Les concepts-clés de la biologie contemporaine

1

Nombreuses notions vues au cours de biologie de l’école secondaire

Perspective historique

Génétique

•Mendel: transmission héréditaire des caractères, caractère ponctuel de

ceux-ci

•De Vries: mutations: des variations apparaissent dans les populations

•Boveri, Sutton, Morgan: théorie chromosomique de l’hérédité,

recombinaison homologue

Théorie de l’évolution

•C. Darwin: “Descendance avec modifications”

•Mécanisme principal: la sélection naturelle

Théorie synthétique de l’évolution

Evolution = variation de la fréquence des allèles présents

dans une population

Synthèse de la théorie de Darwin et des apports de la

génétique, de la paléontologie, de la systématique,…(Huxley,

Dobzhansky, Mayr…)

Une nouvelle synthèse: Biologie moléculaire Génomique, Evo-Devo

•ADN support matériel de l’hérédité

•Universalité du code génétique

•Stabilité et variabilité de l’expression des gènes chez les organismes multicellulaires

Développement embryonnaire

Pathologie: cancer

Evolution des EV implique évolution des processus développementaux 2

Evolution biologique, évolution de la biologie

Spécificité de la biologie: les êtres vivants sont des objets historiques

Evolution biologique: théorie unificatrice de la biologie

Bases moléculaires de l’hérédité

4

L’organisation des cellules vivantes - rappel

5

• L’information génétique est portée par les

chromosomes (T. H. Morgan 1910)

• Chez les procaryotes (bactéries et

archées), le matériel génétique se

présente généralement sous la forme

d’un seul chromosome circulaire. Il existe

cependant des bactéries qui ont plusieurs

chromosomes.

• Dans les cellules eucaryotes, les

chromosomes sont localisés dans le

noyau.

• Les cellules eucaryotes comportent

généralement plusieurs chromosomes.

Source des images: wikipedia

Cellule procaryote

Cellule eucaryote

6

• Les cellules somatiques

sont diploïdes: chaque

cellule comporte 2 copies

de chaque chromosome

(1 maternelle et 1

paternelle).

• Chez l'humain, les noyaux

des cellules somatiques

comportent 23 paires de

chromosomes.

http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/karyotyp.html

Les chromosomes humains - rappel

Protéines

ADN

Structure de la chromatine

• Les chromosomes eucaryotes sont composés de chromatine: ADN (acide

désoxyribonucléique) et protéines (histones).

• La chromatine permet, entre autres, la “condensation” (le compactage) de l’ ADN.

Si les chromosomes sont constitués de chromatine quel est le support

matériel de l’hérédité? Les protéines ou l’ADN?

L’ADN, support matériel de l’hérédité

Support de l’hérédité: protéines ou ADN?

1. Expérience de F. Griffith (1928): Transformation des pneumocoques

•1918: épidémie de grippe 50-100 millions de morts; 50% de la population mondiale contaminée!

• Investissement massif des gouvernements pour la recherche sur les vaccins ( impact de la demande sociale, des bailleurs de fonds sur la recherche).

• F. Griffith: recherche sur les pneumocoques (bactéries).

Streptococcus pneumoniae Souche R (rough): non virulente

Streptococcus pneumoniae Souche S (smooth) virulente

Conclusion de l’expérience:

Une substance chimique

contenue dans les bactéries

S est capable de

« transformer » les

bactéries R en bactéries S

8

Quelle est cette

substance?

L’ADN, support matériel de l’hérédité

Avery, O. T., MacLeod, C. M. & McCarty, M. Studies of the chemical nature of the substance inducing transformation of

pneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus Type

III. J. Exp. Med. 79, 137–158 (1944)

2. Expérience de Avery (1944): l’ADN « principe » de transformation des bactéries

• Question posée: quel composant chimique des bactéries

S confère la virulence aux bactéries R?

• Méthode: Traitements détruisant spécifiquement différents

composants des bactéries S

• Conclusion de l’expérience: l’information permettant la

transformation des bactéries R en S est médiée par l’ADN.

