Qu'est-ce qu'un gène ?

Résumé La théorie synthétique de l’évolution désigne la synthèse de différentes disciplines biologiques dans le cadre général de l’évolutionnisme darwinien. La génétique y occupe une place importante. Le gène peut se définir comme une structure composée d’ADN, qui code pour un ARN, lui-même impliqué dans la synthèse de protéines. Il s’agit d’un assemblage de monomères appelés nucléotides. Chaque nucléotide est composé d’éléments fixes (sucre à base de carbone et groupe phosphate) et variables (les quatre bases : cytosine, thymine, adénine et guanine). Enroulé en double hélice, l’ADN a la capacité de se répliquer, ce qui en fait le fondement biochimique de la vie. Du point de vue évolutionnaire, le gène est la principale unité de sélection à travers ses variations, que l’on appelle des mutations. Les premières lois de reproduction des gènes ont été découvertes par Gregor Mendel. La plupart des caractères physiques, psychologiques et comportementaux sont sous la dépendance de plusieurs gènes. Ces derniers s’expriment diversement selon l’environnement de l’individu. La génétique quantitative permet de déterminer la part de l’hérédité dans l’émergence des traits complexes.

Mots-clefs gène, génotype, génome, phénotype, ADN, ARN, polypeptide, protéine, chromosome, gamète, homozygote, hétérozygote, gène dominant, gène récessif, pléiotropie, épistasie, loi de ségrégation des caractères, lois des assortiments indépendants, Darwin, Mendel.

Au cours du XXe siècle, les progrès de la génétique ont confirmé la théorie darwinienne de l’évolution, qu’il s’agisse de la génétique formelle (à partir des années 1910), de la génétique des populations (à partir des années 1920) ou de la génétique moléculaire (à partir des années 1950). Mais qu’est-ce qu’un gène, au juste ? Cette question toute simple a une réponse fort complexe.

Le gène est l’unité fondamentale de l’hérédité, donc de l’évolution. Pourtant, l’évolution a été découverte par Darwin (1859) et l’hérédité par Mendel (1866) avant que l’on connaisse l’existence des gènes. Mendel parlait simplement d’ « éléments » de l’hérédité, à la base des caractères exprimés par les organismes. Darwin a utilisé l’expression « pangène » et Weissmann celle de «  biophores ». En 1909, le biologiste danois Wilhelm Johannsen créa le mot gène : « Ce mot est totalement libre de toute hypothèse : il exprime simplement le seul fait, prouvé avec certitude, que dans n’importe quel cas, de nombreuses caractéristiques d’un organisme résultent de conditions spéciales, séparables et donc indépendantes, en résumé ce que nous appellerons simplement « gènes », et qui sont présents dans les gamètes ». La même année, le médecin anglais Archibald Garrod posa que le gène a la capacité de produire des enzymes, qui s’expriment dans la cellule et modifient l’organisme. Il faudra attendre 1944 pour connaître la nature chimique des gènes (les acides nucléiques) et 1953 pour découvrir leur organisation bi-hélicoïdale.

Aujourd’hui, la définition la plus généralement acceptée du gène est la suivante : une structure composée d’ADN, qui code pour un ARN, lui-même impliqué dans la synthèse de protéines. Cette définition est structurelle et provient de la biologie moléculaire. Si l’on s’intéresse à la dimension fonctionnelle du gène, on dira qu’il s’agit de la plus petite unité du génome impliquée dans l’expression d’un caractère. Parce qu’elle est héréditaire, cette unité d’information est sélectionnée au cours de l’évolution.

A partir du mot gène ont été construites d’autres expressions. Le génome désigne ainsi l’ensemble des gènes propres à une espèce. Le génome de l’espèce humaine est ainsi composé d’environ 40.000 gènes. Le génotype désigne quant à lui la constitution génétique de chaque individu d’une espèce. Dans un génome donné, les gènes existent en plusieurs modèles présentant de légères variations (les allèles) : la combinaison de ces allèles aboutit à un nombre presque infini de génotypes possibles au sein d’une même espèce.

