L'ADN: structure, réplication et organisation du génome

Objectifs du chapitre

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de:

• reconstituer la logique des expériences de Griffith, d'Avery, MacLeod et McCarty et de Hershey et Chase, avec le témoin qui rend chacune concluante;
• décrire la double hélice B (brins antiparallèles, appariement A–T et G–C, sillons, dimensions) et calculer la composition en bases d'un ADN double brin à partir d'une seule base;
• prédire les bandes de l'expérience de Meselson et Stahl pour les trois modèles de réplication et dire pourquoi les résultats ne laissent que le modèle semi-conservatif;
• expliquer le fonctionnement d'une fourche de réplication (hélicase, primase, polymérases, fragments d'Okazaki, ligase, correction d'épreuves) et calculer une durée de réplication ou un nombre minimal d'origines;
• expliquer le problème de la réplication des extrémités et le rôle de la télomérase, et décrire l'empaquetage de l'ADN en chromatine;
• comparer la taille et la composition des génomes, classer l'ADN répété (satellites, minisatellites, microsatellites, éléments transposables) et dire pourquoi les microsatellites servent à l'identification.

L'ADN, matériel génétique

Le chapitre 1 a suivi les chromosomes à travers la mitose et la méiose, et le chapitre 2 a montré que les facteurs de Mendel se comportent comme eux. Mais un chromosome contient de l'ADN et des protéines, en masses comparables. Lequel des deux porte l'information? Jusque vers 1950, la plupart des biologistes pariaient sur les protéines: vingt acides aminés offrent plus de combinaisons que quatre nucléotides, et l'ADN passait pour un polymère monotone. L'ADN avait pourtant été isolé tôt, et par un Suisse: le Bâlois Friedrich Miescher extrait en 1869, à Tübingen, de noyaux de globules blancs, une substance riche en phosphore qu'il appelle «nucléine». Trois expériences ont renversé le pari, chacune avec sa propre logique.

Griffith: un principe transformant

En 1928, Frederick Griffith étudie le pneumocoque, Streptococcus pneumoniae, responsable de pneumonies. Deux formes d'une même espèce se distinguent sur boîte de Petri: les colonies S (smooth, lisses), dont les bactéries s'entourent d'une capsule de polysaccharide qui les protège du système immunitaire, et les colonies R (rough, rugueuses), dépourvues de capsule. Injectées à des souris, les bactéries S vivantes les tuent; les bactéries R vivantes ne les tuent pas; les bactéries S tuées par la chaleur non plus. Ce sont trois témoins. La quatrième injection est le mélange de bactéries R vivantes et de bactéries S tuées par la chaleur: les souris meurent, et l'on retrouve dans leur sang des bactéries S vivantes, qui portent la capsule du type de la souche tuée et la transmettent à leur descendance.

Quelque chose est donc passé des bactéries mortes aux vivantes et a changé leur hérédité; Griffith n'en connaissait pas la nature.

Avery, MacLeod et McCarty: purifier et détruire

En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty reprennent l'expérience in vitro, sans souris. Ils fractionnent un extrait de bactéries S tuées et testent chaque fraction sur des bactéries R en culture. La fraction active est riche en ADN et presque dépourvue de protéines. L'objection évidente est qu'une trace de protéine résiduelle pourrait suffire. La réponse est l'expérience de destruction sélective: on traite l'extrait actif par une enzyme à la fois.

• une protéase, qui hydrolyse les protéines: la transformation persiste;
• une ribonucléase, qui hydrolyse l'ARN: elle persiste;
• une désoxyribonucléase, qui hydrolyse l'ADN: elle disparaît.

Aucune purification n'étant parfaite, la preuve n'est pas la pureté de l'extrait: c'est que l'activité suit l'ADN, et lui seul, quand on détruit chaque composant tour à tour. Le résultat ne convainquit pas tout le monde d'emblée: certains doutaient encore que la purification fût suffisante, ou que les bactéries aient des gènes comparables à ceux des eucaryotes.

