L’histoire de l’ADN

La découverte de la structure de l’ADN a été annoncée il y a 50 ans ce mois-ci. Mais la saga a commencé bien des années auparavant, explique Susan Aldridge

Le 25 avril 1953, paraissait dans Nature un article qui allait transformer les sciences de la vie – de la biochimie et l’agriculture, à la médecine et la génétique. James Watson et Francis Crick, alors à l’université de Cambridge, rapportent la découverte de la structure de l’ADN (acide désoxyribonucléique) – la molécule dont sont faits les gènes.

Crick et Watson ont utilisé la construction de modèles pour révéler la désormais célèbre double hélice de l’ADN, mais les données cristallographiques aux rayons X de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins au King’s College de Londres ont été cruciales pour la découverte. La percée doit également beaucoup aux progrès des techniques biochimiques, de la microscopie, de l’analyse chimique et des théories de la liaison chimique qui se sont développées depuis le milieu du 19e siècle. La véritable importance de la structure de l’ADN a été soulignée à peu près au même moment par le règlement définitif d’une controverse de plusieurs décennies sur la question de savoir si l’ADN ou la protéine était la « molécule de vie ».

La saga de l’ADN a commencé en 1869, lorsque le biochimiste suisse Friedrich Miescher a isolé une nouvelle substance à partir des noyaux de globules blancs. Les chercheurs savaient depuis peu que les cellules étaient l’unité de base de la vie et Miescher s’intéressait à leurs composants chimiques. Chaque matin, il passait à la clinique locale pour récupérer des bandages sales, car à l’époque d’avant les antiseptiques, ceux-ci étaient imbibés de pus – une bonne source de globules blancs avec leurs gros noyaux. L’ajout d’alcali faisait éclater les noyaux cellulaires, libérant leur contenu, dont Miescher extrayait l’ADN (qu’il appelait nucléine).

L’analyse de cette nucléine a montré qu’il s’agissait d’un acide, contenant du phosphore, et qu’elle n’entrait donc dans aucun des groupes connus de molécules biologiques, comme les glucides et les protéines. Miescher a calculé que sa formule était C29H49O22N9P3 – une sous-estimation grossière, reflétant le fait que l’ADN est une molécule longue et fragile qui se fragmente facilement. Miescher a dû utiliser l’un des fragments pour déterminer la formule. La nucléine fut rebaptisée acide nucléique et, malgré sa nouveauté chimique, sa signification biologique ne fut pas pleinement réalisée avant de nombreuses autres décennies.

En attendant, grâce aux développements de la microscopie, la cellule continuait à livrer ses secrets. En 1879, le biologiste allemand Walther Flemming a découvert de minuscules structures filiformes appelées chromatine (connues plus tard sous le nom de chromosomes) à l’intérieur du noyau – appelées ainsi parce qu’elles absorbaient facilement la couleur des nouvelles colorations utilisées pour révéler les composants cellulaires. Des études sur la division cellulaire allaient révéler le rôle clé joué par les chromosomes dans l’héritage – comment ils se doublent avant que la cellule ne se divise, puis se divisent en deux ensembles, emportant une nouvelle copie dans chaque cellule « fille ».

De nouvelles analyses ont suggéré que les chromosomes contenaient de l’ADN, ce qui a conduit un autre chercheur allemand, Oskar Hertwig, à déclarer que « la nucléine est la substance qui est responsable … de la transmission des caractéristiques héréditaires ». Tout le monde n’est pas d’accord – Miescher, par exemple. Les chromosomes contiennent également des protéines, et les biochimistes commencent tout juste à apprécier la taille et la complexité des molécules de protéines. La fragilité de l’ADN devait dissimuler sa complexité sous-jacente pendant encore de nombreuses années.

Ironiquement, Miescher a peut-être été le premier à avancer l’idée d’un code chimique transmettant des informations biologiques d’une cellule à l’autre, mais il croyait, comme beaucoup d’autres après lui, que seules les protéines étaient capables de porter un tel code.

En 1900, on savait que les éléments de base de l’ADN étaient le phosphate, un sucre (dont on a montré plus tard qu’il s’agissait du désoxyribose) et quatre bases hétérocycliques – dont deux étaient des purines tandis que les deux autres étaient des pyrimidines .

C’est Phoebus Levene, de l’Institut Rockefeller de New York, et ancien élève du chimiste et compositeur russe Alexandre Borodine, qui a montré que les composants de l’ADN étaient liés dans l’ordre phosphate-sucre-base. Il a appelé chacune de ces unités un nucléotide, arguant que la molécule d’ADN était constituée d’une chaîne d’unités nucléotidiques liées entre elles par les groupes phosphates, qui constituent le « squelette » de la molécule.

Mais personne n’a apprécié l’extraordinaire longueur de la molécule d’ADN avant une bonne partie du 20e siècle. Nous savons maintenant que l’ADN d’une cellule humaine, s’il était mis bout à bout, constituerait une molécule d’environ 1m de long. Même un organisme simple comme la bactérie E. coli possède une molécule d’ADN d’un peu plus de 1 mm de long. Miescher n’avait pas réalisé cela, bien sûr, et Levene non plus, qui insistait sur le fait que l’ADN était une molécule relativement petite – probablement d’une dizaine de nucléotides.