Le phénotype désigne quant à lui l’ensemble des caractères exprimés par un individu. Ces caractères (comme la taille, le poids, la couleur des yeux, les maladies, les traits psychologiques, etc.) proviennent d’une interaction entre les gènes et le milieu qui conditionne en partie leur expression. Tout être vivant est ainsi une rencontre entre l’inné (le génotype) et l’acquis (l’environnement).

1. Structure moléculaire du gène. retour

L’ADN est un polymère, soit un assemblage de monomères appelés nucléotides. Chaque nucléotide est composé d’éléments fixes – un sucre à base de cinq atomes de carbone (désoxyribose pour l’ADN, ribose pour l’ARN), un groupe phosphate – et d’éléments variables, que l’on appelle des bases chimiques. Dans l’ADN, on trouve deux bases pyrimidiques (cytosine et thymine) et deux bases puriques (adénine et guanine). Pour se représenter géométriquement l’ADN, on peut imaginer que les sucres et phosphates forment les montants d’une échelle. Les bases en sont les barreaux. Et l’échelle est enroulée en colimaçon, autour d’un axe imaginaire. En 1953, Francis Crick et James Watson ont découvert la liaison en double hélice, ce qui leur vaudra le prix Nobel.

L’ADN est structurées en double hélice : les bases azotées sont associées entre elles par une liaison hydrogène. L’adénine (A) est associée à la thymine (T), la guanine (G) avec la cytosine (C). Ces liaisons sont stables (complémentarité des bases). Le complément G-C, assuré par trois liaisons hydrogène, est plus stable que A-T. En 1950, Erwin Chagaff a montré que le rapport G-C/A-T est toujours poche de 1, quelle que soit la molécule d’ADN.

En réalité, la réplication de l’ADN est un mécanisme chimique extrêmement complexe. Des enzymes (ADN polymérases ou nucléosides triphosphates) segmentent l’ADN à hauteur de ses fourches de réplication (500 nucléotides par secondes chez les bactéries, 50 chez l’homme), selon une structure antiparallèle (atomes 3’ et 5’ de carbone en début et fin de chaîne). Ensuite, de nombreuses autres enzymes sont impliquées dans la séparation des brins et l’appariement des nucléotides : ADN ligase, ADN primase, hélicases, protéines monocaténaires...

L’ADN n’a pas seulement la capacité de se répliquer : il est aussi capable de corriger ses épreuves et de réparer les copies défectueuses. Plus de 50 enzymes sont impliquées dans ce travail. Lors de sa réplication, l’ADN commet en effet des erreurs de copies. Certaines erreurs sont spontanées, et tiennent au nombre important de paires de bases impliquées. D’autres provoquées par le milieu ambiant : température, Ph, rayonnement (radio-activité, rayons X, rayons ultra-violets), etc.

Le gène est une portion de l’ADN qui code pour des substances entrant dans la composition des protéines. Ces dernières sont à leur tour impliquées dans la constitution de tous les tissus d’un organisme. Le gène ne code pas directement pour les protéines : il produit en fait un polypeptide formé d’acides aminés. La plupart des polypeptides sont des enzymes qui forment les protéines, mais pas tous. Par ailleurs, la plupart des protéines sont formées par un seul polypeptide, mais pas toutes. La kératine des poils ou l’insuline du pancréas sont par exemple des protéines non enzymatiques. L’ancienne égalité un gène = une protéine est désormais remplacée par : un gène = un polypeptide. Mais le principe général reste le même : le gène est l’unité fondamentale qui commence la synthèse d’autres éléments chimiques impliqués dans la constitution d’un organisme vivant.

Un même gène peut coder pour plusieurs plusieurs protéines et une même protéine peut être codée par plusieurs gènes. Par ailleurs, certains gènes contrôle l’expression des autres.

2. Fonction évolutionnaire du gène. retour

Au-delà de leur structure biochimique, les gènes possèdent une fonction : ils codent directement ou indirectement pour certains traits de l’organisme ou caractères.