Hershey et Chase: marquer et séparer

En 1952, Alfred Hershey et Martha Chase utilisent le bactériophage T2, un virus qui infecte Escherichia coli. Le phage n'est fait que de protéines (sa tête et sa queue) et d'ADN (dans la tête). Il se fixe sur la bactérie et, quelques dizaines de minutes plus tard, la bactérie éclate en libérant de nombreux nouveaux phages: une partie du phage y est entrée et y a porté l'information. Laquelle?

Hershey et Chase exploitent une différence de composition. Les protéines contiennent du soufre (dans la méthionine et la cystéine) et pas de phosphore; l'ADN contient du phosphore, dans chaque liaison phosphodiester, et pas de soufre. Ils préparent donc deux lots de phages, l'un marqué au ³⁵S (ses protéines sont radioactives), l'autre au ³²P (son ADN l'est). Après l'infection, une agitation énergique au mélangeur détache les enveloppes vides restées à la surface, puis une centrifugation sépare les bactéries, qui sédimentent, du milieu. Le ³⁵S reste en majorité dans le surnageant, avec les enveloppes; le ³²P accompagne les bactéries et se retrouve en partie dans les phages de la génération suivante. C'est l'ADN qui entre et qui est transmis.

L'expérience n'est pas parfaite (un peu de protéine marquée reste accrochée aux bactéries), mais elle converge avec la précédente par une méthode entièrement différente. Certains virus, comme ceux de la grippe ou du VIH, ont pour matériel génétique de l'ARN; toutes les cellules ont de l'ADN.

La double hélice

Des nucléotides à la structure

Le chapitre 15, «Biomolécules», de «Chimie organique» a décrit la chimie des acides nucléiques (définition 15.8, théorème 15.2 et figure 15.3); en bref, un nucléotide associe une base azotée, un sucre (le 2-désoxyribose dans l'ADN) et un phosphate; les nucléotides sont reliés par des liaisons phosphodiester entre l'OH 3′ d'un sucre et l'OH 5′ du suivant, si bien que chaque chaîne a un sens, écrit de 5′ vers 3′. Les bases sont deux purines, l'adénine (A) et la guanine (G), et deux pyrimidines, la cytosine (C) et la thymine (T). Dans l'ADN double brin, A s'apparie à T par deux liaisons hydrogène et G à C par trois.

Restait à établir la forme de la molécule. Trois sources s'y sont combinées. Erwin Chargaff mesure la composition en bases d'ADN de nombreuses espèces et trouve que la composition varie d'une espèce à l'autre, ce qui ruine l'idée d'un polymère monotone, mais que la proportion d'adénine égale toujours celle de thymine, et celle de guanine celle de cytosine. Ce sont les règles de Chargaff. Rosalind Franklin et Raymond Gosling, au King's College de Londres, obtiennent par diffraction des rayons X sur des fibres d'ADN des clichés d'une netteté nouvelle, dont le célèbre «cliché 51» (1952): la croix qu'il dessine signe une hélice, et l'espacement des taches en donne le pas et la distance entre bases successives. À Cambridge, James Watson et Francis Crick construisent des modèles qui doivent satisfaire la stéréochimie, les règles de Chargaff et les dimensions tirées des clichés, que Watson a vus, par Maurice Wilkins, sans que Franklin le sache. Leur article de 1953 dans Nature propose la double hélice; il paraît dans le même numéro que les données de Franklin et Gosling et de Wilkins et ses collègues. Watson, Crick et Wilkins reçoivent le prix Nobel en 1962; Franklin était morte en 1958.

Plusieurs propriétés découlent directement de cette structure.

