Génétique

La génétique est une branche de la biologie qui s'intéresse à l'étude des gènes, des variations génétiques et de l'hérédité dans les organismes.

Bien que l'hérédité ait été observée pendant des millénaires, Gregor Mendel, un scientifique et moine augustin au XIXe siècle, a été le premier à étudier la génétique scientifiquement. Mendel a étudié «l'héritage des traits», des modèles dans la manière dont les traits sont transmis des parents à la progéniture. Il a observé que les organismes (plantes de pois) héritent des traits au moyen d '"unités d'héritage" discrètes. Ce terme, encore utilisé aujourd'hui, est une définition quelque peu ambiguë de ce que l'on appelle un gène.

L'héritage des traits et les mécanismes d'héritage moléculaire des gènes sont toujours les principes fondamentaux de la génétique au 21ème siècle, mais la génétique moderne s'est étendue au-delà de l'hérédité pour étudier la fonction et le comportement des gènes. La structure et la fonction des gènes, la variation et la distribution sont étudiées dans le contexte de la cellule, de l'organisme (par exemple la dominance) et dans le contexte d'une population. La génétique a donné naissance à un certain nombre de sous-domaines, notamment la génétique moléculaire, l'épigénétique et la génétique des populations. Les organismes étudiés dans le vaste domaine couvrent les domaines de la vie (archées, bactéries et eucarya).

Les processus génétiques fonctionnent en combinaison avec l'environnement et les expériences d'un organisme pour influencer le développement et le comportement, souvent appelés nature versus nourrir. L'environnement intracellulaire ou extracellulaire d'une cellule ou d'un organisme vivant peut activer ou désactiver la transcription génique. Un exemple classique est deux graines de maïs génétiquement identiques, l'une placée dans un climat tempéré et l'autre dans un climat aride (sans chute d'eau ou pluie suffisante). Alors que la hauteur moyenne des deux tiges de maïs peut être génétiquement déterminée comme étant égale, celle du climat aride ne pousse que la moitié de la hauteur de celle du climat tempéré en raison du manque d'eau et de nutriments dans son environnement.

Sommaire

Etymologie

Le mot génétique provient du grec ancien γενετικός genetikos signifiant «génitif» / «génératif», qui à son tour dérive de γένεσις genèse signifiant «origine».

Histoire

L'observation selon laquelle les êtres vivants héritent des traits de leurs parents est utilisée depuis la préhistoire pour améliorer les plantes cultivées et les animaux grâce à la sélection sélective. La science moderne de la génétique, cherchant à comprendre ce processus, a commencé avec le travail du moine augustin Gregor Mendel au milieu du XIXe siècle.

Avant Mendel, Imre Festetics, un noble hongrois, qui vivait à Kőszeg avant Mendel, a été le premier à utiliser le mot «génétique». Il a décrit plusieurs règles d'héritage génétique dans son ouvrage La loi génétique de la nature (Die genetische Gesätze der Natur, 1819). Sa deuxième loi est la même que celle que Mendel a publiée. Dans sa troisième loi, il a développé les principes de base de la mutation (il peut être considéré comme un précurseur d'Hugo de Vries).

D'autres théories de l'héritage ont précédé les travaux de Mendel. Une théorie populaire du XIXe siècle, et impliquée par le Sur l'origine des espèces de Charles Darwin en 1859, consistait à mélanger l'héritage: l'idée que les individus héritent d'un mélange harmonieux de traits de leurs parents. Les travaux de Mendel ont fourni des exemples où les caractères n'étaient certainement pas mélangés après l'hybridation, montrant que les caractères sont produits par des combinaisons de gènes distincts plutôt que par un mélange continu. Le mélange de caractères dans la descendance s'explique désormais par l'action de plusieurs gènes aux effets quantitatifs. Une autre théorie qui avait un certain soutien à cette époque était l'hérédité des caractéristiques acquises: la croyance que les individus héritent de traits renforcés par leurs parents. Cette théorie (communément associée à Jean-Baptiste Lamarck) est maintenant connue pour être fausse - les expériences des individus n'affectent pas les gènes qu'ils transmettent à leurs enfants, bien que les preuves dans le domaine de l'épigénétique aient ravivé certains aspects de la théorie de Lamarck. D'autres théories incluaient la pangenèse de Charles Darwin (qui avait à la fois des aspects acquis et hérités) et la reformulation par Francis Galton de la pangenèse comme à la fois particulaire et héritée.

Génétique mendélienne et classique

La génétique moderne a commencé avec les études de Mendel sur la nature de l'héritage dans les plantes. Dans son article " Versuche über Pflanzenhybriden " ("Experiments on Plant Hybridization"), présenté en 1865 à la Naturforschender Verein (Society for Research in Nature) à Brünn, Mendel a retracé les modèles d'héritage de certains caractères chez les plants de pois et les a décrits mathématiquement. Bien que ce modèle d'héritage ne puisse être observé que pour quelques traits, les travaux de Mendel suggéraient que l'hérédité était particulaire, non acquise, et que les modèles d'héritage de nombreux traits pouvaient être expliqués par des règles et des ratios simples.

