Gènes et chromosomes

Les gènes sont constitués d’acide désoxyribonucléique (ADN). L’ADN contient le code, ou modèle, utilisé pour synthétiser une protéine ou une molécule d’acide ribonucléique (ARN). La taille d’un gène varie en fonction de la taille de la protéine ou de l’ARN pour laquelle/lequel il code.

Chaque molécule d’ADN est constituée d’une longue double hélice semblable à un escalier en colimaçon qui aurait des millions de marches. Les marches de l’escalier sont formées de quatre types de molécules, appelées bases (nucléotides), associées par paire. À chaque marche, la base adénine (A) est couplée à la base thymine (T), ou la base guanine (G) à la base cytosine (C). Chaque molécule d’ADN extrêmement longue est enroulée dans l’un des chromosomes.

Structure de l’ADN

L’ADN (acide désoxyribonucléique) constitue le matériel génétique cellulaire, contenu dans les chromosomes du noyau cellulaire et des mitochondries. À l’exception de certaines cellules (par exemple, les spermatozoïdes, les ovules et les globules rouges), le noyau d’une cellule contient 23 paires de chromosomes. Un chromosome porte de nombreux gènes. Un gène est un segment d’ADN qui fournit le code nécessaire pour fabriquer une protéine ou une molécule d’ARN. La molécule d’ADN est une longue double hélice, semblable à un escalier en colimaçon. Elle comprend deux brins formés d’un sucre (le désoxyribose) et de molécules de phosphate reliées entre elles par quatre molécules appelées bases associées par paires, qui forment les marches de l’escalier. Dans les barreaux, l’adénine est couplée à la thymine et la guanine à la cytosine. Chaque paire de bases est reliée par une liaison hydrogène. Un gène est constitué d’une séquence de bases. Les séquences de trois bases codent pour un acide aminé (les acides aminés sont les briques qui constituent les protéines) ou pour d’autres informations.

Les protéines sont composées d’une longue chaîne d’acides aminés liés entre eux l’un après l’autre. Il existe 20 acides aminés différents qui peuvent être utilisés dans la synthèse des protéines ; certains doivent provenir de l’alimentation (acides aminés essentiels), et d’autres sont produits par des enzymes présents dans l’organisme. Au fur et à mesure de l’assemblage d’une chaîne d’acides aminés, elle se replie sur elle-même pour créer une structure tridimensionnelle complexe. C’est la forme de cette structure repliée qui détermine sa fonction dans l’organisme. Le repliement étant déterminé par l’enchaînement précis des acides aminés, chaque séquence différente conduit à une protéine différente. Certaines protéines (comme l’hémoglobine) contiennent plusieurs chaînes distinctes repliées. Les instructions de synthèse des protéines sont codées dans l’ADN.

Les informations sont codées au sein de l’ADN par la disposition des bases (A, T, G et C) suivant une séquence précise. Le code est écrit sous forme de triplets, c’est-à-dire que les bases sont regroupées par trois. Des séquences particulières de trois bases dans l’ADN codent pour des instructions spécifiques, comme l’addition d’un acide aminé à une chaîne. Par exemple, GCT (guanine, cytosine, thymine) code pour l’ajout de l’alanine (acide aminé), et GTT (guanine, thymine, thymine) code pour l’ajout de la valine, un acide aminé. Par conséquent, la séquence d’acides aminés d’une protéine est déterminée par l’ordre des paires de triplet de bases dans le gène correspondant à cette protéine au sein de la molécule d’ADN. Le processus de transformation de l’information génétique codée en une protéine implique la transcription et la traduction.

La transcription est le processus par lequel l’information codée dans l’ADN est transférée (transcrite) en acide ribonucléique (ARN). L’ARN est une longue chaîne de bases, similaire à un brin d’ADN, sauf que la base uracile (U) remplace la base thymine (T). L’ARN contient donc des informations codées sous la forme de triplets comme l’ADN.