L'appariement fixe le diamètre. Une purine, à deux cycles, fait toujours face à une pyrimidine, à un cycle: les paires A–T et G–C ont presque la même largeur, et l'hélice garde un diamètre constant quelle que soit la séquence. Une paire purine–purine serait trop large, une paire pyrimidine–pyrimidine trop étroite.

Les sillons rendent la séquence lisible sans ouvrir l'hélice. Les liaisons des bases au sucre ne sont pas diamétralement opposées: d'un côté de chaque paire, les squelettes sont proches (petit sillon), de l'autre écartés (grand sillon). Au fond du grand sillon, chaque paire expose un motif de donneurs et d'accepteurs de liaisons hydrogène propre à A–T, T–A, G–C ou C–G; les facteurs de transcription du chapitre 10 lisent l'ADN par là.

La complémentarité fait de chaque brin la matrice de l'autre. Watson et Crick le notent dans leur article, en une phrase restée célèbre: l'appariement spécifique suggère immédiatement un mécanisme de copie. C'est l'objet de la section suivante.

D'autres formes existent, plus rares dans la cellule: la forme A, plus large, des hybrides ADN–ARN, et la forme Z, hélice gauche.

Composition en bases et stabilité

Dans un ADN double brin, chaque A d'un brin fait face à un T de l'autre, et chaque G à un C. En comptant sur les deux brins, $[\mathrm{A}]=[\mathrm{T}]$ et $[\mathrm{G}]=[\mathrm{C}]$, d'où $[\mathrm{A}]+[\mathrm{G}]=[\mathrm{T}]+[\mathrm{C}]=50\%$: autant de purines que de pyrimidines. La composition d'un ADN double brin est donc décrite par un seul nombre, sa , . Elle est d'environ 41 % pour le génome humain et varie d'une espèce bactérienne à l'autre sur une large plage.

Dénaturation. Chauffé, l'ADN double brin se sépare en ses deux brins: c'est la dénaturation, ou fusion. On la suit à l'absorbance à 260 nm, qui augmente quand les bases cessent d'être empilées (effet hyperchrome). La température de demi-dénaturation, $T_m$, croît avec la teneur en GC, parce que les paires G–C sont plus stables (trois liaisons hydrogène et surtout un empilement plus favorable), et avec la force ionique, parce que les cations écrantent la répulsion des deux squelettes chargés. Au refroidissement lent, les brins complémentaires se retrouvent et se réapparient (renaturation). Toute la biologie moléculaire du chapitre 11 repose sur ce va-et-vient: une amorce de PCR ou une sonde de FISH (chapitre 6) n'est qu'un court brin qui se fixe sur sa séquence complémentaire.

ADN et ARN. L'ARN diffère de l'ADN par son sucre (le ribose, avec un OH en 2′), par l'uracile (U) qui remplace la thymine, et par sa forme: généralement simple brin, il se replie en tiges et en boucles. L'OH 2′ rend l'ARN plus facile à hydrolyser; l'ADN, plus stable, convient à la conservation de l'information, et une trace biologique reste analysable des années après son dépôt. La thymine a aussi sa raison d'être: la désamination spontanée de la cytosine produit de l'uracile, qu'une enzyme de réparation reconnaît comme intrus (chapitre 9), ce qui serait impossible si l'ADN contenait normalement de l'uracile.

La réplication semi-conservative

Trois modèles, une expérience

La double hélice suggérait un mode de copie: les deux brins se séparent, et chacun sert de matrice à un brin neuf. Chaque molécule fille contiendrait alors un brin ancien et un brin neuf. Ce n'était pas la seule possibilité concevable en 1953. Trois modèles s'affrontaient:

• semi-conservatif: chaque molécule fille garde un brin parental et reçoit un brin neuf;
• conservatif: la double hélice parentale reste intacte et une molécule entièrement neuve est construite à côté;
• dispersif: chaque brin des molécules filles est une mosaïque de segments anciens et neufs.

