chapitre 16 Les bases moléculaires de l’hérédité 355
l’ADN demeurait intact. En 1944, Avery et ses collaborateurs
Maclyn McCarty et Colin MacLeod annoncèrent que l’agent
de la transformation était l’ADN. Leur découverte a été accueillie avec intérêt, mais aussi avec beaucoup de scep ti cisme. D’une
part, on continuait de croire que les protéines étaient plus à
même de constituer le matériel géné tique (on prétendait que
les molécules utilisées pour la transformation n’étaient pas parfaitement pures et contenaient encore des protéines) ; d’autre
part, de nombreux biologistes n’étaient pas convaincus que la
composition et la fonction des gènes bactériens étaient identiques à celles des organismes plus complexes. Mais la principale raison, c’est qu’on ne savait encore pratiquement rien
sur l’ADN.
La preuve de la programmation
de cellules par l’ADN viral
Des études portant sur un virus qui infecte des bactéries ont
fourni d’autres preuves que le matériel génétique est constitué
d’ADN (figure 16.3). On appelle ces virus bactério phages
(« mangeurs de bactéries ») ou, tout simplement, phages.
L’organisation des Virus est beaucoup plus simple que celle
des cellules. Un virus est essentiellement constitué d’ADN
(ou parfois d’ARN) enfermé dans une enveloppe protectrice
(la capside) qui n’est souvent formée que de protéines. Pour
se reproduire, un virus doit infecter une cellule et détourner à
son profit le métabolisme de celleci.
Les phages ont été largement utilisés comme outils de recherche par les chercheurs en génétique moléculaire. En 1952,
Alfred Hershey et Martha Chase ont découvert que le matériel génétique d’un phage appelé T2 est constitué d’ADN. Il
s’agit de l’un des nombreux phages qui infectent Escherichia
coli (E. coli), une bactérie vivant normalement dans l’intestin
des Mammifères et qui est un organisme modèle pour les biologistes moléculaires. À cette époque, les biologistes savaient
déjà que, à l’instar de nombreux autres virus, T2 est presque
entièrement composé d’ADN et de protéines. Ils savaient également que ce phage peut rapidement faire d’une cellule
d’E. coli une machine à produire des phages T2, qu’elle libère
en éclatant. Ce phage pouvait donc reprogrammer la cellule
hôte et lui faire produire des virus, mais à laquelle de ses composantes ce mécanisme étaitil dû : à la protéine ou à l’ADN ?
Pour répondre à cette question, Hershey et Chase ont conçu
une expérience pour démontrer qu’une seule des deux composantes de T2 pénètre dans la cellule d’E. coli au moment de
l’infection (figure 16.4). Dans leur expérience, ils ont utilisé
un isotope radioactif du soufre pour marquer la protéine
dans une culture de T2 et, dans une deuxième culture, un
isotope radioactif du phosphore pour marquer l’ADN. Comme
les protéines, au contraire de l’ADN, renferment du soufre
(deux acides aminés en possèdent ; voir la figure 5.17, p. 88),
les atomes de soufre radioactif se sont incorporés seulement
dans les protéines des phages. De la même manière, étant
donné que presque tout le phosphore contenu dans un phage
se trouve dans son ADN, cette procédure permet de ne pas
marquer les protéines des phages. L’expérience consistait à
laisser les phages T2 de chaque lot infecter des échantillons
distincts de bactéries E. coli normales (non marquées). Peu
après le début de l’infection, les chercheurs ont testé les deux
échantillons pour voir quel type de molécules, protéines ou
ADN, a pénétré à l’intérieur des cellules bactériennes et serait
par conséquent capable de les reprogrammer.
Hershey et Chase ont découvert que l’ADN des phages
pénétrait dans les cellules hôtes, contrairement à leurs protéines. De plus, lorsque les bactéries étaient remises en culture,
l’infection se poursuivait, et les cellules d’E. coli libéraient des
phages contenant de petites quantités de phosphore radioactif, ce qui démontre que l’ADN à l’intérieur de la cellule
continue à jouer un rôle au cours du processus d’infection.
