4. F LUX DE L ’ INFORMATION GÉNÉTIQUE.S TRUCTURE ET EXPRESSION DES G È NES.
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© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
un gène et un produit chimique, souvent non
identifié, aucune théorie générale sur le mode de
fonctionnement des gènes ne pouvait être énoncée.
C’est l’utilisation d’un modèle biologique plus
simple, bien connu sur les plans génétique et physiologique, combinée à l’utilisation systématique
de mutations induites expérimentalement, et surtout un changement de la stratégie de l’approche,
qui ont permis des avancées significatives dans la
résolution de ce problème.
Contrairement à leurs prédécesseurs, B EADLE et
T ATUM décident, au début des années 40, d’identifier les gènes en jeu dans le contrôle de réactions
biochimiques déjà connues ; les biochimistes ont
en effet établi la notion de chaîne de biosynthèse
et identifié de nombreuses enzymes catalysant ces
réactions. Ces auteurs s’appuient, en particulier,
sur des travaux concernant le cycle de l’urée, qui
fonctionne chez certains Vertébrés (KREBS et
H ENSELEIT, 1932). Dans un premier temps, ils définissent les besoins nutritifs minimaux d’une
souche d’un Champignon nommé Neurospora, très
facile à étudier en laboratoire. Cette souche naturelle, dite sauvage, pousse de façon continue sur
un milieu minéral simple contenant une source de
carbone (un sucre) et quelques vitamines ( milieu
minimum). À partir des éléments de ce milieu, elle
est capable de fabriquer tous les composés essentiels à sa vie, parmi lesquels les acides aminés
constitutifs de ses protéines (souche prototrophe).
En soumettant cette souche à des agents mutagènes, ces auteurs obtiennent de nombreux
mutants indépendants, dont ils ne retiennent que
ceux qui sont incapables de croître sur le milieu
minimum, mais capables de pousser sur un milieu
contenant une grande diversité de molécules organiques ( milieu riche). Chez ces mutants, qui ont
visiblement perdu la capacité de synthétiser un
composant vital, la déficience génétique est compensée par l’apport d’un (ou plusieurs) métabolite(s) fourni(s) par le milieu (souches
auxotrophes). Parmi ceux-ci, les auteurs sélectionnent les mutants exigeant uniquement l’acide
aminé arginine ; ces souches, notées Arg
–
, sont
aptes à croître sur le milieu minimum auquel on a
ajouté ce seul acide aminé ( milieu supplémenté).
Après une analyse génétique, seules sont conservées les souches présentant une mutation récessive
n’affectant qu’un seul gène. Celles-ci sont ensuite
testées pour leur croissance sur des milieux supplémentés en divers composés chimiquement proches
de l’arginine, tels que l’ornithine ou la citrulline ;
selon les biochimistes, ces deux composés sont
censés participer à la synthèse de l’arginine chez
les Animaux. Ce test trophique permet d’identifier
trois catégories de mutants Arg
–
, selon leur croissance ou non sur ces divers milieux, c’est-à-dire en
fonction de leur capacité à utiliser ces produits
pour les transformer en arginine, seul métabolite
utilisable dans la synthèse des protéines. Enfin, sur
la base du principe que, si un composé intermédiaire nourrit une souche, c’est que la mutation
concerne une étape située en amont, ces trois
groupes peuvent être classés de sorte que les trois
composés : ornithine, citrulline et arginine,
s’ordonnent en une chaîne linéaire (voir figure 4.2).
Le test de complémentation fonctionnelle (voir
chapitre 3) montre que, dans chacun des 3groupes
de mutants, plusieurs souches différentes ont une
fonction distincte altérée, ce qui suggère que
chaque étape de la synthèse de l’arginine est
contrôlée par un seul gène. Les biochimistes prouvent rapidement qu’une souche de Neurospora portant un gène muté Arg
–
donné se distingue de la
souche sauvage par l’absence de l’activité enzymatique permettant la transformation d’un produit
spécifique en un autre produit, situé plus en aval
dans la chaîne. La conclusion fondamentale de ces
études est la suivante : la présence d’un gène muté
entraîne l’absence d’une activité enzymatique spécifique, qui est fonctionnelle dans la souche sauvage, le gène sauvage gouvernant donc la
synthèse d’une protéine active.
B EADLE et T ATUM ont généralisé cette idée en
formulant la théorie : un gène – une enzyme.
Celle-ci constitua une révolution en génétique et
fut très fructueuse car non seulement elle proposait un mode d’action précis des gènes, mais surtout elle fournissait un outil pour l’analyse de tout
le métabolisme intermédiaire. En quelques années
(de 1945 à 1965 environ, époque de la génétique
dite physiologique), la connaissance de ce dernier
devait rapidement progresser, dans des organismes très divers. Cette hypothèse, qui constitue
un exemple de la règle de correspondance évoquée plus haut, rend parfaitement compte des faits
observés dans le cas de l’alcaptonurie ; en effet,
lorsqu’une chaîne métabolique est interrompue au
niveau d’une étape, le composé situé en amont du
blocage n’est plus transformé et s’accumule fortement, au point de devenir facilement détectable (et
excrété, dans ce cas précis), alors que ce n’est pas
le cas dans la situation normale.
