Fiche explicative de la leçon: L’ADN en tant que matériel génétique Biologie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à résumer les preuves, basées sur des recherches scientifiques, que l’ADN est le matériel génétique des cellules.

Tous les organismes vivants ont un ensemble de caractéristiques qui les définissent et leur donnent leur identité. Nous savons aujourd’hui que les informations génétiques qui contrôlent ces caractéristiques sont transmises des parents à la progéniture. Chaque cellule de notre corps possède de l’ADN, ou acide désoxyribonucléique, qui est la molécule qui porte cette information. Il est composé de deux brins qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une double hélice, comme vous pouvez le voir sur la figure 1. L’ADN est constitué de gènes, qui sont des séquences d’informations génétiques qui contrôlent toutes les fonctions d’une cellule.

Cependant, il y a eu une période dans l’histoire de la science où ce fait n’était pas connu. Au début du XXe siècle, les scientifiques savaient que l’information génétique était transmise de génération en génération, mais ils ne savaient pas quelle molécule portait cette information.

En 1869, un scientifique, Friedrich Miescher, a découvert une substance acide contenant du phosphore dans les noyaux des cellules. Il a appelé cette substance « nucléine », et nous savons maintenant que cette molécule était l’ADN. Cependant, la fonction de la « nucléine » était inconnue. En fait, pendant cette période, plusieurs groupes de scientifiques pensaient que les gènes se situaient dans les protéines et non dans l’ADN ! Dans cette fiche explicative, nous allons nous familiariser avec les découvertes révolutionnaires des scientifiques au XXe siècle qui ont prouvé ce que nous savons aujourd’hui : l’ADN est le matériel génétique.

En 1902 et 1903, Walter Sutton et Theodor Boveri ont mené des recherches séparément, mais sont parvenus aux mêmes conclusions. Sutton a étudié l’hérédité chez les sauterelles, tandis que Boveri a mené des recherches similaires sur les oursins. Ils ont mis en avant la « théorie chromosomique de l’hérédité ». Les chromosomes sont des structures linéaires dans les noyaux de cellules vivantes, comme le montre la figure 2. Sutton et Boveri ont tous deux supposé que ces chromosomes jouaient un rôle dans l’hérédité.

Ils ont supposé que le noyau de chaque cellule vivante possède un certain nombre de ces chromosomes. Ces chromosomes contiennent des gènes, c’est-à-dire de l’information génétique, qui sont transmis par les parents et déterminent les caractéristiques de la progéniture. Chaque cellule du corps d’un organisme contient le même nombre de chromosomes, et ce nombre est généralement maintenu d’une génération à l’autre. Par exemple, chaque cellule humaine possède 46 chromosomes.

La plupart des organismes, comme les animaux et certaines plantes, se reproduisent de manière sexuée. Chaque parent transmet une cellule sexuelle, ou gamète, et ces deux gamètes fusionnent pour former un zygote lors d’un processus appelé la fécondation. Le zygote subit plusieurs étapes de développement pour devenir un fœtus. Selon la théorie chromosomique de l’hérédité, les cellules de ce fœtus devraient avoir le même nombre de chromosomes que celles de ses parents. Mais si le zygote a été formé par la fusion d’une cellule de chaque parent, le nombre de chromosomes du fœtus ne devrait-il pas être le double de celui de ses parents ? 

Sutton a répondu à cette question en suggérant que les gamètes, ou cellules sexuelles, d’un organisme vivant n’ont que la moitié du nombre de chromosomes des cellules somatiques. Cela a permis d’expliquer le fait que chaque organisme d’une même espèce ait le même nombre de chromosomes. Quand un gamète masculin et un gamète féminin fusionnent, puisque chacun a la moitié du nombre normal de chromosomes, le zygote résultant aura le nombre normal de chromosomes d’une cellule somatique.

La figure 3 montre le processus de fécondation chez l’Homme. Le gamète féminin, ou ovule, fusionne avec un gamète masculin, ou spermatozoïde, pour former un zygote. Vous pouvez voir que l’ovule et le spermatozoïde ont chacun 23 chromosomes, ce qui représente la moitié du nombre de chromosomes que vous pouvez voir dans le zygote. Les cellules qui ont la moitié du nombre normal de chromosomes sont appelées haploïdes, ce qui est représenté par n. Les cellules qui ont le nombre normal de chromosomes, comme le zygote sur la figure, sont appelées diploïdes, ce qui est représenté par 2n.

