Bienvenue
Chaque étant vivant sur Terre : chaque bactérie, chaque châne, chaque baleine bleue et chaque humain : fonctionne sur le même manuel d'instructions moléculaire.
Ce manuel d'instructions est l'ADN, abrégé en désoxyribonucleátique acide.
L'ADN est présent dans presque toutes les cellules de votre corps. Il indique à vos cellules comment construire les protéines, qui font presque tout le travail pour vous maintenir en vie. Il a décidé de la couleur de vos yeux avant votre naissance. C'est pourquoi un chat est un chat et non un cactus.
Dans cette leçon, nous allons décomposer l'ADN morceau épisé. Au final, vous comprendrez comment une molécule faite de seulement quatre lettres chimiques peut encodé les instructions pour toute la vie.
Reprise
Avant de plonger, commençons par une question.
Double Hélice
La forme de l'ADN
L'ADN a l'aspect d'une échelle tordue : une forme que les scientifiques appellent une double hélice.
Les deux longues extrémités de l'échelle s'appellent le noyau sucre-phosphate. Ils viennent des groupes alternants de molécules de sucre (deoxyribose) et de groupes phosphate, et ils tiennent tout l'ensemble ensemble.
Les barreaux de l'échelle sont la partie importante. Chaque barreau provient de deux bases qui se pairent. Il y a quatre bases :
- A (adénine)
- T (thymine)
- C (cytosine)
- G (guanine)
La règle critique est : A se paire toujours avec T, et C se paire toujours avec G. Toujours. Dans toute espèce. Ces sont appelées paires de bases, et une seule base plus son sucre et son phosphate est appelée une nucleotide.
Une étendue d'ADN humain pourrait lire : ATCGGCTAA. Si vous connaissez un côté, vous connaissez automatiquement l'autre : parce que A se paire avec T, et C se paire avec G.
Qui l'a découvert ?
La course pour découvrir la structure de l'ADN
En 1953, James Watson et Francis Crick ont publié la structure de l'ADN. Ils ont reçu le Prix Nobel pour cela en 1962.
Mais ils n'auraient pas pu le faire sans Rosalind Franklin.
Franklin était une chimiste brillante à la King's College London. Elle utilisait la radiocristallographie: en tirant des rayons X sur des cristaux d'ADN et en lisant les motifs qu'ils formaient: pour produire la photo 51, l'image la plus claire de la structure de l'ADN jamais vue.
Son collègue Maurice Wilkins a montré la photo 51 à Watson sans en informer Franklin. Watson a écrit plus tard que le moment où il l'a vue, la structure en double hélice est devenue évidente.
Franklin n'a jamais reçu le prix Nobel. Elle est décédée d'un cancer de l'ovaire en 1958 à l'âge de 37 ans: éventuellement causé par son travail intensif avec les rayons X: et les prix Nobel ne sont pas attribués à titre posthume. Watson et Crick n'ont même pas reconnu sa contribution à l'époque.
Aujourd'hui, les scientifiques reconnaissent que les travaux expérimentaux de Franklin étaient essentiels. Elle a été privée de crédit pendant sa vie et son histoire est un rappel que la science est faite par des personnes: et les personnes ne sont pas toujours équitables.
Comment l'ADN se copie
Copie du code
Chaque fois qu'une cellule se divise: pour guérir une blessure, pour grandir ou pour remplacer les cellules usées: elle doit d'abord faire une copie exacte de tout son ADN. Ce processus s'appelle la réplication.
Voici comment ça marche:
1. Une enzyme appelée hélicase dézipe l'hélice double en brisant les liaisons hydrogènes entre les paires de bases. Elle divise littéralement l'échafaudage en deux.
2. Une autre enzyme appelée polymérase d'ADN lit chaque brin exposé et construit un nouveau brin correspondant, en suivant les règles de base paire (A avec T, C avec G).
3. Résultat: deux copies identiques de l'ancien ADN. Chaque copie a un brin ancien et un brin nouveau.
Votre corps fait ça environ 3,8 millions de fois par seconde. Et il le fait presque toujours correctement: la polymérase d'ADN fait environ une faute pour un milliard de bases copiées. Lorsqu'elle fait une faute, d'autres enzymes le capturent et réparent généralement l'erreur.
Mais pas toujours. Lorsqu'une erreur passe inaperçue, elle devient une mutation. Nous en parlerons bientôt.
Transcription et traduction
Comment l'ADN construit des choses
L'ADN ne construit pas votre corps directement. Il agit à travers un intermédiaire appelé l'ARN (acide ribonucléique).
Le processus a deux étapes principales :
Étape 1 : Transcription (ADN → ARNm)
Une section de l'ADN (un gène) est copiée dans une molécule appelée l'ARNm (ARN messager). Imaginez cela comme faire une photocopie d'une page d'un immense manuel d'instructions. L'original reste en sécurité dans le noyau ; la copie va sur le plancher de l'usine.
Étape 2 : Traduction (ARNm → Protéines)
Les ribosomes : les machines de construction de protéines des cellules : lisent l'ARNm trois lettres à la fois. Chaque ensemble de trois lettres s'appelle un codon. Chaque codon spécifie un acide aminé. Assemblez les acides aminés et vous obtenez une protéine.
Par exemple, le codon AUG code pour l'acide aminé méthionine et indique également 'commencez à construire ici.' Le codon UAA indique 'arrêtez.'
Un seul gène peut coder pour une protéine avec des centaines d'acides aminés. Cette protéine pourrait devenir une enzyme qui digère vos aliments, une molécule d'hémoglobine qui transporte l'oxygène dans votre sang ou une fibre de kératine qui fait partie de vos cheveux.
