Génétique

Les êtres vivants sont constitués de millions de minuscules composants autonomes appelés cellules. À l'intérieur de chaque cellule se trouvent des molécules longues et complexes appelées acide désoxyribonucléique. L'ADN stocke des informations qui indiquent aux cellules comment créer cet être vivant. Les parties de ces informations qui indiquent comment fabriquer une petite partie ou une caractéristique de l'être vivant - cheveux roux, ou yeux bleus, ou une tendance à être grand - sont connues sous le nom de gènes.

Toutes les cellules d'un même être vivant ont le même ADN, mais seule une partie de celui-ci est utilisée dans chaque cellule. Par exemple, certains gènes qui indiquent comment fabriquer des parties du foie sont désactivés dans le cerveau. Les gènes utilisés peuvent également changer au fil du temps. Par exemple, beaucoup de gènes utilisés par un enfant au début de sa grossesse ne sont pas utilisés plus tard.

Une personne possède deux copies de chaque gène, une de sa mère et une de son père. Il peut y avoir plusieurs types d'un même gène, qui donnent des instructions différentes : une version peut faire en sorte qu'une personne ait les yeux bleus, une autre peut faire en sorte qu'elle ait les yeux bruns. Ces différentes versions sont connues sous le nom d'allèles du gène.

Comme un être vivant possède deux copies de chaque gène, il peut en avoir deux allèles différents en même temps. Souvent, un allèle sera dominant, ce qui signifie que l'être vivant a l'air et agit comme s'il n'avait que cet allèle. L'allèle non exprimé est appelé récessif. Dans d'autres cas, on se retrouve avec quelque chose entre les deux possibilités. Dans ce cas, les deux allèles sont appelés co-dominants.

La plupart des caractéristiques que vous pouvez voir chez un être vivant ont de multiples gènes qui les influencent. Et de nombreux gènes ont des effets multiples sur l'organisme, car leur fonction n'aura pas le même effet dans chaque tissu. Les effets multiples d'un seul gène sont appelés pléiotropisme. L'ensemble des gènes est appelé le génotype, et l'effet total des gènes sur le corps est appelé le phénotype. Ce sont des termes clés en génétique.

Les idées pré-mendeliennes

Nous savons que l'homme a commencé à élever des animaux domestiques dès les premiers temps, probablement avant l'invention de l'agriculture. Nous ne savons pas quand l'hérédité a été appréciée pour la première fois comme un problème scientifique. Les Grecs, et plus particulièrement Aristote, ont étudié les êtres vivants et ont proposé des idées sur la reproduction et l'hérédité.

L'idée la plus importante avant Mendel fut probablement celle de Charles Darwin, dont l'idée de la pangenèse avait deux parties. La première, selon laquelle les unités héréditaires persistantes se transmettent d'une génération à l'autre, était tout à fait juste. La seconde était son idée qu'elles étaient reconstituées par des "gemmes" provenant des tissus somatiques (du corps). Cette idée était totalement fausse et ne joue aucun rôle dans la science d'aujourd'hui. Darwin avait raison sur un point : tout ce qui se passe dans l'évolution doit se produire par le biais de l'hérédité, et une science exacte de la génétique est donc fondamentale pour la théorie de l'évolution. Il a fallu de nombreuses années pour organiser ce "mariage" entre la génétique et l'évolution. Il a abouti à la synthèse évolutionniste moderne.

Génétique mendélienne

Les règles de base de la génétique ont été découvertes pour la première fois par un moine nommé Gregor Mendel vers 1865. Pendant des milliers d'années, les gens avaient déjà étudié la façon dont les traits sont transmis des parents à leurs enfants. Cependant, le travail de Mendel était différent car il a conçu ses expériences avec beaucoup de soin.

Dans ses expériences, Mendel a étudié comment les traits étaient transmis dans les plants de pois. Il a commencé ses croisements avec des plantes qui se reproduisaient bien, et a compté les caractères qui étaient soit grands, soit petits dans la nature. Il a sélectionné un grand nombre de plantes et a exprimé ses résultats sous forme numérique. Il a utilisé des tests de croisement pour révéler la présence et la proportion de caractères récessifs.