L'importance du travail de Mendel n'a été largement comprise qu'en 1900, après sa mort, lorsque Hugo de Vries et d'autres scientifiques ont redécouvert ses recherches. William Bateson, un partisan des travaux de Mendel, a inventé le mot génétique en 1905 (l'adjectif génétique , dérivé du mot grec genèse —γένεσις, "origine", est antérieur au nom et a été utilisé pour la première fois dans un sens biologique en 1860). Bateson a tous deux agi en tant que mentor et a été considérablement aidé par le travail d'autres scientifiques du Newnham College à Cambridge, en particulier le travail de Becky Saunders, Nora Darwin Barlow et Muriel Wheldale Onslow. Bateson a popularisé l'utilisation du mot génétique pour décrire l'étude de l'héritage dans son discours inaugural à la troisième conférence internationale sur l'hybridation des plantes à Londres en 1906.

Après la redécouverte de Mendel travail, les scientifiques ont tenté de déterminer quelles molécules de la cellule étaient responsables de l'hérédité. En 1900, Nettie Stevens a commencé à étudier le ver de farine. Au cours des 11 années suivantes, elle a découvert que les femmes n'avaient que le chromosome X et que les hommes avaient à la fois les chromosomes X et Y. Elle a pu conclure que le sexe est un facteur chromosomique et est déterminé par le mâle. En 1911, Thomas Hunt Morgan a soutenu que les gènes sont sur les chromosomes, sur la base d'observations d'une mutation oculaire blanche liée au sexe chez les mouches des fruits. En 1913, son élève Alfred Sturtevant a utilisé le phénomène de liaison génétique pour montrer que les gènes sont disposés linéairement sur le chromosome.

Génétique moléculaire

Bien que les gènes aient été connus pour exister sur les chromosomes, les chromosomes sont composés à la fois de protéines et d'ADN, et les scientifiques ne savaient pas lequel des deux est responsable de l'hérédité. En 1928, Frederick Griffith découvre le phénomène de transformation (voir l'expérience de Griffith): des bactéries mortes peuvent transférer du matériel génétique pour «transformer» d'autres bactéries encore vivantes. Seize ans plus tard, en 1944, l'expérience Avery – MacLeod – McCarty a identifié l'ADN comme la molécule responsable de la transformation. Le rôle du noyau en tant que dépositaire d'informations génétiques chez les eucaryotes avait été établi par Hämmerling en 1943 dans ses travaux sur l'algue unicellulaire Acetabularia . L'expérience Hershey-Chase en 1952 a confirmé que l'ADN (plutôt que la protéine) est le matériel génétique des virus qui infectent les bactéries, fournissant une preuve supplémentaire que l'ADN est la molécule responsable de l'hérédité.

James Watson et Francis Crick déterminé la structure de l'ADN en 1953, en utilisant les travaux de cristallographie aux rayons X de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins qui indiquaient que l'ADN avait une structure hélicoïdale (c'est-à-dire en forme de tire-bouchon). Leur modèle à double hélice avait deux brins d'ADN avec les nucléotides pointant vers l'intérieur, chacun correspondant à un nucléotide complémentaire sur l'autre brin pour former ce qui ressemble à des échelons sur une échelle torsadée. Cette structure a montré que l'information génétique existe dans la séquence de nucléotides sur chaque brin d'ADN. La structure a également suggéré une méthode simple pour la réplication: si les brins sont séparés, de nouveaux brins partenaires peuvent être reconstruits pour chacun en fonction de la séquence de l'ancien brin. Cette propriété est ce qui donne à l'ADN sa nature semi-conservatrice où un brin du nouvel ADN provient d'un brin parent d'origine.

Bien que la structure de l'ADN ait montré comment fonctionne l'héritage, on ne savait toujours pas comment l'ADN influence le comportement des cellules. Au cours des années suivantes, les scientifiques ont tenté de comprendre comment l'ADN contrôle le processus de production de protéines. Il a été découvert que la cellule utilise l'ADN comme matrice pour créer un ARN messager correspondant, des molécules avec des nucléotides très similaires à l'ADN. La séquence nucléotidique d'un ARN messager est utilisée pour créer une séquence d'acides aminés dans une protéine; cette traduction entre les séquences nucléotidiques et les séquences d'acides aminés est connue sous le nom de code génétique.

Avec la nouvelle compréhension moléculaire de l'hérédité est venue une explosion de recherche. Une théorie notable est née de Tomoko Ohta en 1973 avec son amendement à la théorie neutre de l'évolution moléculaire en publiant la théorie presque neutre de l'évolution moléculaire. Dans cette théorie, Ohta a souligné l'importance de la sélection naturelle et de l'environnement pour la vitesse à laquelle l'évolution génétique se produit. Un développement important a été le séquençage de l'ADN par terminaison de chaîne en 1977 par Frederick Sanger. Cette technologie permet aux scientifiques de lire la séquence nucléotidique d'une molécule d'ADN. En 1983, Kary Banks Mullis a développé la réaction en chaîne par polymérase, fournissant un moyen rapide d'isoler et d'amplifier une section spécifique d'ADN à partir d'un mélange. Les efforts du Human Genome Project, du Department of Energy, du NIH et des efforts privés parallèles de Celera Genomics ont conduit au séquençage du génome humain en 2003.

Caractéristiques de l'hérédité

Discrète l'héritage et les lois de Mendel

À son niveau le plus fondamental, l'hérédité dans les organismes se produit en passant des unités héréditaires discrètes, appelées gènes, des parents à la progéniture. Cette propriété a été observée pour la première fois par Gregor Mendel, qui a étudié la ségrégation des caractères héréditaires chez les plants de pois. Dans ses expériences étudiant le trait de couleur des fleurs, Mendel a observé que les fleurs de chaque plante de pois étaient violettes ou blanches - mais jamais un intermédiaire entre les deux couleurs. Ces différentes versions discrètes du même gène sont appelées allèles.

