Quelques notions de biologie (niveau 2 !)

Rassurez-vous, la présentation de ces notions ne sera pas l'occasion d'un cours magistral de biologie moléculaire, même si le niveau d'explication sera plus soutenu que notre introduction. Nous avons uniquement rassemblé ici ce qui peut être utile pour comprendre un peu plus finement la fabrication d'un OGM. Nous le présentons à partir d'une observation des fonctions biologiques d'un organisme pour remonter à la génétique, comme cela s'est fait historiquement. Ces notions ne sont pas nécessaires pour comprendre ce que sont les OGM. Elles donnent une version plus correcte, mais encore incomplète comme nous tenterons de le mettre en évidence.

Pour les gens pressés, nous avons mis un résumé en fin de page.

En fait, ces notions forment comme une superbe histoire, la plus belle peut-être : celle de la Vie sur la terre, de la reproduction des espèces et de leur sélection, avec ce que cela peut aussi avoir de dur (mais sans aucune valeur morale !).

Qu'est-ce qu'un gène ?

Prenons donc un exemple : les poissons arctiques vivent dans des eaux très froides. Il faut donc que leur sang ne gèle pas. Il existe des protéines (substances produites par les cellules) qui permettent au sang de ne pas geler. Elles ont un effet d'antigel (naturel). Or ces protéines sont produites par les cellules sanguines des poissons arctiques. Donc il existe une information génétique qui code pour cette protéine-antigel dans la cellule et celle-ci n'est exprimée que dans certaines cellules.

Qu'est-ce que l'ADN (Acide Désoxyribo-Nucléique) ? C'est est une très longue molécule support de l'information génétique. Cette molécule, dépliée, mesure deux mètres chez l'homme, voire plusieurs centaines de mètres chez les batraciens, alors qu'elle loge dans une cellule de moins d'un millième de millimètre, ce qui prouve qu'elle est bien repliée, pelotonnée ! Comme on s'en doute, l'information codant pour la protéine antigel est cachée dans l'ADN. Nous dirons pour l'instant qu'un gène est le morceau de l'ADN qui contient toute l'information nécessaire pour produire cette protéine (ce n'est que partiellement vrai). Cette protéine confère alors une fonction à l'organisme ou à la cellule. Dans notre exemple, la fonction est d'éviter que le sang ne gèle grâce à la protéine antigel.

En fait, les professionnels de ce terme (essentiellement scientifiques, mais aussi juristes) reconnaissent qu'ils ne peuvent se mettre d'accord sur aucune définition raisonnable de ce mot. Cela donne à réfléchir sur ce discours que l'on appelle biologie moléculaire et dont certains contestent que ce soit une science [Pic].
Ainsi, La Recherche a questionné 18 professionnels du gène et a eu bien plus de 18 définitions plus ou moins contradictoires [définition] ! On pourra aussi consulter l'excellent (mais énorme) livre de André Pichot [1].

Il nous faut maintenant expliquer plus précisément les rapports entre la protéine et le gène avant de revenir à nos poissons arctiques.

Protéines et gènes

Les protéines sont des molécules, assemblages d'acides aminés. Ceux-ci sont en nombre faible dans la nature (seulement 20 ! ). Ils constituent donc les briques élémentaires des protéines comme les lettres sont les briques élémentaires des mots, ou des phrases.
Insistons sur le fait que les briques élémentaires d'une protéine font forcément partie de cette vingtaine d'acides aminés. Et ce, que la cellule qui produit cette protéine soit humaine, animale, végétale ou bactérienne !

Les gènes sont des morceaux de la très longue molécule ADN et sont constitués, eux aussi de briques élémentaires. Ces briques sont appelées bases et sont au nombre de seulement quatre dans le règne bactérien, végétal et animal, à une seule exception près. Ces bases portent les noms de Guanine, Adénosine, Thymine, Cytosine : les initiales G.A.T.C. sont souvent utilisées. Il ne faut pas confondre ces bases et les acides aminés, qui sont les briques élémentaires des protéines.

