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L’anatomie et les fonctions des cellules

La molécule d'ARN ressemble à celle de l'ADN mais ses fonctions sont beaucoup plus nombreuses. La macromolécule est généralement constituée d'un simple brin mais peut être doublement torsadée et la thymine (T) est remplacée par l'Uracile (U). Document Laguna Design/ Science Photo Library.

Le deuxième code génétique (III)

Depuis les années 1980, les généticiens ont remarqué que le code génétique ne suffisait pas à expliquer la diversité des protéines (des tissus biologiques) : un gène peut conduire à la fabrication de plusieurs protéines différentes, la cellule étant capable de produire des milliers d'ARN messagers (ARNm). Inversement, les généticiens ne retrouvaient pas le texte exact de l'ADN à l'origine d'une protéine. Il leur manquait donc une information, comme si durant le processus de l'épissage (le séquençage de l'ADN lors de la transcription de l'ADN en ARN) il existait un code intermédiaire définissant quel type d'ARN messager devait être produit en fonction de la nature du gène ou du tissu concerné.

C'est ce qu'ont découvert en 2010 Benjamin Blencowe et Brendan Frey de l'Université de Toronto en perçant le mystère entourant l'épissage alternatif (alternative splicing). Ou comment, à partir de seulement 26500 gènes exprimés, le génome humain génère des informations génétiques bien plus nombreuses et complexes, contrôlant la plupart des activités cellulaires.

Une nouvelle étude publiée en 2017 par Helmut Schiessel de l'Université de Leyde et son équipe a confirmé l'intervention de ce deuxième code génétique dans le pliage des molécules et son impact possible sur les mutations génétiques.

Grâce à ce deuxième code génétique qui permet de décupler le potentiel de l'ADN, l'ARN prémessager est découpé puis réassemblé selon le code de l'épissage. L'ARN est ensuite décodé et l'ARN messager (ARNm) est constitué.

Concrètement, les bases doivent se recombiner par paires et de façon unique : A avec T et G avec C. Lorsque les nucléotides des ARN trouvent leur base complémentaire, une enzyme polymérase les assemble avec l’ARN messager. Cette transcription suit donc le même ordre que celui des séquences de l’ADN et peut se répéter un très grand nombre de fois. Les séquences d’ADN qui sont transcrites mais non traduites en protéines sont dénommées introns. Elles sont détruites lors de l'épissage. Celles qui sont traduites sous forme de protéines et véhiculées par l’ARN messager sont dénommées exons. Mis bout-à-bout, les exons forment une séquence qui varie d'un tissu à l'autre. Au terme de cette étape, l'ARN prémessager donne naissance à un ARN messager spécifique à chaque tissu. Les exons sont ensuite exprimés pour fabriquer une protéine.

Au cours de la transcription de l’ADN, les gènes assurent plusieurs tâches : avant toute chose ils synthétisent des ARN fonctionnels, surtout des ARN de transfert (ARNt) dont certains sont débités et mis à dimension par des enzymes contenant des ARN à fonction catalytique (telle la ribonucléase P chez le fameux colibacille Escherichia coli). Il faut insister sur ce point car cette molécule d’ARN est capable de catalyser une réaction presque aussi efficacement que le complexe réplisome !

La transcription de l’ADN sert également à synthétiser des ARN ribosomiaux (ARNr) qui assurent la croissance des bactéries (transcription des gènes).

A voir : Modélisation de la formation de la chromatine et des nucléosomes

Processus de pliage de l'ADN pour former des protéines de chromatine dans le noyau cellulaire

A lire : Le deuxième code génétique (Pour La Science, 2010)

Découverte du code de l'épissage alternatif

Fabrication d'un ARNm par transcription (copie) de l'ADN. L'ARNm est composé de régions appelées introns (qui sont éliminés durant le processus) et d'exons. L'ARNm utilisé pour la transcription ne contient donc que des exons qui sont ensuite exprimés.