Dans le cas du pois, qui est une espèce diploïde, chaque plante individuelle possède deux copies de chaque gène, une copie héritée de chaque parent. De nombreuses espèces, y compris les humains, ont ce modèle d'hérédité. Les organismes diploïdes avec deux copies du même allèle d'un gène donné sont appelés homozygotes à ce locus de gène, tandis que les organismes avec deux allèles différents d'un gène donné sont appelés hétérozygotes.

L'ensemble des allèles pour un organisme donné est appelé son génotype, tandis que les traits observables de l'organisme sont appelés son phénotype. Lorsque les organismes sont hétérozygotes au niveau d'un gène, souvent un allèle est appelé dominant car ses qualités dominent le phénotype de l'organisme, tandis que l'autre allèle est appelé récessif car ses qualités diminuent et ne sont pas observées. Certains allèles n'ont pas de dominance complète et ont plutôt une dominance incomplète en exprimant un phénotype intermédiaire, ou une codominance en exprimant les deux allèles à la fois.

Quand une paire d'organismes se reproduit sexuellement, leur progéniture hérite de l'un des deux au hasard. allèles de chaque parent. Ces observations d'héritage discret et de ségrégation des allèles sont collectivement connues sous le nom de première loi de Mendel ou loi de ségrégation.

Notation et diagrammes

Les généticiens utilisent des diagrammes et des symboles pour décrire l'héritage. Un gène est représenté par une ou quelques lettres. Souvent, un symbole "+" est utilisé pour marquer l'allèle non mutant habituel d'un gène.

Dans les expériences de fécondation et d'élevage (et en particulier lors de la discussion des lois de Mendel), les parents sont appelés le "P "génération et la progéniture comme la génération" F1 "(première filiale). Lorsque les descendants F1 s'accouplent les uns avec les autres, les descendants sont appelés la génération "F2" (deuxième filiale). L'un des diagrammes couramment utilisés pour prédire le résultat d'un croisement est le carré de Punnett.

Lorsqu'ils étudient les maladies génétiques humaines, les généticiens utilisent souvent des tableaux d'ascendance pour représenter l'hérédité des caractères. Ces graphiques cartographient l'héritage d'un caractère dans un arbre généalogique.

Interactions de gènes multiples

Les organismes ont des milliers de gènes, et dans les organismes à reproduction sexuée, ces gènes s'assortissent généralement indépendamment les uns des autres. Cela signifie que l'hérédité d'un allèle pour la couleur des pois jaunes ou verts n'est pas liée à l'héritage des allèles pour les fleurs blanches ou violettes. Ce phénomène, connu sous le nom de «deuxième loi de Mendel» ou «loi d'assortiment indépendant», signifie que les allèles de différents gènes sont mélangés entre les parents pour former une progéniture avec de nombreuses combinaisons différentes. (Certains gènes ne s'assortissent pas indépendamment, ce qui démontre un lien génétique, un sujet abordé plus loin dans cet article.)

Souvent, différents gènes peuvent interagir d'une manière qui influence le même trait. Chez la Marie aux yeux bleus ( Omphalodes verna ), par exemple, il existe un gène avec des allèles qui déterminent la couleur des fleurs: bleu ou magenta. Un autre gène, cependant, contrôle si les fleurs sont colorées ou blanches. Lorsqu'une plante a deux copies de cet allèle blanc, ses fleurs sont blanches, que le premier gène ait des allèles bleus ou magenta. Cette interaction entre les gènes est appelée épistasie, avec le deuxième gène épistatique au premier.

De nombreux traits ne sont pas des caractéristiques discrètes (par exemple des fleurs violettes ou blanches) mais sont plutôt des caractéristiques continues (par exemple la taille humaine et la couleur de la peau) . Ces traits complexes sont le produit de nombreux gènes. L'influence de ces gènes est médiée, à des degrés divers, par l'environnement qu'un organisme a connu. Le degré auquel les gènes d'un organisme contribuent à un trait complexe s'appelle l'héritabilité. La mesure de l'héritabilité d'un caractère est relative - dans un environnement plus variable, l'environnement a une plus grande influence sur la variation totale du caractère. Par exemple, la taille humaine est un trait aux causes complexes. Il a une héritabilité de 89% aux États-Unis. Au Nigéria, cependant, où les gens ont un accès plus variable à une bonne nutrition et à des soins de santé, la taille a une héritabilité de seulement 62%.

Base moléculaire de l'hérédité

ADN et chromosomes

La base moléculaire des gènes est l'acide désoxyribonucléique (ADN). L'ADN est composé d'une chaîne de nucléotides, dont il existe quatre types: l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et la thymine (T). Des informations génétiques existent dans la séquence de ces nucléotides, et les gènes existent sous forme d'étirements de séquence le long de la chaîne d'ADN. Les virus sont la seule exception à cette règle - parfois, les virus utilisent la molécule ARN très similaire au lieu de l'ADN comme matériel génétique. Les virus ne peuvent pas se reproduire sans hôte et ne sont pas affectés par de nombreux processus génétiques, ils ont donc tendance à ne pas être considérés comme des organismes vivants.

L'ADN existe normalement sous la forme d'une molécule double brin, enroulée sous la forme d'une double hélice. Chaque nucléotide dans l'ADN s'apparie préférentiellement avec son nucléotide partenaire sur le brin opposé: A s'apparie à T, et C s'apparie à G. Ainsi, dans sa forme bicaténaire, chaque brin contient effectivement toutes les informations nécessaires, redondantes avec son brin partenaire. Cette structure d'ADN est la base physique de l'héritage: la réplication de l'ADN duplique l'information génétique en divisant les brins et en utilisant chaque brin comme modèle pour la synthèse d'un nouveau brin partenaire.

