurs mètres
de long.
Chaque chromosome se
dédouble. Les deux copies
demeurent attachées l'une à
l'autre par un point appelé
« centromère »
Gilles Bourbonnais
Ici, le dessin est à peu près à
l'échelle; le rapport entre la
longueur des chromosomes
dédoublés spiralisés et leur largeur
est respecté. Par contre, en réalité,
ils ne sont pas aussi gros par
rapport à la taille de la cellule.
4-18
Les chromosomes
(dédoublés) se spiralisent
fortement. On peut
maintenant les voir avec un
bon microscope.
La cellule se scinde en deux
cellules. Au cours du processus,
les copies de chromosomes se
séparent et migrent dans les
nouvelles cellules. Une copie
dans une cellule, l'autre copie
dans l'autre cellule.
Les chromosomes spiralisés se
déroulent. Ils deviennent trop
minces pour être vus au
microscope. Résultat : à partir
d'une cellule à 4 chromosomes,
on a obtenu deux cellules
identiques à 4 chromosomes.
L’information génétique
6. Le cancer
Sans division cellulaire, la vie ne serait pas possible. En effet, sans
division cellulaire, l’ovule fécondé ne pourrait se multiplier pour
former un embryon, un fœtus et, finalement un enfant. Sans division
cellulaire, celui-ci ne pourrait grandir jusqu’à l’âge adulte. Sans
division cellulaire, les blessures ne pourraient être réparées. Sans
division cellulaire, les cellules qui se dégradent ne pourraient être
remplacées (à chaque seconde, des millions de cellules meurent et
sont remplacées par des millions de cellules provenant de la division des cellules voisines encore vivantes).
Mais si la division cellulaire est essentielle à la vie, elle doit tout de
même être rigoureusement contrôlée. Suite à une blessure, par
exemple, les cellules encore intactes autour de la plaie vont se reproduire activement jusqu’à ce que la brèche soit complètement
fermée. Mais si la division cellulaire est essentielle à la guérison,
celle-ci doit s’arrêter lorsque la plaie est refermée. On connaît de
nombreux mécanismes génétiques qui contrôlent la division cellulaire, qui assurent que les cellules ne se reproduisent que lorsque
c’est nécessaire et qu’elles cessent leur division lorsque ce ne l’est
plus.
Si un de ces mécanismes se dérègle, suite à une mutation dans un
des gènes impliqués dans la division cellulaire, par exemple, la
cellule peut perdre le contrôle de sa division et se multiplier de
façon anarchique. La cellule se divise et se divise sans arrêt. À chaque division, l’erreur génétique responsable de la perte de contrôle
est transmise aux descendantes qui présentent alors la même absence de contrôle du processus de division. Il se forme une masse
de cellules, une tumeur.
Selon l’anomalie génétique responsable de la tumeur, celle-ci peut
être bénigne ou maligne.
• Tumeur bénigne
Lorsque la tumeur est bénigne, les cellules se reproduisent très lentement et forment une masse compacte bien circonscrite à
l’intérieur des tissus où elle se développe. Il est alors facile de
l’extraire par chirurgie.
4-19
Chapitre 4
•
Tumeur maligne
Par contre, dans certains cas, la division cellulaire est très active. La tumeur croît rapidement et envahit les tissus environnants. On parle alors de cancer. Chaque cancer, on en connaît
un très grand nombre, est caractérisé par le type de cellule à
l’origine de la tumeur et l’anomalie génétique responsable de la
perte de contrôle de la division.
Exemples de cancers :
•
•
•
•
•
Carcinome : tumeur maligne née de cellules épithéliales (les
cellules épithéliales sont les cellules qui recouvrent le corps
et les organes).
Mélanome : tumeur provenant d’un mélanocyte, le type de
cellule qui fabrique le pigment responsable de la coloration
de la peau.
Sarcome; terme général désignant les tumeurs provenant de
cellules musculaires ou de tissu conjonctif.
Leucémie : cancer causé par une multiplication anarchique
des globules blancs du sang.
Lymphome : tumeur provenant de cellules des ganglions
lymphatiques.
