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Il y a cinquante ans, la double hélice donnait naissance à la biologie moléculaire...


Annales de Biologie Clinique. Volume 61, Number 6, 623-33, Novembre-Décembre 2003, Histoire de la biologie clinique


Résumé   Summary  

Author(s) : J. Lunardi , Laboratoire de biochimie de l‘ADN, CHU Grenoble jlunardichu‐grenoble.fr .

Summary : Fifty years ago, a paper signed by two young scientists, James Watson and Francis Crick, and reporting a model for DNA based on a double helix structure was published in the scientific review Nature in date of april 25, 1953. Although this model of striking simplicity and rare elegance was actually worked out in a few months by the two men, it was the result of quite 100 years of research aimed at the definition of the structure of the genetic material present in living organisms. The double helix was the outcome of a multidisciplinary approach initiated in the mid 19 th century by the genetic laws of Gregor Mendel and the discovery of the chemical nature of the desoxyribonucleic acid by Johann Friedrich Miesher. The discovery of the DNA structure had been at the origin of major scientific progress regarding mechanisms that rule the replication and the expression of the genetic information. Theses researches have given birth to a new scientific field, molecular biology, which everyone will see very soon is actually part in a quasi symbiotic manner of all other biological fields dealing with life. The spectacular development of molecular biology during the last fifty years was in great part possible thanks to a concomitant enormous development of the different methods of investigation of the biological molecules and structure. The present rising of biotechnology applications is the direct consequence of the tremendous amount of fundamental knowledge gained during the last few decennia. They open very important and attractive perspectives both on medical or on socio‐economic point of views. There is no doubt that the next fifty years will be as fruitful as the last ones.

Keywords : DNA, molecular biology, genetics, molecular medicine, biotechnologies

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ARTICLE

Auteur(s) : J. Lunardi

Laboratoire de biochimie de l'ADN, CHU Grenoble jlunardi@chu-grenoble.fr

L'acide désoxyribonucléique, mieux connu sous son acronyme ADN, est la macro-molécule biologique qui a suscité le plus d'intérêt au cours des cinquante dernières années. Le fait que l'ADN de chaque personne soit tout à la fois le dépositaire de l'histoire de l'évolution de notre espèce et le reflet des caractéristiques génétiques propres à l'individu n'est sans doute pas étranger à cet engouement. Peu de découvertes scientifiques sont aussi bien connues du grand public que celle de la structure en double hélice de l'ADN, publiée le 25 avril 1953 dans la revue Nature [1]. D'une manière curieuse, les travaux de John Watson et de Francis Crick ne reçurent cependant qu'un accueil discret lors de leur publication. Ainsi, en ce printemps 1953 qui voit Hillary et Tensing fouler le sommet de l'Everest puis Elisabeth II monter sur le trône du Royaume-Uni, un seul quotidien anglais, le News Chronicle, mentionna cette découverte fondamentale dans son édition du 15 mai 1953. Cette discrétion est à comparer à la médiatisation qui a entouré l'annonce du déchiffrage du génome humain au tout début de ce XXIe siècle.
La découverte de la structure moléculaire de l'ADN a ouvert l'ère de la biologie moléculaire moderne en fournissant le support physique nécessaire pour appréhender les mécanismes de la réplication du matériel génétique et de sa transmission conforme, les systèmes de réparation des dommages moléculaires, le mode d'expression du message génétique, les règles expliquant la diversité et l'évolution des espèces… Cette avancée des concepts va s'accompagner du développement de nouveaux outils d'exploration qui vont utiliser des technologies issues de l'informatique, de la chimie, de la physique, de la robotique ou de l'électronique.
Au plan médical, cette découverte a également eu des répercussions fondamentales non seulement dans le domaine de la génétique mais également dans celui de la médecine, en permettant d'accéder aux bases moléculaires de nombreuses pathologies, passage obligatoire pour la mise en œuvre de stratégies rationnelles de prévention et de thérapie.

Histoire de la découverte

Il serait arbitraire de vouloir dissocier l'évolution des découvertes de la chimie ou de la cytologie qui ont abouti à l'élucidation de la structure de la molécule d'ADN de celles qui ont accompagné l'émergence des concepts de la génétique moderne à partir du milieu du XIXe siècle. C'est de la rencontre entre ces différentes approches que va naître la biologie moléculaire. Ses objectifs initiaux vont être la compréhension des mécanismes moléculaires nécessaires à l'expression du message contenu dans l'ADN. Dans un premier temps, on assiste donc au XIXe siècle à une évolution parallèle des connaissances dans plusieurs grandes disciplines de la biologie telles que la génétique, la biochimie ou la cytologie. La première moitié du XXe siècle voit ensuite s'opérer un rapprochement entre ces disciplines avec l'introduction de nouvelles techniques d'analyses issues du développement des sciences physiques et chimiques : amélioration de la résolution des structures biologiques par la microscopie électronique, analyse de la structure des macromolécules par diffraction des rayons X, méthodes de séparation des macro-molécules biologiques…