Les gènes sont disposés linéairement le long de longues chaînes. de séquences de paires de bases d'ADN. Chez les bactéries, chaque cellule contient généralement un seul génophore circulaire, tandis que les organismes eucaryotes (tels que les plantes et les animaux) ont leur ADN disposé en plusieurs chromosomes linéaires. Ces brins d'ADN sont souvent extrêmement longs; le plus gros chromosome humain, par exemple, mesure environ 247 millions de paires de bases. L'ADN d'un chromosome est associé à des protéines structurales qui organisent, compactent et contrôlent l'accès à l'ADN, formant un matériau appelé chromatine; chez les eucaryotes, la chromatine est généralement composée de nucléosomes, des segments d'ADN enroulés autour de noyaux de protéines histones. L'ensemble complet du matériel héréditaire dans un organisme (généralement les séquences d'ADN combinées de tous les chromosomes) s'appelle le génome.

L'ADN se trouve le plus souvent dans le noyau des cellules, mais Ruth Sager a aidé à la découverte de gènes non chromosomiques trouvés à l'extérieur du noyau. Chez les plantes, on les trouve souvent dans les chloroplastes et dans d'autres organismes, dans les mitochondries. Ces gènes non chromosomiques peuvent toujours être transmis par l'un ou l'autre des partenaires lors de la reproduction sexuée et ils contrôlent une variété de caractéristiques héréditaires qui se répliquent et restent actives au fil des générations.

Alors que les organismes haploïdes n'ont qu'une copie de chaque chromosome, la plupart des animaux et de nombreuses plantes sont diploïdes, contenant deux de chaque chromosome et donc deux copies de chaque gène. Les deux allèles d'un gène sont situés sur des locus identiques des deux chromosomes homologues, chaque allèle hérité d'un parent différent.

De nombreuses espèces ont des chromosomes sexuels qui déterminent le sexe de chaque organisme. Chez l'homme et de nombreux autres animaux, le chromosome Y contient le gène qui déclenche le développement des caractéristiques spécifiquement mâles. Au cours de l'évolution, ce chromosome a perdu la majeure partie de son contenu et également la plupart de ses gènes, tandis que le chromosome X est similaire aux autres chromosomes et contient de nombreux gènes. Cela étant dit, Mary Frances Lyon a découvert qu'il existe une inactivation du chromosome X pendant la reproduction pour éviter de transmettre deux fois plus de gènes à la progéniture. La découverte de Lyon a conduit à la découverte d'autres choses, y compris les maladies liées à l'X. Les chromosomes X et Y forment une paire fortement hétérogène.

Reproduction

Lorsque les cellules se divisent, leur génome complet est copié et chaque cellule fille hérite d'une copie. Ce processus, appelé mitose, est la forme la plus simple de reproduction et est à la base de la reproduction asexuée. La reproduction asexuée peut également se produire dans les organismes multicellulaires, produisant des descendants qui héritent de leur génome d'un seul parent. Les descendants génétiquement identiques à leurs parents sont appelés clones.

Les organismes eucaryotes utilisent souvent la reproduction sexuée pour produire des descendants contenant un mélange de matériel génétique hérité de deux parents différents. Le processus de reproduction sexuée alterne entre des formes contenant des copies uniques du génome (haploïde) et des copies doubles (diploïdes). Les cellules haploïdes fusionnent et combinent le matériel génétique pour créer une cellule diploïde avec des chromosomes appariés. Les organismes diploïdes forment des haploïdes en se divisant, sans répliquer leur ADN, pour créer des cellules filles qui héritent au hasard de l'un de chaque paire de chromosomes. La plupart des animaux et de nombreuses plantes sont diploïdes pendant la majeure partie de leur vie, la forme haploïde étant réduite à des gamètes unicellulaires tels que le sperme ou les œufs.

Bien qu'elles n'utilisent pas la méthode haploïde / diploïde de reproduction sexuée, les bactéries disposent de nombreuses méthodes pour acquérir de nouvelles informations génétiques. Certaines bactéries peuvent subir une conjugaison, transférant un petit morceau circulaire d'ADN à une autre bactérie. Les bactéries peuvent également absorber des fragments d'ADN bruts trouvés dans l'environnement et les intégrer dans leurs génomes, un phénomène connu sous le nom de transformation. Ces processus aboutissent à un transfert horizontal de gènes, transmettant des fragments d'informations génétiques entre des organismes qui, autrement, n'auraient aucun lien. La transformation bactérienne naturelle se produit dans de nombreuses espèces bactériennes et peut être considérée comme un processus sexuel de transfert d'ADN d'une cellule à une autre (généralement de la même espèce). La transformation nécessite l'action de nombreux produits géniques bactériens, et sa fonction adaptative principale semble être la réparation des dommages à l'ADN dans la cellule receveuse.