Les cellules cancéreuses présentent de nombreuses anomalies par
rapport aux cellules normales :
4-20
•
Division rapide et anarchique;
•
Perte d’inhibition de contact
Lorsqu’une cellule, entre en contact avec d’autres cellules, elle
cesse de se reproduire; c’est ce qu’on appelle l’inhibition de
contact. Lorsqu’une plaie se referme, par exemple, les cellules
qui se reproduisent cessent de le faire lorsqu’elles entrent en
contact avec les autres cellules. Lorsque les lèvres de la blessure
se rejoignent, la division cellulaire cesse. Les cellules cancéreuses n’ont plus cette inhibition de contact. Même entourées
d’autres cellules, elles continuent à se diviser activement.
•
Perte de la spécialisation;
Chaque type de cellule remplit dans l’organisme une fonction
bien précise. Lorsque la cellule devient cancéreuse, elle cesse de
remplir sa fonction. Elle semble, en fait, revenir à un stade de
L’information génétique
cellule embryonnaire non spécialisée. Elle prend une forme
ronde souvent très éloignée de la forme qu’elle a normalement.
Son noyau devient massif et rugueux. Ce sont d’ailleurs ces caractéristiques qui permettent de dépister, au microscope, les
cellules tumorales.
•
Métastase
=
Tumeur secondaire formée à partir
d’une cellule qui s’est détachée
d’une tumeur principale.
Absence de cohésion entre les cellules
Dans presque tous les tissus, les cellules adhèrent fortement les
unes aux autres. Les cellules de la surface de la peau, par exemple, sont solidement liées les unes aux autres de façon à former
une membrane continue. Souvent, dans une tumeur cancéreuse,
les cellules ne sont liées entre elles que d’une façon très lâche.
Des cellules de la tumeur peuvent facilement se détacher et migrer vers d’autres régions du corps. Ces cellules détachées de la
tumeur principale peuvent, là où elles finissent par se fixer,
former de nouvelles tumeurs appelées métastases. On dit alors
que le cancer se généralise.
Souvent, lorsque la maladie atteint ce stade, il est généralement
trop tard pour tenter de retirer les tumeurs par chirurgie. Seule la
chimiothérapie, l’utilisation de médicaments toxiques pour les
cellules qui, comme les cellules cancéreuses, se reproduisent rapidement, peut venir à bout de la maladie.
4-21
Chapitre 4
7. Les virus
Plusieurs maladies sont causées par des bactéries qui parviennent à
percer nos défenses naturelles et à se reproduire à l’intérieur de notre corps. C’est le cas, par exemple, du tétanos, de la coqueluche, de
la lèpre, de la peste, du choléra, de la gonorrhée, de sinusites, de la
typhoïde, etc.
Mais il n’y a pas que les bactéries qui peuvent provoquer des maladies. Plusieurs maladies sont dues à un type d’organisme beaucoup
plus petit et totalement différent des bactéries : les virus. On connaît un très grand nombre de maladies à virus, certaines bénignes,
d’autres, mortelles. Pensez, par exemple, à la grippe, au rhume, à la
plupart des maux de gorge, à la variole, la varicelle, les verrues, la
rougeole, la fièvre jaune, la monocucléose, l’herpès, l’hépatite, le
SIDA, la polio, etc.
Les virus ne sont pas à proprement parler de véritables êtres vivants. Ils se situent à la limite entre le vivant et l’inerte. Contrairement aux véritables cellules, comme les bactéries ou les cellules de
notre corps, ils ne font rien par eux-mêmes. Ils ne peuvent ni se
nourrir, ni se déplacer, ni respirer. Bref, ils sont complètement
inertes. Aucune réaction chimique ne se déroule dans un virus, il est
aussi inerte qu’une pierre. On peut d’ailleurs cristalliser certains
virus et les conserver pendant des années comme du vulgaire sel de
cuisine. Pourtant, inoculés dans l’organisme, ils peuvent devenir
mortels.
•
Structure des virus :
Capside faite de protéines
Chromosome
Enveloppe
(pas toujours présente)
Virus de l’influenza (la grippe)
4-22
Protéine de surface
L’information génétique
•
Taille :
Virus de la variole (environ 210 x 260 nm)
Virus de l’herpes (130 nm)
Virus du SIDA (ou HIV)
(100 nm)
Virus du rhume (25 nm)
.
Plus petite bactérie (475 nm)
Une protéine (10 nm)
Bactérie de taille moyenne (1 µm par 3µm)
Comparaison entre la taille d’une bactérie moyenne, de la plus petite
des bactéries et de certains virus. La bactérie de taille moyenne est
du type de celle dont vous pouvez voir les photographies à la fin du
premier module (le zoom sur l’épingle).
