HISTOIRE DE L ADN. L'histoire de l'adn commence par les Grecs

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1 HISTOIRE DE L ADN Un homme adulte est constitué de cellules. Chaque noyau contient le programme génétique sous forme d ADN: Acide DésoxyriboNucléique. L'histoire de l'adn commence par les Grecs - Il y a plus de 2500 ans: Le philosophe, Pythagore La vie humaine commence par un mélange des fluides mâles et femelles (spermes). - Aristote a postulé que le sperme est du sang épuré. le sang est, donc, l'élément de l'hérédité

2 1 ère partie: La découverte de l information génétique Les gènes sont responsables des caractères héréditaires L ADN est le support de l information génétique 2 ème partie: L expression de l information génétique La réplication semi conservative La transcription Le déchiffrage du code génétique 3 ème partie: La nouvelle ère de la génétique : apports des techniques de biologie moléculaire La remise en question des dogmes Le génie génétique Le séquençage L essor des biotechnologies

3 I. La découverte de l information génétique 1.) Les gènes sont responsables des caractères héréditaires Gregor Mendel moine augustin, botaniste Il poursuivait ses recherches sur les résultats de l hybridation de petits pois dans le cloître de Brünn (Brno, République Tchèque) 1866 : Gregor Mendel montre que la distribution des différents caractères à la descendance s effectue selon des proportions que l on peut prédire.

4 Lois régissant la transmission à la descendance de «facteurs» distincts aux effets dominants ou récessifs.

5 1879 : Flemming observe des chromosomes en mitose : Strasburger observe des chromosomes en méïose : Waldeyer élabore le concept de chromosome. Mais, les relations fonctionnelles entre chromosomes et gènes sont insoupçonnées : Théodore Boveri pressent ces relations fonctionnelles entre chromosomes et gène. William Bateson biologiste britannique 1906 : William Bateson propose le terme de génétique pour désigner une nouvelle orientation de la biologie, dont l objectif principal est l étude des lois de l hérédité et des mutations. Notion d hérédité basée sur les ressemblances entre organismes généalogiquement apparentés. Notion de mutation basée sur leurs différences.

6 Wilhelm Johannsen Copenhague Botaniste danois 1909 : Wilhelm Johannsen nomme le facteur héréditaire découvert par Mendel : un gène «qui donne naissance à» (grec). 2 notions: Le génotype est l information portée par le génome d un organisme. C est la séquence nucléotidique qui constitue l information génétique; soit un ensemble de gènes. Le phénotype est l ensemble des caractères d un individu.

7 Thomas Hunt Morgan Généticien américain Il étudie la génétique de la drosophile (Drosophila melanogaster) à la Columbia University de New-York. Prix Nobel de physiologie ou médecine en : Thomas Hunt Morgan observe au microscope les chromosomes géants des glandes salivaires de la drosophile (mouche du vinaigre). Ceci a permis : - d établir la relation entre les caractères héréditaires et les gènes. - de découvrir la disposition linéaires des gènes sur les chromosomes La base de la théorie chromosomique de l hérédité

8 Dans les années 20-30s, l ignorance de la structure et du mode d action des gènes contribuent à l apparition d idées fausses concernant la possibilité d éliminer les «mauvais gènes» de la population humaine. Notion d eugénisme 1927 : Hermann Joseph Muller démontre que les mutations peuvent être induites par une exposition aux rayons X. Risques de cancer et d'effets génétiques héréditaires 1941 : C. Auerbach et J.M. Robson et 1943 : F. Oehlkers démontrent indépendamment que certaines substances chimiques peuvent aussi provoquer des mutations. A la fin des années 30s, la génétique est bien établie en tant que nouvelle spécialité biologique. Mais la structure physique et chimique des gènes ainsi que leurs fonctions sont encore totalement inconnues. Jusqu en 1949, aucune découverte génétique essentielle n a été obtenue des études menées chez l homme. Aujourd hui, on sait qu il n existe pas d individu génétiquement sain. Chacun d entre nous est porteur d environ 5 à 6 anomalies génétiques graves qui ne s expriment pas, mais qui peuvent se manifester chez nos descendants.

