11.1 : Que sont les gènes ?

Objectifs d'apprentissage

• Expliquer les deux fonctions du génome
• Expliquer la signification du dogme central de la biologie moléculaire
• Différencier le génotype du phénotype et expliquer comment les facteurs environnementaux influencent le phénotype

Orientation clinique : 1ère partie

Mark est un ingénieur logiciel âgé de 60 ans qui souffre de diabète de type II, qu'il surveille et contrôle principalement par le biais d'un régime alimentaire et de l'exercice. Un matin de printemps, alors qu'il faisait du jardinage, il s'est gratté le bas de la jambe en marchant parmi des ronces de mûres. Il a continué à travailler toute la journée dans la cour et n'a pris la peine de nettoyer la plaie et de la traiter avec un onguent antibiotique que plus tard dans la soirée. Pendant les deux jours suivants, sa jambe est devenue de plus en plus rouge, enflée et chaude au toucher. C'était douloureux non seulement à la surface, mais aussi au plus profond du muscle. Au bout de 24 heures, Mark a développé de la fièvre et une raideur à la jambe atteinte. Se sentant de plus en plus faible, il a appelé un voisin qui l'a conduit aux urgences.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

1. Mark a-t-il attendu trop longtemps avant de consulter un médecin ? À quel moment ses signes et symptômes justifient-ils de consulter un médecin ?
2. Quels types d'infections ou d'autres affections peuvent être à l'origine des symptômes de Mark ?

L'ADN remplit deux fonctions essentielles liées à l'information cellulaire. Tout d'abord, l'ADN est le matériel génétique responsable de l'héritage et est transmis des parents à la progéniture pour toutes les formes de vie sur terre. Pour préserver l'intégrité de cette information génétique, l'ADN doit être reproduit avec une grande précision, avec un minimum d'erreurs qui modifient la séquence d'ADN. Un génome contient l'ensemble de l'ADN d'une cellule et est organisé en unités plus petites et discrètes appelées gènes, qui sont disposées sur des chromosomes et des plasmides. La deuxième fonction de l'ADN est de diriger et de réguler la construction des protéines nécessaires à la croissance et à la reproduction d'une cellule dans un environnement cellulaire particulier.

Un gène est composé d'ADN qui est « lu » ou transcrit pour produire une molécule d'ARN au cours du processus de transcription. L'un des principaux types de molécules d'ARN, l'ARN messager (ARNm), fournit les informations nécessaires au ribosome pour catalyser la synthèse des protéines dans le cadre d'un processus appelé traduction. Les processus de transcription et de traduction sont collectivement appelés expression génique. L'expression génique est la synthèse d'une protéine spécifique avec une séquence d'acides aminés codée dans le gène. Le flux d'informations génétiques de l'ADN à l'ARN en passant par les protéines est décrit par le dogme central (Figure\(\PageIndex{1}\)). Ce dogme central de la biologie moléculaire permet de mieux comprendre le mécanisme qui sous-tend l'hypothèse « un gène, une enzyme » de Beadle et Tatum (voir Utiliser la microbiologie pour découvrir les secrets de la vie). Chacun des processus de réplication, de transcription et de traduction comprend les étapes suivantes : 1) initiation, 2) élongation (polymérisation) et 3) arrêt. Ces étapes seront décrites plus en détail dans ce chapitre.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Le dogme central indique que l'ADN code pour l'ARN messager, qui, à son tour, code pour les protéines.

Le génotype d'une cellule est l'ensemble complet des gènes qu'elle contient, tandis que son phénotype est l'ensemble des caractéristiques observables qui résultent de ces gènes. Le phénotype est le produit de l'ensemble de protéines produites par la cellule à un moment donné, lequel est influencé par le génotype de la cellule ainsi que par les interactions avec l'environnement de la cellule. Les gènes codent pour les protéines qui ont des fonctions dans la cellule. La production d'une protéine spécifique codée par un gène individuel entraîne souvent un phénotype distinct pour la cellule par rapport au phénotype sans cette protéine. Pour cette raison, il est également courant de faire référence au génotype d'un gène individuel et à son phénotype. Bien que le génotype d'une cellule demeure constant, tous les gènes ne sont pas utilisés pour diriger simultanément la production de leurs protéines. Les cellules régulent soigneusement l'expression de leurs gènes, n'utilisant des gènes pour fabriquer des protéines spécifiques que lorsque ces protéines sont nécessaires (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Figure\(\PageIndex{2}\) : Le phénotype est déterminé par les gènes spécifiques d'un génotype qui sont exprimés dans des conditions spécifiques. Bien que plusieurs cellules puissent avoir le même génotype, elles peuvent présenter un large éventail de phénotypes résultant de différences dans les modèles d'expression génique en réponse à différentes conditions environnementales.