• Découverte mal reçue pas acceptée par la

communauté des chercheurs

• 1952: Alfred Hershey & Martha Chase: expériences sur

des bactériophages confirmation des résultats d’Avery

9

• Résultat: La destruction des protéines ou de l’ARN par des

enzymes n’empêche pas la transformation des bactéries R

en S. Par contre, la transformation n’a pas lieu si l’ADN est

détruit.

Proposition d’Avery: L’ADN est le support matériel

de l’hérédité!

Structure de l'ADN - la double hélice

1953: Watson et Crick proposent un modèle pour la structure de l'ADN Watson & Crick, 1953. « Molecular structure of nucleic acids » Nature 4356: 737-738

10

So

urce: W

atson

& C

rick (1

95

3). N

ature 4

35

6:7

37

-738

.

« We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This

structure has novel features that are of considerable biological interest »

« So far as we can tell, it is

roughly compatible with the

experimental data, but it must be

regarded as unproved until it has

been checked against more exact

results. »

R.E. Franklin

• Chaque chromosome contient une

chaîne extrêmement longue d’acide

désoxyribonucléique (ADN).

• L’ADN est composé d’une double

hélice, qui porte 4 types de bases

azotées (ou nucléotides).

•A : Adénine

•C: Cytosine

•G: Guanine

•T: Thymine

• L’information génétique réside dans

la succession de ces bases azotées:

séquence ADN.

• Par analogie, l’ADN = texte écrit

dans un alphabet de 4 lettres.

Structure de l'ADN - la double hélice

Source. Nature Education

11

Structure de l'ADN – la complémentarité des bases

• La propriété essentielle de l’ADN

est la complémentarité des

bases (ou nucléotides):

Adénine -- Thymine

Cytosine – Guanine

• La complémentarité repose sur

la structure chimique des bases

(nombre de liaisons hydrogène).

Source. Nature Education

12

13

Mécanisme postulé par Watson & Crick et démontré expérimentalement par Meselson et Stahl

(1958)

• Une implication directe de la propriété de complémentarité des bases est que chaque brin

d’ADN contient l'information complète

• Durant la réplication, les brins se séparent et chaque brin sert de modèle pour la synthèse

d'un brin complémentaire.

• La réplication assure donc le transfert de l’information génétique d’une cellule à ses

descendantes.

Réplication de l’ADN

« It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately

suggests a possible copying mechanim for the genetic material ». Watson & Crick , 1953

Réplication semi-conservative

Source http://bcs.whfreeman.com/lodish5e/

Moisissure normale

Mutant* 1

Mutant* 2

Mutant* 3

Comment l’information génétique (encodée par l’ADN) est-elle utilisée par la

cellule?

1941: Expérience de Beadle et Tatum: étude de mutations chez Neurospora crassa

Proposition de Beadle et Tatum: les gènes commandent la formation des protéines

15

• Les acides aminés entrant dans la

composition des protéines sont au

nombre de 20.

• La succession des acides aminés – la

séquence protéique - détermine sa

structure.

• La structure tri-dimensionnelle de la

protéine détermine sa fonction.

Retinol binding protein PDB 1RBP

Composition des protéines

La synthèse des protéines

• 1941: Beadle et Tatum: les gènes commandent la formation des protéines

16

• 1958: F. Crick « On protein synthesis »: L’information permettant la synthèse des

protéines est portée par l’ADN

Implique la colinéarité des séquences nucléique (4 « lettres ») et protéique (20

« lettres »)

Mecanisme?

CODE?

?

La synthèse des protéines

• 1941: Beadle et Tatum: les gènes commandent la formation des protéines

• 1958: F. Crick « On protein synthesis »: L’information permettant la synthèse des protéines est portée par l’ADN

Décrit le flux d’information dans les cellules

Implique la colinéarité des séquences nucléique (4 « lettres ») et protéique (20 « lettres »)

CODE? The Central Dogma

This states that once ‘information’ has passed into protein it cannot get out

again. In more detail, the transfer of information from nucleic acid to

nucleic acid, or from nucleic acid to protein may be possible, but transfer

from protein to protein, or from protein to nucleic acid is impossible.

Information means here the precise determination of sequence, either of

bases in the nucleic acid or of amino acid residues in the protein.