Mendel a expliqué les résultats de son expérience à l'aide de deux lois scientifiques :

• 1. Les facteurs, appelés plus tard gènes, sont normalement présents par paires dans les cellules ordinaires du corps, mais ils se séparent lors de la formation des cellules sexuelles. Ces facteurs déterminent les caractéristiques de l'organisme et sont hérités de ses parents. Lorsque les gamètes sont produits par la méiose, les deux facteurs se séparent. Un gamète ne reçoit que l'un ou l'autre. Ce Mendel a appelé la loi de la ségrégation.
• 2. Les allèles de différents gènes se séparent indépendamment les uns des autres lors de la formation des gamètes. C'est ce qu'il a appelé la loi de l'assortiment indépendant. Mendel pensait donc que les différents traits sont hérités indépendamment les uns des autres. Nous savons maintenant que cela n'est vrai que si les gènes ne sont pas sur le même chromosome, auquel cas ils ne sont pas liés entre eux.

Les lois de Mendel ont contribué à expliquer les résultats qu'il a observés dans ses plants de pois. Plus tard, les généticiens ont découvert que ses lois étaient également valables pour d'autres êtres vivants, même les humains. Les découvertes de Mendel à partir de son travail sur les plants de pois de jardin ont aidé à établir le domaine de la génétique. Ses contributions ne se sont pas limitées aux règles de base qu'il a découvertes. Le soin que Mendel apportait au contrôle des conditions d'expérimentation et l'attention qu'il portait à ses résultats numériques ont établi une norme pour les expériences futures. Au fil des ans, les scientifiques ont modifié et amélioré les idées de Mendel. Cependant, la science de la génétique ne serait pas possible aujourd'hui sans les premiers travaux de Gregor Mendel.

Entre Mendel et la génétique moderne

Entre les travaux de Mendel et 1900, les bases de la cytologie, l'étude des cellules, ont été développées. Les faits découverts sur le noyau et la division cellulaire étaient essentiels pour bien comprendre le travail de Mendel.

1832 : Barthélémy Dumortier, le premier à observer la division cellulaire dans un organisme multicellulaire.

1841, 1852 : Robert Remak (1815-1865), un physiologiste juif polonais-allemand, a été le premier à énoncer les fondements de la biologie cellulaire : les cellules ne dérivent que d'autres cellules. Ce principe a ensuite été popularisé par le médecin allemand Rudolf Virchow (1821-1902), qui a utilisé la célèbre expression omnis cellula e cellula, qui signifie toutes les cellules provenant d'autres cellules.

1865 : L'article de Gregor Mendel, Experiments on plant hybridization, est publié.

1876 : La méiose a été découverte et décrite pour la première fois dans des oeufs d'oursins, par le biologiste allemand Oscar Hertwig (1849-1922).

1878–1888 : Walther Flemming et Eduard Strasburger décrivent le comportement des chromosomes pendant la mitose.

1883 : La méiose a été décrite au niveau des chromosomes, par le zoologiste belge Edouard van Beneden (1846-1910), dans des œufs d'ascaris (ver rond).

1883 : Le zoologiste allemand Wilhelm Roux (1850-1924) a réalisé l'importance de la structure linéaire des chromosomes. Leur division en deux moitiés longitudinales égales assurait à chaque cellule fille le même complément chromosomique. Les chromosomes étaient donc les porteurs de l'hérédité.

1889 : Le botaniste hollandais Hugo de Vries suggère que "l'héritage de traits spécifiques dans les organismes se fait sous forme de particules", en nommant ces particules des (pan)gènes.

1890 : L'importance de la méiose pour la reproduction et l'héritage n'a été décrite qu'en 1890 par le biologiste allemand August Weismann (1834-1914), qui a noté que deux divisions cellulaires étaient nécessaires pour transformer une cellule diploïde en quatre cellules haploïdes si le nombre de chromosomes devait être maintenu.

1902–1904 : Theodor Boveri (1862-1915), un biologiste allemand, dans une série d'articles, a attiré l'attention sur la correspondance entre le comportement des chromosomes et les résultats obtenus par Mendel. Il a déclaré que les chromosomes étaient "des entités indépendantes qui conservent leur indépendance même dans le noyau au repos... Ce qui sort du noyau est ce qui y entre".

1903 : Walter Sutton suggère que les chromosomes, qui se séparent de manière mendélienne, sont des unités héréditaires. Edmund B. Wilson (1856-1939), le professeur de Sutton et l'auteur d'un des plus célèbres manuels de biologie, a appelé cela l'hypothèse Sutton-Boveri.