Recombinaison et liaison génétique

La nature diploïde des chromosomes permet aux gènes sur différents chromosomes de s'assortir indépendamment ou d'être séparés de leur paire homologue lors de la reproduction sexuée dans laquelle des gamètes haploïdes se forment. De cette manière, de nouvelles combinaisons de gènes peuvent se produire chez la progéniture d'un couple d'accouplement. Les gènes sur le même chromosome ne se recombineraient théoriquement jamais. Cependant, ils le font, via le processus cellulaire de croisement chromosomique. Pendant le croisement, les chromosomes échangent des segments d'ADN, déplaçant efficacement les allèles géniques entre les chromosomes. Ce processus de croisement chromosomique se produit généralement pendant la méiose, une série de divisions cellulaires qui crée des cellules haploïdes. La recombinaison méiotique, en particulier chez les eucaryotes microbiens, semble servir la fonction adaptative de réparation des dommages à l'ADN.

La première démonstration cytologique de croisement a été réalisée par Harriet Creighton et Barbara McClintock en 1931. Leurs recherches et expériences sur le maïs a fourni des preuves cytologiques de la théorie génétique selon laquelle les gènes liés sur des chromosomes appariés échangent en fait des places d'un homologue à l'autre.

La probabilité d'un croisement chromosomique se produisant entre deux points donnés sur le chromosome est liée à la distance entre les points. Pour une distance arbitrairement longue, la probabilité de croisement est suffisamment élevée pour que l'hérédité des gènes soit effectivement décorrélée. Pour les gènes qui sont plus proches, cependant, la probabilité plus faible de croisement signifie que les gènes démontrent une liaison génétique; les allèles des deux gènes ont tendance à être hérités ensemble. Les quantités de liaison entre une série de gènes peuvent être combinées pour former une carte de liaison linéaire qui décrit grossièrement la disposition des gènes le long du chromosome.

Expression génique

Code génétique

Les gènes expriment généralement leur effet fonctionnel par la production de protéines, qui sont des molécules complexes responsables de la plupart des fonctions de la cellule. Les protéines sont constituées d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques, dont chacune est composée d'une séquence d'acides aminés, et la séquence d'ADN d'un gène (via un ARN intermédiaire) est utilisée pour produire une séquence d'acides aminés spécifique. Ce processus commence par la production d'une molécule d'ARN avec une séquence correspondant à la séquence d'ADN du gène, un processus appelé transcription.

Cette molécule d'ARN messager est ensuite utilisée pour produire une séquence d'acides aminés correspondante via un processus appelé traduction . Chaque groupe de trois nucléotides de la séquence, appelé codon, correspond soit à l'un des vingt acides aminés possibles dans une protéine, soit à une instruction pour terminer la séquence d'acides aminés; cette correspondance s'appelle le code génétique. Le flux d'informations est unidirectionnel: les informations sont transférées des séquences nucléotidiques vers la séquence d'acides aminés des protéines, mais elles ne sont jamais transférées de la protéine vers la séquence de l'ADN - un phénomène que Francis Crick a appelé le dogme central de la biologie moléculaire.

La séquence spécifique des acides aminés aboutit à une structure tridimensionnelle unique pour cette protéine, et les structures tridimensionnelles des protéines sont liées à leurs fonctions. Certains sont de simples molécules structurelles, comme les fibres formées par la protéine collagène. Les protéines peuvent se lier à d'autres protéines et à des molécules simples, agissant parfois comme des enzymes en facilitant les réactions chimiques au sein des molécules liées (sans changer la structure de la protéine elle-même). La structure des protéines est dynamique; l'hémoglobine protéique prend des formes légèrement différentes car elle facilite la capture, le transport et la libération de molécules d'oxygène dans le sang des mammifères.

Une seule différence nucléotidique dans l'ADN peut entraîner une modification de la séquence d'acides aminés d'une protéine. Parce que les structures protéiques sont le résultat de leurs séquences d'acides aminés, certains changements peuvent changer radicalement les propriétés d'une protéine en déstabilisant la structure ou en modifiant la surface de la protéine d'une manière qui modifie son interaction avec d'autres protéines et molécules. Par exemple, la drépanocytose est une maladie génétique humaine qui résulte d'une différence de base unique dans la région codante pour la section β-globine de l'hémoglobine, provoquant un changement d'acide aminé unique qui modifie les propriétés physiques de l'hémoglobine. Les versions drépanocytaires de l'hémoglobine collent à elles-mêmes, s'empilant pour former des fibres qui déforment la forme des globules rouges transportant la protéine. Ces cellules en forme de faucille ne circulent plus facilement dans les vaisseaux sanguins, ayant tendance à se boucher ou à se dégrader, ce qui cause les problèmes médicaux associés à cette maladie.

Certaines séquences d'ADN sont transcrites en ARN mais ne sont pas traduites en protéines produits - ces molécules d'ARN sont appelées ARN non codant. Dans certains cas, ces produits se replient dans des structures qui sont impliquées dans des fonctions cellulaires critiques (par exemple, l'ARN ribosomal et l'ARN de transfert). L'ARN peut également avoir des effets régulateurs par le biais d'interactions d'hybridation avec d'autres molécules d'ARN (par exemple microARN).

Nature et culture

Bien que les gènes contiennent toutes les informations qu'un organisme utilise pour fonctionner, l'environnement joue un rôle important dans la détermination des phénotypes ultimes d'un organisme. L'expression «nature et culture» fait référence à cette relation complémentaire. Le phénotype d'un organisme dépend de l'interaction des gènes et de l'environnement. Un exemple intéressant est la coloration du pelage du chat siamois. Dans ce cas, la température corporelle du chat joue le rôle de l'environnement. Les gènes du chat codent pour les poils foncés, ainsi les cellules productrices de poils du chat produisent des protéines cellulaires qui donnent des poils foncés. Mais ces protéines produisant des poils foncés sont sensibles à la température (c'est-à-dire ont une mutation provoquant une sensibilité à la température) et se dénaturent dans des environnements à température plus élevée, ne produisant pas de pigment de poils foncés dans les zones où le chat a une température corporelle plus élevée. Dans un environnement à basse température, cependant, la structure de la protéine est stable et produit normalement un pigment de cheveux foncés. La protéine reste fonctionnelle dans les zones de la peau qui sont plus froides - comme ses pattes, ses oreilles, sa queue et son visage - de sorte que le chat a des poils foncés à ses extrémités.