Les prémices

Énoncées dès 1866 par Gregor Mendel, un moine morave passionné de botanique, puis reprises indépendamment en 1900 par Hugo deVries, Carl Corens et Erich Tschermak, les « lois » gouvernant la transmission des caractères des êtres vivants ouvrent la voie à la notion de gène comme support de l'hérédité. Wilhelm Johansen établit en 1909 la distinction entre génotype, ensemble des gènes, et phénotype, ensemble des caractères produits par les gènes. Le corollaire à ces travaux relatifs au concept de gène était l'évidente nécessité d'un support physique pour l'information génétique. À la suite des travaux des cytologistes Theodor Boveri et Walter Sutton sur la transmission des chromosomes, Thomas Morgan aux États-Unis formule dès 1910 une théorie chromosomique de l'hérédité. Utilisant la mouche du vinaigre comme modèle, il écrit que chez la drosophile « le matériel génétique est constitué d'unités capables individuellement de reproduction conforme (c'est-à-dire les chromosomes), et dont les changements accidentels sont indépendants les uns des autres ». Dans cette première moitié du XXe siècle, la génétique connaît alors une très forte expansion qui ne va cependant pas bénéficier directement à la découverte de la structure de l'ADN. En effet, la plupart des généticiens de cette époque étudient les gènes sans que ni leur mécanisme d'action, ni leur nature chimique ne soient au centre de leurs préoccupations majeures.
Seul à cette époque, Hermann Mller s'intéresse au problème de la relation entre la nature du matériel génétique et ses propriétés, et découvre l'effet mutagène des rayons X sur le matériel génétique. L'ADN lui-même avait été identifié dès 1869 par le médecin-chimiste suisse Johann Friedrich Miesher. Analysant les débris cellulaires présents dans le pus, Miescher observe que les noyaux renfermaient une substance acide contenant une forte teneur en phosphore et qu'il baptise « nucléine ». Par la suite, il montre que cette nucléine est formée de protéines et d'ADN. La fin du XIXe siècle voit la caractérisation par l'école chimiste allemande des bases puriques (adénine, guanine) et pyrimidiques (thymine, cytosine, uracile) constituantes des acides nucléiques, puis celle par le groupe de Phoebus Levene à l'Institut Rockefeller à New York des sucres associés, le ribose et le 2-désoxyribose (figure 1). Estimant que les quatre bases (A, T, G, C) étaient présentes en quantités sensiblement égales, Levene propose en 1925 un modèle de structure de l'ADN basé sur la juxtaposition de motifs tétranucléotidiques.

L'analyse des chromosomes révèle que ceux-ci, comme la nucléine de Miesher, sont formés pour moitié d'acides nucléiques et pour moitié de protéines. Le fait que les chromosomes soient constitués en grande partie par des protéines, enchaînements d'acides aminés, et que les enzymes capables de synthétiser ou d'hydrolyser les liaisons peptidiques reliant ces acides aminés soient eux-mêmes des protéines va considérablement influencer les hypothèses de mécanismes proposés pour la réplication du matériel génétique. Pendant de nombreuses années, ces données vont servir de base à deux modèles dans lesquels les protéines jouent le rôle primordial pour expliquer l'hérédité et la reproduction conforme des protéines : le modèle peptidique et le modèle matriciel. Ces modèles auront des partisans jusqu'à la fin des années quarante.

En 1928, Fred Griffith, un bactériologiste britannique, découvre le phénomène de la « transformation ». Il observe que si l'on co-injecte à une souris un mélange de pneumocoques non pathogènes vivants de type R et de pneumocoques virulents de type S préalablement tués par la chaleur, l'animal meurt d'une infection foudroyante comme l'animal ayant reçu le type virulent S vivant. De plus, il retrouve dans le sang de l'animal des pneumocoques S virulents vivants ! Griffith en conclut qu'une substance présente dans les pneumocoques S tués par la chaleur était capable de « transformer » par contact les pneumocoques R en leur conférant de nouvelles caractéristiques héritables. La détermination de la nature chimique du principe transformant va se poursuivre durant plus d'une dizaine d'années. En 1944, l'équipe d'Oswald Avery à l'Institut Rockefeller montre que la substance « transformante » est constituée d'ADN. Les auteurs suggèrent alors que l'ADN pourrait former le matériel génétique [2]. Plus que les objections soulevées par les partisans de la nature protéique des gènes, ce fut l'impossibilité d'interpréter à ce moment le résultat obtenu qui freina la reconnaissance et l'exploitation de la découverte d'Avery. En 1949, le chimiste autrichien Erwin Chargaff démontre que le ratio entre la quantité d'adénine et de thymine (A/T) d'une part, et la quantité de guanine et de cytosine (G/C) d'autre part, est constant et proche de 1 mais que la composition en bases des acides nucléiques varie suivant les espèces. Ces travaux rendaient l'hypothèse du tétranucléotide avancée par Levene pour rendre compte de la structure de l'ADN totalement impossible et ouvraient la voie à une fonction spécifique d'information de l'ADN. À la même époque, les travaux des chercheurs français Colette et Roger Vendrely et André Boivin confirment la présence d'ADN dans le noyau des cellules. Ils montrent également que la quantité d'ADN varie du simple au double entre les cellules sexuelles et les cellules somatiques, et ce de manière parallèle au nombre de chromosomes. La confirmation définitive du rôle primordial de l'ADN comme support du message génétique est finalement apportée par l'expérience d'Al Hershey et de Martha Chase en 1952 [3]. Ces derniers utilisèrent le modèle du bactériophage, rendu célèbre à partir des années 1930 par un groupe de biologistes moléculaires animé par Max Delbrck, un physicien passionné par l'étude du rôle des gènes dans le vivant. Infectant des bactéries par un bactériophage dont les protéines sont marquées par le soufre 35S et l'ADN par le phosphore 32P, ces auteurs montrent que c'est l'ADN qui est le composé nécessaire à la reproduction du bactériophage. Si tous démontrent le caractère essentiel de l'ADN pour la transmission de l'information génétique, ces différents travaux ne fournissent cependant que peu d'informations sur la structure de la molécule.