La théorie des chromosomes a correctement identifié le fait que les chromosomes sont responsables de l’hérédité des caractéristiques, mais elle n’a pas expliqué quel type de molécule porte l’information génétique.

Retraçons le chemin menant à l’identification de cette molécule à travers les expériences de différents scientifiques, en commençant en 1928, avec le travail effectué par Frederick Griffith.

Lors d’une série d’expériences sur la bactérie Streptococcus pneumoniae, qui provoque une pneumonie, Frederick Griffith a découvert quelque chose qu’il a appelé le « principe transformant ». Analysons les expériences qu’il a menées et passons en revue ses observations.

Il existe plusieurs types de Streptococcus pneumoniae. Pour son expérience, Griffith a sélectionné deux souches différentes. Une souche de bactéries avait une surface lisse et est appelée souche lisse ou S (pour « Smooth »), tandis que l’autre souche avait une surface rugueuse et est appelée souche rugueuse ou R (pour « Rough »). Les bactéries appartenant à la souche S ont une surface lisse car elles synthétisent une capsule protectrice en polysaccharides qui forme la couche la plus externe. Vous pouvez voir une représentation de la différence entre la souche R et la souche S sur la figure 4.

Mis à part leurs différences morphologiques, Griffith a constaté une autre différence importante entre les souches de bactéries S et R : la souche S est la souche « virulente », capable de provoquer la mort des souris, tandis que la souche R est la souche « non virulente », qui ne provoque pas la mort des souris.

Lorsque Griffith a injecté ces bactéries à des souris, il a observé que les souris infectées par la souche virulente S mouraient d’une pneumonie, tandis que les souris infectées par la souche R non virulente ne mouraient pas, comme le montre la figure 5. Ces observations forment la base de ses expériences ultérieures.

Griffith a ensuite isolé la souche S et, en utilisant de la chaleur, a tué les bactéries. Lorsqu’il a injecté ces bactéries S tuées par la chaleur à des souris, il a observé que les souris survivaient sans développer de pneumonie.

Cependant, lorsque Griffith a introduit un mélange de bactéries S tuées par la chaleur et de bactéries R vivantes chez les souris, celles-ci ont développé une pneumonie et sont mortes, comme le montre la figure 6. En outre, quand il a examiné le sang des souris mortes, il y a trouvé des bactéries S vivantes ! Les bactéries R vivantes ont changé d’aspect et de virulence pour devenir des bactéries S, ce qui a entraîné une pneumonie et tué les souris.

L’expérience de Griffith a mis en évidence un phénomène qui n’avait jamais été observé auparavant : la transformation d’un type de bactérie en un autre. Il en a conclu qu’un facteur ou molécule des bactéries S tuées par la chaleur était entré dans les bactéries R vivantes et leur avait donné la capacité de synthétiser une capsule de polysaccharides et de devenir virulentes. Ce facteur a donc « transformé » les bactéries R en bactéries S. Griffith a appelé ce facteur le « principe transformant », en concluant que du matériel génétique avait été transmis par ce facteur des bactéries S aux bactéries R. Aujourd’hui, ce processus s’appelle la transformation bactérienne et est utilisé dans plusieurs applications importantes de génie génétique.

Exemple 2: Identifier les résultats des expériences de Griffith

Le schéma ci-dessous représente les grandes lignes de l’expérience de Griffith sur la transformation bactérienne. Il a déterminé qu’il y avait deux souches de la bactérie qui cause les pneumonies, une souche lisse (virulente) et une souche rugueuse (non virulente). Il a injecté dans des souris différentes formes de ces souches, comme indiqué sur le schéma.

Quelle conclusion parmi les suivantes n’a pas été tirée des expériences de Griffith ? 