•
Mode de reproduction :
1. Le virus se fixe à la cellule qu’il parasite. Le lien s’établit entre
une des protéines de surface du virus et une protéine particulière
de la membrane de la cellule parasitée. Un virus ne peut parasiter que les cellules qui possèdent des protéines auxquelles il
peut se fixer. C’est pourquoi, les virus sont habituellement spécifiques à un type particulier de cellule. Le virus de l’hépatite,
par exemple, ne peut parasiter que les cellules du foie car seules
ces dernières possèdent des protéines auxquelles il peut se lier.
Virus de l’herpes se faisant phagocyter
par une cellule.
La membrane de la cellule réagit à cet intrus qui s’y est fixé en
se déformant vers l’intérieur. La membrane se déforme tant et si
bien que le virus est bientôt « avalé » par la cellule (phagocytose).
4-23
Chapitre 4
2. À l’intérieur de la cellule, le virus est digéré par des enzymes de
la cellule ce qui a pour effet de le briser en morceaux libérant
ainsi le chromosome du virus. L’information génétique du virus est maintenant dans la cellule.
3. La cellule ne peut faire la différence entre son propre matériel
génétique et celui du virus. Elle commence donc à utiliser le
chromosome du virus comme si c’était un des siens. Elle « lit »
l’information qui y est inscrite et assemble les protéines virales
qui y sont codées. Les gènes du chromosome du virus codent
pour :
•
•
•
•
des protéines formant la capsule recouvrant le virus;
des enzymes bloquant ou même détruisant les gènes de la
cellule hôte;
des enzymes permettant de reproduire en plusieurs exemplaires identiques le chromosome du virus;
des enzymes permettant d’assembler toutes les protéines et
les chromosomes viraux produits en de nouveaux virus;
Résultat de toute cette activité : de nouveaux virus sont fabriqués par la cellule parasitée. Cette activité perturbe le fonctionnement de la cellule au point de la détruire, ce qui permet au
virus de s’échapper et d’aller parasiter d’autres cellules. Chaque
cellule parasitée peut produire quelques centaines à quelques
milliers de virus avant d’être détruite par cette activité.
On qualifie le virus « d’ultra parasite ». Il ne fait absolument rien
par lui-même. Il ne mange pas, ne respire pas, ne fabrique ni ne
produit rien. Il n’a pas de métabolisme propre. Un virus c’est de
l’information qui dit à qui sait la lire et l’utiliser « reproduis-moi ».
Le virus n’est donc pas vraiment un être vivant. Hors de la cellule
hôte, il se comporte comme une substance inerte.
4-24
Chez un malade atteint du Sida (virus
HIV), à chaque jour, 1,8 milliards de
lymphocytes (c’est une sorte de globule blanc ) sont détruits tous les jours
(environ 5% du total) et 10 milliards de
virus sont produits (100 à 1000 fois
plus chez certains patients). Les virus
ne survivront en moyenne que 6 heures dans l’organisme s’ils ne trouvent
pas de nouveaux lymphocytes à parasiter. En fait, environ 1 sur 1000 seulement parvient à infecter une cellule.
L’information génétique
Capside
Chromosome
Dans la cellule,
la capside du
Protéine
de la
capside
Gilles Bourbonnais
Le chromosome
du virus est
multiplié en
plusieurs
De nouveaux virus
sont assemblés.
4-25
Chapitre 4
Les antibiotiques utilisés avec succès pour lutter contre les bactéries n’ont aucun effet sur les virus. Il est donc tout à fait inutile de prendre des antibiotiques lorsqu’on a le rhume, la
grippe ou toute autre maladie à virus. L’usage inutile
d’antibiotiques dans le cas d’infections à virus est d’ailleurs
critiqué et dénoncé par tous les épidémiologistes. Malheureusement, cédant souvent aux pressions de leurs patients, de nombreux médecins continuent à en prescrire en cas de grippe ou de
rhume.
Actuellement, on compte à peine une dizaine de médicaments pouvant agir sur les virus. Chacun de ces médicaments ne peut agir que
sur un type bien particulier de virus et n’a que peu d’effets sur
d’autres types. Il n’y a actuellement pas de traitement contre la
grande majorité des maladies à virus. Tout ce qu’un médecin peut
faire, c’est d’atténuer les symptômes de la maladie.