L'environnement joue un rôle majeur dans les effets de l'humain maladie génétique phénylcétonurie. La mutation qui provoque la phénylcétonurie perturbe la capacité du corps à décomposer l'acide aminé phénylalanine, provoquant une accumulation toxique d'une molécule intermédiaire qui, à son tour, provoque des symptômes graves de déficience intellectuelle progressive et des convulsions. Cependant, si une personne atteinte de la mutation phénylcétonurie suit un régime strict qui évite cet acide aminé, elle reste normale et en bonne santé.

Une méthode courante pour déterminer comment les gènes et l'environnement («nature et culture») contribuent à un phénotype consiste à étudier des jumeaux identiques et fraternels, ou d'autres frères et sœurs de naissances multiples. Les frères et sœurs identiques sont génétiquement les mêmes car ils proviennent du même zygote. Pendant ce temps, les jumeaux fraternels sont aussi génétiquement différents les uns des autres que les frères et sœurs normaux. En comparant la fréquence à laquelle un certain trouble survient chez une paire de jumeaux identiques à la fréquence à laquelle il survient chez une paire de jumeaux fraternels, les scientifiques peuvent déterminer si ce trouble est causé par des facteurs environnementaux génétiques ou postnatals. Un exemple célèbre a impliqué l'étude des quadruplés de Genain, qui étaient des quadruplés identiques tous diagnostiqués avec la schizophrénie, mais ces tests ne peuvent pas séparer les facteurs génétiques des facteurs environnementaux affectant le développement fœtal.

Régulation génique

Le génome d'un organisme donné contient des milliers de gènes, mais tous ces gènes n'ont pas besoin d'être actifs à un moment donné. Un gène est exprimé lorsqu'il est transcrit en ARNm et il existe de nombreuses méthodes cellulaires pour contrôler l'expression de gènes de telle sorte que les protéines ne sont produites que lorsqu'elles sont nécessaires à la cellule. Les facteurs de transcription sont des protéines régulatrices qui se lient à l'ADN, favorisant ou inhibant la transcription d'un gène. Au sein du génome des bactéries Escherichia coli , par exemple, il existe une série de gènes nécessaires à la synthèse de l'acide aminé tryptophane. Cependant, lorsque le tryptophane est déjà disponible pour la cellule, ces gènes pour la synthèse du tryptophane ne sont plus nécessaires. La présence de tryptophane affecte directement l'activité des gènes - les molécules de tryptophane se lient au répresseur tryptophane (un facteur de transcription), modifiant la structure du répresseur de sorte que le répresseur se lie aux gènes. Le répresseur tryptophane bloque la transcription et l'expression des gènes, créant ainsi une régulation par rétroaction négative du processus de synthèse du tryptophane.

Les différences d'expression génique sont particulièrement nettes dans les organismes multicellulaires, où les cellules contiennent toutes le même génome mais ont des structures et des comportements très différents en raison de l'expression de différents ensembles de gènes. Toutes les cellules d'un organisme multicellulaire dérivent d'une seule cellule, se différenciant en types de cellules variantes en réponse à des signaux externes et intercellulaires et établissant progressivement différents modèles d'expression génique pour créer différents comportements. Comme aucun gène n'est responsable du développement des structures au sein des organismes multicellulaires, ces modèles proviennent des interactions complexes entre de nombreuses cellules.

Chez les eucaryotes, il existe des caractéristiques structurelles de la chromatine qui influencent la transcription des gènes, souvent sous la forme de modifications de l'ADN et de la chromatine héritées de manière stable par les cellules filles. Ces caractéristiques sont appelées «épigénétiques» parce qu'elles existent «au-dessus» de la séquence d'ADN et conservent l'héritage d'une génération cellulaire à l'autre. En raison de caractéristiques épigénétiques, différents types de cellules cultivées dans le même milieu peuvent conserver des propriétés très différentes. Bien que les caractéristiques épigénétiques soient généralement dynamiques au cours du développement, certaines, comme le phénomène de paramutation, ont un héritage multigénérationnel et existent comme de rares exceptions à la règle générale de l'ADN comme base de l'hérédité.

Changement génétique

Mutations

Au cours du processus de réplication de l'ADN, des erreurs se produisent parfois dans la polymérisation du deuxième brin. Ces erreurs, appelées mutations, peuvent affecter le phénotype d'un organisme, en particulier si elles se produisent dans la séquence codant pour la protéine d'un gène. Les taux d'erreur sont généralement très faibles - 1 erreur tous les 10 à 100 millions de bases - en raison de la capacité de «relecture» des ADN polymérases. Les processus qui augmentent le taux de changements dans l'ADN sont appelés mutagènes: les produits chimiques mutagènes favorisent 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 également naturellement et les cellules utilisent des mécanismes de réparation de l'ADN pour réparer les discordances et les ruptures. La réparation ne restaure cependant pas toujours la séquence d'origine. Une source particulièrement importante de dommages à l'ADN semble être les espèces réactives de l'oxygène produites par la respiration aérobie cellulaire, et celles-ci peuvent entraîner des mutations.