L'ADN non exprimé

Ainsi que nous l'avons expliqué en première page, les deux génomes procaryotes et eucaryotes se différencient également par la présence chez les cellules eucaryotes d’une beaucoup plus grande proportion d’ADN porteur de gènes non fonctionnels. En effet, à côté des quelques 26500 gènes soit à peine 2 % du génomène humain lourds de sens codant des protéines cellulaires, plus de 97 % ne sont pas exprimés ! Il s’agit de fragments d’ADN contenant des séquences régulatrices, des traces de duplications et de mutations antérieures, des gènes, des virus et des rétrovirus morts ou inactifs que l’évolution n’a pas éliminé. La présence de cette"pourriture" (junk)[4] comme l’a si bien considérée Crick et que certains biologistes appellent l'ADN "poubelle" est longtemps restée une énigme et considérée comme inutile. Mais les généticiens s'étaient en partie trompés.

Les transposons ou gènes sauteurs

Si le bon sens nous faire dire que ce serait une perte de temps et d'énergie pour la cellule que de trier et de gérer "durablement" l'énorme quantité  d'ADN de rebut, il faut bien reconnaître que continuer inlassablement à les dupliquer sans que personne ne se souvienne pourquoi, est tout aussi inutile et est un gaspillage d'énergie très précieuse. Étrange stratégie même paradoxale de la part d'un organisme par ailleurs excellement bien organisé. Mais notre compréhension du fonctionnement du génome n'est peut-être pas aussi claire et complète qu'on l'imagine. En fait, on a pu résoudre une partie de cette énigme. Et il a bien fallut reconnaître que les conclusions initiales des généticiens étaient prématurées.

Comme le disait le dialoguiste Michel Audiart "C'est pas parce qu'on n'a rien à dire qu'il faut fermer sa gueule", expression reprise dans le film du même nom réalisé par Jacques Besnard en 1975. Les gènes ont un peu la même mentalité, en particulier certains gènes non exprimés qui veulent se rendre utiles.

Barbara McClintock dans son laboratoire du département de Génétique à la Carnegie Institution de Cold Spring Harbor, NY, en 1947. Cette année là elle reçut l'  "Achievement Award" de l''American Association of University Women pour ses travaux en cytogénétique, une récompense qui annonce souvent le prix Nobel, qu'elle reçut en 1983.

Dans les années 1950, la cytogénéticienne Barbara McClintock (1902-1992) découvrit les "gènes sauteurs" ou transposons dans l'ADN de maïs pour laquelle elle reçut le prix Nobel de Physiologie (Médecine) en 1983, le temps que les généticiens compennent la portée de ses travaux précuseurs (McClintock arrêta de publier ses travaux en 1953 car ses théories n'étaient ni comprises ni acceptées par ses pairs jusqu'à ce que les généticiens s'en rappellent dans les années 1960-1970).

Les généticiens ont constaté que le génome et pas seulement humain n'est pas une structure passive mais que des séquences d'ADN peuvent se détacher, s'autorépliquer et s'insérer en d'autres endroits, créant apparemment un désordre indescriptible que seule la machinerie cellulaire est capable de décrypter. Ces séquence de gènes sauteurs sont les transposons de McClintock.

Si aujourd'hui on considère qu'ils jouent un rôle essentiel dans la stucture et le fonctionnement du génome, initialement et par manque d'outils adaptés à leur étude, ils furent considérés comme des gènes parasites ou des gènes égoïstes (lors de la sélection naturelle, la sélection des gènes l'emporte sur la sélection des organismes et des populations, cf. le livre "Le gène égoïste" de Richard Dawkins), voire pire, de l'ADN de rebut juste bon pour la poubelle ! Or aujourd'hui, les transposons sont considérés comme des éléments actifs essentiels susceptibles d'augmenter le potentiel évolutif des organismes. Portant eux-mêmes des séquences régulatrices, ils interviennent par exemple au cours des mutations, de la recombinaison, dans les séquences codantes ou régulatrices de gènes (quitte à créer des interférences), bref tout au long de l'évolution du génome. Ils sont capables de remodeler la structure chromosomique afin que les gènes s'expriment différemment et de faire émerger de nouvelles fonctions génétiques de grande ampleur.

Parmi les découvertes que l’on espère de la cartographie du génome humain qui fut terminée en 2001 réside l’espoir que la "pourriture" ne codant pas pour les protéines recèle un enregistrement de l’histoire de l’évolution humaine. En effet, si nous pouvions identifier l'origine et le rôle éventuel de ces séquences inactives, les chercheurs pourraient sans doute mieux comprendre notre évolution, y compris certains de nos comportements que les réactions biochimiques seules ne peuvent totalement expliquer (comme par exemple certaines actions inconscientes, l'attirance sexuelle, etc.).

