L'ADN, un texte à quatre lettres : gènes, allèles et mutations

Regarde tes mains : la forme des ongles, la couleur de la peau. Tu as hérité cela de tes parents, et pourtant personne sur Terre n'a exactement les mêmes. D'où viennent cette ressemblance et cette unicité ? D'un texte minuscule, recopié dans chacune de tes cellules, écrit avec quatre lettres : l'ADN.

Une molécule universelle en double hélice

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est une très longue molécule à deux brins enroulés l'un autour de l'autre : la double hélice, décrite en 1953 par James Watson et Francis Crick, grâce notamment aux clichés aux rayons X de Rosalind Franklin.

Chaque brin est une chaîne de nucléotides. Un nucléotide associe un sucre (désoxyribose), un phosphate et l'une des quatre bases azotées : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) ou guanine (G). Les deux brins sont reliés par leurs bases selon une règle de complémentarité : A s'apparie toujours avec T, et C toujours avec G. Si un brin porte ATGCC, l'autre porte TACGG : c'est ce qui permet de recopier fidèlement l'ADN avant chaque division.

Chez toi, l'ADN est rangé dans le noyau, enroulé autour de protéines pour former les chromosomes : 46 par cellule, soit 23 paires. Et la même molécule, avec les mêmes quatre bases, porte l'information génétique chez une bactérie, un chêne ou une baleine. L'ADN est universel : on peut transférer un gène d'une espèce à une autre (transgenèse). Depuis 1982, des bactéries munies du gène humain de l'insuline produisent l'insuline des diabétiques.

Gène, séquence, allèle

Un gène est une portion d'ADN qui porte l'information nécessaire à la fabrication d'une protéine, et donc à un caractère : le groupe sanguin, la couleur des yeux. Ce qui fait l'information, c'est l'ordre des nucléotides : la séquence. Changer une lettre peut changer le message, comme entre « pile » et « pale ».

Un même gène existe souvent en plusieurs versions légèrement différentes : les allèles. Le gène du groupe sanguin ABO possède trois allèles principaux, A, B et O ; l'allèle O ne diffère de A que par la perte d'un seul nucléotide. Comme tu possèdes deux exemplaires de chaque chromosome (un de chaque parent), tu portes deux allèles de chaque gène : c'est ton génotype ; le caractère visible est ton phénotype. Une personne A//O est du groupe A, car l'allèle O est récessif.

Le code génétique : lire le texte par groupes de trois

Comment une suite de A, T, C, G devient-elle une protéine ? La cellule copie d'abord le gène en ARN messager (où T est remplacé par U, l'uracile) : c'est la transcription. Puis le ribosome lit ce message par groupes de trois nucléotides, les codons : c'est la traduction. Chaque codon correspond à un acide aminé, brique des protéines ; cette table de correspondance est le code génétique. Il est universel (AUG signifie « méthionine » chez tous les êtres vivants, et sert de codon de démarrage) et redondant : 64 codons (4 × 4 × 4) pour 20 acides aminés ; 61 codent un acide aminé et 3 (UAA, UAG, UGA) signifient « stop ».

Exemple : l'ARN messager AUG-GGC-GAG-UAA se lit méthionine, glycine, acide glutamique, stop : une mini-protéine de trois acides aminés.

Les mutations, source de nouveaux allèles

Une mutation est une modification de la séquence de l'ADN : substitution (un nucléotide remplacé par un autre), insertion (un nucléotide ajouté) ou délétion (un nucléotide retiré). Elles surviennent spontanément, par erreur lors de la copie de l'ADN (les systèmes de réparation en corrigent la plupart), ou sous l'effet d'agents mutagènes : ultraviolets, rayons X, fumée de tabac.

Grâce à la redondance du code, beaucoup de substitutions ne changent pas l'acide aminé : la mutation est silencieuse. D'autres modifient la protéine. Exemple célèbre : dans le gène de la bêta-globine, le sixième triplet GAG devient GTG ; la valine remplace l'acide glutamique, l'hémoglobine se déforme et les globules rouges prennent une forme de faucille : c'est la drépanocytose.

Point capital : une mutation n'est transmise que si elle touche les cellules reproductrices, les gamètes ; celle d'une cellule de peau, après un coup de soleil, reste dans cette cellule. Accumulées dans les lignées de gamètes depuis des centaines de millions d'années, les mutations ont créé tous les allèles existants : elles sont la source première de la diversité génétique d'une espèce, matière première de l'évolution.

À retenir

• L'ADN est une double hélice de nucléotides à quatre bases (A, T, C, G) ; A s'apparie avec T, C avec G ; elle est universelle (transgenèse).
• Un gène est une portion d'ADN dont la séquence code une protéine ; ses versions sont les allèles ; chacun porte deux allèles par gène.
• Le code génétique associe chaque codon (trois nucléotides) à un acide aminé ; il est universel et redondant (64 codons, 20 acides aminés, 3 stop).
• Une mutation (substitution, insertion, délétion) modifie la séquence ; elle est spontanée ou provoquée par un agent mutagène.
• Les mutations des gamètes créent de nouveaux allèles : elles sont à l'origine de la diversité génétique d'une espèce.

★ Pour aller plus loin

Le génome humain compte environ 20 000 gènes, qui n'occupent qu'à peine 1,5 % de l'ADN, et, sur les régions comparables, nous partageons près de 99 % de notre séquence avec le chimpanzé.

Depuis 2012, la technique CRISPR-Cas9 d'Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna (prix Nobel de chimie 2020) permet de couper l'ADN à un endroit choisi et de réécrire une séquence ; un premier traitement de la drépanocytose fondé sur cette méthode a été autorisé en 2023.

Sources pour creuser

• James Watson, La Double Hélice (Robert Laffont) : le récit de la découverte par l'un de ses auteurs.
• Chaîne YouTube DirtyBiology (Léo Grasset) : cherche ses vidéos sur l'ADN et les mutations.
• lumni.fr : vidéos de SVT sur l'ADN et les allèles.
• planet-vie.ens.fr : dossiers de référence sur l'ADN et le code génétique.