ADN (Acide Désoxyribo Nucléique) : Que recouvre cette appellation ?
Acide : l’ADN est dit acide car il libère des ions hydrogène (H+).
Désoxyribo : abréviation de Désoxyribose. Nous avons vu précédemment que le ribose est le sucre présent dans le squelette de l’ARN. Dans le mot désoxyribose, le préfixe dés (ôter, enlever) indique simplement la perte d’un atome d’oxygène par le ribose :
Nucléique : Car initialement découvert dans le noyau des cellules. Il apparut ultérieurement que l’ADN était également présent dans des organismes sans noyau, comme les bactéries ou les virus, mais l’appellation originelle a été conservée.
Histoire d’une découverte
La découverte de la structure et des fonctions de l’ADN résulte de travaux qui se sont déroulés durant près d’un siècle. Beaucoup de scientifiques, actuellement méconnus, se sont succédés pour mener à bien cette tâche.
Vitalistes contre approche physico-chimique
Au 19ème siècle, la théorie « vitaliste » est toujours fortement enracinée, qui considère que la vie ne peut s’expliquer à l’aide de lois physico-chimiques. Pour les tenants de cette théorie, il existerait une force vitale, qui insufflerait la vie à la matière.
Friedrich Miescher
A la différence des vitalistes, Friedrich Miescher, un physiologiste d’origine suisse, est convaincu que les problèmes biologiques peuvent se résoudre par une approche chimique. En 1868, il rejoint à Tübingen, en Allemagne, le laboratoire de Felix Hoppe-Seyler, considéré comme un des pères fondateurs de la biochimie, c’est à dire de la chimie du vivant.
Il décide alors de travailler sur les noyaux de globules blancs humains présents en abondance dans le pus. Il récupère à l’hôpital local un maximum de bandages ayant entouré des plaies suppurées. En 1869, il extrait une substance riche en phosphore à partir de ce pus, qu’il nomme «nucléine» car présente dans les noyaux cellulaires.
Albrecht Kossel
Albrecht Kossel débuta ses recherches en biochimie dans le laboratoire de Hoppe-Seyler et poursuivit les travaux de Miescher. Il mit en évidence deux types de « nucléines » qui seront appelées « acides nucléiques » à partir de 1900. Dans les années quarante, il apparaîtra que ces deux types d’acides nucléiques correspondent à l’ADN et à l’ARN.
Entre 1882 et 1900, Kossel isole cinq bases à partir de ces acides nucléiques :
La thymine (T) est présente dans l’ADN. Dans l’ARN elle est remplacée par l’uracile.
La séquence de ces bases dans l’ARN et l’ADN permet de définir les schémas de construction de tous les êtres vivants, des virus à l’homme.
Phoebus Levene
http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/levene-phoebus-a.pdf
Phoebus Levene est un biochimiste américain d’origine russe qui effectua l’essentiel de ses recherches au Rockefeller Institute à New York. Il s’était formé à l’analyse des acides nucléiques en Allemagne, notamment dans le laboratoire de Kossel. En 1909, avec son collègue Walter Jacobs, ils isolent un sucre, le ribose, à partir des acides nucléiques de levure. En 1929, il découvre le désoxyribose.
Il découvrit que les sucres qu’il avait isolés se liaient à un groupe phosphate et aux bases précédemment découvertes pour former des structures qu’il appela nucléotides :
Il démontra également que ces nucléotides pouvaient se lier les uns aux autres afin de former des chaînes de longueur variable. Le sucre et les groupes phosphates forment un squelette auquel viennent s’accrocher les bases :
Chaîne d’ADN à 4 nucléotides
ADN et transmission de l’hérédité
Jusque dans les années 1940, la majorité des scientifiques pensait que la transmission des caractères héréditaires était due aux protéines. Il était difficile de concevoir comment l’on pouvait transmettre l’information nécessaire pour générer l’ensemble des êtres vivants avec 5 « nucléotides». Une étape importante fut franchie avec les résultats expérimentaux d’Avery et de ses collaborateurs.
Oswald Avery (1877-1955)
Dans les années 1940, Oswald Avery, Colin Mac Leod et Maclyn McCarty, travaillaient au Rockefeller Institute à New York et cherchaient à déterminer la nature du facteur permettant de transmettre les caractères héréditaires dans des bactéries de type pneumocoques. Utilisant plusieurs types de ciseaux moléculaires, ils constatent que seuls ceux coupant l’ADN interrompent cette transmission. Ils en déduisent que l’ADN joue un rôle prépondérant comme support de l’hérédité. Leurs résultats sont publiés en 1944 : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2135445/
Erwin Chargaff
Chargaff était un biochimiste d’origine autrichienne qui émigra aux Etats-Unis en 1935 avec la montée du nazisme. Alors qu’il travaillait à l’université Columbia à New York, il s’intéressa à l’ADN, suite à la publication d’Avery et col. de 1944. Il analysa la composition en nucléotides d’ADN provenant de différents organismes vivants. Dès 1947, il constata que la quantité d’adénine (A) était toujours égale à la quantité de thymine (T) et que la quantité de cytosine (C) était toujours égale à la quantité de guanine (G). Ces résultats seront d’un intérêt majeur pour Watson et Crick lors de la conception de leur modèle en double hélice.