4-26
L’information génétique
8. Le cloning
Comme tout le monde, vous avez commencé votre vie sous la
forme d’une seule cellule, l’ovule fécondé. Les 46 chromosomes
de cette première cellule possédaient toutes les informations nécessaires pour diriger le développement embryonnaire complet puis le
fonctionnement de chacune des cellules du corps.
À chacune des divisions de l’ovule, les 46 chromosomes ont été
intégralement reproduits. Si bien, qu’aujourd’hui, chacune de vos
quelques 60,000 milliards de cellules contient les mêmes 46 chromosomes qu’il y avait dans la cellule de départ, l’ovule fécondé.
Puisque chacune de nos cellules contient les mêmes instructions que
celles qui étaient présentes dans l’ovule fécondé qui lui a donné
naissance, théoriquement, on pourrait donc, à partir de n’importe
quelle cellule d’un individu, obtenir une copie identique de cet individu, un clone.
On a longtemps cru la chose impossible chez les organismes les
plus complexes jusqu’à ce qu’en 1997, des chercheurs anglais réussissent à produire un clone, une copie identique, d’une brebis à partir d’une cellule d’un de ses pis. Si la même chose était possible
chez les humains, on pourrait par exemple, à partir de 100 cellules
prélevées sur votre corps, fabriquer 100 jumeaux identiques qui
seraient tous votre copie exacte.
Ou encore, si on pouvait retrouver ne serait-ce qu’une seule cellule
intacte d’un dinosaure, il serait théoriquement possible de reformer
le dinosaure au complet. Ça vous rappelle quelque chose?
Un des principaux obstacles à cette prouesse technique, c’est justement de retrouver une cellule intacte. Après la mort, les grosses
molécules de la cellule, dont l’ADN formant les chromosomes, sont
rapidement détruites par des enzymes. Il semble donc tout à fait
impossible de retrouver une cellule dont les chromosomes seraient
encore complets. Mais avouez que la chose, puisqu’elle est tout de
même théoriquement possible, a quelque chose de fascinant.
Mais si toutes nos cellules possèdent exactement le même ADN, les
mêmes 46 chromosomes, pourquoi peuvent-elles être si différentes?
Pourquoi un neurone fabrique-t-il des protéines que ne fabrique
jamais une cellule du foie (et vice-versa)? Pourquoi les cellules de
4-27
Chapitre 4
votre peau ne se reproduisent-elles pas comme, l’ovule fécondé,
pour former des embryons (remarquez, la chose se produit chez
certains animaux primitifs comme les coraux, des clones
« bourgeonnent » constamment à partir de cellules de l’organisme
adulte).
Au tout début du développement embryonnaire, toutes les cellules
sont identiques. Mais rapidement, certaines cellules deviennent différentes des autres. Certaines deviendront des cellules musculaires,
d’autres des neurones et d’autres des cellules du foie, par exemple.
Cette spécialisation des cellules se fait aux tous premiers jours du
développement embryonnaire. Lorsqu’une cellule se spécialise,
certains de ses gènes deviennent actifs alors que d’autres sont bloqués. Dans un neurone, par exemple, le gène de l’hémoglobine ne
fonctionne pas, il est bloqué, la cellule ne peut l’utiliser. Par contre,
d’autres gènes qui sont bloqués dans les autres cellules sont actifs
dans le neurone.
Pour obtenir un clone d’un individu à partir d’une cellule de sa
peau, par exemple, il faudrait trouver un moyen de ramener son
ADN à l’état qu’il avait dans l’ovule fécondé, c’est-à-dire un état où
tous les gènes contrôlant le développement embryonnaire peuvent
être activés (ces gènes sont normalement bloqués dans une cellule
spécialisée, heureusement, sinon il risquerait de vous « pousser » un
clone à partir de n’importe quelle cellule du corps). C’est le principal obstacle qu’ont dû contourner les chercheurs britanniques qui
sont parvenus, en 1997, à cloner une brebis (Dolly) à partir d’une
cellule spécialisée retirée de son pis.
4-28
L’information génétique
Comment une équipe anglaise a réussi à cloner une brebis
On prélève une cellule
somatique d’une brebis.
L’équipe anglaise de
1997 avait prélevé la
cellule dans le pis de la
brebis.
On prélève un ovule d’une
brebis. On enlève (ou on
détruit) ensuite le noyau de cet
ovule.
On retire ensuite le
noyau de cette cellule.