Matthew Meselson et Franklin Stahl publient en 1958 l'expérience qui tranche. Ils cultivent E. coli pendant de nombreuses générations dans un milieu dont la seule source d'azote est du chlorure d'ammonium à l'azote 15, isotope lourd et stable: toutes les bases de l'ADN en contiennent, et l'ADN devient plus dense. Ils transfèrent ensuite les bactéries dans un milieu à l'azote 14, l'isotope ordinaire, et prélèvent des échantillons à chaque génération. L'ADN extrait est centrifugé à très grande vitesse dans une solution de chlorure de césium. Le sel forme un gradient de densité, et chaque molécule d'ADN s'arrête au niveau où la solution a sa densité: c'est une centrifugation à l'équilibre en gradient de densité. Les densités mesurées sont environ 1,724 g·mL⁻¹ pour l'ADN ¹⁵N/¹⁵N, 1,717 pour l'hybride ¹⁵N/¹⁴N et 1,710 pour l'ADN ¹⁴N/¹⁴N. L'ADN reste double brin pendant la centrifugation: on pèse des molécules, pas des brins.

Démonstration. Chaque réplication double le nombre de molécules: $2^n$ après $n$ générations, donc $2^{n+1}$ brins. Sous le modèle semi-conservatif, un brin n'est jamais détruit ni coupé; il reste apparié, à chaque génération, à un brin neuf, donc léger. Les deux brins lourds de départ survivent ainsi à toutes les générations, chacun dans une molécule différente (ils se sont séparés à la première réplication), et chacun y est apparié à un brin léger: ce sont deux molécules hybrides. Tous les autres brins ont été synthétisés dans le milieu léger, et les $2^n-2$ molécules restantes sont légères. Les fractions s'en déduisent en divisant par $2^n$.

L'explorateur 7.1 montre aussi que la génération 1 seule ne suffit pas: les modèles semi-conservatif et dispersif y prédisent tous deux une bande unique à 1,717. C'est la génération 2 qui les départage.

La fourche de réplication

La réplication commence en des sites précis, les origines de réplication, où l'hélice est ouverte; de là partent deux fourches qui progressent en sens opposés: la réplication est bidirectionnelle. Chez E. coli, le chromosome circulaire n'a qu'une origine, oriC, et les deux fourches se rejoignent dans une région opposée, où la réplication se termine. Une contrainte chimique gouverne le reste: les ADN polymérases n'allongent une chaîne que dans le sens 5′→3′. Elles ajoutent un désoxyribonucléotide, apporté sous forme de triphosphate, à l'OH 3′ libre d'une chaîne existante, en choisissant celui qui s'apparie à la base de la matrice. Deux conséquences. D'abord, une polymérase ne peut pas commencer une chaîne de rien: il lui faut une amorce, un court segment d'ARN déposé par une primase. Ensuite, puisque les deux brins de la matrice sont antiparallèles, un seul des deux brins neufs peut être allongé dans le sens où avance la fourche.

Reiji et Tsuneko Okazaki les ont mis en évidence en 1968 par un marquage radioactif bref: l'ADN tout juste synthétisé se trouve d'abord en petits morceaux. Leur longueur est de l'ordre de 1000 à 2000 nucléotides chez les bactéries et de 100 à 200 chez les eucaryotes (Alberts).

Le travail se répartit entre plusieurs protéines, réunies en un complexe, le réplisome:

• l'hélicase ouvre la double hélice en rompant les liaisons hydrogène entre paires de bases, aux dépens de l'ATP; chez les eucaryotes, c'est l'anneau MCM;
• les protéines de liaison au simple brin (SSB chez les bactéries, RPA chez les eucaryotes) empêchent les brins séparés de se réapparier ou de former des épingles;
• la topo-isomérase coupe et ressoude l'ADN en amont de la fourche pour relâcher le surenroulement que l'ouverture y accumule (la gyrase chez E. coli);
• la primase synthétise les amorces d'ARN, une seule sur le brin précoce, une par fragment sur le brin tardif;
• les ADN polymérases réplicatives allongent les amorces: l'ADN polymérase III chez E. coli; chez les eucaryotes, la polymérase ε sur le brin précoce et la polymérase δ sur le brin tardif, après un court départ par le complexe polymérase α–primase. Un anneau coulissant (β chez E. coli, PCNA chez les eucaryotes) les maintient sur la matrice et leur permet de copier des milliers de nucléotides sans se détacher;
• les amorces sont ensuite retirées et remplacées par de l'ADN (par l'ADN polymérase I chez E. coli);
• l'ADN ligase forme la dernière liaison phosphodiester entre deux fragments voisins.

Fidélité. Une polymérase choisit le bon nucléotide parce que seule la paire correcte a la géométrie de son site actif; elle se trompe pourtant environ une fois sur $10^5$. Les polymérases réplicatives possèdent en outre une activité exonucléase 3′→5′ de correction d'épreuves: quand le dernier nucléotide ajouté est mal apparié, l'extrémité 3′ se détache de la matrice, passe dans le site exonucléase, est retirée, et la synthèse reprend. Ce contrôle améliore la fidélité d'un facteur de l'ordre de 100. La réparation des mésappariements, qui intervient après le passage de la fourche (chapitre 9), y ajoute un facteur de l'ordre de 1000. Ces trois facteurs, ceux du tableau d'Alberts, conduisent à environ une erreur pour $10^{10}$ nucléotides; l'ordre de grandeur retenu dans ce cours est de $10^{-9}$ à $10^{-10}$ par base et par réplication. Pour un génome diploïde humain de pb, cela fait entre 0,62 et 6,2 erreurs non corrigées à chaque division: peu, mais pas zéro, et c'est l'une des sources des mutations du chapitre 9.

Combien de temps dure la réplication?

Une fourche avance à vitesse à peu près constante, et les fourches d'une même origine progressent en sens opposés. Le calcul de la durée est alors une affaire de partage du travail.

Démonstration. Pendant un temps $t$, chacune des $2N_o$ fourches copie $vt$ paires de bases. Avec des origines régulièrement espacées, chaque fourche a exactement $L/(2N_o)$ pb à copier avant de rencontrer la fourche voisine (ou l'extrémité), et la molécule est entièrement copiée quand $2N_{o}vt=L$, d'où . La condition donne la borne sur .

Les hypothèses sont optimistes (démarrage simultané, espacement régulier, vitesse constante): la borne est un minimum, et le nombre réel d'origines est nettement supérieur.

Chez les eucaryotes, chaque origine ne doit servir qu'une fois par cycle: une région copiée deux fois serait dupliquée. Le cycle cellulaire du chapitre 1 y veille par un mécanisme d'autorisation: les hélicases MCM sont chargées sur les origines, sous forme inactive, pendant la phase G1, et ne sont activées qu'en phase S, lorsque le chargement de nouvelles hélicases est devenu impossible.

Les extrémités des chromosomes

Le problème de la réplication des extrémités

Un chromosome bactérien est circulaire: chaque brin tardif finit par rejoindre de l'ADN déjà copié. Un chromosome eucaryote est linéaire, et son extrémité pose un problème que la figure 7.3 laisse deviner. Au bout du brin tardif, la dernière amorce d'ARN est retirée comme les autres; mais aucune extrémité 3′ ne se trouve plus en amont pour qu'une polymérase comble le vide qu'elle laisse. Le brin neuf est donc plus court que sa matrice, et la molécule fille garde un brin parental qui dépasse en simple brin, une extrémité 3′ sortante. À chaque cycle, chaque chromosome perdrait ainsi une petite longueur à ses extrémités. Sans compensation, les gènes situés près des bouts finiraient par disparaître.