Ainsi, en 2005 des chercheurs ont découvert dans ces ADN non exprimés des séquences dérivées de gènes et des traces de virus et d'antivirus ayant participé aux mutations génétiques puis écartés au cours de l’évolution.

Parmi ceux-ci on retrouve les transposons qui ont été répertoriés en 3 types regroupés en 2 classes : la classe I des rétrotransposons et la classe II des transposons à ADN qui se différencient par leur structure et leurs mécanismes de transposition. Ils comprennent entre 1000 et 20000 nucléotides capables de coder les protéines dont les enzymes nécessaires à leur fonction. Ces transposons contiennent eux-mêmes des sous-unités telles que les MITE (Miniature Inverted-repeat Transposable Element), les LINE et les SINE (Long et Short Interspersed Nuclear Elements)  d'une taille variant entre 100 et 1000 nucléotides qui sont clairement des traces de rétrovirus endogènes humains ou HERV. Ils ne sont pas autonomes et dépourvus de séquence codante et sont obligés d'utiliser des protéines codées par d'autres transposons. Du coup, les scientifiques ne voient plus les virus sous le même angle et certains y verraient même des alliés. Nous reviendrons sur le rôle des virus dans l'évolution.

En 2012, dans le cadre du programme ENCODE, des scientifiques ont découvert que 75 % de l'ADN non codant du génome humain participait à la transcription et presque 50 % (contre 90 % dans le génome du blé) était ainsi mis à disposition des protéines impliquées dans le contrôle génétique. Quant à conclure qu'ils interviennent dans les facteurs de transcription, c'est de la spéculation. En effet, il est trop tôt pour affirmer que cet ADN non codant joue un rôle biochimique ou que la transciption de ces segments offre un quelconque avantage en terme d'évolution.

Ceci dit la recherche continue. Les généticiens fondent beaucoup d'espoirs dans le séquençage du génome à la fois dans le but de faire avancer la thérapie génique mais également afin de comprendre la complexité de l'évolution et la nature humaine.

Notons qu'à l’exception de quelques gènes d’ARN de transfert et d’ARN ribosomial, ces ADN de rebut n’existent pratiquement pas chez les cellules procaryotes. La raison la plus probable est que le génome bactérien a été "amélioré" par la sélection naturelle afin d’assurer une multiplication aussi rapide que possible. Ainsi, dans les bactéries en croissance, la réplication de l’ADN ne cesse pratiquement jamais.

Les phénomènes épigénétiques

Parmi les nombreuses questions ouvertes de la génétique, il y a celle des phénomènes transmissibles dit épigénétiques.

La théorie de l'évolution explique que les organismes vivants survivent et les espèces se transforment au cours du temps grâce à l'expression des gènes et au hasard de la sélection naturelle associé aux mutations aléatoires.

Mais il saute aux yeux qu'au sein d'un même règne, tous les animaux, comme tous les insectes ou tous les végétaux présentent globalement les mêmes formes.

Charles Darwin et D'Arcy Thompson avaient déjà constaté que les différences entre les espèces pouvaient s'expliquer par des différentes morphologiques. En prenant pour exemple la forme du bec des pinsons des Galápagos, Darwin constata que leur bec évoluait progressivement d'une espèce à l'autre suite à des mutations et la sélection naturelle, fondant la théorie de l'évolution. A son tour d'Arcy Thompson découvrit que la forme des poissons obéissait à des lois de transformations.

Ainsi, récemment on a découvert que l'homothétie agit sur la taille et la transvection agit sur l'inclinaison des formes. Ces deux facteurs géométriques combinés permettent d'expliquer la diversité des formes des espèces. Ces transformations seraient contrôlées par des "gènes architectes" et notamment par la protéine Bmp4.

Le déterminisme génétique et le rôle de l'éducation

Si le génome représente la mémoire avec laquelle un organisme s'adapte et perdure dans son environnement, aujourd'hui les chercheurs (biologistes moléculaires, expert des neurosciences, psychologues, psychiatres) reconnaissent que l'ADN d'un individu n'est pas le seul facteur caractérisant son caractère; les effets induits par les contraintes physiques et l'éducation vont également forger son caractère.

