Gène

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Représentation simplifiée d'un gène d'eucaryote (les exons sont des séquences codantes, alors que les introns sont des séquences non codantes).
L'une des nombreuses manières de représenter les échelles du Vivant (du gène à la biosphère). Le gène est représenté à part, car non vivant en tant que tel, mais support d'information et base du vivant. Plus on monte dans la pyramide, plus l'échelle est globale et plus le niveau de complexité mais aussi de stabilité et de résilience du système augmente.

Un gène, en génétique, est une unité de base d'hérédité qui en principe prédétermine un trait précis de la forme d'un organisme vivant, tel que défini en 1909 par Wilhelm Johannsen. Au niveau physique, un gène est un fragment ou locus déterminé d'une séquence d'ADN qui paramètre la synthèse d'un ARN donné, en prédéfinissant sa structure et, donc, celle de l'éventuelle protéine ou de l'éventuel polypeptide synthétisés à partir de cet ARN : c'est ce qu'étudie la biologie moléculaire. Ces deux aspects de la notion de gène sont censés correspondre, l'un au niveau physique et moléculaire, l'autre au niveau du principe et de l'hérédité.

Sur la molécule d'ADN, un gène est caractérisé à la fois par sa position et par l'ordre de ses bases azotées. Il s'agit d'un langage codé en "séquence de bases". On dit ainsi que l'ADN est le support de l'information génétique, car il est comme un livre, un plan architectural du vivant, qui oriente, qui dicte la construction des principaux constituants et bâtisseurs cellulaires que sont les ARN qu'ils soient directement fonctionnels (ARN ribosomiques dont certains ont une activité enzymatique, ARN de transferts, miRNA et autres) ou qu'ils codent la synthèse de protéines (chaînes polypeptidiques). La mitose duplique assez fidèlement le matériel génétique (les chromosomes) et transmet d'une cellule mère à ses deux cellules filles ces unités d'informations génétiques que constituent les gènes. La « reproduction » peut nécessiter une sexualité ou non, selon les espèces mises en jeu. L'ensemble du matériel génétique d'une espèce constitue son génome. Il contrôle le protéome (l'ensemble des protéines exprimées), via le transcriptome (voir Acide ribonucléique messager).

Le génotype d'un individu (qu'il soit animal, végétal, bactérien ou autre) est la somme des gènes qu'il possède. Le phénotype, quant à lui, correspond à la somme des caractères morphologiques, physiologiques, cellulaires ou comportementaux qui sont identifiables de l'extérieur. Ainsi, deux individus peuvent avoir le même génotype, mais pas forcément le même phénotype (et inversement), en fonction des conditions d'expression des gènes, qui confèrent un aspect extérieur identifiable, discernable.

Historique

Aux premiers temps de la génétique, le support moléculaire de l'information était totalement inconnu, et diverses théories aujourd'hui abandonnées ont été proposées. Darwin propose ainsi d'hypothétiques « gemmules » dans sa théorie dite de la pangenèse, et Haeckel écrit sur la « périgénèse des plastidules » et la « psychologie cellulaire »[1].

Avec le temps, cependant, des expérimentations, comme les travaux du moine Gregor Mendel sur le pois ou de Thomas H. Morgan sur les mouches drosophiles, purent mettre en évidence l'existence de facteurs biologiques de l'hérédité. La transmission de ces facteurs, dans le cas de caractères simples, pouvait s'expliquer par l'existence d'entités d'information génétique discrètes : les gènes. Les progrès de la microscopie optique et des méthodes de coloration biochimique ont permis d'établir la théorie chromosomique de l'hérédité (Sutton, Bovery et Morgan au début du XXe siècle). Au sein des chromosomes, c'est l'acide désoxyribonucléique (ADN) qui a été montré comme le support de l'information génétique dans les années 1940s.