Le modèle de Watson et Crick

La solution va être apportée par une nouvelle méthode d'analyse des molécules biologiques cristallisées basée sur la diffraction des rayons X. À la sortie de la Seconde Guerre mondiale, l'école anglaise de cristallographie fondée par Sir Lawrence Bragg est vraisemblablement la meilleure du monde et obtient des résultats remarquables dans l'étude de la structure des protéines. Appliquant cette méthode à un échantillon cristallisé d'ADN purifié, l'équipe de Maurice Wilkins au King's College de Londres obtient en 1951 des images de diffraction des rayons X compatibles avec une structure hélicoïdale [4]. Sur le même échantillon, Rosalin Franklin montre l'existence de deux formes de l'ADN : une forme para-cristalline B et une forme cristalline A, en fonction de l'état d'hydratation [5].
C'est à partir de 1952 que va se jouer l'acte final de la structure de l'ADN. James Watson et Francis Crick vont en être les deux principaux acteurs. Physicien de formation, Francis Crick décide après la guerre de s'intéresser à la biologie et rejoint le groupe de Max Perutz à Cambridge pour étudier la structure des protéines par diffraction des rayons X. De son côté, James Watson se forme à la biologie à l'Université d'Indiana dans le laboratoire de génétique de Salvador Luria, membre éminent du « groupe du bactériophage ». Après quelques courts séjours dans divers laboratoires européens, James Watson atterrit en 1951 dans le laboratoire de Bragg pour travailler sur la structure de la myoglobine. Dès son arrivée à Cambridge une collaboration s'établit entre les deux hommes dans le but de déterminer la structure de l'ADN. À cette même époque, prenant appui sur la structure en hélice de certains motifs polypeptidiques, Linus Pauling et Robert Corey aux États-Unis décrivent un modèle d'ADN formé par une triple hélice, structure qui se révèlera rapidement erronée [6]. Par l'entremise du fils de Linus Pauling, Watson a, semble-t-il, rapidement connaissance de problèmes rencontrés par son père dans l'élaboration de ce modèle à trois hélices. Cela le conforte dans son hypothèse de structure à deux brins et stimule sa volonté d'aboutir rapidement à l'élucidation de la structure de l'ADN. À partir des informations de diffraction des rayons X obtenues par les groupes de Maurice Wilkins et de Rosalin Franklin, les deux hommes construisent à l'aide de fil de fer un modèle structural en double hélice conciliant les données cristallographiques montrant une structure hélicoïdale et celles obtenues par Chargaff indiquant une équi-concentration entre A et T d'une part, et G et C d'autre part (figure 2). Dans ce modèle, les bases sont tournées vers l'intérieur et les bases s'apparient par des liaisons hydrogène selon un mode A-T et G-C [1] et les deux brins complémentaires d'ADN qui se font face ont une orientation antiparallèle. Ainsi s'achevait la quête de la structure du matériel génétique, mais cette première page de la jeune biologie moléculaire était à peine écrite que déjà s'ouvraient les chapitres relatifs à la réplication, à la réparation et à l'expression du message génétique.

Double hélice et biologie moléculaire

La structure particulière en double hélice confère à l'ADN des propriétés physiques très nettement différentes de celles des autres polymères synthétiques ou naturels. Cette singularité est due en particulier aux nombreuses liaisons entre les deux brins et à la charge globale résultant de la présence des groupements phosphates. Les recherches qui ont suivi la découverte de la structure en double hélice se sont focalisées dans un premier temps sur les propriétés structurales de la molécule d'ADN et sur les conséquences attendues pour expliquer le mécanisme de la réplication conforme de l'ADN.

