378 trOiSiÈMe partie La génétique
Une preuve à partir de l’étude
de maladies métaboliques
En 1902, le médecin britannique Archibald Garrod a émis
l’hypothèse selon laquelle les gènes déterminent les phénotypes par l’intermédiaire d’enzymes catalysant certaines réactions chimiques précises dans la cellule. Il a posé comme
postulat que les maladies héréditaires reflètent une incapacité
à produire une enzyme particulière. Il a qualifié celles-ci
d’« erreurs innées du métabolisme ». Il a pris comme exemple
une maladie héréditaire appelée alcaptonurie. Les personnes
atteintes de cette affection produisent une urine qui paraît
noire parce qu’elle contient de l’homogentisate (un sel autrefois appelé alcaptone), qui devient foncé au contact de l’air.
Garrod a supposé que les individus normaux produisent une
enzyme qui métabolise l’homogentisate, tandis que les personnes alcaptonuriques ont hérité d’une incapacité à fabriquer cette enzyme.
Garrod a probablement été le premier à reconnaître que
les principes d’hérédité de Mendel s’appliquent tant aux
humains qu’aux pois. En formulant une telle hypothèse,
Garrod était en avance sur son temps. Des recherches effectuées plusieurs décennies plus tard ont permis de confirmer
que la fonction d’un gène est bel et bien de dicter la production d’une enzyme spécifique. Les biochimistes ont apporté
de nombreux éléments de preuve pour expliquer comment
les cellules synthétisent et dégradent la plupart des molécules
organiques : elles empruntent des voies métaboliques dans
lesquelles chacune des réactions chimiques d’une séquence
particulière est catalysée par une enzyme spécifique (voir
p. 160). Ce sont ces voies métaboliques qui mènent, par
exemple, à la synthèse des pigments qui confèrent une couleur donnée au pelage des cerfs bruns de la figure 17.1 ou aux
yeux des drosophiles (voir la figure 15.3, p. 331). Dans les
années 1930, George Beadle, un biochimiste et généticien
américain, et Boris Ephrussi, son collègue français, ont avancé
que chacune des diverses mutations affectant la couleur des
yeux des drosophiles bloque la synthèse d’un pigment particulier. Ce blocage survient à un stade spécifique et empêche
la production de l’enzyme catalysant l’étape correspondante.
Mais on ignorait alors tout des réactions chimiques en question et des enzymes qui les catalysent.
Les mutants auxotrophes* de Neurospora
Quelques années plus tard, à la Stanford University, George
Beadle et Edward Tatum ont fait une découverte décisive
touchant la relation entre gènes et enzymes. Ils ont effectué
leurs recherches sur la moisissure rouge du pain, Neurospora
crassa, un organisme qui passe la majeure partie de son cycle
de développement, d’ailleurs très court, à l’état haploïde, ce
qui empêche les mutations d’être masquées par l’allèle dominant. (Le cycle de développement de Neurospora sera vu au
chapitre 31.) Beadle et Tatum ont bombardé cet organisme
avec des rayons X (il avait été démontré dans les années 1920
que les rayons X causent des modifications génétiques) et
cherché, parmi les survivants, des mutants n’ayant pas les
* Auxotrophe se dit d’un mutant dont la croissance nécessite l’apport extérieur
d’un nutriment, ce mutant étant devenu incapable de le synthétiser par
lui-même.
mêmes besoins nutritionnels que les individus du type sauvage. Précisons ici que ces derniers ont des besoins en nutriments limités. En laboratoire, Neurospora peut se développer
sur une simple solution composée d’un mélange de sels
inorganiques, de glucose et de biotine (une vitamine hydrosoluble) incorporée à un milieu de culture solidifié par de
l’agar. À partir de ce milieu minimal, les cellules de la moisissure en question produisent toutes les molécules (y compris
les acides aminés) dont elles ont besoin par l’intermédiaire de
leurs activités métaboliques. Mais Beadle et Tatum ont identifié des mutants incapables de survivre dans le milieu minimal :
ils ne pouvaient apparemment pas synthétiser certaines molécules essentielles à partir des ingrédients disponibles. Pour
permettre à ces mutants de survivre, Beadle et Tatum les ont
laissés se développer dans un milieu de culture complet, c’està-dire dans un milieu minimal auquel avaient été ajoutés les
20 acides aminés et quelques autres nutriments. Le milieu de
culture complet pouvait assurer la survie de tout mutant qui
ne pouvait pas synthétiser l’un des suppléments.
