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Expériences classiques : l'ADN en tant que matériel génétique

Expériences réalisées par Frederick Griffith, Oswald Avery et ses collègues, ainsi que par Alfred Hershey et Martha Chase.

Introduction

Notre compréhension moderne du rôle de l'ADN dans l'hérédité a conduit à de nombreuses applications pratiques, telles que l'analyse médico-légale, les tests de paternité et le dépistage génétique. Grâce à ces utilisations variées, beaucoup de personnes ont aujourd’hui, au moins, une idée de ce qu'est l’ADN.
Il est donc peut-être surprenant d'imaginer qu'il y a moins d'un siècle, même les membres les plus éduqués de la communauté scientifique ne savaient pas que l'ADN était le matériel de l'hérédité !
Dans cet article, nous allons examiner certaines des expériences classiques qui ont conduit à l'identification de l'ADN en tant que vecteur de l'information génétique.

Protéine versus ADN

Les travaux de Gregor Mendel ont montré que les traits (comme la couleur des fleurs des plantes de pois) n'étaient pas hérités directement, mais plutôt encodés par des gènes transmis par les parents à la descendance. Au tournant du XXe siècle, les recherches d'autres scientifiques, notamment de Theodor Boveri, Walter Sutton, et Thomas Hunt Morgan, ont établi que les facteurs héréditaires de Mendel étaient très probablement portés par les chromosomes.
Les scientifiques ont d'abord pensé que les protéines qui accompagnent l'ADN sur les chromosomes seraient le matériel génétique recherché. Les protéines étaient connues pour avoir diverses séquences d'acides aminés, tandis que l'ADN était considéré comme un polymère répétitif et ennuyeux, en partie à cause d'une modélisation incorrecte (mais populaire) de sa structure et de sa composition1.
Aujourd'hui, on sait que l'ADN n'est pas répétitif et peut transporter de grandes quantités d'informations, comme on le verra en détail dans l'article sur la découverte de la structure de l'ADN. Mais comment les scientifiques sont-ils parvenus à la conclusion que cet ADN "ennuyeux" pouvait en fait être le matériel génétique ?

Frederick Griffith : la transformation bactérienne

En 1928, le bactériologiste anglais Frederick Griffith a mené une série d'expériences sur des souris, avec la bactérie Streptococcus pneumoniae. Griffith n'essayait pas d'identifier le matériel génétique, mais plutôt de développer un vaccin contre la pneumonie. Pour ses expériences, il a utilisé deux souches apparentées de bactéries, connues sous le nom de R et S.
  • La souche R. Lorsqu'on la cultive dans une boîte de pétri, la souche R forme des colonies, ou des amas de bactéries, qui ont des bords bien définis et une apparence rugueuse ("rough" en anglais, d'où l'abréviation "R"). Les bactéries R ne sont pas virulentes, ce qui signifie qu’elles n'induisent pas de maladie quand on les injecte chez la souris.
  • La souche S. La souche S forme des colonies arrondies et lisses ("smooth" en anglais, d'où l'abréviation "S"). L'aspect lisse est dû à une couche de polysaccharides, ou sucres, produite par les bactéries S. Cette couche les protège du système immunitaire de la souris et rend cette souche virulente (susceptible d'induire une maladie). Les souris inoculées avec des bactéries S vivantes ont développé une pneumonie et en sont mortes.
Dans le cadre de ses expériences, Griffith a injecté dans des souris des bactéries S inactivées par la chaleur (c'est-à-dire avec des bactéries S chauffées au préalable à haute température, provoquant la mort des cellules). Sans surprise, les bactéries S tuées par la chaleur n'ont pas provoqué de maladie chez les souris.
Cependant, les expériences ont pris une tournure inattendue lorsque des bactéries R inoffensives ont été combinées à des bactéries S tuées par la chaleur et injectées ensemble chez la souris. Non seulement, la souris a développé une pneumonie et en est morte, mais quand Griffith a prélevé un échantillon de sang chez la souris morte, il a découvert qu'il contenait des bactéries S vivantes !
_Image modifiée à partir de "Griffith experiment," par Madeleine Price Ball (CC0/domaine public)._
Griffith a conclu que les bactéries de la souche R devaient avoir reçu ce qu'il a appelé un "principe transformant" de la part des bactéries S tuées par la chaleur. C'est ce qui a permis de "transformer" les bactéries R en bactéries lisses et de les rendre virulentes.