La réplication de l'ADN

Il n'avait pas échappé à Watson et Crick que le modèle en double hélice était de nature à pouvoir proposer un mécanisme de réplication fondé sur la stricte complémentarité envisagée des deux brins [7]. Le fait que chaque nucléotide d'un brin soit étroitement et spécifiquement associé au nucléotide complémentaire présent sur le brin opposé expliquait en effet que chacun des brins peut servir de matrice pour la synthèse du brin complémentaire. Dès 1958, Meselson et Stahl montrent dans une expérience très élégante basée sur l'analyse de la densité de populations d'ADN marquées par l'isotope lourd de l'azote 15N que la réplication se faisait selon un mode semi conservatif [8]. Chacune des nouvelles structures en double hélice obtenue après réplication était en effet formée d'un brin parental et d'un brin nouvellement synthétisé. La démonstration en 1960 par Arthur Kornberg que l'ADN polymérase, enzyme responsable de la synthèse d'ADN, catalyse cette réaction de copie de chacun des deux brins en direction inverse du brin matrice étaya définitivement le mécanisme de réplication proposé par Watson et Crick [9].

La traduction de l'ADN

À cette même période émerge la notion du rôle crucial de l'ARN en tant que molécule informationnelle. L'expression des gènes sous forme de protéines se ferait en effet grâce à la synthèse d'une molécule informationnelle simple brin, l'acide ribonucléotidique messager ou ARNm [10]. Le « dogme central » du transfert de l'information génétique se met alors en place. Il indique que l'information contenue au niveau de l'ADN est transcrite sous forme d'ARNm molécule qui est ensuite traduite en protéines. Comme l'ADN, l'ARNm est un polymère linéaire formé des 4 nucléotides, mais dans lequel le sucre est du ribose et où les bases thymine sont remplacées par des bases uracile. La traduction de la molécule d'ARNm en un enchaînement d'acides aminés est réalisée au niveau des ribosomes, assemblages macromoléculaires formés de sous-unités protéiques et d'ARN ribosomaux (ARNr), avec la participation d'ARN de transfert (ARNt). Le passage d'un message formé par l'association de 4 nucléotides à un message formé par l'enchaînement de 20 acides aminés nécessite un code de traduction [11]. Le déchiffrage de ce code génétique, véritable pierre de Rosette de l'information génétique, est réalisé par les équipes de Marshall Nirenberg et Gobind Khorana moins d'une décennie après la résolution du problème de la structure de l'ADN [12, 13].

Dissociation et réassociation

Que ce soit la réplication ou la transcription, les deux mécanismes impliquent une étape de séparation physique des deux brins qui forment la double hélice, étape suivie par la reconstitution d'une structure double brin. Le modèle structural de Watson et Crick a conduit les biologistes moléculaires à rechercher des conditions expérimentales capables d'induire la séparation des deux brins. Le simple chauffage d'une solution d'ADN s'est révélé être un moyen physique commode pour dissocier les deux brins de la double hélice. Le terme température de fusion ou Tm (melting temperature) fait ainsi référence à la température à laquelle une séquence donnée d'ADN double brin se trouve à 50 % sous forme simple brin. Cette température dépend essentiellement de la composition relative en bases G/C et A/T. De manière remarquable, les simples brins d'ADN obtenus possèdent la capacité de se réapparrier spontanément pour reconstituer une structure en double hélice lorsque la température s'abaisse. Ce phénomène de « renaturation » a permis par exemple d'expliquer en partie les mécanismes de recombinaison. Cette hybridation spontanée entre fragments d'ADN ayant des séquences complémentaires a été exploitée dans le cadre de nombreuses méthodes de biologie moléculaire à la base de l'essor des biotechnologies et de la génomique. Parmi ces nouvelles méthodologies se trouvent par exemple le clonage ou le séquençage de gènes, l'amplification d'ADN par la réaction de polymérisation en chaîne (PCR) ou encore l'hybridation fluorescente in situ (FISH).

L'ADN et les chromosomes

L'organisation de l'ADN au sein des chromosomes est une question à laquelle se sont attaqués de nombreux chercheurs. En effet, même sous forme d'une double hélice, il était clair que le long polymère d'ADN était susceptible de faire l'objet de nombreuses cassures. Il était dès lors difficile d'imaginer comment un chromosome pouvait être formé par une seule double hélice continue contenant plusieurs millions de paires de bases. En 1960, John Cairns présente cependant des images obtenues après autoradiographie de bactéries en cours de division et qui montrent que le chromosome de la bactérie Escherichia coli est formé d'une seule molécule circulaire de plus de 3 millions de paires de bases [14]. Quelques années plus tard, il était admis que même les plus grands chromosomes de mammifères comportant plus de 100 millions de paires de bases étaient également formés par une seule molécule d'ADN double brin. Cette stabilisation de la molécule d'ADN est réalisée par le biais d'une association avec des protéines. Chez les eucaryotes, cette association entre acides nucléiques et protéines forme la chromatine, constituée pour moitié par l'ADN et l'ARN et pour moitié par des protéines dont les histones sont les principaux représentants. La structure chromatinienne joue un rôle majeur dans la protection et le compactage de l'ADN. Mis bout à bout, les 46 filaments d'ADN des chromosomes humains formeraient une double hélice de près de 2 mètres de long ! L'organisation chromatinienne va permettre de faire tenir tout cet ADN dans le noyau des cellules, noyau dont le diamètre est de l'ordre de quelques µm. L'unité fondamentale de la chromatine est le nucléosome, structure dans laquelle un fragment de double hélice d'ADN de 165 pb s'enroule autour d'un « noyau » composé de 8 molécules d'histones [15]. Très rapidement, Weintraub et Groubine vont montrer que la structure de la chromatine est un élément essentiel dans la régulation de l'expression des gènes [16] et ouvrent ainsi la porte à l'épigénétique. La dynamique des modifications chromatiniennes reste cependant encore mal connue à ce jour et continue de faire l'objet de nombreux travaux [17].