Levene était également convaincu que les quantités des quatre bases étaient les mêmes dans toutes les molécules d’ADN, quelle que soit leur origine. Ainsi, même lorsque les chercheurs suédois Torbj?rn Caspersson et Einar Hammersten ont montré, dans les années 1930, que l’ADN était un polymère, la plupart des gens ont continué à croire à « l’hypothèse des tétranucléotides » de Levene. Même si l’ADN contenait des millions de nucléotides, on pensait qu’ils étaient disposés de manière monotone et prévisible et qu’ils ne pouvaient avoir aucun contenu informatif significatif. Le contemporain de Levene, le grand chimiste allemand Emil Fischer, avait montré que les protéines sont constituées d’acides aminés, liés entre eux selon diverses séquences. Il semblait de plus en plus que les protéines portaient le code génétique, tandis que l’ADN jouait un rôle de soutien dans les chromosomes.

Une percée a été réalisée par Oswald Avery, Colin McLeod et Maclyn McCarty, une équipe de microbiologistes médicaux de l’Institut Rockefeller à New York. Ils tentaient d’identifier la nature du « principe transformateur », une substance découverte par le microbiologiste anglais Fred Griffith en 1928. Griffith avait fait des expériences avec deux espèces de pneumocoques, les bactéries qui provoquent la pneumonie (très redoutée à l’époque avant les antibiotiques).

Une forme – connue sous le nom de forme lisse d’après son apparence lorsqu’elle est cultivée dans des boîtes de Pétri – était connue pour être pathogène, tandis que la seconde forme, « rugueuse », était inoffensive. À sa grande surprise, Griffith a découvert que le mélange de bactéries rugueuses vivantes avec des pneumocoques lisses tués pouvait transformer les pneumocoques rugueux en une forme lisse virulente. De toute évidence, une substance – le principe de transformation (les gènes, en d’autres termes) – était passée de la bactérie lisse à la bactérie rugueuse. En utilisant des enzymes qui décomposent des composants cellulaires spécifiques, Avery et son équipe ont montré par un processus d’élimination que l’ADN, et non les protéines, était le principe transformateur.

Les physiciens avaient également contribué à ce débat – par exemple, Erwin Schr?dinger a avancé le concept de « cristal apériodique » dans son livre influent What is life ? Des cristaux simples tels que le chlorure de sodium ne peuvent pas transporter d’informations génétiques, car leurs ions sont disposés selon un schéma périodique. Ce que Schrödinger proposait, c’est que le « plan » de la vie se trouve dans un composé dont les composants sont disposés selon une longue séquence irrégulière et qui porte des informations sous la forme d’un code génétique, intégré à sa structure chimique. Les protéines avaient été le candidat évident pour le cristal apériodique, la séquence d’acides aminés fournissant le code. Maintenant, avec les découvertes d’Avery, les projecteurs sont tombés sur l’ADN comme un choix alternatif pour le matériel génétique.

Les recherches visant à déterminer la structure de l’ADN ont pris un caractère d’urgence supplémentaire (même si la confirmation définitive de son rôle central restait à venir, grâce aux expériences menées par Alfred Hershey et Martha Chase aux États-Unis au début des années 1950). Le chimiste autrichien Erwin Chargaff, par exemple, a été profondément impressionné par les travaux d’Avery. Il a écrit : « J’ai vu devant moi, dans des contours sombres, le début d’une grammaire de la biologie. Avery nous a donné le premier texte d’une nouvelle langue, ou plutôt il nous a montré où le chercher. J’ai résolu de chercher ce texte ». Chargaff est le pionnier de la chromatographie sur papier des acides nucléiques, qu’il utilise pour déterminer la quantité de chacun des nucléotides constitutifs contenus dans un échantillon d’ADN. Il a rapidement démoli l’hypothèse des tétranucléotides de Levene. Chaque espèce diffère dans la quantité de A, C, G et T – mais au sein de l’espèce, les proportions de chacun sont identiques, quel que soit le tissu duquel l’ADN est extrait. C’était juste ce à quoi on pouvait s’attendre pour une molécule qui est la signature biologique de l’espèce.

Plus encore, Chargaff a découvert que la proportion de A dans toute molécule d’ADN était toujours égale à la proportion de T et, de même, la quantité de G et de C correspondait toujours – une règle qui est devenue connue sous le nom de ratios de Chargaff. Bien que Chargaff lui-même semble avoir fait peu d’usage direct de ses découvertes, l’idée de l’appariement des bases (A avec T, C avec G) devait être une étape cruciale pour reconstituer la structure tridimensionnelle de l’ADN.