Les premières lois de la génétique ont été formulées dans les années 1860 par Johann (Gregor) Mendel sans que celui-ci connaisse la structure biochimique de l’hérédité. Dans le jardin de son monastère, Mendel a croisé plusieurs plants de la même espèce de pois, obtenant ainsi 22 variétés qui divergeaient selon sept caractéristiques : fleur blanche ou violette, feuilles axiales ou terminales, graines et gousses jaunes ou vertes, graines rondes ou ridées, gousses gonflées ou monoliformes, tige longue ou naine. Par chance, la plupart des caractères étudiés par Mendel étaient sous la dépendance d’un seul gène, ce qui lui permit d’observer des variations régulières de génération en génération, donc de formuler les lois.

La plupart des lois découvertes par Mendel sont toujours valables aujourd’hui. Elles sont fondées sur l’étude quantitative des variations héréditaires. Les deux lois principales, dites loi de ségrégation des caractères et lois des assortiments indépendants, expriment un certain nombre de découvertes-clés.

Pour tout caractère, chaque individu hérite de deux gènes (un de chaque parent). Les gamètes (cellules sexuelles) reçoivent une moitié des gènes de chaque parent qui seront ensuite transmis (loi de ségrégation). Cette recombinaison génétique a lieu lors de la méiose, c’est-à-dire de la formation des gamètes chez les espèces sexuées. Un individu partage ainsi en moyenne 50 % de ses gènes avec chacun de ses parents, ses frères, ses sœurs ou ses enfants, 25 % avec ses neveux, demis-frères, petits-enfants ou oncles, 12,5 % avec ses cousins germains et arrière-petits-enfants, etc. Lorsque les deux gènes d’un locus donné sont identiques, l’individu est homozygotes pour ce caractère ; lorsque les deux gènes sont différents, l’individu est hétérozygote. Ainsi, certaines maladies comme la mucoviscidose peuvent se déclarer lorsque chaque parent hétérozygote (porteur sain) transmet à l’enfant le « mauvais » allèle, qui devient alors homozygote.

Parmi les gènes remplissant la même fonction, certains sont dominants car ils expriment le caractère, d’autre sont récessifs car ils n’ont pas d’effet apparent. Sur ce point, les lois de Mendel ont été précisées. Outre la dominance complète, on parle de codominance lorsque les deux allèles s’expriment. Ainsi, dans le cas des groupes sanguins M, N et MN, les hétérozygotes MN forment un groupe à part entière car les gènes s’expriment par deux molécules distinctes à la surface des globules rouges.

Dans le noyau de la cellule, les gènes sont situés sur les chromosomes. L’homme possède 23 paires de chromosomes (22 paires homologues dites autosomes et une paire de chromosomes sexuels, dit X ou Y). La théorie chromosomique de l’hérédité a été mise en lumière par Thomas Hunt Morgan, au début du XX^ème siècle. Ce généticien a surtout étudié la mouche drosophile. Lorsque les gènes sont rapprochés sur un chromosome, on dit qu’ils sont liés. Il existe alors une probabilité plus forte pour qu’ils se répliquent de concert, de sorte que la loi des assortiments indépendants ne se vérifie pas toujours. Les cellules sexuelles ne reçoivent qu’un seul jeu de chromosomes (elles sont dites haploïdes). Lors de la fécondation, les deux paires se reconstituent pour former un génome complet.

Les lois de l’évolution par sélection des variations les mieux adaptées s’appliquent aux gènes.

Par définition, la sélection opère sur des propriétés héritables : un avantage adaptatif ne peut être mesuré que par sa capacité à se transmettre. Par ailleurs, il faut que l’héritabilité soit établie sur une durée assez longue pour que surviennent des changements significatifs de fréquence. Les gènes représentent la plus petite unité fonctionnelle correspondant à ce double impératif d’héritabilité et de stabilité. Le déchiffrement des génomes démontre aujourd’hui que les espèces partagent de nombreux gènes communs, sélectionnés et conservés au cours de l’évolution.

Pour aller plus loin :

• Stuart J. Edelstein, Des gènes aux génomes, Paris, Odile Jacob, 2002.
• Josué Feingold et al., Principes de génétique humaine, Paris, Hermann, 1999.
• Benjamin Lewin, Gènes (6), Paris / Bruxelles, DeBoeck Université, 1998.
• Eberhard Passage, Atlas de poche de la génétique, Paris, Flammarion, 1995.
  

Charles Muller