La simplicité face à la complexité

Le modèle structural de l'ADN proposé par Watson et Crick a catalysé une formidable avancée dans la compréhension moléculaire des mécanismes biologiques. Mais paradoxalement, la simplicité même de ce modèle qui a assuré son rapide succès a dans une certaine mesure constitué un handicap. En effet, de nombreux biologistes moléculaires ont pensé que la même simplicité conceptuelle devait être attendue pour les autres mécanismes associés à l'expression du message génétique contenu dans l'ADN. Cette approche, en partie réductionniste, supposait que tous les phénomènes observés chez les êtres vivants, aussi complexes soient-ils, résultent d'interactions simples entre molécules. Dans un premier temps, cette vision a été fructueuse pour définir les principes moléculaires fondamentaux de la transmission de l'information génétique. Un demi-siècle plus tard cependant, force est de constater que de nombreux points concernant les mécanismes de réplication, recombinaison, réparation transcription ou traduction restent encore à être précisés en raison de la grande complexité des machineries protéiques impliquées. Par ailleurs, seule la référence à des niveaux supérieurs d'organisation permet au biologiste moléculaire (et au biochimiste) de comprendre la finalité des phénomènes biologiques associés à l'expression du message génétique.

De nouveaux outils

Ce développement spectaculaire des connaissances en biologie moléculaire a été rendu possible par l'utilisation des enzymes qui assurent dans les cellules les fonctions d'édition de type « copier-couper-coller » pour l'ADN. Ces outils enzymatiques, purifiés grâce aux méthodes de la biochimie, ont été les éléments clés des nouvelles techniques de la biologie moléculaire telles que localisation et clonage des gènes ou expression des gènes sous forme de protéines. La capacité de pouvoir reproduire la réplication de l'ADN in vitro a permis le développement de nombreuses méthodes qui ont révolutionné la biologie moléculaire. L'une des principales fut, en 1975, le séquençage manuel des acides nucléiques mise au point par Frédéric Sanger qui s'était déjà illustré comme pionnier du séquençage des protéines [18]. Cette méthode allait connaître un très grand essor à partir des années 1980 avec la mise au point par l'équipe de Leroy Hood au California institute of technology [19] des premiers séquenceurs semi automatisés qui permettent alors de lire 250 paires de bases (pb) d'ADN par jour. L'introduction massive de la robotique a permis par la suite de mettre en place des centres de séquençage haut débit capables à l'heure actuelle de séquencer 1,5 million de paires de bases par jour !
Les développements technologiques incessants et une âpre compétition entre l'International human genome sequencing consortium et une entreprise de biotechnologie américaine, Celera, vont permettre le déchiffrage du génome humain dès 2001 [20, 21]. Ces capacités prodigieuses de séquençage ont également été utilisées pour le déchiffrage des génomes de nombreux autres organismes, eucaryotes ou procaryotes. Ainsi, les génomes de plus de 100 bactéries ont-ils été séquencés au cours des 10 dernières années. Ces données de séquences constituent des éléments essentiels pour la connaissance des métabolismes bactériens, base du développement de nouvelles molécules antibiotiques. Avec l'introduction des techniques de la microfluidique et de la microélectronique, il est d'ores et déjà envisagé de pouvoir faire du séquençage sur molécule d'ADN unique et certains prédisent même un temps où le séquençage de l'ADN d'un individu pourra être réalisé en 24 heures pour un coût de 10 000 euros [22] !
L'accès aux informations de séquence permet de connaître de manière relativement précise le nombre et la nature des gènes. On a ainsi pu calculer que le nombre de gènes présents dans le génome humain se situait dans une fourchette de l'ordre de 30 000, valeur nettement inférieure aux estimations antérieures proches de 100 000. Par ailleurs, la comparaison entre les génomes d'organismes différents a fourni des informations précieuses sur l'expression du message génétique. Ainsi, le fait que la comparaison les génomes de l'homme et du chimpanzé fasse apparaître 98,6 % d'homologie conduit à penser que la nature même des gènes n'est pas suffisante à elle seule pour rendre compte de la diversité des organismes. Le génome contient en effet deux grands types d'informations, celle contenue dans les gènes qui codent les protéines et celle correspondant aux réseaux de régulation qui vont spécifier comment et quand ces gènes seront exprimés. Ce serait en fait la mise en place différentielle de ces réseaux de régulation gouvernant l'expression des gènes, et non les gènes eux-mêmes, qui joueraient un rôle critique dans la diversité des organismes. La définition de ces réseaux de régulation fait l'objet d'un intérêt croissant au travers des approches méthodologiques dites « globales » telles que l'analyse du transcriptome, du protéome, voire du métabolome.