Les télomères résolvent deux problèmes. La télomérase rallonge ce que la réplication raccourcit, et ce qui se perd ne sont que des répétitions sans information. Et le complexe protéique des télomères masque l'extrémité, qui ressemblerait sinon à une cassure que la cellule «réparerait» en soudant deux chromosomes (chapitre 9). La télomérase a été découverte en 1985 par Carol Greider et Elizabeth Blackburn chez le cilié Tetrahymena; avec Jack Szostak, elles ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 2009.

Chez l'humain, la télomérase est active dans les cellules de la lignée germinale, les cellules souches et de nombreux lymphocytes, mais faible ou absente dans la plupart des cellules somatiques. Les télomères de ces dernières raccourcissent au fil des divisions; trop courts, ils déclenchent l'arrêt définitif du cycle (sénescence réplicative) ou la mort de la cellule. C'est un frein à la prolifération sans fin, que la plupart des cellules cancéreuses ont levé, le plus souvent en réactivant la télomérase. En médecine, des variants pathogènes de gènes de la télomérase ou des protéines télomériques causent des maladies des télomères (la dyskératose congénitale en est la forme classique), qui touchent les tissus à renouvellement rapide: moelle osseuse, peau, poumon. Le lien avec le vieillissement de l'organisme entier est plus discuté: la longueur des télomères des leucocytes diminue en moyenne avec l'âge, mais varie trop d'une personne à l'autre pour servir d'«horloge» individuelle.

L'organisation de l'ADN dans le noyau

La chromatine

L'ADN d'une cellule humaine est très long par rapport au noyau qui le contient. Dans le noyau, il est associé à des protéines, et cet ensemble porte le nom de chromatine. Les protéines les plus abondantes sont les histones, petites et riches en lysine et en arginine, chargées positivement: elles neutralisent une partie des charges du squelette phosphate.

Un nucléosome enroule $147\times 0,34\approx 50$ nm d'ADN autour d'une particule d'environ 10 nm; la chromatine décondensée a l'aspect d'un «collier de perles», la fibre de 10 nm. Les manuels ont longtemps décrit le niveau suivant comme une fibre de 30 nm, formée par l'enroulement régulier des nucléosomes. Elle s'observe bien in vitro, dans certaines conditions de sel, mais sa présence dans le noyau des cellules vivantes est contestée: plusieurs méthodes d'imagerie récentes n'y trouvent surtout qu'une fibre de 10 nm repliée irrégulièrement. Au-dessus, la chromatine forme des boucles fixées à leur base par des complexes protéiques (la cohésine en particulier), qui regroupent des régions voisines en domaines; chaque chromosome occupe en interphase un territoire distinct du noyau. Le chromosome métaphasique du chapitre 1 est la forme la plus condensée.

On distingue deux états de la chromatine en interphase. L'euchromatine est décondensée, riche en gènes, transcrite pour une bonne part et répliquée tôt. L'hétérochromatine est condensée, pauvre en gènes, peu transcrite et répliquée tard. L'hétérochromatine constitutive est condensée dans toutes les cellules: autour des centromères et aux télomères, faite d'ADN répété. L'hétérochromatine facultative ne l'est que dans certaines cellules ou à certains moments: le corps de Barr, chromosome X inactivé des cellules féminines (chapitre 3), en est l'exemple. Les marques chimiques qui maintiennent ces états, sur l'ADN et sur les histones, relèvent de l'épigénétique du chapitre 10.

Taille des génomes et paradoxe de la valeur C

Le tableau suivant rassemble les génomes de référence du cours.

Sources: Blattner et al. (1997) pour E. coli; Goffeau et al. (1996), dont l'article s'intitule «Life with 6000 genes», pour la levure; Nurk et al. (2022) et GENCODE pour l'humain; Andrews et al. (1999) pour l'ADN mitochondrial. La dernière colonne divise la taille par le nombre de gènes; pour la mitochondrie, par ses 37 gènes.