Avery, McCarty et MacLeod : identification du principe transformant

En 1944, trois chercheurs canadiens et américains, Oswald Avery, Maclyn McCarty et Colin MacLeod, ont décidé d'identifier le "principe transformant" de Griffith.
Pour ce faire, ils ont d'abord réalisé de grandes cultures de bactéries S, qu'ils ont inactivées par la chaleur. Puis, en suivant une longue série d'étapes biochimiques (déterminées par une expérimentation minutieuse), ils ont progressivement purifié le principe transformant par lavage, séparation ou destruction enzymatique des autres composants cellulaires. Grâce à cette méthode, ils ont pu obtenir de petites quantités de principe transformant hautement purifié, qu'ils ont ensuite analysé et soumis à d'autres tests afin de déterminer son identité2.
Plusieurs faisceaux de preuves ont suggéré à Avery, ainsi qu'à ses collègues que le principe transformant pourrait être de l'ADN2 :
  • La substance purifiée a donné un résultat négatif lors de tests chimiques connus pour détecter les protéines, mais un résultat fortement positif lors d'un test chimique connu pour détecter l'ADN.
  • La composition élémentaire du principe transformant purifié ressemblait fortement à celle de l'ADN quant à sa proportion d'azote et de phosphore.
  • Les enzymes qui dégradent des protéines et de l’ARN ont eu peu d’effet sur le principe transformant, mais les enzymes capables de dégrader l’ADN ont éliminé l’activité transformante.
Ces résultats ont tous indiqué que l'ADN était probablement le principe transformant. Toutefois, Avery a été prudent dans l'interprétation de ses résultats. Il a réalisé qu'il était possible qu'une substance contaminante (présente en faible quantité), autre que de l'ADN, soit le véritable principe transformant3.
En raison de cette incertitude, le débat sur le rôle de l'ADN s'est poursuivi jusqu'en 1952, quand Alfred Hershey et Martha Chase ont utilisé une approche différente pour identifier définitivement l'ADN en tant que matériel génétique.

Les expériences de Hershey-Chase

Dans leurs expériences, désormais légendaires, Hershey et Chase ont étudié le bactériophage (ou phage) : un virus qui infecte les bactéries. Les phages qu'ils ont utilisés étaient de simples particules composées de protéines et d'ADN, la structure extérieure des particules étant constituée de protéines et le cœur d'ADN.
Hershey et Chase savaient que les phages s'attachaient à la surface de la bactérie hôte et y injectaient une substance (ADN ou protéine). Cette dernière donnait alors des "instructions" à la cellule hôte qui commençait à produire beaucoup de phages — en fait, il s'agissait du matériel génétique du virus. Avant cette expérience, Hershey pensait que le matériel génétique serait de nature protéique4.
Pour déterminer si le virus avait injecté de l'ADN ou une protéine dans la bactérie hôte, Hershey et Chase ont préparé deux différents lots de phages. Pour chaque lot, les phages ont été fabriqués en présence d'un élément radioactif spécifique, qui a été incorporé dans les macromolécules (ADN et protéine) qui composent chaque virus.
  • Un lot a été produit en présence de 35S, un isotope radioactif du soufre. Le soufre est présent dans de nombreuses protéines, mais pas dans l'ADN, donc seules les protéines des phages ont été marquées radioactivement grâce à ce traitement.
  • L'autre échantillon a été produit en présence de 32P, un isotope radioactif du phosphore. Le phosphore se trouve dans l'ADN, mais pas dans les protéines, donc seul l'ADN des phages (et pas leurs protéines) a été marqué radioactivement grâce à ce traitement.
Chaque lot de phages a servi à infecter une culture différente de bactéries. Après que l'infection a eu lieu, chaque culture a été passée dans un mélangeur à haute vitesse, pour éliminer tous les phages et les parties de phages qui restaient à l'extérieur des bactéries. Enfin, les cultures ont été centrifugées (soumises à une rotation à haute vitesse) pour séparer les bactéries des débris de phages.
La centrifugation permet aux matériaux plus lourds, comme les bactéries, de tomber en bas du tube et de former une masse appelée culot. Les matériaux les plus légers, comme le milieu (liquide) utilisé pour cultiver les bactéries, ainsi que les phages et leurs débris, restent en hauteur dans le tube et forment une couche liquide nommée surnageant.
_Image modifiée à partir de "Historical basis of modern understanding: Figure 3," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
Quand Hershey et Chase ont mesuré la radioactivité dans le culot et le surnageant des deux expériences, ils ont détecté une grande quantité de 32P dans le culot, alors que presque tout le 35S s'est retrouvé dans le surnageant. Sur la base de ces résultats et d'expériences similaires, Hershey et Chase ont conclu que c'était l'ADN, et pas une protéine, qui avait été injecté dans les cellules hôtes et constituait le matériel génétique du phage.

Les questions en suspens

Les travaux des chercheurs ci-dessus ont fourni de solides preuves que l'ADN est le matériel génétique. Mais, on ne savait toujours pas comment une molécule aussi simple pouvait encoder les informations génétiques nécessaires à l'élaboration d'un organisme complexe. Des recherches supplémentaires effectuées par de nombreux scientifiques, y compris Erwin Chargaff, James Watson, Francis Crick et Rosalind Franklin, ont conduit à la découverte de la structure de l'ADN, expliquant ainsi comment l'ADN peut stocker de grandes quantités d'informations.

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