Déterminés à mettre en évidence l’anomalie métabolique
présente chez les mutants, Beadle et Tatum ont prélevé des
échantillons de chaque type de mutant survivant dans le
milieu complet. Ils les ont répartis dans plusieurs récipients.
Chacun de ceux-ci renfermait le milieu minimal ainsi qu’un
seul nutriment supplémentaire. Les deux chercheurs ont pu
établir la nature de l’anomalie métabolique en notant quel supplément permettait la croissance des organismes. Par exemple,
si un mutant ne se développait que dans le récipient contenant un supplément d’arginine, c’est qu’il devait être atteint
d’une déficience de la voie métabolique permettant la synthèse de cet acide aminé.
En fait, les mutants qui ont besoin d’arginine ont été obtenus et étudiés par deux collègues de Beadle et Tatum, Adrian
Srb et Norman Horowitz, qui voulaient effectuer des recherches sur la voie biochimique de la synthèse de l’arginine chez
Neurospora (figure 17.2). Srb et Horowitz ont entrepris de
carac tériser la déficience de chacun des mutants avec plus
de précision, en effectuant d’autres tests afin d’identifier les
trois catégories de mutants pour l’arginine. Les mutants de
chaque catégorie avaient besoin d’un ensemble différent
de com posés dans la voie de synthèse de l’arginine, qui comporte trois étapes. Ces résultats, ainsi que ceux de nombreuses
expériences semblables effectuées par Beadle et Tatum, semblaient indiquer que ces trois catégories de mutants présentaient un blocage à différentes étapes de la voie de synthèse
de l’arginine et qu’il leur manquait l’enzyme catalysant
l’étape correspondante.
Comme un seul gène était déficient dans chaque cas, Beadle
et Tatum ont vu que, dans leur ensemble, les résultats obtenus
constituaient un argument de taille en faveur de l’hypothèse
de travail qu’ils avaient formulée. Selon cette hypothèse, appelée un gène, une enzyme, chaque gène a pour fonction de diriger
la production d’une enzyme particulière. Des expériences
biochimiques ultérieures ont permis d’identifier les enzymes
dont les mutants étaient dépourvus, ce qui permit de confirmer encore un peu plus cette hypothèse. Beadle et Tatum
ont reçu conjointement un prix Nobel en 1958 pour « leur
dé couverte que les gènes agissent en régulant des événements
chimiques définis » (selon la formulation du comité Nobel).
Une preuve à partir de l’étude
de maladies métaboliques
En 1902, le médecin britannique Archibald Garrod a émis
l’hypothèse selon laquelle les gènes déterminent les phénotypes par l’intermédiaire d’enzymes catalysant certaines réactions chimiques précises dans la cellule. Il a posé comme
postulat que les maladies héréditaires reflètent une incapacité
à produire une enzyme particulière. Il a qualifié celles-ci
d’« erreurs innées du métabolisme ». Il a pris comme exemple
une maladie héréditaire appelée alcaptonurie. Les personnes
atteintes de cette affection produisent une urine qui paraît
noire parce qu’elle contient de l’homogentisate (un sel autrefois appelé alcaptone), qui devient foncé au contact de l’air.
Garrod a supposé que les individus normaux produisent une
enzyme qui métabolise l’homogentisate, tandis que les personnes alcaptonuriques ont hérité d’une incapacité à fabriquer cette enzyme.
Garrod a probablement été le premier à reconnaître que
les principes d’hérédité de Mendel s’appliquent tant aux
humains qu’aux pois. En formulant une telle hypothèse,
Garrod était en avance sur son temps. Des recherches effectuées plusieurs décennies plus tard ont permis de confirmer
que la fonction d’un gène est bel et bien de dicter la production d’une enzyme spécifique. Les biochimistes ont apporté
de nombreux éléments de preuve pour expliquer comment
les cellules synthétisent et dégradent la plupart des molécules
organiques : elles empruntent des voies métaboliques dans
lesquelles chacune des réactions chimiques d’une séquence
particulière est catalysée par une enzyme spécifique (voir
p. 160). Ce sont ces voies métaboliques qui mènent, par
exemple, à la synthèse des pigments qui confèrent une couleur donnée au pelage des cerfs bruns de la figure 17.1 ou aux
yeux des drosophiles (voir la figure 15.3, p. 331). Dans les
années 1930, George Beadle, un biochimiste et généticien
américain, et Boris Ephrussi, son collègue français, ont avancé
que chacune des diverses mutations affectant la couleur des
yeux des drosophiles bloque la synthèse d’un pigment particulier. Ce blocage survient à un stade spécifique et empêche
la production de l’enzyme catalysant l’étape correspondante.