À ce moment, les découvertes en cytologie ont fusionné avec les idées redécouvertes de Mendel pour réaliser une fusion appelée cytogénétique, (cyto = cellule ; génétique = hérédité) qui s'est poursuivie jusqu'à nos jours.

Redécouverte de l'œuvre de Mendel

Au cours des années 1890, plusieurs biologistes ont commencé à faire des expériences sur la reproduction. Et bientôt, les résultats de Mendel ont été reproduits, avant même que ses articles ne soient lus. Carl Correns et Hugo de Vries ont été les principaux redécouvreurs des écrits et des lois de Mendel. Tous deux ont reconnu la priorité de Mendel, même s'il est probable que de Vries n'a compris ses propres résultats qu'après avoir lu Mendel. Bien qu'Erich von Tschermak ait été à l'origine également crédité de la redécouverte, cela n'est plus accepté car il ne comprenait pas les lois de Mendel. Bien que de Vries se soit plus tard désintéressé du mendélisme, d'autres biologistes ont fait de la génétique une science.

Les résultats de Mendel ont été reproduits, et le lien génétique a rapidement été établi. William Bateson est peut-être celui qui a le plus contribué à faire connaître la théorie de Mendel dans les premiers temps. Le mot "génétique", et d'autres termes, ont été créés par Bateson.

Les résultats expérimentaux de Mendel ont ensuite fait l'objet d'un certain débat. Fisher a analysé les résultats du rapport F2 (deuxième filial) et les a trouvés très proches du rapport exact de 3 pour 1. Il est parfois suggéré que Mendel pourrait avoir censuré ses résultats, et que ses sept traits apparaissent chacun sur une paire de chromosomes séparée, ce qui est extrêmement improbable s'ils ont été choisis au hasard. En fait, les gènes que Mendel a étudiés ne se retrouvent que dans quatre groupes de liaison, et une seule paire de gènes (sur 21 possibles) est suffisamment proche pour montrer une déviation par rapport à l'assortiment indépendant ; ce n'est pas une paire que Mendel a étudiée.

Mutations

Au cours du processus de réplication de l'ADN, des erreurs se produisent parfois. Ces erreurs, appelées mutations, peuvent avoir un effet sur le phénotype d'un organisme. En retour, cela a généralement un effet sur l'aptitude de l'organisme, sa capacité à vivre et à se reproduire avec succès.

Les taux d'erreur sont généralement très faibles - 1 erreur pour 10 à 100 millions de bases - en raison de la capacité de "relecture" des polymérases de l'ADN. Les taux d'erreur sont mille fois plus élevés dans de nombreux virus. Parce qu'ils reposent sur des polymérases d'ADN et d'ARN qui n'ont pas de capacité de correction, ils présentent des taux de mutation plus élevés.

Les processus qui augmentent le taux de changement de l'ADN sont appelés mutagènes. Les produits chimiques mutagènes augmentent les erreurs de réplication de l'ADN, souvent en interférant avec la structure de l'appariement des bases, tandis que le rayonnement UV induit des mutations en endommageant la structure de l'ADN. Les dommages chimiques à l'ADN se produisent naturellement aussi, et les cellules utilisent des mécanismes de réparation de l'ADN pour réparer les erreurs et les cassures de l'ADN - néanmoins, la réparation ne parvient parfois pas à ramener l'ADN à sa séquence d'origine.

Dans les organismes qui utilisent des croisements chromosomiques pour échanger de l'ADN et recombiner des gènes, les erreurs d'alignement lors de la méiose peuvent également provoquer des mutations. Les erreurs de croisement sont particulièrement probables lorsque des séquences similaires font que les chromosomes partenaires adoptent un alignement erroné, ce qui rend certaines régions des génomes plus susceptibles de muter de cette manière. Ces erreurs entraînent des modifications structurelles importantes dans les duplications de séquences d'ADN, des inversions ou des délétions de régions entières, ou l'échange accidentel de parties entières entre différents chromosomes (appelé translocation).

Les carrés de Punnett

Développés par Reginald Punnett, les carrés de Punnett sont utilisés par les biologistes pour déterminer la probabilité que la progéniture ait un génotype particulier.