1. Le matériau transféré entre les souches bactériennes est de l’ADN.
2. La souche bactérienne lisse tuée par la chaleur ne tuera pas une souris quand on la lui injecte.
3. Le matériel génétique peut passer des cellules de la souche lisse tuée par la chaleur aux cellules de la souche rugueuse.
4. Les cellules de la souche bactérienne rugueuse peuvent être altérées pour devenir virulentes.

Réponse

En 1928, Frederick Griffith a mené des expériences sur la bactérie responsable de la pneumonie, Streptococcus pneumoniae. Il a cultivé deux souches de cette bactérie : une souche lisse avec une capsule de polysaccharides et une souche rugueuse sans capsule polysaccharidique.

Il a ensuite injecté dans des souris la souche rugueuse ou R et la souche lisse ou S, comme indiqué dans les expériences 1 et 2 du schéma dans la question. Il a découvert que les souris ayant reçu la souche rugueuse ont survécu, tandis que celles ayant reçu la souche lisse ont développé une pneumonie et sont mortes. En effet, les bactéries appartenant à la souche lisse sont virulentes, ce qui signifie qu’elles sont capables de provoquer une maladie dangereuse, tandis que les bactéries appartenant à la souche rugueuse ne sont pas virulentes.

Dans l’étape suivante de son travail, l’expérience 3 sur le schéma de la question, Griffith a traité la souche lisse avec de la chaleur, tuant ainsi les bactéries. Il a ensuite injecté aux souris cette souche lisse tuée par la chaleur et a observé que ces bactéries ne causaient plus de pneumonie chez les souris – les souris ont survécu sans aucun signe de la maladie.

Dans la phase finale, l’expérience 4, Griffith a décidé de combiner les bactéries lisses tuées par la chaleur avec des bactéries rugueuses vivantes. Il a injecté ce mélange à des souris. Même si ni les bactéries rugueuses ni les bactéries lisses tuées par la chaleur n’auraient pu provoquer une pneumonie chez les souris, elles sont toutes mortes d’une pneumonie en quelques jours ! De plus, Griffith a examiné le sang de ces souris mortes et y a trouvé des bactéries lisses vivantes, même s’il ne leur en avait pas injecté ! 

Les bactéries rugueuses se sont transformées pour devenir virulentes et ont été capables de synthétiser une capsule de polysaccharides lisse. Il en a conclu qu’un certain facteur portant du matériel génétique avait dû être transmis des bactéries lisses tuées par la chaleur aux bactéries rugueuses vivantes, leur permettant ainsi de se transformer. Il a appelé ce facteur le « principe transformant », mais n’a mené aucune expérience pour déterminer de quelle molécule ce principe transformant était composé.

Dans notre question, on nous demande quelle affirmation n’était pas l’une des conclusions de Griffith. Si nous regardons chacune des affirmations données, nous pouvons voir que la plupart d’entre elles étaient bien des résultats du travail de Griffith. Cependant, la seule chose que Griffith n’a pas déterminée était quelle molécule était transférée de la souche lisse à la souche rugueuse.

La seule option qui n’a pas été découverte par les expériences de Griffith est donc, par conséquent, que le matériau transféré entre les souches bactériennes est de l’ADN.

Les expériences de Griffith en 1928 étaient révolutionnaires, mais elles n’ont pas défini la nature biochimique exacte de ce principe transformant. Les scientifiques croyaient toujours que les protéines étaient responsables de la transmission des informations génétiques. Cela nous amène aux expériences menées par Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty, rapportées en 1944.

S’appuyant sur les résultats établis par les expériences de Griffith en 1928, Avery et ses collègues ont mené d’autres expériences sur la souche S virulente de Streptococcus pneumoniae. Ils savaient que les porteurs possibles de matériel génétique étaient soit des protéines, soit de l’ARN, soit de l’ADN. Ils ont isolé la souche S et ont utilisé la chaleur pour tuer les bactéries. Ils ont ensuite divisé les bactéries en trois échantillons.

Ils ont ajouté des protéases au premier échantillon, de la RNase au deuxième et de la DNase au troisième, comme indiqué sur la figure ci-dessous. Grâce aux noms de ces trois enzymes, nous devrions pouvoir comprendre leurs fonctions : les protéases dégradent les protéines, la RNase dégrade l’ARN et la DNase dégrade l’ADN. Ils ont ensuite mélangé chacun de ces échantillons avec des bactéries R vivantes, comme le montre la figure 7.