Francis H. Crick (1958)

Colinéarité des séquences nucléique et protéique

Les protéines sont constituées d’un enchaînement d’acides aminés. Il existe 20 A.A. différents

Figures tirées de Tavernier & Lizeaux SVT 1re S programme 2001

17

• L’ADN est localisé dans le noyau

• La synthèse des protéines est

effectuée par les ribosomes, des

organelles présentes dans le

cytoplasme

L’ARN messager

Jean Brachet (1909-1988)

Image: francquifoundation.be

Un intermédiaire transporte l’info du noyau vers le cytoplasme = ARN messager

• ARN: acide ribonucléique

• 1 seule chaîne portant 4 bases azotées: C, G, A, U (uracile)

• Respecte la complémentarité:

A—U

C—G

TRANSCRIPTION: « copie » ARN de l’information portée par l’ADN (même langue)

Source. Nature Education

Source: Dragon. F. et al. Nature 417, 969.

18

19

• Le code génétique a été élucidé en 1961.

• Les protéines sont synthétisées à partir de l'ARN.

• TRADUCTION de l'ARN (séquence de 4 nucléotides

distincts :A, U, C, G) en protéines (séquence de 20

acides aminés distincts) 2 langues différentes :

• Chaque acide aminé est spécifié par une succession

de 3 nucléotides (un codon).

• Il y a 64 triplets de nucléotides possibles. Plusieurs

codons spécifient le même acide aminé (redondance).

• Certains codons font office de « signes de

ponctuation »: codons « START » et « STOP »

http://www.accessexcellence.org/AB/GG/

Le code génétique

ADN

ARN

Transcription

Protéine

Traduction

Réplication

« DNA makes RNA makes protein »

Le « dogme » de la biologie moléculaire

Le dogme de la biologie moléculaire

Francis Crick (1958):

– DNA makes RNA makes protein

– (l’ADN fait l’ARN qui fait les protéines)

Décrit le transfert de l’information entre les macromolécules (ADN, ARN, protéines)

• Crick, F. H. (1958). On protein synthesis. Symp Soc Exp Biol

12, 138-63.

• Discussion ultérieure du concept de « dogme »:

Crick, F. (1970). Central dogma of molecular biology.

Nature 227, 561-3.

La réalité est plus compliquée!

•Les gènes morcelés pas de colinéarité stricte

•La transcription inverse

20

21

Les facteurs transcriptionnels ou facteurs de

transcription sont des protéines indispensables

à l’expression correcte du matériel génétique.

Leur capacité à lier des régions spécifiques de

l’ADN dépend de leur structure

tridimensionnelle.

Protéine GAL4 (levure) liée à l’ADN

Structure – fonction des protéines

La structure

tridimensionnelle des

enzymes assure la

spécificité de leur

fonction

reconnaissance d’un

substrat spécifique. Carboxypeptidase (bleu) et son substrat

(rouge)

La structure tridimensionnelle de la grande majorité des protéines est

indispensable à leur fonction

22

• L’hémoglobine est une protéine qui transporte l’oxygène dans le sang.

• On a recensé plus de 500 formes mutantes de l’hémoglobine, dont

plus de 95 contiennent une mutation ponctuelle (substitution d’un seul

acide aminé).

Source: http://www.ens-lyon.fr/DSM/magistere/projets_biblio/2002/cmichel/hbS.htm

http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1GZX

Structure – fonction des protéines: les mutations de l’hémoglobine

Source: INSERM

• La substitution de la glutamine en position 6 en valine

modifie la structure de l’hémoglobine (HbS) et entraîne la

formation de fibres.

• Ces fibres déforment les globules rouges en leur donnant

une forme de faucille (d’où provient le nom de la maladie). Les

globules rouges déformés gênent la circulation sanguine en

bloquant les vaisseaux capillaires.

La drépanocytose ou l’anémie à cellules falciformes

Conclusion

• Biologie moléculaire: une des grandes aventures scientifiques du XXème siècle

• Biologie moléculaire: une science moribonde? (Michel Morange)

Disparaît en tant que telle du vocabulaire

Mais ses concepts et ses méthodes sont présents dans tous les domaines de la biologie!

• L’au-delà de la biologie moléculaire: la génomique et l’Evo-dévo.

Source: Michel Morange Histoire de la biologie moléculaire La Découverte/Poche 23