Cours de Biologie Moléculaire et Génétique

La génétique occupe une place de plus en plus importante dans notre société. Pas une semaine ne se passe sans que les médias relaient soit des découvertes "génétiques", soit débattent sur leurs conséquences potentiellement néfaste pour notre vie quotidienne(clonage, OGM ou prions pour citer les plus célèbres). Au contraire, la détermination de la séquence complète du génome humain et celles d'autres organismes encouragent certains à un optimisme sans borne et à clamer la compréhension complète du vivant via la connaissance de la séquence (et donc la possibilité de soigner rapidement de toutes les maladies...). Il est bien évident que cela ne reflète en rien la réalité de la recherche en biologie actuelle. En particulier, il ne faut pas oublier que la génétique est, avec la biochimie, la discipline biologique qui a permis de comprendre comment fonctionne le vivant et son efficacité fait qu'elle est encore largement utilisée dans les laboratoires de recherche.

Si la biochimie s'intéresse principalement à la structure et aux propriétés des molécules biologiques, la génétique s'intéresse à replacer ces même molécules dans le contexte de la cellule, de l'organisme ou des populations. Il va sans dire que seule la jonction des deux disciplines permet une description complète des mécanismes du vivant. C'est vers cette synthèse que la biologie se dirige actuellement, synthèse réalisée par le biais de disciplines qui portent des noms différents (biologie moléculaire, génétique moléculaire ou génomique) mais qui sur le fond utilisent les mêmes méthodes. Il est donc impératif que tout étudiant de biologie/biochimie du niveau de la licence possède des solides notions de cette biologie intégrée afin de comprendre clairement les résultats, les enjeux et les limites de la biologie moderne. Dans ce but, les enseignants de l'UFR de Biochimie de l'université Paris VII ont mis en place une formation qui mélange les enseignements anciennement séparés de Biologie Moléculaire et de Génétique. Ce rapprochement devrait favoriser l'acquisition des connaissances en montrant comment les résultats de la biologie moléculaire permettent de mieux comprendre les phénomènes de transmission et d'expression de l'information génétique, mais aussi comment la méthodologie génétique permet de résoudre rapidement les questions biologiques.

De nos jours, tout le monde sait qu'il est impossible de faire se reproduire ensemble un chien et un chat (notez que dans l'antiquité de tels croisements monstrueux étaient fréquemment évoqués !). Chiens et chats font partie de deux espèces différentes. Cette notion est en fait plutôt récente et la définition d'une espèce, en tant que groupe d'organismes inter fertiles produisant des descendants fertiles, a été défendue par le naturaliste français Buffon (1707-1788). Même de nos jours, cette notion de l'espèce n'est pas encore complètement établie et il existe des cas où elle est matière à débat (par exemple : qu'est-ce qu'une espèce de bactérie?)

De même nous savons qu'un couple de chats engendre uniquement des chats et un couple de chiens uniquement des chiens. A chaque espèce sont associés des "caractères particuliers" qui se conservent au cours de la reproduction engagée par deux individus de la même espèce. Mais, nous savons qu'à l'intérieur d'une espèce, il existe différents caractères. Cependant, on observe aussi dans certains cas la transmission d'une génération à l'autre de ces caractères plus subtils. Citons :

- coloration du pelage des chats siamois

- teneur en amidon du pois lui donnant un aspect lisse ou rugueux

- chez l'homme, la morphologie jusque dans ses plus fins détails comme l'existence de vrais jumeaux, difficilement distinguables même par leurs proches, le montrent

conclusion:
Au cours de la reproduction, les parents transmettent à leur descendance une information qui permet la "construction de l'individu". Il y a une transmission quasi à l'identique de cette information : la transmission est donc en très grande partie INVARIANTE. Pour une espèce donnée, l'information est quasi constante, elle présente néanmoins des petites VARIATIONS d'un individu à l'autre.

On définit la génétique comme la science qui a pour but d'étudier cette information. Il existe deux aspects distincts à la génétique

- l'étude du mode de transmission de cette information
(aspect formel)

- l'étude de la nature de cette information
- l'étude de la façon dont s'exprime cette information
(aspect moléculaire)
C'est le premier aspect qui se base sur l'analyse de croisements dirigés qui sont la caractéristique la plus connue de la génétique (rappelez-vous vos cours de lycée !). Outre cet aspect fondamental, la génétique a aussi offert à la Biologie une méthodologie très puissante pour résoudre certains problèmes, en particulier ceux qui traitent de la fonction des macromolécules biologiques. pour connaître la démarche suivie par les généticiens.

Avant de rentrer plus avant dans l'analyse génétique, nous allons avoir besoin d'un certain nombre de rappels biologiques. En effet, comment discuter la transmission de l'information au cours de générations, si l'on ne connaît les mécanismes biologiques qui opèrent au cours de la reproduction ! Rappelons d'abord que:
Toute cellule naît d'une cellule. D'un point de vue génétique, cela veut dire que l'information présente dans un organisme n'apparaît pas spontanément ! Elle est produite à partir d'une information préexistante. Celle-ci doit donc être dupliquée avant d'être transmise.