Si B représente l'allèle pour les cheveux noirs et b représente l'allèle pour les cheveux blancs, la progéniture de deux parents Bb aurait une probabilité de 25% d'avoir deux allèles pour les cheveux blancs (bb), 50% d'en avoir un de chaque (Bb) et 25% d'avoir seulement des allèles pour les cheveux noirs (BB).

Tableau généalogique

Les généticiens (biologistes qui étudient la génétique) utilisent des tableaux généalogiques pour enregistrer les traits des personnes d'une famille. Grâce à ces tableaux, les généticiens peuvent étudier comment un trait est transmis d'une personne à l'autre.

Les généticiens peuvent également utiliser des tableaux généalogiques pour prédire comment les traits seront transmis aux futurs enfants d'une famille. Par exemple, les conseillers génétiques sont des professionnels qui travaillent avec des familles susceptibles d'être touchées par des maladies génétiques. Dans le cadre de leur travail, ils créent des tableaux généalogiques pour la famille, qui peuvent être utilisés pour étudier comment la maladie pourrait être transmise.

Études jumelées

Comme les êtres humains ne sont pas élevés de manière expérimentale, la génétique humaine doit être étudiée par d'autres moyens. L'un des moyens récents est l'étude du génome humain. Une autre façon, plus ancienne de plusieurs années, est d'étudier les jumeaux. Les jumeaux identiques sont des clones naturels. Ils portent les mêmes gènes, ils peuvent être utilisés pour étudier la contribution de l'hérédité à l'individu. Les études sur les jumeaux ont été très intéressantes. Si nous dressons une liste de traits caractéristiques, nous constatons qu'ils varient en ce qui concerne leur contribution à l'hérédité. Par exemple :

• Couleur des yeux : entièrement héritée
• Poids, taille : en partie héréditaire, en partie environnementale
• La langue parlée par une personne : entièrement environnementale.

Voici comment les études sont réalisées. Prenez un groupe de jumeaux identiques et un groupe de jumeaux fraternels. Mesurez-les pour différents traits. Faites une analyse statistique (par exemple, une analyse de variance). Cela vous indique dans quelle mesure le trait est hérité. Les caractéristiques partiellement héritées seront nettement plus similaires chez les jumeaux identiques. Des études de ce type peuvent être menées plus avant, en comparant des jumeaux identiques élevés ensemble avec des jumeaux identiques élevés dans des circonstances différentes. Cela permet de déterminer dans quelle mesure les circonstances peuvent modifier les résultats de personnes génétiquement identiques.

La première personne qui a fait des études de jumelage a été Francis Galton, demi-cousin de Darwin, qui était un fondateur de la statistique. Sa méthode consistait à retracer l'histoire des jumeaux à travers leur vie, en effectuant de nombreuses mesures. Malheureusement, bien qu'il connaisse les jumeaux monogames et dizygotes, il n'a pas apprécié la véritable différence génétique. Les études sur les jumeaux du type moderne ne sont apparues que dans les années 1920.

La génétique des bactéries, des archées et des virus est un domaine de recherche important. Les bactéries se divisent principalement par division cellulaire asexuée, mais ont une sorte de sexe par transfert horizontal de gènes. La conjugaison, la transduction et la transformation des bactéries sont leurs méthodes. En outre, la séquence complète de l'ADN de nombreuses bactéries, archées et virus est maintenant connue.

Bien que de nombreuses bactéries aient reçu des noms génériques et spécifiques, comme Staphylococcus aureus, toute l'idée d'une espèce est plutôt dénuée de sens pour un organisme qui n'a pas de sexe et de croisement de chromosomes. Au lieu de cela, ces organismes ont des souches, et c'est ainsi qu'ils sont identifiés en laboratoire.

L'expression des gènes

L'expression génétique est le processus par lequel l'information héréditaire d'un gène, la séquence de paires de bases d'ADN, est transformée en un produit génique fonctionnel, tel qu'une protéine ou de l'ARN. L'idée de base est que l'ADN est transcrit en ARN, qui est ensuite traduit en protéines. Les protéines fabriquent un grand nombre de structures et toutes les enzymes d'une cellule ou d'un organisme.