Ainsi, des psychiatres ont démontré après plusieurs années d'analyses cliniques de patients, qu'un homme génétiquement classé comme psychopathe et dont le cerveau fonctionnait comme tel (les PET Scans montrent une faible activité des aires préfrontales et pariétales, comme c'est généralement le cas chez les criminels) peut évoluer dans le bon sens et devenir "pro-social", c'est-à-dire une personne très sociable, gentille et même créative et ayant de l'empathie pour ses semblables. Ce fut notamment le cas du neuroscientifique James Fallon (cf. aussi ce reportage d'ARTE).

Cela signifie que bien que porteur d'un bagage génétique présentant des gènes dont les allèles sont faibles (par ex. MAO-A lié à l'agressivité) et donc à risque, un enfant va bien ou mal tourné en fonction de l'éducation qu'il recevra, autrement dit de la pression de l'environnement. Cela signifie aussi que le génome en soi n'est ni bon ni mauvais. Tout va dépendre de ses interactions avec l'environnement et de la manière dont son porteur va réagir en fonction des évènements. Comme le titrait le Time en 2010, "l'ADN n'est pas votre destin".

Et si nous étendions le code génétique...

On peut se demander pourquoi tous les organismes n'utilisent que 20 acides aminés pour fabriquer leurs protéines et pourquoi toujours les 4 mêmes désoxyribonucléotides A, G, T, C pour fabriquer l'ADN et les 4 mêmes ribonucléotides A, G, U, C pour fabriquer l'ARN ? Ils disposent pourtant d'un assortiment de 64 codons... Cette question pertinente soulève un profond mystère que les biologistes ne parviennent pas à élucider. Hasard ou nécessité ?

Nous savons que certains acides aminés inhabituels comme la sélénocystéine et la pyrrolysine, des versions légèrement différentes de la cystéine et de la lysine, sont utilisés par certains organismes. Nous savons également que le monde vivant utilise tous les codons d'une manière ou d'une autre.

Certains des 64 codons sont redondants, codant pour le même acide aminé, tandis que trois d'entre eux sont des codons inutiles, dépourvus de sens; ils ne codent pour aucun acide aminé. En revanche, pour le ribosome ils sont les bienvenus car il les utilise comme marqueurs signifiant "stop, fin de la séquence". C'est par exemple le cas du codon stop ambre UAG.

Des expériences ont été réalisées en 2004 par l'équipe du professeur Peter G. Schultz du Scripps Research Institute sur des bactéries Escherichia coli en leur ajoutant deux acides aminés non naturels, O-méthyle-L-tyrosine et L-homoglutamine. Comme on s'y attendait, E.coli a utilisé ces acides aminés comme s'ils appartenaient à son patrimoine. Pourquoi dans ce cas dame Nature n'en fait pas autant, comptant sur les mutations aléatoires et la diversité pour améliorer (en principe) ses créations ?

Ce processus évolutif qui présente parfois des effets fatals ou inattendus lorsque les gènes s'expriment sans contrôle (avortement, descendance stérile, déformation, gigantisme, maladies, etc) ferait-il partie d'une stratégie ? Sans évoquer un "moteur divin", si dame Nature préfère l'harmonie et les lois les plus simples, voilà autant de contre-exemples qui peuvent parfois conduire à l'extinction d'une espèce, tout le contraire de son objectif initial, en admettant qu'elle en ait un. Le mystère demeure.

Si nous trouvions l'animal à l'origine du dilemme de l'oeuf ou de la poule, nous pourrions peut-être répondre à cette question. Pour y parvenir nous devons essayer de comprendre comment la vie est apparue sur Terre et, si nous découvrons ses traces ailleurs dans l'univers, par quel miracle elle s'y est développée à partir d'unités simples et a priori inertes. C'est le défi que nous propose de résoudre la bioastronomie et sa branche spécialisée qu'est l'exobiologie.

Les bases de la génétique étant définies et même extrapolées, voyons comment fonctionne une cellule et quelle est sa structure interne. Ce sera l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Fonctionnement d'une cellule

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[4] M.Moore, Nature, 379, 1996, p402.


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