Le noyau prélevé dans la cellule
somatique est implanté dans l’ovule
dont on a enlevé le noyau.
Gilles Bourbonnais
L’ovule possédant le noyau de la
cellule somatique est implanté dans
l’utérus d’une mère porteuse qui
peut être différente de la brebis qui
a fourni l’ovule ou de celle qui a
fourni le noyau.
Après gestation, la mère porteuse
donnera naissance à une brebis
génétiquement identique à la brebis
qui a fourni le noyau.
4-29
Chapitre 4
4-30
Vocabulaire
Acide aminé
Petite molécule (il y en a 20 sortes différentes) formant, par leur union,
les protéines.
ADN
Acide désoxyribonucléique. Matière chimique formant l’information génétique (les gènes) du noyau de la cellule. L’ADN est un polymère de
nucléotides (il y en a quatre sortes).
Antibiotique
Médicament peu ou pas nocif pour l’organisme mais toxique pour les
bactéries. Les antibiotiques n’ont aucun effet contre les virus.
Capside virale
Enveloppe faite de protéines recouvrant le matériel génétique des virus.
Chromosome
Une des molécules d’ADN présentes dans le noyau. Les cellules humaines possèdent 46 chromosomes.
Enveloppe virale
Membrane semblable à la membrane cellulaire (double couche de lipides et protéines) recouvrant plusieurs espèces de virus.
Gène
Segment de chromosome portant toute l’information nécessaire à la
synthèse d’une protéine.
Influenza
Autre nom de la grippe.
Métastase
Tumeur secondaire formée à partir de cellules qui se sont détachées
d’une tumeur cancéreuse.
Mitose
Nom donné au processus par lequel une cellule se divise en deux cellules identiques.
Mutagène
Substance ou facteur pouvant provoquer des mutations.
Mutation
« Erreur » dans la molécule d’ADN résultant d’une modification chimique
de celle-ci.
Nucléotide
Petite molécule formant l’ADN. Il y a quatre sortes de nucléotides dans
l’ADN (A, T, C et G).
Plasmide
Petite boucle d’ADN présente, en plus du chromosome, dans certaines
bactéries.
Polymère d’acides aminés.
Protéine
Tumeur bénigne
Tumeur formée de cellules se reproduisant anormalement. Les tumeurs
bénignes se développent lentement et forment une masse bien circonscrite.
Tumeur maligne
Tumeur formée de cellules se divisant de façon anarchique. Les tumeurs malignes se développent rapidement et envahissent les tissus
avoisinants.
Chapitre 4
Questions de révision
1. Qu’est-ce qu’un chromosome ? De quelle substance est-il constitué ?
2. Qu'est-ce qu'un gène ?
3. Le chien possède 78 chromosomes contre 46 pour l’être humain. Peut-on alors conclure
que le chien est un être plus complexe que l’homme ?
4. Qu'est-ce qu'une maladie héréditaire ? Donnez quelques exemples.
5. Des chercheurs ont récemment réussi à produire une variété de pomme de terre dont les
feuilles produisent la toxine du Bacillus thuringiensis, ( ou B.t.) une bactérie mortelle
pour de nombreuses espèces d’insectes. Comment ont-ils réussi à faire produire par une
plante une protéine (la toxine) normalement produite par une bactérie ?
6. Dans une centrale nucléaire, un ouvrier déchire son gant ce qui expose les tissus de sa
main à de fortes radiations. Plusieurs mutations se produisent dans les gènes de ses
cellules. Cet homme risque-t-il d'avoir des enfants anormaux ?
7. Pourquoi une cellule du foie fabrique-t-elle des protéines différentes de celles d'une
cellule du cerveau, leur ADN est-il différent (ne cherchez pas la réponse dans vos notes,
elle n’y est pas, mais essayez de trouver la réponse par vous-même) ?
8. D'après vous, y a-t-il des protéines qui sont fabriquées par toutes les cellules du corps ?
9. Énoncez les principales caractéristiques des cellules cancéreuses.
10. Pourquoi le virus du rhume n’attaque-t-il (normalement) que les cellules superficielles
des voies respiratoires ? Pourquoi n’attaque-t-il pas les autres cellules du corps ?
11. Quelles sortes de gènes retrouve-t-on dans le chromosome d’un virus ?
12. Pouvez-vous énumérer les principales difficultés auxquelles il faudrait faire face si on
désirait, comme dans Jurassic Park, cloner un dinosaure ?
4-32