Le génome humain est environ 670 fois plus grand que celui de E. coli, mais ne contient qu'environ cinq fois plus de gènes codant des protéines. Dans la bactérie, un gène occupe en moyenne un peu plus d'un kilobase et les gènes se touchent presque; chez l'humain, il y a en moyenne un gène pour 155 kb, et la séquence codante des protéines n'est qu'une petite minorité du génome, de l'ordre du pour cent.

C'est le paradoxe de la valeur C: la taille du génome n'est pas proportionnelle à la complexité de l'organisme. Certains amphibiens, certains poissons à poumons et de nombreuses plantes à fleurs ont des génomes bien plus grands que le nôtre, et des espèces voisines peuvent différer d'un facteur important. Le paradoxe disparaît quand on regarde la composition des génomes: la différence ne tient pas au nombre de gènes, mais à la quantité d'ADN non codant, introns, régions intergéniques, et surtout ADN répété.

L'ADN répété

Une part considérable du génome humain est faite de séquences présentes en de nombreux exemplaires. On les classe selon leur organisation: en tandem, les copies se suivent tête-à-queue au même endroit; dispersées, elles sont éparpillées dans tout le génome.

L'ADN satellite forme de longs blocs de répétitions en tandem, souvent sur des centaines de kilobases ou davantage. Son nom vient des premières centrifugations en gradient de densité, où il apparaissait comme une bande «satellite» à côté de l'ADN principal, parce que sa composition en bases diffère. Chez l'humain, l'ADN satellite α, fait d'un motif d'environ 171 pb répété, constitue l'essentiel des centromères (Strachan et Read). Les régions satellites, longtemps impossibles à assembler, sont les dernières lacunes que l'assemblage complet T2T-CHM13 a comblées (Nurk et al. 2022).

Les microsatellites sont parmi les régions les plus variables du génome: leur taux de mutation est bien plus élevé que celui d'une base isolée. Le mécanisme principal est le glissement de la polymérase pendant la réplication: dans une suite de motifs identiques, le brin neuf peut se détacher puis se réapparier décalé d'un motif, et la copie gagne ou perd une répétition (chapitre 9). Il en résulte, à chaque locus, de nombreux allèles, et une forte probabilité que deux personnes non apparentées n'aient pas le même génotype. C'est exactement ce que cherche l'identification: Alec Jeffreys a fondé en 1985 l'«empreinte génétique» sur des minisatellites, et les profils d'ADN actuels reposent sur douze à une vingtaine de STR, la plupart à motif de 4 pb, que le chapitre 15 étudie en détail. Les répétitions de trois nucléotides dans certains gènes, comme celles de HTT ou de FMR1, ont la même instabilité, avec des conséquences médicales: ce sont les maladies par expansion de répétitions du chapitre 9.

Les éléments transposables sont des séquences capables de se déplacer ou de se copier ailleurs dans le génome. Les transposons à ADN se déplacent par un mécanisme de «couper-coller»; les rétrotransposons se copient en passant par un ARN, transcrit puis rétrotranscrit et réinséré ailleurs, si bien que leurs copies s'accumulent. Parmi ces derniers, les LINE (long interspersed nuclear elements, dont la famille L1) codent eux-mêmes la transcriptase inverse qui les copie; les SINE (short interspersed nuclear elements), courts, n'en codent pas et utilisent celle des LINE. Les éléments Alu, des SINE d'environ 300 pb propres aux primates, sont présents en environ un million de copies et forment environ 10 % du génome humain. Au total, les séquences dérivées d'éléments transposables représentent près de la moitié du génome humain (environ 45 % selon l'International Human Genome Sequencing Consortium, 2001). L'immense majorité de ces copies sont inactives, tronquées ou mutées; quelques-unes restent mobiles, et une insertion nouvelle dans un gène peut causer une maladie (chapitre 9).