Ils ont observé que les mélanges traités à la protéase et à la RNase présentaient tous deux des signes de transformation bactérienne. Cela suggère que ces enzymes n’empêchent pas les bactéries R du mélange de se transformer en bactéries S virulentes. Cependant, dans le mélange traité à la DNase, aucune transformation bactérienne n’avait été observée ! 

Réfléchissons à la raison pour laquelle cela s’est produit. Lorsque les mélanges ont été traités avec des enzymes digérant les protéines ou l’ARN, leur ADN est resté intact et a été capable de transformer les bactéries R en bactéries S. Mais lorsque l’ADN de ces mélanges a été dégradé par la DNase, le matériel génétique n’a pas pu être transmis des bactéries S tuées par la chaleur aux bactéries R vivantes et, par conséquent, la transformation n’a pas pu avoir lieu ! Avery et son équipe ont donc conclu que le principe transformant décrit par Griffith devait être l’ADN.

Exemple 3: Comprendre les résultats des expériences d’Avery

Le schéma ci-dessous montre une version modifiée de l’expérience menée par Avery et ses collègues. Les cellules S virulentes ont été tuées à des températures élevées et divisées en trois échantillons. Une enzyme différente a été ajoutée à chaque échantillon, puis la solution a été mélangée avec des cellules R vivantes mais non virulentes.

Supposons que les souris auxquelles on a injecté des cellules R qui ont subi une transformation bactérienne vont mourir. Dans quelle(s) expérience(s) les souris vont-elles mourir ? 

1. la 1 et la 2
2. uniquement la 1
3. la 1 et la 3
4. la 2 et la 3
5. uniquement la 3

Réponse

En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty ont mené des expériences sur Streptococcus pneumoniae, en s’appuyant sur le travail effectué par Frederick Griffith en 1928. Griffith avait utilisé deux souches différentes de cette bactérie. Les bactéries rugueuses ou R ne sont pas virulentes, ce qui signifie qu’elles ne causent pas de pneumonie. Cependant, les bactéries lisses ou S sont virulentes et, lorsqu’on injecte à des souris ce type de bactéries, elles développent une pneumonie et meurent.

Griffith avait également démontré que lorsque les bactéries lisses sont tuées par la chaleur, elles perdent leur virulence. Cependant, lorsque des bactéries S tuées par la chaleur sont mélangées avec des bactéries R vivantes, les bactéries R se « transforment » en bactéries S, ce qui les rend virulentes. Lorsque ce mélange est injecté à des souris, par conséquent, les souris développent une pneumonie et meurent.

Avery, MacLeod et McCarty ont poussé l’expérience de Griffith un peu plus loin. Ils ont isolé les bactéries S, les ont tuées avec de la chaleur et les ont divisées en trois échantillons. Ils ont ajouté des protéases au premier échantillon, RNase au deuxième et DNase au troisième, comme indiqué sur la figure. Grâce aux noms de ces trois enzymes, nous pouvons comprendre leurs fonctions : les protéases dégradent les protéines, la RNase dégrade l’ARN et la DNase dégrade l’ADN. Lorsque ces molécules sont dégradées, elles ne peuvent plus remplir leurs fonctions. Ils ont ensuite mélangé chacun de ces échantillons avec des bactéries R vivantes.

Nous savons que le matériel génétique est porté par l’ADN. Le « principe transformant » que Griffith a décrit est en fait l’ADN, et c’est cette molécule qui est transmise des bactéries S aux bactéries R, ce qui les rend virulentes. Si l’ADN des bactéries S tuées par la chaleur est dégradé par des enzymes, cette transformation n’aura pas lieu et les bactéries R resteront non virulentes ! 

Toute autre enzyme, comme la protéase ou la RNase, dégradera d’autres molécules, mais laissera l’ADN intact. L’ADN peut toujours passer des bactéries S tuées par la chaleur aux bactéries R, les rendant virulentes et tuant les souris dans lesquelles elles sont injectées.