Double hélice et médecine

Naissance de la génétique moléculaire

La découverte de la structure en double hélice n'a pas eu de répercussions immédiates au plan de la pratique clinique. Il a fallu attendre plus de deux décennies pour que les premières applications médicales voient le jour. Le premier domaine au sein duquel la découverte de la double hélice eut un impact notable fut logiquement celui des maladies héréditaires. La première reconnaissance du rôle d'un gène dans une maladie humaine a été faite dès 1902 par un médecin anglais, Archibald Garrod, qui montra en effet une relation directe entre une maladie héréditaire, l'alcaptonurie, et un défaut métabolique causé par le déficit en acide homogentisique oxydase. S'en suivra la formule : « Un gène, une enzyme, une maladie » qui sera la ligne directrice de la génétique moléculaire naissante pendant de nombreuses décennies. Il faudra attendre la fin du XXe siècle pour voir s'affirmer les notions d'hétérogénéité génétique, de maladies allèliques ou de maladies complexes multigéniques voire multifactorielles. La structure en double hélice de l'ADN et les propriétés qui en découlèrent procurèrent le fondement nécessaire à une explication rationnelle de l'impact des mutations et pour explorer les mécanismes de transmission des maladies. Le développement concomitant du génie génétique va permettre la mise en place de méthodes d'analyses du matériel génétique humain.
La découverte de régions de l'ADN très polymorphes, formées en particulier par des répétitions en nombre variable de séquences de quelques nucléotides (séquences microsatellites ou short tandem repeats, STR) à quelques dizaines de nucléotides (séquences mini-satellites ou variable number of tandem repeats, VNTR) va permettre de différencier l'ADN de chaque individu [23]. En facilitant les études de ségrégation familiale, la découverte de ces polymorphismes sera un élément déterminant pour l'identification de nombreux gènes. Un autre domaine, très largement médiatisé, qui va directement bénéficier de cette découverte sera celui de la médecine légale et de l'identification des individus par « empreintes génétiques ».
Le premier diagnostic moléculaire d'une maladie génétique basé sur l'identification d'une mutation sera, en 1976, celui d'une forme d'α-thalassémie associée au gène de l'α-globine [24]. La méthode utilisée était une simple hybridation moléculaire en solution réalisée entre l'ADN de sujets sains et de sujets atteints, hybridation rendue possible par la structure bicaténaire de l'ADN. Il est à noter que cette pathologie pouvait déjà être diagnostiquée à ce moment par l'analyse biochimique de l'hémoglobine dans le sang des sujets atteints. La biologie moléculaire en permettant la réalisation du diagnostic anténatal directement sur cellules fœtales va améliorer considérablement le conseil génétique. Une avancée méthodologique majeure pour la biologie moléculaire, ayant pour base elle-aussi la structure en double hélice de l'ADN, fut celle de la PCR (polymerase chain reaction), méthode permettant l'amplification exponentielle d'une séquence d'ADN. La première démonstration de cette nouvelle méthode mise au point par Kary Mullis fut également réalisée dans le cadre du diagnostic moléculaire d'une pathologie de l'hémoglobine, la drépanocytose [25]. L'arrivée de la PCR a permis un développement spectaculaire de la génétique moléculaire au cours des 15 dernières années, en particulier dans le domaine du diagnostic anténatal. La possibilité d'amplifier de manière quasi illimitée le matériel génétique a permis la mise au point de diagnostics sur cellule unique ouvrant ainsi la porte au diagnostic préimplantatoire [26]. Dans les différents exemples cités précédemment, alcaptonurie, α-thalassémie ou drépanocytose, le lien entre la maladie et le défaut biochimique était connu et la démarche génétique pour identifier le gène relativement directe. Dans de nombreuses autres maladies héréditaires, la situation est en revanche nettement moins favorable car il est difficile, voire impossible, de caractériser en premier lieu la protéine ou l'enzyme responsable. Le développement de nouveaux outils d'exploration du génome, en particulier la définition de marqueurs polymorphes permettant de réaliser une véritable cartographie génétique des 46 chromosomes et des études de liaison [27], a permis l'avènement d'une approche dite de « génétique inverse » pour identifier les gènes responsables de nombreuses maladies. Cette approche, connue par la suite comme la méthode du clonage positionnel, permettra l'identification de plusieurs centaines de gènes associés à une maladie héréditaire.

