L'ADN expliqué : une molécule, un code, des gènes

L'ADN, ou acide désoxyribonucléique, est la molécule qui porte l'information génétique de presque tous les êtres vivants, de la bactérie au chêne. Il a la forme d'une échelle torsadée, la fameuse double hélice, et il est écrit avec un alphabet de quatre lettres seulement : A, T, C et G.

Un gène est un morceau de cette molécule. La cellule le lit pour fabriquer une protéine, c'est-à-dire une pièce de sa machinerie. Tout l'article tient dans ces deux phrases ; la suite explique comment une molécule chimique peut se comporter comme un texte, et vous la trouverez rangée avec les autres sujets de la rubrique Le vivant.

Une molécule en forme d'échelle torsadée

Imaginez une échelle de corde qu'on aurait tordue sur elle-même. Les deux montants sont faits d'une alternance de sucre (le désoxyribose, qui donne son nom à la molécule) et de phosphate. Les barreaux, eux, sont formés par des bases azotées qui se font face deux à deux.

Chaque maillon de la chaîne s'appelle un nucléotide : un sucre, un phosphate et une base. Une molécule d'ADN aligne des millions de nucléotides.

Quatre bases, deux règles d'appariement

Il existe quatre bases : l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Elles ne s'assemblent pas au hasard. Le A se lie toujours au T, et le C toujours au G.

Cette règle a une conséquence très pratique. Si vous connaissez un brin, vous connaissez l'autre. Face à la séquence ATTGC, le brin d'en face porte forcément TAACG. C'est ce qui permet à la cellule de copier son ADN avant de se diviser : les deux brins se séparent, et chacun sert de modèle pour reconstruire son partenaire.

La découverte de la double hélice

La structure a été publiée le 25 avril 1953 dans la revue Nature, dans une courte lettre signée par James Watson et Francis Crick (Nature, 1953). Ils n'ont fait aucune expérience nouvelle pour l'occasion : ils ont bâti un modèle à partir de données obtenues par d'autres, en particulier les clichés de diffraction aux rayons X réalisés par Rosalind Franklin et Maurice Wilkins.

Le prix Nobel de 1962 a récompensé Watson, Crick et Wilkins. Rosalind Franklin, morte en 1958, n'a pas été distinguée, le Nobel n'étant pas attribué à titre posthume. Le biologiste Axel Kahn a retracé cette histoire dans la revue Médecine/Sciences, dans un texte hébergé par l'Inserm (L'hélice de la vie), où il présente 1953 comme l'acte de naissance de la biologie moléculaire.

Où se range l'ADN dans la cellule

Chez les animaux, les plantes et les champignons, la plus grande partie de l'ADN se trouve dans le noyau de chaque cellule. Il n'y flotte pas en vrac : il s'enroule autour de petites protéines, comme du fil sur des bobines, puis se replie encore et encore.

Chaque très longue molécule d'ADN ainsi empaquetée forme un chromosome. Les cellules humaines en contiennent 46, soit 23 paires : un chromosome de chaque paire vient de la mère, l'autre du père. Mis bout à bout, les chromosomes d'une seule cellule humaine donneraient un fil d'environ deux mètres, l'ordre de grandeur qu'on retrouve dans les cours de biologie cellulaire, tassé dans un noyau de quelques millièmes de millimètre.

Deux exceptions valent d'être connues. Les bactéries n'ont pas de noyau : leur chromosome, souvent circulaire, baigne directement dans la cellule. Et les mitochondries, ces petites centrales énergétiques de nos cellules, possèdent leur propre ADN, à part.

Du code aux protéines

L'ADN ne fait rien par lui-même. Il sert de référence, un peu comme un livre de recettes rangé dans la bibliothèque, qu'on ne sort jamais de la pièce mais dont on photocopie les pages utiles.

Lire par groupes de trois

Le code génétique se lit par mots de trois lettres, appelés codons. Avec quatre lettres, on peut former 64 mots de trois lettres différents. Or les protéines sont fabriquées à partir de 20 acides aminés seulement. Plusieurs codons désignent donc le même acide aminé, et quelques-uns servent de signal « stop ».

Ce code est presque le même chez tous les êtres vivants. C'est pour cela qu'une bactérie peut lire un gène humain et fabriquer la protéine correspondante, une propriété utilisée depuis des décennies en biotechnologie.

De l'ADN à l'ARN, puis à la protéine

La lecture se fait en deux temps. D'abord, la cellule recopie le gène sous la forme d'une molécule voisine, l'ARN messager : c'est la transcription. Cette copie quitte le noyau. Ensuite, dans le cytoplasme, de petites machines appelées ribosomes lisent l'ARN codon par codon et assemblent les acides aminés dans l'ordre indiqué : c'est la traduction.

Le tableau suivant remet chaque mot à sa place, du plus petit au plus grand.

Combien de gènes, et à quoi sert le reste ?

Le génome humain compte environ 3 milliards de paires de bases. La première séquence vraiment complète, sans trou, d'un génome humain n'a été publiée qu'en 2022 par le consortium international Telomere-to-Telomere, dans la revue Science (The complete sequence of a human genome). Elle compte 3,055 milliards de paires de bases et comble les zones que la version du début des années 2000 laissait de côté, environ 8 % du génome selon le communiqué de l'université de Genève qui a participé aux travaux. Le généticien Bertrand Jordan en a tiré une chronique au titre bien choisi, « Séquence du génome : la fin du commencement » (Médecine/Sciences, 2022).

Avant le séquençage, les estimations allaient de plusieurs dizaines de milliers à plus de 100 000 gènes chez l'être humain. Les catalogues de référence en recensent aujourd'hui environ 20 000 qui codent des protéines. Ces gènes n'occupent qu'une petite partie de l'ADN.

Le reste a longtemps été surnommé « ADN poubelle ». L'expression a vieilli. Une partie de cet ADN règle quand et où les gènes s'allument, une autre produit des ARN qui ne deviennent jamais des protéines mais jouent un rôle dans la cellule, une autre encore est faite de séquences répétées dont on cherche toujours la fonction, si elles en ont une.

Pourquoi chaque individu est différent

Chaque copie de l'ADN comporte de rares erreurs, appelées mutations. La plupart n'ont aucun effet visible ; certaines modifient une protéine. Accumulées sur des générations, ces petites différences expliquent pourquoi deux personnes, deux chats ou deux plants de tomates de la même variété ne sont jamais tout à fait identiques.

Cette variation est le premier étage de la diversité du vivant, la diversité génétique, que l'article sur la biodiversité et ses niveaux replace à côté de la diversité des espèces et des milieux. Elle est aussi la matière première de l'évolution.

Un dernier point évite bien des contresens. L'ADN ne décide pas de tout. Le milieu, l'alimentation de la plante, la lumière qu'elle reçoit pèsent aussi : deux boutures d'un même géranium, donc avec le même ADN, ne donnent pas la même plante selon qu'on les pose sur un rebord de fenêtre ou au fond d'une pièce. La photosynthèse en donne une bonne illustration, puisque les gènes de la chlorophylle ne servent à rien sans lumière.

Le fil à garder en tête

L'ADN est une molécule, pas une notion abstraite : on peut la voir en pelote dans un verre. Il est écrit avec quatre bases qui s'apparient toujours de la même façon. La cellule en lit des segments, les gènes, pour fabriquer des protéines, en passant par une copie d'ARN. Le génome humain est long de 3 milliards de lettres, dont une petite partie seulement sert directement à coder des protéines, et sa lecture complète date de 2022 seulement. Pas mal, pour une molécule décrite il y a un peu plus de soixante-dix ans.