14.1 : Fondements historiques de la compréhension moderne

Compétences à développer

• Expliquer la transformation de l'ADN
• Décrivez les principales expériences qui ont permis de déterminer que l'ADN est le matériel génétique
• Exposer et expliquer les règles de Chargaff

La compréhension moderne de l'ADN a évolué depuis la découverte de l'acide nucléique jusqu'au développement du modèle à double hélice. Dans les années 1860, Friedrich Miescher (Figure\(\PageIndex{1}\)), médecin de profession, a été le premier à isoler les produits chimiques riches en phosphate des globules blancs ou des leucocytes. Il a nommé ces produits chimiques (qui seront plus tard connus sous le nom d'ARN et d'ADN) nucléine parce qu'ils ont été isolés des noyaux des cellules.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Friedrich Miescher (1844—1895) a découvert des acides nucléiques.

Lien vers l'apprentissage

Pour voir Miescher mener une expérience étape par étape, cliquez sur cette revue de la façon dont il a découvert le rôle clé de l'ADN et des protéines dans le noyau.

Un demi-siècle plus tard, le bactériologiste britannique Frederick Griffith a peut-être été le premier à démontrer que l'information héréditaire pouvait être transférée d'une cellule à l'autre « horizontalement », plutôt que par descendance. En 1928, il a fait état de la première démonstration de la transformation bactérienne, un processus par lequel l'ADN externe est absorbé par une cellule, modifiant ainsi la morphologie et la physiologie. Il travaillait sur Streptococcus pneumoniae, la bactérie responsable de la pneumonie. Griffith a travaillé avec deux souches, rugueuse (R) et lisse (S). La souche R est non pathogène (ne cause pas de maladie) et est dite rugueuse parce que sa surface externe est constituée d'une paroi cellulaire dépourvue de capsule ; par conséquent, la surface cellulaire semble irrégulière au microscope. La souche S est pathogène (cause des maladies) et possède une capsule à l'extérieur de sa paroi cellulaire. Par conséquent, il a un aspect lisse au microscope. Griffith a injecté la souche R vivante à des souris et elles ont survécu. Dans une autre expérience, lorsqu'il a injecté à des souris la souche S tuée par la chaleur, elles ont également survécu. Dans une troisième série d'expériences, un mélange de souche R vivante et de souche S tuée par la chaleur a été injecté à des souris et, à sa grande surprise, les souris sont mortes. En isolant les bactéries vivantes de la souris morte, seule la souche de bactérie S a été retrouvée. Lorsque cette souche S isolée a été injectée à des souris fraîches, les souris sont mortes. Griffith a conclu que quelque chose était passé de la souche S tuée par la chaleur à la souche R vivante et l'avait transformée en souche S pathogène, et il a appelé cela le principe de transformation (Figure\(\PageIndex{2}\)). Ces expériences sont désormais connues sous le nom d'expériences de transformation de Griffith.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Deux souches de S. pneumoniae ont été utilisées dans les expériences de transformation de Griffith. La souche R est non pathogène. La souche S est pathogène et cause la mort. Lorsque Griffith a injecté à une souris la souche S tuée par la chaleur et une souche R vivante, la souris est morte. La souche S a été récupérée chez la souris morte. Griffith a donc conclu que quelque chose était passé de la souche S tuée par la chaleur à la souche R, transformant ainsi la souche R en souche S au cours du processus. (crédit « souris vivante » : modification d'une œuvre par les NIH ; crédit « souris morte » : modification d'une œuvre par Sarah Marriage)

Les scientifiques Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty (1944) souhaitaient approfondir ce principe de transformation. Ils ont isolé la souche S des souris mortes et isolé les protéines et les acides nucléiques, à savoir l'ARN et l'ADN, car ils étaient des candidats potentiels pour la molécule de l'hérédité. Ils ont mené une étude d'élimination systématique. Ils ont utilisé des enzymes qui dégradaient spécifiquement chaque composant, puis ont utilisé chaque mélange séparément pour transformer la souche R. Ils ont découvert que lorsque l'ADN était dégradé, le mélange résultant n'était plus capable de transformer la bactérie, alors que toutes les autres combinaisons étaient capables de transformer la bactérie. Cela les a amenés à conclure que l'ADN était le principe de transformation.

Career Connection : médecins légistes et analyse de l'ADN

Des preuves ADN ont été utilisées pour la première fois pour résoudre une affaire d'immigration. L'histoire a commencé avec un adolescent revenant du Ghana à Londres pour rejoindre sa mère. Les autorités de l'immigration de l'aéroport se méfiaient de lui, pensant qu'il voyageait avec un faux passeport. Après de nombreuses mesures de persuasion, il a été autorisé à aller vivre chez sa mère, mais les autorités de l'immigration n'ont pas abandonné les poursuites engagées contre lui. Tous les types de preuves, y compris des photographies, ont été fournis aux autorités, mais une procédure d'expulsion a néanmoins été engagée. À peu près à la même époque, le Dr Alec Jeffreys de l'université de Leicester au Royaume-Uni avait inventé une technique connue sous le nom d'empreinte génétique. Les autorités de l'immigration ont demandé de l'aide au Dr Jeffreys. Il a prélevé des échantillons d'ADN sur la mère et trois de ses enfants, ainsi que sur une mère non apparentée, et les a comparés à l'ADN du garçon. Comme le père biologique n'était pas sur la photo, l'ADN des trois enfants a été comparé à celui du garçon. Il a trouvé une correspondance dans l'ADN du garçon pour la mère et ses trois frères et sœurs. Il a conclu que le garçon était bien le fils de la mère.