Vers une médecine moléculaire

Au-delà de l'intérêt immédiat pour le diagnostic, la caractérisation des gènes responsables d'une pathologie permet une meilleure taxonomie des maladies humaines et une compréhension accrue des mécanismes physiopathologiques, étape indispensable à l'élaboration de stratégies thérapeutiques rationnelles. Dans son approche de la maladie, le clinicien dépend en effet essentiellement de l'analyse et de l'observation des caractères phénotypiques de la maladie, caractères qui peuvent masquer le mécanisme pathogène primitif. La définition de la base moléculaire associée à la maladie devrait lui permettre de mettre en place une taxonomie indépendante des manifestations secondaires. Ainsi les informations moléculaires ont permis l'identification de formes de diabètes difficilement différenciables au plan clinique mais clairement distinctes au plan du mécanisme pathogène [28]. Une meilleure compréhension des mécanismes et des voies métaboliques associés aux maladies conduit à la définition de sous-types individualisés et doit permettre de résoudre les problèmes relatifs à la variabilité ou à la progression des symptômes et à la réponse aux thérapies.
Combinée au développement des techniques d'analyse structurale, la biologie moléculaire a aidé à la connaissance des protéines et enzymes impliquées dans de nombreuses maladies, générant ainsi de nouvelles cibles ou de nouveaux modèles pour la conception de molécules thérapeutiques. Elle a également permis la production de nouvelles familles de produits biologiques à visée thérapeutique : 1) protéines recombinantes telles qu'interféron, érythropoïétine, insuline, hormone de croissance ; 2) anticorps à visée thérapeutique ; 3) vaccins ADN… Un autre domaine qui suscite de nombreux espoirs en dépit des difficultés rencontrées est celui de la thérapie par les gènes que ce soit au niveau cellulaire ou au niveau de l'organisme. La prochaine décennie devrait voir des progrès significatifs dans ce domaine. Le tableau I résume quelques uns des domaines médicaux qui devraient bénéficier de la biologie moléculaire.

Tableau I. Impacts de la génétique moléculaire en pratique clinique.

Critères diagnostiques fondés sur la connaissance du mécanisme
Criblage et test présymptomatique
Diagnostic moléculaire des pathogènes
Pharmacogénétique
Identification de nouvelles cibles thérapeutiques
Outils pour la médecine moléculaire (ex : ADN recombinant)
Expression de protéines recombinantes à usage thérapeutique
Thérapie génique

Vers une médecine prédictive

Le développement de la génétique moléculaire a ouvert la porte à une nouvelle forme de médecine prédictive et à la définition de facteurs individuels de risque. Certaines pathologies héréditaires à révélation tardive comme la maladie d'Huntington peuvent ainsi être diagnostiquées de manière pré-symptomatique. Ce type de diagnostic n'est cependant pas sans poser quelques problèmes et nécessite un accompagnement psychologique spécialisé. Certains cancers comme la neurofibromatose de type II ou le cancer du côlon non polyposique sont causés par des mutations affectant un seul ou un nombre limité de gènes. Ils sont caractérisés par la présence d'une composante familiale héréditaire. Dans ces familles, la caractérisation moléculaire de la mutation « familiale » permet d'identifier les patients qui ayant cette mutation présentent un risque accru de développer une tumeur. La mise en place d'un suivi des patients « à risque » permet le cas échéant un diagnostic et une prise en charge précoces, deux éléments favorables en terme de pronostic.
Les variations génétiques individuelles sont à l'origine d'une partie significative de l'hétérogénéité clinique observée dans l'histoire de la maladie ou dans la réponse aux molécules thérapeutiques. Une évolution vers une médecine personnalisée se dessine d'ores et déjà. On sait depuis de nombreuses années que des polymorphismes génétiques identifiés dans des gènes comme CYP2D6, CYP2C9, TPMT, impliqués dans le métabolisme de molécules médicamenteuses, pouvaient être à l'origine de réactions adverses chez des patients [29, 30]. Ainsi plusieurs variations du gène TPMT codant pour la thiopurine méthyltransférase sont-ils recherchés chez les patients traités par l'azathioprine. Un éventuel déficit de l'activité de métabolisation du médicament, associé à l'un des polymorphismes de cette enzyme, pourrait être à l'origine d'effets secondaires toxiques. De même, des tests génétiques permettant de prévoir la sensibilité de patients à des molécules à propriétés antihypertensives ou régulatrices du rythme cardiaque commencent à faire partie de l'arsenal du pharmacologue [31, 32]. Un des objectifs de la pharmacogénétique est de prévoir la réponse à un médicament et de définir un traitement individuel adapté au bruit de fond génétique de l'individu. Avant d'en arriver à ce « sur mesure », on estime cependant qu'il faudra passer par une étape au cours de laquelle les médicaments seront d'abord ciblés vers un profil de groupe correspondant au mieux aux caractéristiques individuelles.
Parallèlement à l'accroissement de nos capacités à analyser les facteurs de risques, la mise en place précoce ou à titre préventif de thérapies deviendra donc une réalité dans les populations à risques, avec en corollaire le développement de programmes de criblage destinés à identifier ces populations à risque. Ce type d'approche nécessite un encadrement juridique et éthique afin de prévenir toute dérive qui porterait atteinte au statut de confidentialité que doivent représenter ces caractéristiques génétiques individuelles.
Cette évolution vers une médecine moléculaire devra s'accompagner d'une formation médicale adaptée redonnant une place plus importante à l'étude des mécanismes physiologiques et biologiques fondamentaux. Il est encore difficile de prédire le rapport coût / bénéfice qu'aura cette évolution. L'expérience limitée que nous avons de l'impact de cette médecine moléculaire ne montre pas qu'elle soit à l'heure actuelle un facteur d'économie. Une telle évolution incluant ces nouveaux concepts que sont diagnostic précoce ou présymptomatique, définition de facteurs de risques et stratégie thérapeutique individualisée représente donc sans aucun doute un véritable défi socioéconomique à une époque de difficulté et d'incertitudes pour les différents services de soins.
Les premiers résultats obtenus ont clairement montré que la caractérisation des déterminants géniques des maladies serait source de développements pour la médecine clinique en modifiant la façon dont les maladies seront comprises, diagnostiquées et traitées. En dépit de ces potentialités, la mise en application des avancées de la génétique moléculaire dans la pratique médicale prendra encore du temps. On peut cependant raisonnablement prédire que les cinquante prochaines années verront un essor de la génétique et de la médecine moléculaire.