Trois bases successives dans l'ADN sont appelées un codon. Un codon code pour un acide aminé. Donc dans la synthèse d'une protéine, les bases sont lues par les éléments de la cellule, qu'on regroupe parfois sous le terme mécaniste de "machinerie cellulaire" (cette appellation induit une vision uniquement mécaniste, donc fausse, mais c'est l'expression qu'emploient les scientifiques). Quand celle-ci a lu trois bases à la suite, elle peut appeler l'acide aminé correspondant pour l'accoler à la protéine en cours de synthèse. En clair, quand les éléments cellulaires (sur lesquels nous n'insisterons pas) lisent, à la suite, les codons de la séquence codante d'un gène, ils peuvent synthétiser une protéine en accolant successivement les acides aminés de la protéine, correspondant à chacun des codons du gène. Le gène étant une liste ordonnée de bases et donc de codons, la machinerie cellulaire pourra en déduire la liste ordonnée d'acides aminés correspondant : la protéine. On trouvera une tentative de représentation dans la figure 2.

Comment une fonction peut-elle apparaître dans la nature ?

Les mutations aléatoires peuvent faire qu'un poisson qui nage sous nos latitudes acquière un gène qui lui permette de produire cette protéine-antigel. Mais cela ne lui confère aucun avantage sélectif car l'eau de la mer sous nos latitudes ne descend pas en-dessous de zéro. Cependant, s'il s'aventure près des pôles, il pourra résister à l'eau qui gèle. Cette fois, il aura plus de chances de se reproduire. Certains disent que cela propage le gène, mais cette vision revient à considérer que le gène poursuit un but, ce qui semble douteux ... On dira plutôt, en termes darwiniens, que ce gène confère au poisson un avantage concurrentiel, un avantage sélectif ou qu'une pression de sélection s'exerce par l'intermédiaire du milieu pour avantager les poissons qui auront un tel gène. C'est ce qu'on appelle la pression de sélection. Elle a pour effet de sélectionner les individus.

Quelques rudiments de sélection des espèces

La plupart des biologistes (à quelques exceptions près) considèrent, à la suite de Darwin et des néo-darwinistes, que les organismes ne mutent pas pour avoir une fonction. Ils mutent de façon aléatoire et, quand la mutation leur donne un avantage concurrentiel, ils ont plus de descendance, bref, leurs gènes sont plus représentés. Cela permet d'éviter de supposer une finalité au monde, une téléologie. Parfois, on traduit cela en disant que «le gène se multiplie», mais c'est une déformation du sens biologique. Encore une fois, pour la biologie, on ne mute pas pour être plus adapté. C'est si l'on est mieux adapté qu'on a plus de chances de se multiplier .

Mais ce n'est pas fini car la nature fait bien les choses et un gène peut ne s'exprimer que dans une partie des cellules de l'organisme (les cellules sanguines dans l'exemple du poisson qui ne gèle pas). C'est le rôle du promoteur du gène qui est une petite partie en début du gène. Il marque le début du gène, dit si le gène s'exprimera et avec quelle intensité, et où il s'exprimera (cellules sanguines, nerveuses, muscles, ...). Bref, le promoteur a un rôle de régulateur-interrupteur (se méfier des images trop simples :). L'expression du gène signifie toujours la production d'une protéine (ou plusieurs ...), fût-ce de façon conditionnelle.

Un exemple végétal

Prenons un exemple dans le règne végétal. La chlorophylle est une protéine qui donne sa couleur verte aux feuilles de plantes. Or tout le monde voit bien que les racines et le tronc d'une plante ne sont pas verts. C'est parce que le promoteur ne permet l'émission que dans les cellules des feuilles et pas dans les pétales ou les racines.

De même, le gène doit avoir un terminateur (pas de rapport avec Terminator !) qui marque la fin de la séquence codante, comme un point marque la fin d'une phrase.

[Dessin pour expliquer que le promoteur dit le début, la séquence codante dit les instructions et le terminateur dit la fin. Faire attention à mettre des bases AVANT et APRES. ]

Un gène = une fonction ?

On pourrait croire, à la lecture des explications précédentes, faciles à comprendre car on a en tête la vision mécaniste de la synthèse de protéine, qu'un gène ne peut coder que pour une seule protéine. En fait, c'est nettement plus compliqué. On peut craindre que cette vision mécaniste, que même nous, nous reprenons, ait principalement pour effet d'accoutumer au bidouillage du vivant ... ce qui n'est vraiment pas notre but !

Eh non, un gène n'est pas associé à une seule fonction. Pour plusieurs raisons.