Lorsque la transcription est initiée, une portion de la double hélice d’ADN s’ouvre et se déroule. L’un des brins d’ADN déroulés sert de matrice pour la formation d’un brin complémentaire d’ARN. Le brin complémentaire d’ARN est appelé ARN messager (ARNm). L’ARNm se sépare de l’ADN, quitte le noyau, et se déplace dans le cytoplasme cellulaire (partie de la cellule extérieure au noyau). L’ARNm se fixe alors à un ribosome, structure cellulaire minuscule où se produit la synthèse des protéines.

Lors de la traduction, le code de l’ARNm (provenant de l’ADN) indique au ribosome l’ordre et le type d’acides aminés à assembler. Les acides aminés sont amenés au ribosome par un ARN beaucoup plus petit appelé ARN de transfert (ARNt). Chaque molécule d’ARNt transporte un acide aminé qui sera ajouté à la chaîne de la protéine en formation. Cette chaîne se replie pour adopter une structure tridimensionnelle complexe sous l’influence des molécules adjacentes, appelées molécules chaperonnes.

Le corps d’une personne contient de nombreux types de cellules, par exemple les cellules cardiaques, les cellules hépatiques et les cellules musculaires. Ces cellules sont distinctes d’aspect, agissent différemment et produisent des substances chimiques très différentes. Toutefois, chaque cellule est issue d’un seul ovule fécondé et par conséquent contient principalement le même ADN. Les cellules se différencient dans leurs aspects et leurs fonctions parce que des gènes distincts s’expriment dans des cellules différentes (et à des moments différents dans une même cellule). Les informations relatives au moment où un gène doit être exprimé sont également codées dans l’ADN. L’expression des gènes dépend du type de tissu, de l’âge de la personne, de la présence de signaux chimiques spécifiques, et de nombreux autres facteurs et mécanismes. La connaissance de ces autres facteurs et mécanismes qui contrôlent l’expression génétique progresse rapidement, mais beaucoup de ces facteurs et mécanismes restent encore mal compris.

Les mécanismes par lesquels les gènes se contrôlent les uns les autres sont très compliqués. Les gènes sont dotés de marqueurs chimiques qui indiquent où la transcription doit commencer et se terminer. Diverses substances chimiques (comme les histones) présentes sur et autour de l’ADN bloquent ou autorisent la transcription. En outre, un brin d’ARN appelé ARN antisens peut s’apparier avec un brin complémentaire de l’ARNm et bloquer la traduction.

Les cellules se reproduisent en se divisant en deux. Comme chaque nouvelle cellule doit avoir un ensemble complet de molécules d’ADN, les molécules d’ADN de la cellule d’origine doivent se dupliquer (répliquer) au cours de la division cellulaire. Le processus de réplication est similaire à celui de la transcription, à l’exception que toute la molécule d’ADN double-brin se déroule et se scinde en deux. Après l’ouverture de l’ADN, les bases de chaque brin se lient à des bases complémentaires (A avec T et G avec C) flottant à proximité. Une fois terminé, ce processus aura permis la formation de deux molécules d’ADN double-brin identiques.

Pour éviter les erreurs lors de la réplication, les cellules ont une fonction de « correction sur épreuves » afin que les bases soient appariées correctement. Il existe également des mécanismes chimiques de réparation de l’ADN qui n’a pas été copié de manière appropriée. Toutefois, étant donné les milliards de paires de bases impliquées et la complexité du processus de synthèse des protéines, des erreurs peuvent se produire. Ces erreurs peuvent se produire pour de nombreuses raisons (y compris l’exposition à des radiations, des médicaments ou des virus) ou pour aucune raison apparente. Des variations mineures de la séquence de l’ADN sont très fréquentes et se produisent chez la plupart des personnes. La plupart des variations n’affectent pas les copies ultérieures du gène. Les erreurs reproduites dans les copies ultérieures sont appelées mutations.

Les mutations héritées sont les mutations qui peuvent être transférées à la descendance. Les mutations peuvent être héritées seulement lorsqu’elles affectent les cellules reproductrices (spermatozoïdes ou ovules). Les mutations qui ne concernent pas les cellules reproductrices affectent les cellules issues de la cellule mutée (par exemple, en devenant une tumeur), mais ne sont pas transmises à la descendance.