Un seul gène → un ARNm → une protéine → un travail dans votre corps. (Ceci est simplifié : la réalité est plus complexe, mais cela capture la logique de base.)
Lorsque les gènes mutent
Qu'arrive-t-il lorsque le code change ?
Une mutation est toute modification de la séquence de l'ADN. Cela pourrait être une base remplacée par une autre, une base supprimée ou des bases insérées en plus.
Certaines mutations n'ont aucun effet : le codon continue de coder pour le même acide aminé (il y a une redondance intégrée dans le code génétique). Ces mutations sont appelées mutations silencieuses.
Certain mutations modifient une seule acide aminé, mais la protéine fonctionne toujours. D'autres modifient une acide aminé critique et la protéine se brise.
Et certaines mutations : très rarement : produisent une protéine qui fonctionne mieux que l'original.
Pourquoi nous sommes tous différents
D'où provient la variation
Si l'ADN se copie avec une telle précision, pourquoi ne sommes-nous pas tous identiques ?
Trois principales sources de variation génétique :
1. Mutations : Des erreurs de copie aléatoires, des radiations UV ou une exposition chimique peuvent changer les bases de l'ADN. La plupart des mutations sont neutres. Certaines sont nuisibles. Quelques-unes sont bénéfiques.
2. Reproduction sexuée : Lorsque les organismes se reproduisent sexuellement, chaque parent contribue à moitié son ADN. La combinaison spécifique est aléatoire. Vous partagez 50% de votre ADN avec chaque parent, mais quel 50% vous avez obtenu était un gros lot génétique. C'est pourquoi les frères et sœurs se ressemblent mais ne sont pas identiques.
3. Recombinaison : Lors de la formation des cellules d'œuf et de spermatozoïdes, les chromosomes échangent physiquement des segments les uns avec les autres. Cela mélange les combinaisons de gènes d'une manière que ni l'un ni l'autre parent n'a.
Pourquoi la variation compte
La variation génétique n'est pas un défaut : c'est une stratégie de survie. Une population où chaque individu est génétiquement identique est vulnérable. Une maladie pourrait éliminer l'ensemble du groupe car personne n'a de résistance.
Mais dans une population génétiquement diverse, certains individus auront des mutations qui se trouvent simplement les rendre résistants. Ils survivent, se reproduisent et transmettent cette résistance. C'est la sélection naturelle : l'engin de l'évolution.
Chaque adaptation que vous puissiez imaginer : la vitesse du guépard, le stockage d'eau du cactus, le cerveau humain : tout a commencé comme une mutation aléatoire qui s'est avérée utile.
CRISPR et Édition du Gène
Réécrire le Code de la Vie
Pendant des milliards d'années, les changements du DNA se sont produits lentement : à travers la mutation aléatoire et la sélection naturelle.
Cela a changé en 2012.
Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier ont découvert que le système de défense bactérienne appelé CRISPR-Cas9 pouvait être réprogrammé pour couper le DNA à n'importe quelle position précise. Elles ont reçu le Prix Nobel de Chimie en 2020.
CRISPR fonctionne comme des ciseaux moléculaires avec un GPS. Vous lui donnez une ARN guide qui correspond à la séquence DNA que vous souhaitez modifier, et la protéine Cas9 coupe le DNA à cet endroit précis. Ensuite, la machinerie de réparation de la cellule répare l'incision : et vous pouvez insérer un gène corrigé pendant qu'elle le fait.
C'est révolutionnaire. Les scientifiques ont déjà utilisé CRISPR pour :
- Soigner la maladie de la cellule falciforme dans des essais cliniques en éditant les cellules souches du sang des patients
- Développer des cultures alimentaires résistantes aux maladies sans sélection traditionnelle
- Développer des traitements potentiels pour la dystrophie musculaire, certains cancers et le VIH
Mais CRISPR soulève également de grandes questions éthiques.
En 2018, un scientifique chinois nommé He Jiankui a annoncé qu'il avait utilisé CRISPR pour éditer l'ADN des embryons humains : des filles jumelles nées avec des gènes modifiés. La communauté scientifique mondiale a condamné cela comme étant téméraire et prématuré. He a été condamné à trois ans de prison.
Le dilemme central : éditer l'ADN d'un embryon change chaque cellule de la personne résultante, et ces changements sont transmis à leurs enfants, et à leurs enfants.
Les tests génétiques soulèvent également leurs propres questions. Aujourd'hui, vous pouvez cracher dans un tube et apprendre votre risque pour centaines de maladies. Les employeurs ou les compagnies d'assurance devraient-ils avoir accès à cette information ? Les parents devraient-ils pouvoir sélectionner des embryons sur la base de traits comme l'intelligence ou l'athlétisme ?
Devrions-nous Éditer l'ADN Humain ?
À votre tour d'argumenter
Il n'y a pas de réponse unique à ces questions. Mais il y a des réponses bien argumentées et des réponses mal argumentées.
Un bon argument prend en compte les avantages potentiels et les risques, utilise des preuves et reconnaît la complexité de l'issue.
Que vous rappellerez-vous?
Dernier pense
Vous avez commencé cette leçon avec une question sur les chats.
Maintenant, vous savez que la réponse réside dans une échelle tordue de quatre lettres chimiques : un code si élegant qu'il anime tous les êtres vivants sur la planète et si puissant que nous ne sommes encore que à peine en train d'apprendre à le réécrire.
La science de l'ADN avance plus vite que jamais dans l'histoire humaine. Les étudiants qui apprennent ce sujet en ce moment seront ceux qui prendront des décisions sur la manière dont il sera utilisé.