  1. Il existe des possibilités que la lecture des informations du génome comporte des embranchements. Ainsi, un même gène peut, selon ce que les mécanistes appellent la "machinerie cellulaire" ou que nous appellerons le milieu ambiant de la cellule, lire une partie ou une autre de la séquence codante. Donc la protéine synthétisée sera différente. On a ainsi pu montrer qu'une même séquence codante pouvait engendrer plus de 38 000 formules linéaires de protéines ! [Schmucker]
  2. On a montré [2] que la présence d'un gène augmentait le risque de maladie cardio-vasculaire. Pour autant, on aussi montré que ce gène était particulièrement présent chez les centenaires ... L'explication de ce paradoxe apparent est que si l'on passe 40 ans, ce gène semble donner plus de chances d'atteindre 100 ans. Les notions de "bon gène" ou de "mauvais gène" sont décidément bien sujettes à caution !
  3. il existe des codons spécifiques à une espèce qui traduisent un temps mort dans la synthèse de la protéine et donc modifient son repliement. Même si la formule linéaire est strictement identique, la protéine, une fois repliée, n'aura pas les mêmes sites actifs (fraction de la molécule qui est en périphérie de la boule que constitue la molécule repliée). Donc pas les mêmes fonctions. Mais bien que cela soit bien connu de tous les scientifiques (privés comme publics) aucun ne s'en préoccupe. Sinon, il faudrait envisager d'arrêter le Progrès ... ce que les progressistes se refusent par principe !

De même, Hervé Le Guyader [3] (spécialiste de biologie du développement) dit :

Ainsi l'idée qu'un segment particulier d'ADN ne code qu'une seule protéine ne tient plus. Par exemple, une même séquence d'ADN peut être traduite par deux phases différentes de lecture, donnant naissance à deux protéines différentes [4] ; plus fondamentalement, la structure en mosaïque des gènes (introns codants, exons non codant [?]) remet en cause le concept de gène, étant donné que, par épissage différentiel (c'est à dire choix de certains introns parmi la panoplie présente), un même ARN messager peut donner naissance à une famille de protéines [5].

Codons et acides aminés

Il nous faut maintenant dire un point plus technique que l'on pourra sauter en première lecture. Vu le faible nombre d'acides aminés (20) par rapport au nombre de codons différents (64=4^3), plusieurs codons différents peuvent coder pour un même acide aminé. Ainsi les codons TCT, TCC, TCA, TCG, AGT et AGC codent pour le même acideaminé ; la sérine.

Malgré l'universalité du code génétique, on a pu constater, sans pouvoir l'expliquer, que certains codons, qui codent pour un acide aminé, sont " préférés " par une espèce et d'autres ne sont même pas utilisés.
En clair, un gène pris dans une espèce peut très bien ne pas fonctionner/s'exprimer, inséré tel quel dans une autre espèce, si cette dernière n'utilise pas ce codon habituellement. Il faudra alors remplacer ce codon, inconnu de l'espèce hôte, par un autre plus habituel à cette espèce, codant pour le même acide aminé, pour que la " machinerie cellulaire " puisse fonctionner. Bien sûr, les codons remplacés codant pour le même acide aminé, la protéine produite aura la même formule linéaire (ce qui n'est pas dire qu'elle aura la même fonction), mais le gène aura quand même été modifié.

Les limites de la génétique

On pourra trouver un premier type de limite, très abstrait et fondamental, dans la conférence qu'a faite André Pichot (historien des sciences au CNRS). Présentons en deux autres.

Un être vivant (bactérie, plante, animal) ne se réduit pas à sa génétique. Son histoire, son éducation, ses interactions avec son milieu naturel le forment également. Il est donc le produit mêlé de sa génétique et de son " histoire ". Hélas, de nombreux scientistes parlent de gènes comme déterminant l'homme (gène de la dépression, de l'homosexualité, ...) alors que l'homme est aussi un être culturel. Cette thèse du tout génétique n'est quasiment jamais défendue aussi brutalement. Mais sa simplicité fait que même quand elle n'est pas explicitement défendue par un vulgarisateur, un lecteur d'attention moyenne comprendra selon ce modèle. A l'autre extrême, on prendra garde à ne pas croire que l'homme (et les animaux plus généralement), n'est pas influencé, voire déterminé en partie, par des gènes. Si un gène est associé à un comportement, il n'y a pas de raison que si l'on insère le gène, le comportement n'apparaisse pas ou ne soit pas modifié (cf. un article sur le gène de la fidélité).