Les mutations peuvent être propres à une personne ou à une famille, et la plupart des mutations délétères sont rares. Les mutations qui deviennent si fréquentes qu’elles affectent plus de 1 % de la population sont appelées polymorphismes (par exemple, les types sanguins humains A, B, AB et O). La plupart des polymorphismes n’ont aucun effet ou peu d’effet sur le phénotype (la structure et le fonctionnement réels de l’organisme d’une personne).

Les mutations peuvent impliquer des segments d’ADN de petite ou de grande taille. En fonction de sa taille et de son emplacement, une mutation peut n’avoir aucun effet apparent ou elle peut altérer la séquence des acides aminés d’une protéine ou diminuer la quantité de protéine produite. Si la séquence d’acides aminés d’une protéine est modifiée, son fonctionnement peut s’en trouver altéré ou elle peut ne plus fonctionner du tout. L’absence d’une protéine ou son incapacité à fonctionner est souvent néfaste ou mortelle. Par exemple, dans le cas de la phénylcétonurie, une mutation entraîne le déficit ou l’absence d’une enzyme appelée phénylalanine hydroxylase. Cette carence se traduit par l’accumulation de la phénylalanine (acide aminé absorbé à partir de l’alimentation) dans l’organisme, ce qui provoque à terme un déficit intellectuel grave.

Dans de rares cas, une mutation introduit un changement avantageux. Par exemple, dans le cas du gène de la drépanocytose, lorsqu’une personne hérite de deux copies du gène anormal, la personne va développer une drépanocytose. Cependant, lorsqu’une personne hérite d’une seule copie du gène de la drépanocytose (la personne est appelée porteuse), la personne développe une certaine protection contre le paludisme (une infection du sang). Bien que la protection contre le paludisme puisse aider un porteur à survivre, la drépanocytose (chez une personne qui a deux copies du gène) provoque des symptômes et des complications qui peuvent raccourcir l’espérance de vie.

La sélection naturelle fait référence à la notion selon laquelle les mutations qui nuisent à la survie dans un environnement donné sont moins susceptibles d’être transmises à la descendance (et deviennent donc moins fréquentes dans la population), alors que les mutations qui améliorent la survie deviennent progressivement plus communes. Par conséquent, les mutations bénéfiques, bien que rares initialement, finissent par devenir fréquentes. Les changements lents qui se produisent au fil du temps en raison des mutations et de la sélection naturelle au sein d’une population métissée sont collectivement appelés évolution.

À l’exception de certaines cellules (par exemple, les spermatozoïdes, les ovules et les globules rouges), le noyau de chaque cellule humaine saine contient 23 paires de chromosomes, soit un total de 46 chromosomes. Normalement, chaque paire se compose d’un chromosome provenant de la mère et d’un autre provenant du père.

On compte 22 paires de chromosomes non sexuels (autosomiques) et une paire de chromosomes sexuels. Les chromosomes non sexuels appariés ont, pour des raisons pratiques, la même taille, forme et position et le même nombre de gènes. Étant donné que chaque chromosome d’une paire de chromosomes autosomiques contient une copie de chaque gène correspondant, en un sens, les gènes portés par les chromosomes autosomiques possèdent une sauvegarde.

La 23e paire est la paire de chromosomes sexuels (X et Y).

La paire de chromosomes sexuels détermine le sexe du fœtus. Les garçons ont un chromosome X et un chromosome Y. Le chromosome X d’un garçon vient de sa mère et le chromosome Y vient de son père. Les filles ont deux chromosomes X, l’un provenant de la mère et l’autre du père. D’une certaine façon, les chromosomes sexuels fonctionnent différemment des chromosomes non sexuels.

