Quand la copie dérape : origine, réparation et effets des mutations

Une journée de plage sans crème solaire, et le soir ta peau est rouge et brûlante. Ce n'est que la partie visible : dans tes cellules, les ultraviolets (UV) ont abîmé l'ADN en des milliers d'endroits. Presque tout sera réparé… presque. Ce « presque », ce sont les mutations.

Une mutation, c'est quoi ?

Une mutation est une modification de la séquence des nucléotides de l'ADN. Rare et aléatoire, elle passe à toutes les cellules issues de la cellule mutée, puisque la réplication recopie fidèlement… la séquence modifiée. On distingue :

• la substitution : un nucléotide est remplacé par un autre ;
• l'insertion : un ou plusieurs nucléotides sont ajoutés ;
• la délétion : un ou plusieurs nucléotides disparaissent.

Dans un gène, elle crée un nouvel allèle.

D'où viennent les mutations ?

Des erreurs spontanées de réplication

L'ADN polymérase se trompe environ une fois tous les 100 000 nucléotides. Elle relit aussitôt son travail et corrige la plupart de ses erreurs, puis des systèmes de réparation repassent derrière elle : il reste de l'ordre d'une erreur pour un à dix milliards de nucléotides copiés.

Exemple 1 : combien d'erreurs par division ? Une cellule humaine contient environ 6,4 milliards de paires de nucléotides : pour les répliquer, elle assemble 12,8 milliards de nucléotides neufs. Avec une erreur pour 10 milliards, cela fait environ 1 erreur par division ; avec une pour un milliard, environ 13. C'est peu, mais ton corps réalise des millions de divisions par seconde.

Des agents mutagènes

Un agent mutagène augmente la fréquence des mutations :

• les UV (Soleil, cabines de bronzage) soudent deux thymines voisines d'un même brin en dimères de thymine, qui déforment la double hélice et faussent la copie ;
• les rayonnements ionisants (rayons X, radioactivité) cassent les brins d'ADN ;
• des substances chimiques, comme le benzo[a]pyrène de la fumée de tabac, dont un dérivé se fixe sur les guanines.

Exemple 2 : des levures sous UV (résultats simplifiés). On étale des levures sur deux boîtes. Sans UV : 400 colonies, dont 2 mutantes (rouges, car elles ne fabriquent plus l'adénine), soit 2 ÷ 400 = 0,5 %. Après 20 secondes d'UV : 200 colonies seulement (beaucoup de cellules sont mortes), mais 8 mutantes, soit 8 ÷ 200 = 4 %. La fréquence des mutants est multipliée par 8. Attention : les UV n'ont pas « visé » le gène de la couleur ; ils ont multiplié les mutations au hasard, et l'on ne voit que celles qui touchent ce gène.

La réparation, un travail permanent

Chaque jour, l'ADN de chacune de tes cellules subit des dizaines de milliers de lésions. Des enzymes de réparation les repèrent, découpent le fragment abîmé et le resynthétisent d'après le brin intact. Une lésion ne devient mutation que si elle échappe à la réparation avant la réplication suivante.

Dans le xeroderma pigmentosum, maladie génétique rare, les lésions dues aux UV sont mal réparées : le risque de cancer de la peau est multiplié par plus de mille. Les malades, surnommés « enfants de la Lune », doivent éviter toute exposition aux UV.

Les conséquences : de la molécule à l'organisme

Le code génétique étant redondant (plusieurs codons par acide aminé), une substitution peut être :

• silencieuse : le codon change, pas l'acide aminé (GAA et GAG codent tous deux l'acide glutamique) ;
• faux-sens : un acide aminé est remplacé par un autre ;
• non-sens : apparition d'un codon stop, la protéine est tronquée.

Une insertion ou une délétion d'un nombre de nucléotides non multiple de 3 décale le cadre de lecture : tous les codons suivants changent, et la protéine est presque toujours inactive.

Exemple 3 : la drépanocytose, à trois échelles.

• Échelle moléculaire : dans le gène de la bêta-globine, le sixième codon GAG devient GTG ; l'hémoglobine S porte une valine à la place d'un acide glutamique.
• Échelle cellulaire : quand le dioxygène manque, l'hémoglobine S forme de longues fibres qui déforment les globules rouges en faucilles rigides et fragiles.
• Échelle de l'organisme : anémie, crises douloureuses, petits vaisseaux bouchés. La maladie touche les personnes porteuses de deux allèles mutés ; c'est la maladie génétique la plus fréquente en France.

Tout dépend aussi de la cellule touchée. Une mutation somatique (peau, foie…) ne passe qu'aux cellules filles de la cellule mutée : elle n'est pas transmise aux enfants, mais peut participer à un cancer. Une mutation germinale, dans la lignée qui produit les gamètes, peut être transmise à la descendance : elle fournit les nouveaux allèles sur lesquels agit l'évolution.

À retenir

• Une mutation est une modification rare et aléatoire de la séquence de l'ADN : substitution, insertion ou délétion.
• Elle naît d'erreurs de réplication non corrigées ; les agents mutagènes (UV, rayonnements ionisants, certaines substances) en augmentent la fréquence.
• Des systèmes de réparation corrigent la grande majorité des lésions ; leur défaillance multiplie les mutations.
• Les effets, de nuls à graves, se lisent à plusieurs échelles (protéine, cellule, organisme) ; seules les mutations germinales sont héréditaires.

★ Pour aller plus loin

Le prix Nobel de chimie 2015 a récompensé Tomas Lindahl, Paul Modrich et Aziz Sancar pour leurs travaux sur la réparation de l'ADN.

Une mutation peut aussi être favorable : chez beaucoup d'Européens du Nord, une mutation proche du gène de la lactase permet de digérer le lait à l'âge adulte. Et la bactérie Deinococcus radiodurans survit à plus de mille fois la dose de rayonnement qui nous tuerait : elle recolle son ADN brisé.

Sources pour creuser

• Jacques Monod, Le Hasard et la Nécessité : le hasard et le vivant, par un prix Nobel.
• Chaîne YouTube Les Bons Profs : cherche « mutations de l'ADN ».
• Chaîne YouTube DirtyBiology (Léo Grasset) : biologie et évolution, avec humour.
• e-cancer.fr (Institut national du cancer), orpha.net (maladies rares) et lumni.fr.