Alfred Hershey et Martha Chase : ADN et transmission de l’hérédité chez les virus
Dans les années 40, des microbes jusqu’alors « invisibles » devinrent visibles avec l’arrivée de la microscopie électronique et furent identifiées comme des virus. https://www.pnas.org/content/pnas/28/4/127.full.pdf
Parmi ces virus furent mis en évidence les bactériophages ou « mangeurs de bactéries ». Ces virus infectent les bactéries de façon très spécifique. Ainsi, les phages détruisant les staphylocoques ne détruiront pas d’autres types de bactéries.
Bactériophages en microscopie électronique à balayage
Ces bactériophages ressemblent à des modules d’exploration lunaire et s’accrochent à la surface des bactéries par l’intermédiaire de six fibres ressemblant à des pattes d’insectes. La capside située à leur sommet, constituée de protéines, contient de l’ADN (ou de l’ARN).
En 1952, Alfred Hershey et Martha Chase démontrent que l’ADN est le support de l’information héréditaire de ces virus .
.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2147348/pdf/39.pdf
J. D. Watson et F. Crick
Parmi d’autres chercheurs travaillant sur les bactériophages et faisant partie d’un réseau informel appelé « groupe des phages », se trouvait James Dewey Watson, un jeune scientifique américain. Suite aux résultats montrant que l’ADN était le support de l’hérédité chez les bactéries et les virus à ADN, il décide de se focaliser sur la structure en 3D de l’ADN.
En 1951, il rejoint le laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge, spécialisé dans l’étude des molécules biologiques par radiocristallographie X. Il y rencontre un physicien anglais de 12 ans son aîné, Francis Crick, avec lequel il fera équipe. Ils sont particulièrement impressionnés par les travaux d’un chimiste américain, Linus Pauling, qui vient de démontrer qu’une partie de la structure en 3D des protéines est constituée d’hélices. Outre ses études sur les protéines, Linus Pauling est également considéré comme un des acteurs majeurs pour l’étude des liaisons chimiques, travail pour lequel il recevra le prix Nobel en 1954. Pauling proposa également un modèle de structure de l’ADN à trois hélices qui s’avéra erroné.
Watson et Crick se rapprochent également de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins, une équipe de cristallographes travaillant sur la structure de l’ADN au King’s College de Londres. Ils ont notamment accès au 51ème cliché réalisé par Rosalind Franklin et Raymond Gosling à partir de cristaux d’ADN.
A partir des éléments découverts au fil de plusieurs décennies (squelette phosphate-sucre, bases, clichés de diffraction) James Watson et Francis Crick proposent un modèle de structure de l’ADN en double hélice qui sera publié dans la revue Nature le 25 avril 1953. https://tetrad.ucsf.edu/sites/tetrad.ucsf.edu/files/media/Watson and Crick- Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid %281953%29 Nature 171- 964-967..pdf
Cet article consiste en la description du schéma suivant :
Les deux rubans ou chaînes symbolisent le squelette phosphate-sucre et les barreaux horizontaux les paires de base permettant de maintenir la structure sous forme de double hélice.
Explicitons ce schéma :
La nouveauté du modèle de Watson et Crick réside dans la proposition de deux chaînes et dans la manière dont elles sont reliées entre elles.
Dans ce modèle, la double hélice d’ADN est constituée de paires adénine-thymine (A-T) et guanine-cytosine (G-C).
Cette spécificité est liée au fait que l’adénine (A) et la thymine (T) sont reliées par deux liaisons alors que la guanine (G) et la cytosine (C) sont reliées par trois liaisons. Ces liaisons, dites liaisons hydrogène, sont de faible énergie, mais leur présence en nombre important assure la cohésion de l’ADN.
La succession des bases sur une chaine est appelée séquence. Il s’ensuit que si la séquence des bases est définie sur une chaîne, la séquence sur l’autre chaîne est automatiquement déterminée. Pour Watson et Crick, cet agencement des bases suggère un mécanisme possible pour la transmission des caractères héréditaires lors des divisions cellulaires.
Ils détaillèrent cette idée dans un nouvel article de Nature publié le 30 mai 1953. https://tetrad.ucsf.edu/sites/tetrad.ucsf.edu/files/media/Watson and Crick- Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid %281953%29 Nature 171- 964-967..pdf
Ce modèle de transmission peut être illustré de la façon suivante :
Ce modèle implique une ouverture de la double hélice, suivie d’une réplication à l’identique de chaque brin ancien. Chaque nouvelle hélice d’ADN formée ne contient donc que la moitié de l’hélice initiale.
La pertinence de ce modèle fut expérimentalement démontrée en 1958 par les américains Meselson et Stahl chez la bactérie Escherichia coli.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC528642/pdf/pnas00686-0041.pdf
En 1962, James Watson, Francis Crick et Maurice Wilkins reçoivent le prix Nobel de physiologie ou médecine « pour leurs découvertes concernant la structure moléculaire des acides nucléiques et sa signification pour le transfert d’informations en matière de vie ».
Rosalind Franklin qui avait activement participé à cette avancée scientifique est décédée en 1958, à l’âge de 37 ans, d’un cancer probablement causé par la surexposition aux rayons X qu’elle utilisait pour réaliser ses clichés de diffraction.
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