Le mot a été proposé par le biologiste danois Wilhelm Johannsen en 1909, en même temps que les termes de « génotype » et de « phénotype » (le mot « génétique » remonte toutefois jusqu'à William Bateson)[2]. Le terme résultait d’une contraction de l’expression de « pangène » forgée vingt ans plus tôt par Hugo De Vries. Pour De Vries, les « pangènes » étaient des organites intracellulaires, présents dans toutes les cellules. Johannsen, lorsqu’il contracta le mot « pangène » en celui de « gène », dégagea la notion de toute interprétation morphologique particulière, et proposa de la définir de manière purement opérationnelle par rapport à la combinatoire mendélienne : « Il faut traiter le gène comme une unité de comptage ou de calcul. Nous n’avons aucunement le droit de définir le gène comme une structure morphologique, au sens des « gemmules » de Darwin, des « biophores », des « déterminants » ou de toute autre sorte de concept morphologique ».

Définition

Aujourd'hui, un gène est défini comme une séquence d'acide nucléique — en l'occurrence, d'ADN, hormis chez les virus à ARN — susceptible d'être transcrite en ARN. S'il est ensuite traduit en protéine, la séquence est dite « codante ». La plupart du temps, un gène commence par une séquence de nucléotides appelée promoteur, dont le rôle est de permettre l'initiation mais surtout la régulation (tous les gènes ne sont pas exprimés dans toutes les cellules) de la transcription de l'ADN en ARN, et se termine par une séquence terminatrice appelée terminateur, qui marque la fin de la transcription. La molécule d'ARN ainsi produite peut soit être traduite en protéine (elle est dans ce cas appelée ARN messager), soit être directement fonctionnelle (c'est le cas pour les ARN ribosomiques ou les ARN de transfert). Il y a environ 13 000 gènes dans l'ADN des cellules d'une drosophile, et environ 21 000 gènes chez l'Homme[3],[4],[5],[6].

Chez certains virus dont le génome est composé d'ARN (comme le virus de la grippe ou celui de la poliomyélite), il n'y a pas d'étape de transcription ADN → ARN dans le cycle viral, et le concept de gène s'applique alors, par extension, aux segments de séquence d'ARN codant les protéines du virus.

Expression des gènes

Quand un gène est destiné à être transcrit en ARN messager, il contient l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine. Chez les eucaryotes, un gène est constitué d'une alternance de séquences retrouvées dans l'ARNm, appelées exons, et de séquences non codantes, les introns, qui seront éliminées de l'ARN messager lors du processus d'épissage, avant la traduction en protéine. L'information génétique s'exprime par triplets de nucléotides (appelés codons), à chaque codon correspond un acide aminé. Certains codons appelés « codons STOP » n'ont pas de correspondance en acide aminé et définissent l'arrêt de la traduction de l'ARN en polypeptide. Une protéine n'est néanmoins pas simplement un enchaînement d'acides aminés et sa composition finale dépend d'autres facteurs environnementaux, c'est pourquoi à un gène ne correspond pas nécessairement une seule protéine. De plus, le processus d'épissage des introns permet également de supprimer de façon conditionnelle certains exons de l'ARN, permettant ainsi à partir d'un unique gène de produire plusieurs protéines différentes. On parle alors d'épissage alternatif. Ce phénomène, initialement décrit pour un nombre restreint de gènes, semble concerner un nombre croissant de gènes. Aujourd'hui, on estime que l'épissage alternatif permet de produire en moyenne trois ARN différents par gène, ce qui permet chez l'humain de produire, à partir de ses 20 000 à 25 000 gènes, 100 000 protéines différentes.

La plupart des cellules d'un organisme possèdent la totalité des gènes. L'ensemble des gènes exprimés dans une cellule en particulier, et donc des protéines qui seront présentes dans cette cellule, dépend de chemins de régulation complexes mis en place au cours du développement de l'individu. Certains caractères simples sont déterminés par un seul gène (comme le groupe sanguin chez l'homme ou comme la couleur des yeux chez la drosophile). Cependant, dans la plupart des cas, un caractère observable dépend de plusieurs voire de nombreux gènes et éventuellement de l'interaction avec l'environnement (forme du visage, poids du corps).

Si les gènes sont les principaux responsables des variations entre individus, ils ne sont pas le seul support d'information dans un organisme. Ainsi, on considère que, dans le cas d'un grand nombre d'organismes, une bonne partie de l'ADN n'est pas codante (seulement 3 % est codante chez l'homme), le reste (l'ADN non codant) ayant des fonctions encore mal connues. Cet ADN non codant, aussi appelé ADN intergénique, est de plus en plus étudié, et semble être impliqué dans la structure de la chromatine. Plus particulièrement, les dernières recherches ont montré un rôle crucial de ces régions dans la régulation de l'expression des gènes par modification de l'état de la chromatine sur de grandes régions chromosomiques.