Les légistes analysent de nombreux objets, notamment des documents, de l'écriture, des armes à feu et des échantillons biologiques. Ils analysent le contenu en ADN des cheveux, du sperme, de la salive et du sang, et le comparent à une base de données de profils ADN de criminels connus. L'analyse comprend l'isolement de l'ADN, le séquençage et l'analyse de séquences ; la plupart des analyses d'ADN médico-légales impliquent l'amplification par réaction en chaîne par polymérase (PCR) de loci courts répétés en tandem (STR) et l'électrophorèse pour déterminer la longueur du fragment amplifié par PCR. Seul l'ADN mitochondrial est séquencé à des fins médico-légales. Les médecins légistes sont censés se présenter aux audiences du tribunal pour présenter leurs conclusions. Ils sont généralement employés dans les laboratoires criminels des agences gouvernementales des villes et des États. Les généticiens qui expérimentent les techniques de l'ADN travaillent également pour des organisations scientifiques et de recherche, des industries pharmaceutiques et des laboratoires collégiaux et universitaires. Les étudiants qui souhaitent poursuivre une carrière en tant que médecin légiste doivent avoir au moins un baccalauréat en chimie, biologie ou physique, et de préférence une expérience de travail en laboratoire.

Des expériences menées par Martha Chase et Alfred Hershey en 1952 ont confirmé que l'ADN était le matériel génétique et non les protéines. Chase et Hershey étudiaient un bactériophage, un virus qui infecte les bactéries. Les virus ont généralement une structure simple : une enveloppe protéique, appelée capside, et un noyau d'acide nucléique qui contient le matériel génétique, que ce soit de l'ADN ou de l'ARN. Le bactériophage infecte la cellule bactérienne hôte en se fixant à sa surface, puis il injecte ses acides nucléiques à l'intérieur de la cellule. L'ADN du phage fait de multiples copies de lui-même à l'aide de la machinerie hôte, puis la cellule hôte finit par éclater, libérant un grand nombre de bactériophages. Hershey et Chase ont marqué un lot de phages avec du soufre radioactif, le ³⁵ S, pour marquer la couche protéique. Un autre lot de phages a été marqué au phosphore radioactif, ³² P. Comme le phosphore est présent dans l'ADN, mais pas dans les protéines, c'est l'ADN, et non la protéine, qui serait marqué par du phosphore radioactif.

Chaque lot de phages a été autorisé à infecter les cellules séparément. Après l'infection, la suspension bactérienne phagique a été placée dans un mélangeur, ce qui a permis de détacher la couche phagique de la cellule hôte. La suspension de phages et de bactéries a été filée dans une centrifugeuse. Les cellules bactériennes les plus lourdes se sont déposées et ont formé une pastille, tandis que les particules phagiques plus légères sont restées dans le surnageant. Dans le tube contenant le phage marqué au ³⁵ S, le surnageant contenait le phage marqué radioactivement, alors qu'aucune radioactivité n'a été détectée dans la pastille. Dans le tube contenant le phage marqué au ³² P, la radioactivité a été détectée dans la pastille contenant les cellules bactériennes les plus lourdes, et aucune radioactivité n'a été détectée dans le surnageant. Hershey et Chase ont conclu que c'était l'ADN phagique qui était injecté dans la cellule et transportait l'information nécessaire pour produire davantage de particules phagiques, fournissant ainsi la preuve que l'ADN était le matériel génétique et non les protéines (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Figure\(\PageIndex{3}\) : Dans les expériences de Hershey et Chase, des bactéries ont été infectées par des phages radiomarqués soit au ³⁵ S, qui marque les protéines, soit au ³² P, qui marque l'ADN. Seulement ³² P sont entrés dans les cellules bactériennes, ce qui indique que l'ADN est le matériel génétique.

À peu près à la même époque, le biochimiste autrichien Erwin Chargaff a examiné le contenu de l'ADN de différentes espèces et a découvert que les quantités d'adénine, de thymine, de guanine et de cytosine n'étaient pas présentes en quantités égales et qu'elles variaient d'une espèce à l'autre, mais pas entre les individus d'une même espèce. Il a découvert que la quantité d'adénine est égale à la quantité de thymine et que la quantité de cytosine est égale à la quantité de guanine, ou A = T et G = C. C'est ce que l'on appelle les règles de Chargaff. Cette découverte s'est révélée extrêmement utile lorsque Watson et Crick s'apprêtaient à proposer leur modèle d'ADN en double hélice.

Résumé

L'ADN a d'abord été isolé des globules blancs par Friedrich Miescher, qui l'a appelé nucléine parce qu'il était isolé des noyaux. Les expériences de Frederick Griffith sur des souches de Streptococcus pneumoniae ont fourni la première indication que l'ADN pourrait être le principe de transformation. Avery, MacLeod et McCarty ont prouvé que l'ADN est nécessaire à la transformation des bactéries. Des expériences ultérieures menées par Hershey et Chase à l'aide du bactériophage T2 ont prouvé que l'ADN est le matériel génétique. Chargaff a découvert que le rapport entre A = T et C = G, et que la teneur en pourcentage de A, T, G et C est différente selon les espèces.

Lexique

transformation

processus au cours duquel l'ADN externe est absorbé par une cellule