Exercice\(\PageIndex{2}\)

1. Quelles sont les deux fonctions de l'ADN ?
2. Distinguer le génotype et le phénotype d'une cellule.
3. Comment les cellules peuvent-elles avoir le même génotype mais un phénotype différent ?

Utilisation et abus des données génomiques

Pourquoi certains humains peuvent-ils héberger des agents pathogènes opportunistes tels que Haemophilus influenzae, Staphylococcus aureus ou Streptococcus pyogenes dans leurs voies respiratoires supérieures tout en restant des porteurs asymptomatiques, alors que d'autres personnes tombent gravement malades lorsqu'elles sont infectées ? Certaines données suggèrent que les différences de sensibilité à l'infection entre les patients peuvent être le résultat, du moins en partie, de différences génétiques entre les hôtes humains. Par exemple, les différences génétiques entre les antigènes leucocytaires humains (HLA) et les antigènes des globules rouges chez les hôtes ont été impliquées dans les différentes réponses immunitaires et la progression de la maladie qui en résulte à la suite d'une infection par H. influenzae.

Comme l'interaction génétique entre l'agent pathogène et l'hôte peut contribuer à l'évolution de la maladie, la compréhension des différences de constitution génétique entre les individus peut constituer un outil clinique important. La génomique écologique est un domaine relativement nouveau qui cherche à comprendre comment les génotypes de différents organismes interagissent entre eux dans la nature. Le champ répond à des questions sur la manière dont l'expression génique d'un organisme affecte l'expression génique d'un autre. Les applications médicales de la génomique écologique se concentreront sur la façon dont les agents pathogènes interagissent avec des individus spécifiques, par opposition aux humains en général. De telles analyses permettraient aux professionnels de la santé d'utiliser leurs connaissances sur le génotype d'un individu pour appliquer des plans plus individualisés de traitement et de prévention de la maladie.

Avec l'avènement du séquençage de nouvelle génération, il est relativement facile d'obtenir les séquences génomiques complètes des agents pathogènes ; un génome bactérien peut être séquencé en une journée à peine. ¹ La rapidité et le coût du séquençage du génome humain ont également été considérablement réduits et, d'ores et déjà, les individus peuvent soumettre des échantillons afin de recevoir des rapports détaillés sur leurs traits génétiques personnels, y compris leur ascendance et leur statut de porteur de diverses maladies génétiques. À mesure que les technologies de séquençage progressent, ces services continueront de devenir moins chers, plus étendus et plus rapides.

Cependant, alors que cette journée approche à grands pas, la société doit faire face à de nombreuses préoccupations éthiques. Par exemple, le séquençage du génome devrait-il être une pratique courante pour tout le monde ? Cela devrait-il être exigé par la loi ou par les employeurs si cela permet de réduire les coûts des soins de santé ? Si quelqu'un refuse le séquençage du génome, perd-il son droit à une couverture d'assurance maladie ? À quelles fins les données doivent-elles être utilisées ? Qui doit veiller à la bonne utilisation de ces données ? Si le séquençage du génome révèle une prédisposition à une maladie particulière, les compagnies d'assurance ont-elles le droit d'augmenter les taux ? Les employeurs traiteront-ils un employé différemment ? Sachant que les influences environnementales influent également sur le développement de la maladie, comment utiliser de manière éthique les données sur la présence d'un allèle pathogène particulier chez un individu ? La loi de 2008 sur la non-discrimination en matière d'informations génétiques (GINA) interdit actuellement les pratiques discriminatoires fondées sur des informations génétiques tant par les compagnies d'assurance maladie que par les employeurs. Toutefois, GINA ne couvre pas les polices d'assurance vie, invalidité ou soins de longue durée. Il est clair que tous les membres de la société doivent continuer à participer à des discussions sur ces questions afin que ces données génomiques puissent être utilisées pour améliorer les soins de santé tout en protégeant les droits des individus.

Concepts clés et résumé

• L'ADN remplit deux fonctions cellulaires importantes : c'est le matériel génétique transmis du parent à la progéniture et il sert d'information pour diriger et réguler la construction des protéines nécessaires à la cellule pour remplir toutes ses fonctions.
• Le dogme central indique que l'ADN organisé en gènes spécifie les séquences d'ARN messager (ARNm), qui, à leur tour, spécifient la séquence d'acides aminés des protéines.
• Le génotype d'une cellule est l'ensemble complet des gènes qu'une cellule contient. Tous les gènes ne sont pas utilisés pour fabriquer des protéines simultanément. Le phénotype est une caractéristique observable d'une cellule résultant des protéines qu'elle produit à un moment donné dans des conditions environnementales spécifiques.

Notes

1. 1 D.J. Edwards, K.E. Holt. « Guide du débutant pour l'analyse comparative du génome bactérien à l'aide de données de séquence de nouvelle génération. » Informatique microbienne et expérimentation 3 no 1 (2013) :2.