Le chromosome Y, plus petit, est porteur des gènes qui déterminent le sexe masculin ainsi que de quelques autres gènes. Le chromosome X porte bien plus de gènes que le chromosome Y ; beaucoup ont des fonctions en plus de la détermination du sexe et n’ont pas d’homologue sur le chromosome Y. Chez les hommes, puisqu’il n’y a pas de deuxième chromosome X, les gènes supplémentaires du chromosome X ne sont pas appariés et la quasi-totalité d’entre eux est exprimée. Les gènes portés par le chromosome X sont dits liés au sexe, ou liés à l’X.

Normalement, pour les chromosomes non sexuels, les gènes portés par les deux chromosomes d’une même paire peuvent être pleinement exprimés. Cependant, chez les femmes, la plupart des gènes portés par l’un des deux chromosomes X ne fonctionnent pas en raison d’un processus appelé inactivation du chromosome X (sauf dans les ovules des ovaires). L’inactivation du chromosome X a lieu très tôt dans la vie du fœtus. Dans certaines cellules, le chromosome X du père est inactivé, et dans d’autres cellules, l’inactivation touche le chromosome X de la mère. Par conséquent, une cellule peut exprimer un gène provenant de la mère, alors qu’une autre cellule exprime le gène provenant du père. En raison de l’inactivation du chromosome X, l’absence d’un chromosome X se traduit généralement par des anomalies relativement mineures (comme le syndrome de Turner). De ce fait, les conséquences de la perte d’un chromosome X sont beaucoup moins néfastes que celle d’un chromosome non sexuel (voir Présentation des anomalies liées aux chromosomes sexuels)

Inactivation du chromosome X

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Avec l’aimable autorisation des Drs L. Carrell et H. Williard, Case Western Reserve University School of Medicine.

Si une femme est atteinte d’une maladie dans laquelle elle a plus de deux chromosomes X, les chromosomes surnuméraires ont tendance à être inactivés. Par conséquent, avoir un ou plus de chromosomes X surnuméraires provoque bien moins de troubles du développement que ceux provoqués par un ou plus de chromosomes surnuméraires non sexuels. Par exemple, les femmes qui ont trois chromosomes X (syndrome du triple X) ne sont souvent pas affectées aux niveaux physique et mental. Les hommes qui ont plusieurs chromosomes Y (voir Syndrome XYY) peuvent présenter des anomalies physiques et mentales.

Il existe plusieurs types d’anomalies chromosomiques. Une personne peut avoir un nombre anormal de chromosomes ou présenter des régions anormales sur un ou plusieurs chromosomes. Nombre de ces anomalies peuvent être diagnostiquées avant la naissance (voir Détection d’anomalies chromosomiques et génétiques).

Les anomalies du nombre de chromosomes non sexuels entraînent généralement de graves infirmités. Par exemple, la présence d’un chromosome non sexuel surnuméraire peut être fatale à un fœtus ou peut conduire à des anomalies telles que le syndrome de Down, qui se produit généralement lorsqu’une personne a trois copies du chromosome 21. L’absence d’un chromosome non sexuel est fatale pour le fœtus.

Un chromosome peut présenter de vastes régions anormales, généralement parce que toute une zone a été perdue (délétion) ou placée par erreur sur un autre chromosome (translocation). Par exemple, la leucémie myéloïde chronique est parfois provoquée par la translocation d’une partie du chromosome 9 sur le chromosome 22. Cette anomalie peut être héréditaire ou le résultat d’une nouvelle mutation.

Les mitochondries sont des structures minuscules à l’intérieur des cellules, qui synthétisent des molécules utilisées à des fins énergétiques. Chaque cellule contient 1 000 à 2 500 mitochondries. Contrairement à d’autres structures internes aux cellules, chaque mitochondrie contient son propre chromosome circulaire. Ce chromosome contient de l’ADN (ADN mitochondrial) contenant 37 gènes qui codent pour 13 protéines, divers ARN et plusieurs enzymes. L’ADN mitochondrial provient généralement uniquement de la mère parce que, d’ordinaire, quand un ovule est fécondé, seules les mitochondries de l’ovule sont transmises à l’embryon. Les mitochondries du spermatozoïde ne font, d’habitude, pas partie de l’embryon.