Mais on ignorait alors tout des réactions chimiques en question et des enzymes qui les catalysent.
Les mutants auxotrophes* de Neurospora
Quelques années plus tard, à la Stanford University, George
Beadle et Edward Tatum ont fait une découverte décisive
touchant la relation entre gènes et enzymes. Ils ont effectué
leurs recherches sur la moisissure rouge du pain, Neurospora
crassa, un organisme qui passe la majeure partie de son cycle
de développement, d’ailleurs très court, à l’état haploïde, ce
qui empêche les mutations d’être masquées par l’allèle dominant. (Le cycle de développement de Neurospora sera vu au
chapitre 31.) Beadle et Tatum ont bombardé cet organisme
avec des rayons X (il avait été démontré dans les années 1920
que les rayons X causent des modifications génétiques) et
cherché, parmi les survivants, des mutants n’ayant pas les
* Auxotrophe se dit d’un mutant dont la croissance nécessite l’apport extérieur
d’un nutriment, ce mutant étant devenu incapable de le synthétiser par
lui-même.
mêmes besoins nutritionnels que les individus du type sauvage. Précisons ici que ces derniers ont des besoins en nutriments limités. En laboratoire, Neurospora peut se développer
sur une simple solution composée d’un mélange de sels
inorganiques, de glucose et de biotine (une vitamine hydrosoluble) incorporée à un milieu de culture solidifié par de
l’agar. À partir de ce milieu minimal, les cellules de la moisissure en question produisent toutes les molécules (y compris
les acides aminés) dont elles ont besoin par l’intermédiaire de
leurs activités métaboliques. Mais Beadle et Tatum ont identifié des mutants incapables de survivre dans le milieu minimal :
ils ne pouvaient apparemment pas synthétiser certaines molécules essentielles à partir des ingrédients disponibles. Pour
permettre à ces mutants de survivre, Beadle et Tatum les ont
laissés se développer dans un milieu de culture complet, c’està-dire dans un milieu minimal auquel avaient été ajoutés les
20 acides aminés et quelques autres nutriments. Le milieu de
culture complet pouvait assurer la survie de tout mutant qui
ne pouvait pas synthétiser l’un des suppléments.
Déterminés à mettre en évidence l’anomalie métabolique
présente chez les mutants, Beadle et Tatum ont prélevé des
échantillons de chaque type de mutant survivant dans le
milieu complet. Ils les ont répartis dans plusieurs récipients.
Chacun de ceux-ci renfermait le milieu minimal ainsi qu’un
seul nutriment supplémentaire. Les deux chercheurs ont pu
établir la nature de l’anomalie métabolique en notant quel supplément permettait la croissance des organismes. Par exemple,
si un mutant ne se développait que dans le récipient contenant un supplément d’arginine, c’est qu’il devait être atteint
d’une déficience de la voie métabolique permettant la synthèse de cet acide aminé.
En fait, les mutants qui ont besoin d’arginine ont été obtenus et étudiés par deux collègues de Beadle et Tatum, Adrian
Srb et Norman Horowitz, qui voulaient effectuer des recherches sur la voie biochimique de la synthèse de l’arginine chez
Neurospora (figure 17.2). Srb et Horowitz ont entrepris de
carac tériser la déficience de chacun des mutants avec plus
de précision, en effectuant d’autres tests afin d’identifier les
trois catégories de mutants pour l’arginine. Les mutants de
chaque catégorie avaient besoin d’un ensemble différent
de com posés dans la voie de synthèse de l’arginine, qui comporte trois étapes. Ces résultats, ainsi que ceux de nombreuses
expériences semblables effectuées par Beadle et Tatum, semblaient indiquer que ces trois catégories de mutants présentaient un blocage à différentes étapes de la voie de synthèse
de l’arginine et qu’il leur manquait l’enzyme catalysant
l’étape correspondante.
Comme un seul gène était déficient dans chaque cas, Beadle
et Tatum ont vu que, dans leur ensemble, les résultats obtenus
constituaient un argument de taille en faveur de l’hypothèse
de travail qu’ils avaient formulée. Selon cette hypothèse, appelée un gène, une enzyme, chaque gène a pour fonction de diriger
la production d’une enzyme particulière. Des expériences
biochimiques ultérieures ont permis d’identifier les enzymes
dont les mutants étaient dépourvus, ce qui permit de confirmer encore un peu plus cette hypothèse. Beadle et Tatum
ont reçu conjointement un prix Nobel en 1958 pour « leur
dé couverte que les gènes agissent en régulant des événements
chimiques définis » (selon la formulation du comité Nobel).