Dans les organismes qui utilisent le croisement chromosomique pour échanger l'ADN et recombiner les gènes, des erreurs d'alignement pendant la méiose peut également provoquer des mutations. Des erreurs de croisement sont particulièrement probables lorsque des séquences similaires amènent les chromosomes partenaires à adopter un alignement erroné; cela rend certaines régions des génomes plus susceptibles de muter de cette manière. Ces erreurs créent de grands changements structurels dans la séquence d'ADN - duplications, inversions, suppressions de régions entières - ou l'échange accidentel de parties entières de séquences entre différents chromosomes (translocation chromosomique).

Sélection naturelle et évolution

Les mutations modifient le génotype d'un organisme et occasionnellement cela provoque l'apparition de différents phénotypes. La plupart des mutations ont peu d'effet sur le phénotype, la santé ou la capacité de reproduction d'un organisme. Les mutations qui ont un effet sont généralement préjudiciables, mais parfois certaines peuvent être bénéfiques. Des études sur la mouche Drosophila melanogaster suggèrent que si une mutation modifie une protéine produite par un gène, environ 70% de ces mutations seront nocives, le reste étant soit neutre soit faiblement bénéfique.

La génétique des populations étudie la distribution des différences génétiques au sein des populations et la manière dont ces distributions changent avec le temps. Les modifications de la fréquence d'un allèle dans une population sont principalement influencées par la sélection naturelle, où un allèle donné fournit un avantage sélectif ou reproductif à l'organisme, ainsi que d'autres facteurs tels que la mutation, la dérive génétique, l'auto-stop génétique, la sélection artificielle et la migration .

Sur de nombreuses générations, les génomes des organismes peuvent changer considérablement, entraînant une évolution. Dans le processus appelé adaptation, la sélection des mutations bénéfiques peut amener une espèce à évoluer vers des formes plus aptes à survivre dans leur environnement. De nouvelles espèces sont formées par le processus de spéciation, souvent causé par des séparations géographiques qui empêchent les populations d'échanger des gènes entre elles.

En comparant l'homologie entre les génomes des différentes espèces, il est possible de calculer la distance évolutive entre eux et le moment où ils peuvent avoir divergé. Les comparaisons génétiques sont généralement considérées comme une méthode plus précise pour caractériser la relation entre les espèces que la comparaison des caractéristiques phénotypiques. Les distances évolutives entre les espèces peuvent être utilisées pour former des arbres évolutifs; ces arbres représentent la descendance commune et la divergence des espèces au fil du temps, bien qu'ils ne montrent pas le transfert de matériel génétique entre des espèces non apparentées (connu sous le nom de transfert horizontal de gènes et plus commun chez les bactéries).

Organismes modèles

Bien que les généticiens aient étudié à l'origine l'hérédité dans un large éventail d'organismes, les chercheurs ont commencé à se spécialiser dans l'étude de la génétique d'un sous-ensemble particulier d'organismes. Le fait qu'une recherche significative existait déjà pour un organisme donné encouragerait les nouveaux chercheurs à le choisir pour une étude plus approfondie, et ainsi finalement, quelques organismes modèles sont devenus la base de la plupart des recherches en génétique. Les sujets de recherche courants en génétique des organismes modèles incluent l'étude de la régulation des gènes et de l'implication des gènes dans le développement et le cancer.

Les organismes ont été choisis, en partie, pour des raisons de commodité - des temps de génération courts et une manipulation génétique aisée ont rendu certains organismes outils de recherche en génétique populaires. Les organismes modèles largement utilisés comprennent la bactérie intestinale Escherichia coli , la plante Arabidopsis thaliana , la levure de boulanger ( Saccharomyces cerevisiae ), le nématode Caenorhabditis elegans , la mouche commune des fruits ( Drosophila melanogaster ) et la souris domestique commune ( Mus musculus ).

Médecine

La génétique médicale cherche à comprendre comment la variation génétique est liée à la santé humaine et à la maladie. Lors de la recherche d'un gène inconnu pouvant être impliqué dans une maladie, les chercheurs utilisent couramment des liens génétiques et des tableaux d'ascendance génétique pour trouver l'emplacement sur le génome associé à la maladie. Au niveau de la population, les chercheurs profitent de la randomisation mendélienne pour rechercher des emplacements dans le génome associés à des maladies, une méthode particulièrement utile pour les traits multigéniques non clairement définis par un seul gène. Une fois qu'un gène candidat est trouvé, des recherches supplémentaires sont souvent effectuées sur les gènes correspondants (ou homologues) d'organismes modèles. En plus d'étudier les maladies génétiques, la disponibilité accrue des méthodes de génotypage a conduit au domaine de la pharmacogénétique: l'étude de la façon dont le génotype peut affecter les réponses aux médicaments.

Les individus diffèrent par leur tendance héréditaire à développer un cancer et un cancer est une maladie génétique. Le processus de développement du cancer dans le corps est une combinaison d'événements. Des mutations se produisent parfois dans les cellules du corps lorsqu'elles se divisent. Bien que ces mutations ne soient héritées par aucune progéniture, elles peuvent affecter le comportement des cellules, les faisant parfois croître et se diviser plus fréquemment. Il existe des mécanismes biologiques qui tentent d'arrêter ce processus; des signaux sont donnés à des cellules à division inappropriée qui devraient déclencher la mort cellulaire, mais parfois des mutations supplémentaires se produisent qui poussent les cellules à ignorer ces messages. Un processus interne de sélection naturelle se produit dans le corps et finalement des mutations s'accumulent dans les cellules pour favoriser leur propre croissance, créant une tumeur cancéreuse qui se développe et envahit divers tissus du corps.