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© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
un gène et un produit chimique, souvent non
identifié, aucune théorie générale sur le mode de
fonctionnement des gènes ne pouvait être énoncée.
C’est l’utilisation d’un modèle biologique plus
simple, bien connu sur les plans génétique et physiologique, combinée à l’utilisation systématique
de mutations induites expérimentalement, et surtout un changement de la stratégie de l’approche,
qui ont permis des avancées significatives dans la
résolution de ce problème.
Contrairement à leurs prédécesseurs, B EADLE et
T ATUM décident, au début des années 40, d’identifier les gènes en jeu dans le contrôle de réactions
biochimiques déjà connues ; les biochimistes ont
en effet établi la notion de chaîne de biosynthèse
et identifié de nombreuses enzymes catalysant ces
réactions. Ces auteurs s’appuient, en particulier,
sur des travaux concernant le cycle de l’urée, qui
fonctionne chez certains Vertébrés (KREBS et
H ENSELEIT, 1932). Dans un premier temps, ils définissent les besoins nutritifs minimaux d’une
souche d’un Champignon nommé Neurospora, très
facile à étudier en laboratoire. Cette souche naturelle, dite sauvage, pousse de façon continue sur
un milieu minéral simple contenant une source de
carbone (un sucre) et quelques vitamines ( milieu
minimum). À partir des éléments de ce milieu, elle
est capable de fabriquer tous les composés essentiels à sa vie, parmi lesquels les acides aminés
constitutifs de ses protéines (souche prototrophe).
En soumettant cette souche à des agents mutagènes, ces auteurs obtiennent de nombreux
mutants indépendants, dont ils ne retiennent que
ceux qui sont incapables de croître sur le milieu
minimum, mais capables de pousser sur un milieu
contenant une grande diversité de molécules organiques ( milieu riche). Chez ces mutants, qui ont
visiblement perdu la capacité de synthétiser un
composant vital, la déficience génétique est compensée par l’apport d’un (ou plusieurs) métabolite(s) fourni(s) par le milieu (souches
auxotrophes). Parmi ceux-ci, les auteurs sélectionnent les mutants exigeant uniquement l’acide
aminé arginine ; ces souches, notées Arg
–
, sont
aptes à croître sur le milieu minimum auquel on a
ajouté ce seul acide aminé ( milieu supplémenté).
Après une analyse génétique, seules sont conservées les souches présentant une mutation récessive
n’affectant qu’un seul gène. Celles-ci sont ensuite
testées pour leur croissance sur des milieux supplémentés en divers composés chimiquement proches
de l’arginine, tels que l’ornithine ou la citrulline ;
selon les biochimistes, ces deux composés sont
censés participer à la synthèse de l’arginine chez
les Animaux. Ce test trophique permet d’identifier
trois catégories de mutants Arg
–
, selon leur croissance ou non sur ces divers milieux, c’est-à-dire en
fonction de leur capacité à utiliser ces produits
pour les transformer en arginine, seul métabolite
utilisable dans la synthèse des protéines. Enfin, sur
la base du principe que, si un composé intermédiaire nourrit une souche, c’est que la mutation
concerne une étape située en amont, ces trois
groupes peuvent être classés de sorte que les trois
composés : ornithine, citrulline et arginine,
s’ordonnent en une chaîne linéaire (voir figure 4.2).
Le test de complémentation fonctionnelle (voir
chapitre 3) montre que, dans chacun des 3groupes
de mutants, plusieurs souches différentes ont une
fonction distincte altérée, ce qui suggère que
chaque étape de la synthèse de l’arginine est
contrôlée par un seul gène. Les biochimistes prouvent rapidement qu’une souche de Neurospora portant un gène muté Arg
–
donné se distingue de la
souche sauvage par l’absence de l’activité enzymatique permettant la transformation d’un produit
spécifique en un autre produit, situé plus en aval
dans la chaîne. La conclusion fondamentale de ces
études est la suivante : la présence d’un gène muté
entraîne l’absence d’une activité enzymatique spécifique, qui est fonctionnelle dans la souche sauvage, le gène sauvage gouvernant donc la
synthèse d’une protéine active.
B EADLE et T ATUM ont généralisé cette idée en
formulant la théorie : un gène – une enzyme.
Celle-ci constitua une révolution en génétique et
fut très fructueuse car non seulement elle proposait un mode d’action précis des gènes, mais surtout elle fournissait un outil pour l’analyse de tout
le métabolisme intermédiaire. En quelques années
(de 1945 à 1965 environ, époque de la génétique
dite physiologique), la connaissance de ce dernier
devait rapidement progresser, dans des organismes très divers. Cette hypothèse, qui constitue
un exemple de la règle de correspondance évoquée plus haut, rend parfaitement compte des faits
observés dans le cas de l’alcaptonurie ; en effet,
lorsqu’une chaîne métabolique est interrompue au
niveau d’une étape, le composé situé en amont du
blocage n’est plus transformé et s’accumule fortement, au point de devenir facilement détectable (et
excrété, dans ce cas précis), alors que ce n’est pas
le cas dans la situation normale.