9 2.) La molécule d ADN est le support de l information génétique Frederick Griffith Médecin et bactériologiste anglais 1929 : Frederick Griffith travaille sur Streptococcus pneumoniae Notion de principe transformant

10 Oswald Avery Médecin américain d origine canadienne Colin MacLeod généticien américain d origine canadienne Maclyn McCarty Généticien américain 1944 : Avery, McLeod et McCarty, à l institut Rockefeller de New-York, travaillent sur Streptococcus pneumoniae. Le principe transformant isolé par Griffith est de l ADN

11 Martha Chase Généticienne américaine Alfred Hershey Microbiologiste et généticien américain Lot 1 : ADN du bactériophage T2 marqué au 32 P. Lot 2 : Protéines de la capside du bactériophage T2 marquées au 35 S. Culture de chaque lot en présence d E.coli. Chaque culture est ensuite mixée et centrifugée. Lot 1 : radioactivité dans le culot. Lot 2 : radioactivité dans le surnageant : Hershey et Chase confirment que l information génétique est exclusivement contenue dans l ADN.

12 Rosalind Franklin Biologiste moléculaire britannique Rasalind franklin réalise plusieurs radiographies aux rayons X de l'adn, qui seront montrées à son insu à James Watson. James Dewey Watson 1928 Généticien et biochimiste américain Prix Nobel de médecine en 1962 Francis Harry Crick Biologiste britannique Prix Nobel de médecine en : James D. Watson, 24 ans, bénéficiaire d une bourse d étude en Europe Francis H. Crick, 36 ans, physicien anglais, au laboratoire Cavendish de l université de Cambridge découvrent la structure biochimique de l ADN. Bases puriques (A, G) et pyrimidiques (C, T) complémentaires 2 à 2 : A=T et C G Double hélice

13 Caractéristiques de la double hélice de type B: - 2 chaînes antiparallèles orientées pas droit - diamètre : 2 nm - entre 2 bases : 0,34 nm -10 pb par tour d hélice - Petit et grand sillon + phénomènes de surenroulement + vrillage de l axe Stabilisation de la structure par des liaisons de faibles énergie: liaisons H + liaisons hydrophobe

14 II. L expression des gènes 1.) La réplication semi conservative de l ADN Matthew Maselson 1930 Généticien et Biologiste moléculaire américain Franklin Stahl 1929 Biologiste moléculaire américain 1958 : Meselson et Stahl démontrent que l ADN se réplique de façon semiconservative.

15 2.) La transcription Généticiens américains Prix Nobel de physiologie ou médecine en : Beadle et Tatum démontrent, chez la moisissure Neurospora, qu un gène est responsable de la synthèse d une enzyme. Un gène code pour une protéine.

16 1955 : Sanger détermine la séquence en acides aminés de l insuline. La séquence en acides aminés des protéines peut correspondre à la séquence en bases de l ADN. Frédérick Danger 1918 Biochimiste anglais Prix Nobel de chimie en 1958 et 1980 Cependant : - L ADN est dans le noyau. - La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme. Il existe un intermédiaire qui sera transporté du noyau dans le cytoplasme : l ARNm

17 1961 : Crick, Barnett, Brenner, Watts-Tobin détermine la structure chimique de l ARNm : acide ribonucléique 1961 : Jacob et Monod proposent le modèle de l opéron pour la régulation de l expression des gènes. François Jacob 1920 Biologiste français Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1965 Jacques Monod Biologiste et biochimiste français Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1965

18 3.) Le déchiffrage du code génétique 1958 : Crick montre le rôle adaptateur de l ARNt. Un acide aminé est codé par un codon (3 bases) : Marshall Nirenberg démontre que UUU code spécifiquement pour la phénylalanine : 50 codons identifiés par Niremberg Marshall Warren Nirenberg Biochimiste américain Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1968 Har Gobind Khorona 1922 Biologiste indien Prix Nobel de physiologie ou médecine en : 64 codons (61 AA et 3 stop) identifiés par Khorona + Utilisation de 3 cadres de lecture. + Extrémité N terminal du polypeptide correspond à l extrémité 5 de l ARNm ARNm lu dans le sens 5 3