Double hélice et évolution

En unifiant le monde vivant, la théorie synthétique de l'évolution confortait les biologistes moléculaires dans leur espoir de découvrir les principes fondamentaux de fonctionnement et de réplication propres à tous les êtres vivants. Dans ce contexte, la découverte d'une structure « universelle » en double hélice d'ADN pour le matériel génétique a été un élément très important. Le niveau d'explication des phénomènes évolutifs ne peut cependant se cantonner uniquement au niveau moléculaire, les phénomènes de sélection se font en effet au niveau des populations et non au niveau des molécules qui les constituent.
Alors que l'étude des phénomènes évolutifs est restée pendant longtemps celle des caractères morphologiques, les études moléculaires ont apporté une masse considérable de données. L'universalité presque parfaite du code génétique suggéra tout d'abord que tous les êtres vivants actuels descendent vraisemblablement d'un même organisme ancestral. Un des premiers résultats, issu de la comparaison des séquences d'ADN, fut de confirmer la variabilité génétique au sein d'une même espèce. De nombreuses variations observées sont neutres, elles échappent de ce fait à la sélection naturelle et permettent de définir des séquences chronologiques. Les données moléculaires ont ainsi permis de remonter dans le temps et d'aborder l'étude des événements ayant conduit à la formation de la ou des premières cellules vivantes.
L'apport le plus important de la biologie moléculaire à la théorie de l'évolution fut certainement l'obtention d'une quantité considérable de données moléculaires permettant d'évaluer quantitativement la « distance génétique » entre espèces différentes. Les branches de l'arbre phylogénétique furent ainsi redessinées à partir des données moléculaires. À l'intérieur d'une même espèce, les données moléculaires ont également apporté des informations essentielles sur les flux migratoires des populations. Sur la base de l'étude des variations polymorphes de l'ADN mitochondrial utilisé comme une véritable « horloge moléculaire », le groupe d'Allan Wilson aux États-Unis a émis ainsi l'hypothèse que l'origine de l'humanité actuelle se trouvait en Afrique [33]. D'autres travaux réalisés avec les polymorphismes du chromosome Y confirmèrent cette hypothèse. Ces différentes études montrent une plus grande accumulation de mutations dans l'ADN dans les populations africaines suggérant que ces populations auraient accumulé des mutations pendant une période de temps plus longue comparée aux groupes européens. L'étude comparative de polymorphismes révéla que la plupart des variations européennes ou asiatiques sont des sous-groupes des variations répertoriées dans les populations africaines. Par ailleurs, les plus anciens allèles caractérisés dans ces études n'ont pas été retrouvés dans les populations non-africaines. Toutes ces données pointent vers une émergence des hommes modernes il y a environ 150 000 ans en Afrique.
Un autre enseignement majeur peut être retiré de ces études. En dépit de différences morphologiques, l'espèce humaine dans son ensemble montre une très faible diversité génétique. Les différences entre les différentes populations ne représentent en effet que 10 % de la variance génétique humaine, ne laissant ainsi aucune place pour l'existence de sous-espèces humaines.

Conclusion

La découverte de la structure de l'ADN a été la pierre de voûte du socle sur lequel s'est développée la biologie moléculaire. La biologie moléculaire n'a ni pris la place, ni supplanté aucune des autres disciplines biologiques, elle a en fait réalisé avec elles un processus fusionnel et trouvé un aboutissement dans chacune d'elle.
Si l'approche « moléculaire » issue de la double hélice s'est révélée plus efficace que d'autres approches plus globales ou plus physiologiques pour expliquer une partie des mécanismes fondamentaux du vivant, il y a maintenant une nécessité d'intégration des données moléculaires pour rendre compte des phénomènes complexes associés à l'expression du message génétique.
Le développement de la biologie moléculaire a été le moteur de formidables progrès technologiques au cours de ces cinquante dernières années. Il est à l'origine de l'essor des biotechnologies dans le domaine de la santé ou de l'agriculture. L'apport de la microélectronique, de l'informatique, de la robotique dans ce champ se traduit par des méthodes s'adressant à des systèmes moléculaires de plus en plus petits et l'on parle déjà de nanobiologie…
Au plan médical, la découverte de la structure de l'ADN n'a pas seulement permis de caractériser les déterminants génétiques des maladies, il a également fourni les outils nécessaires à l'avènement d'une médecine moléculaire qui sans aucun doute marquera les cinquante prochaines années.

Références

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