Régulation des gènes

Segments cis-régulateurs chez les eucaryotes

L'ADN humain se compose de 1,5 % de séquences codantes pour les gènes qui sont activés par des segments cis-régulateurs activateurs situés à proximité dans les 98,5 % d'ADN non codants[7]. 99 % de nos gènes sont communs avec la souris. 5000 de nos segments cis-régulateurs sont communs avec les requins. Les génomes de 20 espèces très différentes (mouches, poissons, oiseaux, rongeurs, singes, hommes) se composent en moyenne de 20000 gènes et montrent de très grandes similitudes entre leurs gènes et entre leurs segments régulateurs. Les variations de caractères génétiques sont plus souvent dues aux mutations d'activateurs qu'aux mutations de gènes.

Dans les tissus, des protéines reconnaissent et se lient aux segments cis-régulateurs et activent les gènes[7]. Le complexe protéique qui se forme alors active l'enzyme polymérase et enclenche la transcription du gène. La plus longue distance observée est de 4500 paires de bases entre un gène et un segment régulateur[7] . Certains gènes sont activés indépendamment dans plusieurs tissus par des segments différents. Ces gènes sont encore plus stables car soumis à des contraintes organiques plus nombreuses[7] .

Pour étudier les segments cis-régulateurs on en génère un et on le lie à un gène dont l'effet est facile à observer. Puis on l'introduit dans un embryon unicellulaire[7] . Si on observe l'effet c'est que le segment est régulateur et l'observation indique sa position dans l'organisme en développement.

Gène égoïste

Dans son ouvrage Le Gène égoïste, Richard Dawkins expose en 1976 une théorie donnant au gène le rôle d'unité sur laquelle agit la sélection naturelle. Les individus n'auraient d'autre intérêt que d'assurer la transmission des gènes qu'ils portent (une idée qui donne son titre au livre Les avatars du gène de Pierre-Henri Gouyon, Jean-Pierre Henry et Jacques Arnould). Il peut exister des conflits entre le niveau du gène et celui de l'individu : les gènes portés par la fraction du génome transmise par la voie femelle ont intérêt à produire plus de descendants femelles et à manipuler l'individu qui les porte dans ce sens, pour lequel il est plus favorable dans la plupart des cas de produire autant de mâles que de femelles. La notion de gène égoïste se rapproche en fait du concept de sélection de parentèle en cela que le gène qui dicte un acte altruiste au bénéfice d'un autre individu apparenté favorise en fait sa propre transmission.

Types de gènes et vocabulaire technique

Le terme de gène est tellement large qu'il est parfois difficile d'en donner une définition. De nombreux dérivés, au sens beaucoup plus précis, et parfois technique, sont utilisés couramment dans le milieu scientifique.

Nomenclature de localisation d'un gène (locus)

Cette nomenclature est utilisée principalement chez l’homme, mais pas uniquement. Ainsi le gène ABO (responsable des groupes sanguins ABO) est en 9q34 chez l’homme et en 3p13 chez le surmulot.

Notes et références

  1. André Pichot, Expliquer la vie : De l'âme à la molécule, Quae éditions, , 1213 p. (ISBN 2759216624), p. 899
  2. Gordon M. Shepherd, Creating modern neuroscience, p. 17.
  3. International Human Genome Sequencing Consortium, 2004: Finishing the euchromatic sequence of the human genome, Nature 431: 931-945
  4. Michele Clamp, « Working the (Gene Count) Numbers_ Finally, a Firm Answer », Science, vol. 316, no 5828, , p. 1113 (lire en ligne)
  5. Gènes humains sur Ensembl
  6. What is a gene ? Mark B. Gerstein et coll., Genome Research
  7. 1 2 3 4 5 "La régulation des gènes, moteur de l'évolution", Sean Carroll, Benjamin Prud'homme et Nicolas Gompel, Pour la Science, no 375, 01/2009, p. 48-59

Voir aussi

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

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