Plusieurs étapes du processus d'expression des gènes peuvent être modulées (réglées). Cela inclut à la fois la transcription et les traductions de , et l'état final plié d'une protéine. La régulation des gènes active et désactive les gènes, et contrôle ainsi la différenciation des cellules et la morphogenèse. La régulation des gènes peut également servir de base aux changements évolutifs : le contrôle du moment, du lieu et de la quantité d'expression des gènes peut avoir un effet profond sur le développement de l'organisme. L'expression d'un gène peut varier considérablement dans différents tissus. C'est ce qu'on appelle le pléiotropisme, un phénomène très répandu en génétique.

L'épissage alternatif est une découverte moderne de grande importance. Il s'agit d'un processus qui permet d'assembler à partir d'un seul gène un grand nombre de protéines variantes. Un gène particulier de la drosophile (DSCAM) peut être épissé alternativement en 38 000 ARNm différents.

Épigénétique et contrôle du développement

L'épigénétique est l'étude des changements dans l'activité des gènes qui ne sont pas causés par des modifications de la séquence d'ADN. C'est l'étude de l'expression des gènes, la façon dont les gènes produisent leurs effets phénotypiques.

Ces changements dans l'activité des gènes peuvent se poursuivre pendant le reste de la vie de la cellule et peuvent également durer pendant plusieurs générations de cellules, par le biais de divisions cellulaires. Cependant, il n'y a pas de changement dans la séquence d'ADN sous-jacente de l'organisme. Au contraire, des facteurs non héréditaires font que les gènes de l'organisme se comportent (s'expriment) différemment.

Les gènes Hox sont un complexe de gènes dont les protéines se lient aux régions régulatrices des gènes cibles. Les gènes cibles activent ou répriment alors les processus cellulaires pour diriger le développement final de l'organisme.

Héritage extranucléaire

Il existe certaines formes d'hérédité qui se produisent en dehors du noyau cellulaire. L'hérédité normale est celle des deux parents par l'intermédiaire des chromosomes du noyau d'un ovule fécondé. Il existe d'autres types d'hérédité que celle-ci.

Hérédité des organelles

Les mitochondries et les chloroplastes portent un peu de leur propre ADN. Leur composition est décidée par les gènes des chromosomes et les gènes de l'organite. Carl Correns en a découvert un exemple en 1908. La plante de quatre heures, Mirabilis jalapa, a des feuilles qui peuvent être blanches, vertes ou panachées. Correns a découvert que le pollen n'avait aucune influence sur cet héritage. La couleur est décidée par les gènes des chloroplastes.

Hérédité infectieuse

Cela est dû à une relation symbiotique ou parasitaire avec un microorganisme.

L'effet maternel

Dans ce cas, les gènes nucléaires du gamète femelle sont transcrits. Les produits s'accumulent dans le cytoplasme de l'ovule et ont un effet sur le développement précoce de l'ovule fécondé. L'enroulement d'un escargot, Limnaea peregra, est déterminé de cette manière. Les coquilles des droitiers sont de génotype Dd ou dd, tandis que celles des gauchers sont dd.

L'exemple le plus important d'effet maternel est celui de la drosophile mélanogaster. Les gènes de l'effet maternel du produit protéique activent d'autres gènes, qui à leur tour activent encore plus de gènes. Ce travail a reçu le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1995.

Une grande partie de la recherche moderne utilise un mélange de génétique, de biologie cellulaire et de biologie moléculaire. Parmi les sujets qui ont fait l'objet de prix Nobel de chimie ou de physiologie, on peut citer

• L'épissage alternatif, où un gène code pour une variété de produits protéiques apparentés.
• La génomique, le séquençage et l'analyse de la fonction et de la structure des génomes.
• Le génie génétique, c'est-à-dire la modification du génome d'un organisme à l'aide de la biotechnologie.
• Éléments génétiques mobiles, types d'ADN qui peuvent changer de position dans le génome.
• Le transfert horizontal de gènes, où un organisme obtient du matériel génétique d'un autre organisme sans être la progéniture de celui-ci.

Génétique du comportement humain

De nombreux troubles connus du comportement humain ont une composante génétique. Cela signifie que leur caractère héréditaire est en partie à l'origine du comportement, ou rend le problème plus probable. En voici quelques exemples :

• Autisme
• TDAH (trouble déficitaire de l'attention)
• Consommation et abus de drogues
• La prise de risque
• Schizophrénie

De plus, le comportement normal est également fortement influencé par l'hérédité :

• Apprentissage et capacité cognitive
• Personnalité

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• ENCODE : l'analyse complète du génome humain
• Thérapie génique