Les familles de gènes et les pseudogènes sont une autre forme de répétition. Une famille de gènes réunit des gènes issus de duplications anciennes, qui ont divergé: les globines, avec un groupe α sur le chromosome 16 et un groupe β, dont HBB, sur le chromosome 11, exprimés à des stades différents du développement. Un pseudogène est une copie devenue non fonctionnelle, par une mutation qui interrompt sa lecture ou parce qu'elle a été réinsérée sans promoteur à partir d'un ARN déjà épissé.

Le génome mitochondrial

Les mitochondries possèdent leur propre ADN, vestige d'une bactérie ancestrale. Chez l'humain, c'est une molécule circulaire de 16 569 pb, qui porte 37 gènes: 13 codent des protéines de la chaîne respiratoire, 22 des ARN de transfert et 2 des ARN ribosomiques (séquence de référence de Cambridge révisée, Andrews et al. 1999). Le génome est compact, sans introns; sa seule grande région non codante, la région de contrôle ou boucle D, porte une origine de réplication et les promoteurs, et c'est la plus variable entre individus. Chaque cellule contient des centaines à des milliers de copies de cet ADN, transmis par la mère (chapitre 3) et sans recombinaison. Ces deux propriétés en font un outil forensique pour les échantillons dégradés, comme les cheveux sans racine ou les ossements anciens, où l'ADN nucléaire, en deux exemplaires par cellule, ne suffit plus; le chapitre 15 dira pourquoi une correspondance mitochondriale désigne une lignée maternelle et non un individu.

Synthèse

• L'ADN est le matériel génétique: la transformation de Griffith, la destruction sélective d'Avery, MacLeod et McCarty (seule la désoxyribonucléase abolit l'activité) et le marquage de Hershey et Chase (le ³²P entre, le ³⁵S reste dehors) convergent par trois logiques indépendantes.
• La double hélice B: deux brins antiparallèles, hélice droite de 2 nm de diamètre, 0,34 nm par paire, environ 10,5 paires et 3,57 nm par tour, grand et petit sillons; A–T et G–C imposent $[\mathrm{A}]=[\mathrm{T}]$ et $[\mathrm{G}]=[\mathrm{C}]$ dans le double brin seulement. La teneur en GC élève la température de dénaturation.
• La réplication est semi-conservative: Meselson et Stahl observent une bande hybride unique (1,717) à la génération 1 et deux bandes égales à la génération 2; la fraction hybride vaut $2/2^n$.
• À la fourche, l'hélicase ouvre, la primase amorce, les polymérases n'allongent que de 5′ vers 3′: le brin précoce est continu, le brin tardif fait de fragments d'Okazaki scellés par la ligase. Correction d'épreuves et réparation des mésappariements amènent l'erreur à $10^{-9}$– par base.

Exercices

Vous pouvez afficher le corrigé directement sous chaque énoncé après avoir cherché la solution.

Références

• Alberts, B. et al., Molecular Biology of the Cell, Norton (trad. Biologie moléculaire de la cellule, Lavoisier) — réplication, fidélité, télomères, chromatine.
• Strachan, T. & Read, A., Human Molecular Genetics, CRC Press — organisation du génome humain, ADN répété, ADN mitochondrial.
• Klug, W. S., Cummings, M. R., Spencer, C. A. & Palladino, M. A., Concepts of Genetics, Pearson (trad. Génétique, Pearson) — expériences fondatrices, structure de l'ADN, réplication.
• Griffiths, A. J. F., Doebley, J., Peichel, C. & Wassarman, D. A., Introduction to Genetic Analysis, Macmillan (trad. Introduction à l'analyse génétique, De Boeck) — logique expérimentale de l'ADN matériel génétique et de la réplication.
• Meselson, M. & Stahl, F. W. (1958), «The replication of DNA in Escherichia coli», PNAS 44, 671–682.
• Nurk, S. et al. (2022), «The complete sequence of a human genome», Science 376, 44–53.