On retiendra deux extrêmes. Les premiers font l'erreur de considérer que l'homme n'est qu'un être de culture et négligent, voire méprisent, l'aspect matériel, être de chair (en gros, les spiritualistes, les idéalistes, les humanistes). Leurs motivations ont été discutées par Isabelle Rieusset-Lemarié dans [5] et le compte-rendu de la conférence qu'elle nous a faite est clair. Ils considèrent que la génétique est seule à expliquer tout. L'autre extrême consiste à croire que la génétique pourra expliquer tous les comportements, dans un délire scientiste proche de ceux du XIX ème siècle. Notre position, intermédiaire mais farouchement opposée à ces deux extrêmes, est de dire que quand on aura identifié et compris assez de gènes, il sera possible (et se voiler la face est suicidaire), de rectifier, dessiner (au sens anglais de design) un humain et plusieurs de ses propriétés (certes pas toutes, mais un grand nombre), même si la culture, la réflexion, peuvent, très souvent, obtenir le même résultat. On pourra lire l'exemple d'un gène de la fidélité [7].

Une autre limite de la génétique est qu'à chaque fois que nous avons dit qu'un gène contient l'information pour synthétiser un eprotéine, c'est comme si nous avions dit que la recette du canard aux myrtilles est dans le livre de X. Cela oublie que la recette n'est pas le plat. De même qu'il faut une personne, une conscience, pour faire le canard aux myrtilles (en plus du canard :), il faut un ordre pour que le gène synthétise la protéine. Comme le disent Sonigo et Kupiec [8], le modèle mécaniste oublie qu'il lui faut une instruction, une commande, pour synthétiser la protéine. Le modèle mécaniste repousse la source de l'instruction à l'extérieur, sans jamais dire d'où elle vient. Cette interprétation pourrait alors être considérée comme presque mystique ... ce qui n'est pas le moindre des paradoxes de cette discipline.

Résumé :

Un gène est constitué d'un promoteur (interrupteur + localisateur), d'une séquence codante et d'un terminateur (marque de fin de séquence codante). La séquence codante est constituée de codons (groupe de trois bases GTAC). Un codon permet à la "machinerie cellulaire" d'appeler un unique acide aminé associé. La lecture successive des codons de la séquence codante permet de synthétiser une protéine qui est une suite d'acides aminés et qui a une fonction biologique. Plusieurs codons peuvent représenter un même acide aminé.

Quelques références :

[Pic] André Pichot, Sur la notion de programme génétique. Philosophiae Scientiae 6 (1) 2002, 163-172
[définition] La Recherche n° 348 déc. 2001 pp. 51-56
[1] André Pichot Histoire de la notion de gène Champs Flammarion 1999
[Schmucker] Dietmar Schmucker et al. Drosophilia DSCAM is an axon guidance receptor exhibiting extraordinary molecular diversity, Cell 9 juin 2000 101(6): 672-684
[2] Toupance B, et al. A model for antagonistic pleiotropic gene action for mortality and advanced age Am. J. Hum. Genet. 1998 Juin 62(6):1525-34 .
[3] Hervé Le Guyader, Qu'est -ce qu'un gène ? Une petite historie du concept Le courrier de l'environnement de l'INRA n° 44 octobre 2001 p.53-63
[4] Comme par exemple chez le phage Øx174 ; voir le chapitre 1 « Un peu plus d'un siècle de génétique ... » rédigé par J. Deutsch dans Rossignol J.L. 2000 Génétique, gènes et génomes. Dunod Paris p. 19
[5] Sur l'épissage, voir par exemple Rossignol J.L. 1996 Génétique, Masson Paris p. 197
[6] Isabelle Rieusset-Lemarié La société des clones à l'ère du multimédia Actes Sud 1999
[7] Existe-t-il un gène de la monogamie ? L'écologiste décembre 2001.Voir une version sur notre site.
[8] Sonigo et Kupiec Ni dieu ni gène. Pour une autre théorie de l'hérédité, Jean-Jacques Kupiec et Pierre Sonigo (Seuil, coll. Science ouverte, 230 pp., 130 F).

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