Si toute cellule naît d'une cellule, comment est faite une cellule ? et comment se reproduit-elle ?
Les analyses biologiques du début du siècle ont conduit à distinguer deux grands types de cellules, suivant leur constitution et leur mode de reproduction.
Les Procaryotes
Les Eucaryotes

Les cellules Procaryotes
On les regroupe sous le terme générique de Bactéries. Il en existe deux grands groupes, les eubactéries et les archaebactéries, qui ont des fonctionnements différents au niveau moléculaire. Cependant, les bactéries des deux groupes possèdent une organisation similaire. Ces cellules sont généralement de petite taille (attention, il existe des exceptions !)


- Leur structure est très simple, le plus souvent sans cytosquelette ni réseau de membrane interne (la production d'énergie n'est pas compartimentée, elle se produit au niveau de la membrane plasmique). Autour de la cellule, on note la présence d'une paroi complexe. Dans le cytoplasme, il y a présence des ribosomes et d'une masse "plus claire", le nucléoïde qui contient l'ADN. Attention le nucléoïde n'est pas un noyau car il n'est pas entouré par une membrane (il existe de ce fait un couplage entre transcription et traduction). L'ADN est présent sous forme d'un ou quelques chromosomes, le plus souvent circulaire.



- Ces bactéries n'ont pas de processus d'endocytose et "n'ingère" donc que des molécules solubles.



- Elle ne forme jamais d'organisme pluricellulaire vrai, mais néanmoins les cellules sont capables de se différencier pour former des spores ou des colonies contenant des cellules de morphologies différentes.



- Leur unité de structure cache une grande complexité de métabolisme et de fonctionnement au niveau moléculaire. Ceci entraîne une diversité biologique très importante. Les procaryotes ont ainsi pu coloniser quasiment tous les milieux : des plus froids (mers polaires à la limite de la congélation) aux plus chauds (sources thermales à plus de 100°C), sous la croûte terrestre ou à l'intérieur du corps humain. Je vous renvoie au cours de microbiologie de maîtrise pour approfondir vos connaissances sur le sujet.

Division

- Elles se divisent simplement par fission, en général pour donner deux cellules identiques (voir film). Il n'y aucune structure marquante qui semble apparaître.

- Il n'y a pas d'individualisation de chromosomes visibles en cytologie à aucun moment de leur cycle de vie. Attention, le processus de division est cependant hautement contrôlé par des structures particulières; la petitesse des cellules empêche leur visualisation facile avec un microscope optique.

- Il n'existe pas de reproduction sexuée au sens usuel du terme. Il est cependant possible pour des cellules procaryotes d'échanger de l'ADN grâce aux phénomènes de conjugaison, de transduction et de transformation.


Les cellules Eucaryotes



Cet ensemble regroupe une variété de cellules présentant des organisations plus ou moins complexes. Cependant, elles ont toute la caractéristique d'avoir un noyau, composé d'une double membrane entourant l'ADN. Celui-ci présente une organisation complexe. Structure:

- Le plus souvent, outre le noyau, elles présentent une structure interne complexe avec un cytosquelette vrai (microtubules, filaments d'actine etc.) et un système de membranes délimitant de nombreuses organelles (outre le noyau associé au réticulum, appareil de Golgi, mitochondrie, lysosome / vacuole, peroxisome, etc.). De plus, chez de nombreux protistes et chez les plantes, des plastes assurent la photosynthèse. Il y a donc une compartimentation de la production d'énergie (mitochondrie et plastes) et des réactions enzymatiques (entre cytosol, peroxisome, lysosome etc.). La présence du noyau, caractéristique des eucaryotes, entraîne un découplage entre transcription et traduction. Ceci permet des niveaux de régulation supplémentaires.



- Elles ont la possibilité de faire des endocytoses, ce qui permet des échanges supplémentaires avec le milieu extérieur, mais aussi des régulations supplémentaires.



- Ces cellules peuvent se différencier et donner naissance à des organismes pluricellulaires. Ils ont une grande diversité au niveau du métabolisme (mais moindre que chez les bactéries) et de leur fonctionnement au niveau moléculaire. Je vous renvoie aux cours de biologie moléculaire, biochimie et microbiologie de maîtrise pour approfondir vos connaissances sur le sujet. Vous pouvez aussi consulter le cours de microbiologie eucaryote qui donne un aperçu de la diversité des eucaryotes "simples".

Division:

Leur processus de division est complexe ce qui résulte en une transmission plus complexe de l'information génétique au cours des générations. Il en existe deux types :

la mitose

la méiose

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/sommaires/gbm.html Le support complet de votre formation en Biologie moléculaire et Génétique, N'hésitez pas à poster des messages pour ajouter de nouveaux sites intéressants.