19 III. La nouvelle ère de la génétique : apports des techniques de biologie moléculaire 1.) La remise en question des dogmes Howard Temin Biologiste moléculaire américain David Baltimore 1938 Biologiste américain Prix Nobel de physiologie ou médecine en : H. Temin et D. Baltimore identifie la transcriptase inverse chez les rétrovirus. Cette découverte remet en question la notion d information génétique unidirectionnelle ADN ARNm polypeptide Ce résultat ne sera admis qu en : Découverte des gènes morcelés. Termes d exons et d introns Notion d épissage des transcrits.

20 2.) Le génie génétique Une espèce d un organisme (ex : E. coli) peut traduire avec précision les gènes d organisme tout à fait différent (ex : l homme) = fondement du génie génétique : W. Arber et 1971 : D. Nathans et H. O. Smith mettent en évidence des enzymes de restriction chez les bactéries. Développement des technologies de l ADN recombinant : Des gènes eucaryotes sont clonés dans un plasmide bactérien : Découverte de l activité catalytique de l ARN : Première PCR réalisée avec une ADN polymérase thermostable, provenant de Thermus aquaticus, par Saiki RK. Techniques d amplification de l ADN 4 avril 1996 : Clonage du 1er mammifère par une équipe de chercheurs (Lan Wilmut et Keith Campbell) écossais chez PPL Therapeutics. Brebis Dolly (05/07/ /02/2003)

21 3.) Le séquençage 1990: Lancement du projet sur le génome humain : Présentation de la séquence complète de la souche K12 d Escherichia coli : Le 1er chromosome humain (le 22) est séquencé par une équipe coordonnée par le centre Sanger (Grande-Bretagne). 14 avril 2003 : La fin du séquençage du génome humain est annoncée.

22 4) L essor des biotechnologies La production de protéines recombinantes 1981 : La société Genetech fut la première à distribuer de l'hormone de croissance humaine recombinée pour la thérapie : Production d interféron α humain par Saccharomyces cerevisiae : Production à grande échelle d insuline humaine par Escherichia coli : Production de l antigène HbS par Saccharomyces cerevisiae.

23 Amélioration des productions végétales Ex 1: Résistance aux insectes : Introduction gène de la toxine de Bacillus thuringiensis contre les lepidoptères (maïs de Monsanto). Ex 2 : Amélioration des qualités agronomiques et nutritionnelles notion d alicament. Amélioration des productions animales Ex 1 : Porcs qui surexpriment l hormone de croissance atteignent un poids adulte supérieur de 30% par rapport aux espèces non transgéniques. Ex 2 : Amélioration de la qualité du lait par production de la β-galactosidase améliore la digestibilité du lait.

24 La thérapie génique in vivo et ex vivo Testé cliniquement depuis Ex 1 : 1999 : Traitements de 11 enfants «bébés-bulle» à l hôpital Necker (Paris) Ex 2 : lutte contre le cancer : Transfection du gène suppresseur de tumeur p53. Ex 3 : mucoviscidose : Transfection par vecteur adénoviraux in vivo du gène codant pour le CFTR fonctionnel (canal Chlore). Ex 4 : Traitement des dystrophies musculaires (comme myopathie) par transfection des gènes codant pour les enzymes lysosomiales déficientes. Ex 5 : Traitement du glioblastome - Injection directe du gène codant par la thymidine kinase d un Herpes virus grâce à un vecteur rétroviral au niveau de la tumeur cérébrale. - Puis traitement par le gancyclovir. - Phosphorylation du gancyclovir qui bloque irréversiblement la synthèse d ADN et tue les cellules tumorales transgéniques.

25 L ADN vaccinal Vaccin par injection du gène codant pour la protéine vaccinale L ADN injecté directement dans le muscle. Il est adsorbé sur des billes d or ou de tungstène puis injecté à l aide d un canon/fusil à particules (biolistique) Ex: Un vaccin contre la grippe testé chez la souris et est aujourd hui en phase d essai clinique chez l homme (Merk)