Normalement, une cellule ne se divise que dans réponse à des signaux appelés facteurs de croissance et cesse de croître une fois en contact avec les cellules environnantes et en réponse à des signaux inhibiteurs de croissance. Il se divise généralement un nombre limité de fois et meurt, restant dans l'épithélium où il est incapable de migrer vers d'autres organes. Pour devenir une cellule cancéreuse, une cellule doit accumuler des mutations dans un certain nombre de gènes (trois à sept). Une cellule cancéreuse peut se diviser sans facteur de croissance et ignore les signaux inhibiteurs. En outre, il est immortel et peut se développer indéfiniment, même après avoir été en contact avec les cellules voisines. Il peut s'échapper de l'épithélium et finalement de la tumeur primaire. Ensuite, la cellule échappée peut traverser l'endothélium d'un vaisseau sanguin et être transportée par la circulation sanguine pour coloniser un nouvel organe, formant des métastases mortelles. Bien qu'il existe certaines prédispositions génétiques dans une petite fraction des cancers, la majeure partie est due à un ensemble de nouvelles mutations génétiques qui apparaissent à l'origine et s'accumulent dans une ou un petit nombre de cellules qui se diviseront pour former la tumeur et ne sont pas transmises à la descendance (mutations somatiques). Les mutations les plus fréquentes sont une perte de fonction de la protéine p53, un suppresseur de tumeur, ou dans la voie p53, et le gain de mutations fonctionnelles dans les protéines Ras, ou dans d'autres oncogènes.

Méthodes de recherche

L'ADN peut être manipulé en laboratoire. Les enzymes de restriction sont des enzymes couramment utilisées qui coupent l'ADN à des séquences spécifiques, produisant des fragments d'ADN prévisibles. Les fragments d'ADN peuvent être visualisés grâce à une électrophorèse sur gel, qui sépare les fragments en fonction de leur longueur.

L'utilisation d'enzymes de ligature permet de connecter des fragments d'ADN. En liant («ligaturant») des fragments d'ADN provenant de différentes sources, les chercheurs peuvent créer de l'ADN recombinant, l'ADN souvent associé à des organismes génétiquement modifiés. L'ADN recombinant est couramment utilisé dans le contexte des plasmides: de courtes molécules d'ADN circulaires avec quelques gènes dessus. Dans le processus connu sous le nom de clonage moléculaire, les chercheurs peuvent amplifier les fragments d'ADN en insérant des plasmides dans des bactéries puis en les cultivant sur des plaques d'agar (pour isoler des clones de cellules bactériennes - le «clonage» peut également faire référence aux différents moyens de création de clonage (" clonal ").

L'ADN peut également être amplifié en utilisant une procédure appelée réaction en chaîne par polymérase (PCR). En utilisant de courtes séquences spécifiques d'ADN, la PCR peut isoler et amplifier de manière exponentielle une région ciblée d'ADN. Parce qu'elle peut amplifier à partir de très petites quantités d'ADN, la PCR est également souvent utilisée pour détecter la présence de séquences d'ADN spécifiques.

Séquençage d'ADN et génomique

Séquençage d'ADN, l'un des plus technologies fondamentales développées pour étudier la génétique, permet aux chercheurs de déterminer la séquence des nucléotides dans les fragments d'ADN. La technique de séquençage par terminaison de chaîne, mise au point en 1977 par une équipe dirigée par Frederick Sanger, est encore couramment utilisée pour séquencer des fragments d'ADN. Grâce à cette technologie, les chercheurs ont pu étudier les séquences moléculaires associées à de nombreuses maladies humaines.

Le séquençage étant devenu moins coûteux, les chercheurs ont séquencé les génomes de nombreux organismes en utilisant un processus appelé assemblage du génome, qui utilise des outils de calcul pour assembler des séquences de nombreux fragments différents. Ces technologies ont été utilisées pour séquencer le génome humain dans le cadre du projet sur le génome humain achevé en 2003. Les nouvelles technologies de séquençage à haut débit réduisent considérablement le coût du séquençage de l'ADN, de nombreux chercheurs espérant ramener le coût du reséquençage d'un génome humain à mille

Le séquençage de nouvelle génération (ou séquençage à haut débit) a vu le jour en raison de la demande toujours croissante de séquençage à faible coût. Ces technologies de séquençage permettent la production de potentiellement des millions de séquences simultanément. La grande quantité de données de séquence disponibles a créé le domaine de la génomique, une recherche qui utilise des outils informatiques pour rechercher et analyser des modèles dans l'ensemble des génomes des organismes. La génomique peut également être considérée comme un sous-domaine de la bioinformatique, qui utilise des approches informatiques pour analyser de grands ensembles de données biologiques. Un problème commun à ces domaines de recherche est de savoir comment gérer et partager des données traitant d'un sujet humain et des informations personnellement identifiables.

Société et culture

Le 19 mars 2015, un groupe de Les principaux biologistes ont demandé une interdiction mondiale de l'utilisation clinique des méthodes, en particulier l'utilisation de CRISPR et du doigt de zinc, pour modifier le génome humain d'une manière qui peut être héritée. En avril 2015, des chercheurs chinois ont rendu compte des résultats de la recherche fondamentale visant à modifier l'ADN d'embryons humains non viables à l'aide de CRISPR.