Hershey et Chase en ont conclu que l’ADN du virus injecté
par le phage devait être la molécule transmettant l’information génétique qui force la cellule bactérienne à produire des
protéines et de l’ADN viraux qui s’assemblent ensuite pour
former de nouveaux virus. L’expérience de Hershey et Chase
a constitué un jalon parce que cette étude a montré de façon
convaincante que le matériel héréditaire se compose d’acides
nucléiques et non de protéines, tout au moins chez les Virus.
Des preuves supplémentaires que l’ADN
constitue le matériel génétique
Une autre preuve que le matériel génétique est formé d’ADN
a été apportée par le biochimiste Erwin Chargaff. Depuis les
années 1920, on savait que l’ADN est un polymère de nucléotides et que chaque nucléotide regroupe trois composantes :
une base azotée, un pentose (un glucide) appelé désoxyribose
et un groupement phosphate (figure 16.5, page 357). On
savait aussi que la base azotée pouvait être l’adénine (A), la
thymine (T), la guanine (G) ou la cytosine (C). Mais on croyait
alors que l’ADN portait des séquences constituées de différents
arrangements des quatre nucléotides (par exemple, ATGC,
TAGC, ATCG) et on ne voyait pas comment une telle structure (modèle des tétranucléotides) pouvait porter toute l’information génétique. Chargaff a analysé la proportion des bases
azotées présentes dans l’ADN de plusieurs organismes différents. En 1950, il a établi que la composition de l’ADN varie
d’une espèce à l’autre. Par exemple, 30,3 % des nucléotides de
l’ADN humain contiennent la base A, alors que les nucléotides
de l’ADN de la bactérie E. coli en contiennent seulement
26,0 %. Cette preuve de la diversité moléculaire des espèces,
m Figure 16.3 Des virus infectant une cellule bactérienne.
Les phages appelés T2 se fixent aux cellules hôtes et leur injectent leur
matériel génétique à travers la membrane plasmique tandis que les parties
de la tête et de la queue restent à l’extérieur sur la surface bactérienne (MET).
0,1
Rm (180 000
w)
Tête
du phage
Queue
Fibre
caudale
ADN
Bactérie
l’ADN demeurait intact. En 1944, Avery et ses collaborateurs
Maclyn McCarty et Colin MacLeod annoncèrent que l’agent
de la transformation était l’ADN. Leur découverte a été accueillie avec intérêt, mais aussi avec beaucoup de scep ti cisme. D’une
part, on continuait de croire que les protéines étaient plus à
même de constituer le matériel géné tique (on prétendait que
les molécules utilisées pour la transformation n’étaient pas parfaitement pures et contenaient encore des protéines) ; d’autre
part, de nombreux biologistes n’étaient pas convaincus que la
composition et la fonction des gènes bactériens étaient identiques à celles des organismes plus complexes. Mais la principale raison, c’est qu’on ne savait encore pratiquement rien
sur l’ADN.
La preuve de la programmation
de cellules par l’ADN viral
Des études portant sur un virus qui infecte des bactéries ont
fourni d’autres preuves que le matériel génétique est constitué
d’ADN (figure 16.3). On appelle ces virus bactério phages
(« mangeurs de bactéries ») ou, tout simplement, phages.
L’organisation des Virus est beaucoup plus simple que celle
des cellules. Un virus est essentiellement constitué d’ADN
(ou parfois d’ARN) enfermé dans une enveloppe protectrice
(la capside) qui n’est souvent formée que de protéines. Pour
se reproduire, un virus doit infecter une cellule et détourner à
son profit le métabolisme de celleci.
Les phages ont été largement utilisés comme outils de recherche par les chercheurs en génétique moléculaire. En 1952,
Alfred Hershey et Martha Chase ont découvert que le matériel génétique d’un phage appelé T2 est constitué d’ADN. Il
s’agit de l’un des nombreux phages qui infectent Escherichia
coli (E. coli), une bactérie vivant normalement dans l’intestin
des Mammifères et qui est un organisme modèle pour les biologistes moléculaires. À cette époque, les biologistes savaient
déjà que, à l’instar de nombreux autres virus, T2 est presque
entièrement composé d’ADN et de protéines. Ils savaient également que ce phage peut rapidement faire d’une cellule
d’E. coli une machine à produire des phages T2, qu’elle libère
en éclatant. Ce phage pouvait donc reprogrammer la cellule
hôte et lui faire produire des virus, mais à laquelle de ses composantes ce mécanisme étaitil dû : à la protéine ou à l’ADN ?