Les trois expériences représentées sur le schéma de la question montrent trois enzymes différentes ajoutées aux bactéries S tuées par la chaleur. D’après ce que nous avons appris, nous savons qu’à moins que les bactéries ne soient traitées avec la DNase, l’ADN ou « principe transformant » provoquera une virulence chez les bactéries R qui tuera les souris.

Les souris vont donc mourir dans les expériences 1 et 2.

Ces expériences ont été un autre grand pas en avant dans l’établissement de l’ADN comme matériel génétique, mais de nombreux scientifiques n’étaient toujours pas convaincus. Ce n’est que lorsque Alfred Hershey et Martha Chase ont mené leurs expériences en 1952 que la communauté scientifique a commencé à accepter que l’ADN était bel et bien le principe transformant porteur de l’information génétique.

Dans leurs expériences, Hershey et Chase ont utilisé des bactériophages, qui sont des virus qui infectent les cellules bactériennes. Apprenons-en un peu plus sur les bactériophages avant d’étudier les expériences de Hershey et Chase.

Un bactériophage est un virus qui infecte les bactéries et se réplique dans les cellules bactériennes. Chaque bactériophage est constitué d’une capside protéique qui renferme du matériel génétique, comme le montre la figure 8. Lorsqu’un bactériophage attaque une bactérie, il s’attache à la surface de la bactérie et injecte son matériel génétique dans la cellule bactérienne. La bactérie commence alors à synthétiser de nouveaux virus. Finalement, la cellule bactérienne éclate, libérant les nouveaux virus, qui peuvent ensuite infecter d’autres bactéries.

Hershey et Chase ont utilisé des bactériophages pour identifier la molécule qui porte le matériel génétique. Grâce aux travaux d’autres scientifiques, ils savaient que l’ADN contient du phosphore, alors que les protéines n’en contiennent pas. Ils savaient aussi que les protéines contiennent du soufre, et l’ADN pas. Ils ont appliqué ces connaissances à leurs expériences, comme nous allons le voir.

Les bactériophages sont produits en laboratoire par culture de bactéries infectées par ces bactériophages, de sorte que les bactériophages peuvent se répliquer. Hershey et Chase ont produit un lot de bactériophages en utilisant un milieu qui contient du phosphore radioactif. Cela signifie que ces bactériophages contenaient de l’ADN radioactif. De la même manière, ils ont produit un autre lot de bactériophages en utilisant un milieu contenant du soufre radioactif, afin que ces bactériophages contiennent des protéines radioactives. Ils ont ensuite laissé ces deux lots de bactériophages infecter deux cultures bactériennes différentes, comme vous pouvez le voir sur la figure 9.

Comme nous le savons maintenant, lorsque les bactériophages infectent des bactéries, ils injectent leur matériel génétique dans la cellule bactérienne. Une fois que cela s’est produit avec les deux cultures bactériennes, Hershey et Chase ont mis les deux mélanges dans un mixeur pour détacher les capsides virales de la surface des cellules bactériennes. Ils ont ensuite séparé les capsides virales des cellules bactériennes en passant les mélanges dans une centrifugeuse, qui sépare les composants d’un mélange en fonction de leur poids.

Ils ont découvert que les bactéries qui avaient été infectées par des bactériophages avec des protéines radioactives ne présentaient aucun signe de radioactivité. Cependant, les bactéries qui avaient été infectées par des bactériophages avec de l’ADN radioactif se sont révélées être radioactives, comme le montre la figure 9. Cette observation a prouvé, sans aucun doute, que l’ADN était le matériel génétique qui avait été inséré dans la bactérie.

Chaque expérience que nous avons étudiée dans cette fiche explicative a été une étape importante de la détermination de la nature biochimique du matériel génétique. Découvrir que l’ADN est le matériel génétique s’est avéré inestimable pour la science et les traitements modernes. Par exemple, aujourd’hui, des patients atteints de maladies génétiques telles que la mucoviscidose, l’hémophilie et certains types de cancer peuvent être traités en ciblant le segment spécifique d’ADN défectueux qui cause la maladie. Sans les bases jetées par ces scientifiques au XXe siècle, la médecine ne serait pas ce qu’elle est aujourd’hui.

Passons rapidement en revue tout ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.