Pour répondre à cette question, Hershey et Chase ont conçu
une expérience pour démontrer qu’une seule des deux composantes de T2 pénètre dans la cellule d’E. coli au moment de
l’infection (figure 16.4). Dans leur expérience, ils ont utilisé
un isotope radioactif du soufre pour marquer la protéine
dans une culture de T2 et, dans une deuxième culture, un
isotope radioactif du phosphore pour marquer l’ADN. Comme
les protéines, au contraire de l’ADN, renferment du soufre
(deux acides aminés en possèdent ; voir la figure 5.17, p. 88),
les atomes de soufre radioactif se sont incorporés seulement
dans les protéines des phages. De la même manière, étant
donné que presque tout le phosphore contenu dans un phage
se trouve dans son ADN, cette procédure permet de ne pas
marquer les protéines des phages. L’expérience consistait à
laisser les phages T2 de chaque lot infecter des échantillons
distincts de bactéries E. coli normales (non marquées). Peu
après le début de l’infection, les chercheurs ont testé les deux
échantillons pour voir quel type de molécules, protéines ou
ADN, a pénétré à l’intérieur des cellules bactériennes et serait
par conséquent capable de les reprogrammer.
Hershey et Chase ont découvert que l’ADN des phages
pénétrait dans les cellules hôtes, contrairement à leurs protéines. De plus, lorsque les bactéries étaient remises en culture,
l’infection se poursuivait, et les cellules d’E. coli libéraient des
phages contenant de petites quantités de phosphore radioactif, ce qui démontre que l’ADN à l’intérieur de la cellule
continue à jouer un rôle au cours du processus d’infection.
Hershey et Chase en ont conclu que l’ADN du virus injecté
par le phage devait être la molécule transmettant l’information génétique qui force la cellule bactérienne à produire des
protéines et de l’ADN viraux qui s’assemblent ensuite pour
former de nouveaux virus. L’expérience de Hershey et Chase
a constitué un jalon parce que cette étude a montré de façon
convaincante que le matériel héréditaire se compose d’acides
nucléiques et non de protéines, tout au moins chez les Virus.
Des preuves supplémentaires que l’ADN
constitue le matériel génétique
Une autre preuve que le matériel génétique est formé d’ADN
a été apportée par le biochimiste Erwin Chargaff. Depuis les
années 1920, on savait que l’ADN est un polymère de nucléotides et que chaque nucléotide regroupe trois composantes :
une base azotée, un pentose (un glucide) appelé désoxyribose
et un groupement phosphate (figure 16.5, page 357). On
savait aussi que la base azotée pouvait être l’adénine (A), la
thymine (T), la guanine (G) ou la cytosine (C). Mais on croyait
alors que l’ADN portait des séquences constituées de différents
arrangements des quatre nucléotides (par exemple, ATGC,
TAGC, ATCG) et on ne voyait pas comment une telle structure (modèle des tétranucléotides) pouvait porter toute l’information génétique. Chargaff a analysé la proportion des bases
azotées présentes dans l’ADN de plusieurs organismes différents. En 1950, il a établi que la composition de l’ADN varie
d’une espèce à l’autre. Par exemple, 30,3 % des nucléotides de
l’ADN humain contiennent la base A, alors que les nucléotides
de l’ADN de la bactérie E. coli en contiennent seulement
26,0 %. Cette preuve de la diversité moléculaire des espèces,
m Figure 16.3 Des virus infectant une cellule bactérienne.
Les phages appelés T2 se fixent aux cellules hôtes et leur injectent leur
matériel génétique à travers la membrane plasmique tandis que les parties
de la tête et de la queue restent à l’extérieur sur la surface bactérienne (MET).
0,1
Rm (180 000
w)
Tête
du phage
Queue
Fibre
caudale
ADN
Bactérie