La phase finale de la résolution du puzzle de la structure de l’ADN s’est appuyée sur la cristallographie aux rayons X. L’utilisation des rayons X pour résoudre les structures des grandes molécules biologiques a commencé avec les travaux de Dorothy Hodgkin sur la pénicilline, le lysosyme et la vitamine B12, et ceux de Max Perutz sur l’hémoglobine à partir des années 1930. En 1938, William Astbury, un élève de William Bragg (qui, avec son fils Lawrence, avait inventé la technique en 1913) avait des images de l’ADN aux rayons X, mais elles étaient difficiles à interpréter.

La fin des années 1940 voit trois groupes distincts travailler intensivement sur la structure de l’ADN. Au King’s College de Londres, Maurice Wilkins était intrigué par les longues fibres que l’ADN forme lorsqu’il est extrait de solutions aqueuses avec une tige de verre, se demandant si cela signifiait qu’il y avait une certaine régularité dans sa structure. Il réalise d’autres clichés aux rayons X, à l’aide d’appareils de fortune dont il est difficile d’imaginer l’utilité de nos jours. En 1951, Wilkins est rejoint par Rosalind Franklin, une physico-chimiste britannique qui jouit déjà d’une réputation internationale pour ses travaux sur la cristallographie aux rayons X des charbons. Elle entreprend de construire un laboratoire dédié aux rayons X à King’s et produit bientôt les meilleures images jamais réalisées de l’ADN. Celles-ci l’ont conduite à l’idée que la molécule d’ADN était peut-être enroulée en forme d’hélice.

Linus Pauling, le chimiste américain, et auteur de The nature of the chemical bond, a commencé à penser dans le même sens. Après tout, Pauling avait déjà découvert des motifs hélicoïdaux dans les structures des protéines. À peu près à la même époque, Francis Crick – avec une formation en mathématiques et en physique, et le plus jeune James Watson, avec une expertise en biologie moléculaire des phages (virus qui infectent les bactéries, puis utilisés comme outil de laboratoire pour les études génétiques), ont uni leurs forces au Cavendish Laboratory de Cambridge, avec l’intention de craquer eux-mêmes la structure de l’ADN, en utilisant une approche de construction de modèles.

Ils ont eu l’idée que la structure de l’ADN devait permettre à la molécule de se copier pendant la division cellulaire, afin qu’une réplique exacte de son code – qui, là encore, était intégré à la structure – puisse passer dans chaque nouvelle cellule. Une visite de Chargaff au Cavendish en 1952 a fait naître l’idée que la séquence de bases pourrait peut-être représenter les gènes d’un code chimique. Entre-temps, Pauling a publié un article sur la structure de l’ADN, mais il contenait une erreur majeure (il avait placé les groupes phosphates à l’intérieur). L’entrée de ce géant scientifique dans la course incite Crick et Watson à redoubler d’efforts, tandis que Wilkins et Franklin ne s’entendent pas vraiment et progressent peu sur l’ADN.

Un moment décisif survient lorsque Wilkins montre à Watson une des photos de Franklin de la forme dite B de l’ADN. Les études précédentes avaient utilisé la forme A, qui contient moins d’eau et avait conduit à des images difficiles à analyser. Cette photo, en revanche, était d’une simplicité magnifique et semblait indiquer clairement une structure hélicoïdale de la molécule. Comme le dit Watson dans ses célèbres mémoires : « A l’instant où j’ai vu l’image, ma bouche s’est ouverte et mon cœur a commencé à s’emballer ».

La construction de modèles – utilisant des plaques de métal pour les nucléotides et des tiges pour les liaisons entre eux – commençait maintenant sérieusement. Mais Crick et Watson ne savaient pas s’ils devaient construire leur hélice avec les phosphates à l’intérieur ou à l’extérieur, et ils ne savaient pas comment intégrer les idées de Chargaff sur l’appariement des bases.

L’indice final est venu d’un autre visiteur du Cavendish, le chimiste américain Jerry Donohue, qui a fait remarquer comment la liaison hydrogène permet à A de se lier à T et à C à G. Cela permet une structure en double hélice pour l’ADN, où les deux brins ont les bases à l’intérieur, appariées, et les phosphates à l’extérieur.

La véritable beauté du modèle que Crick et Watson ont construit était que la structure suggérait immédiatement une fonction. Comme ils l’ont suggéré, dans leur article de Nature : ‘Il ne nous a pas échappé que l’appariement spécifique que nous avons postulé suggère un mécanisme de copie possible pour le matériel génétique’.

La molécule d’ADN est auto-réplicative (comme l’ont prouvé des expériences quelques années plus tard) car elle peut se dérouler en deux brins simples. Chaque base attire alors sa base complémentaire, par liaison hydrogène, de sorte que deux nouvelles doubles hélices sont assemblées.

Franklin et Wilkins n’ont pas complètement manqué le crédit de la structure de l’ADN ; leurs propres articles distincts ont été publiés dos à dos avec ceux de Crick et Watson dans le même numéro de Nature. Crick, Watson et Wilkins ont ensuite remporté le prix Nobel pour leurs travaux en 1962 (Franklin est mort d’un cancer à l’âge de 37 ans en 1958).

La découverte de la structure de l’ADN a marqué le début d’une nouvelle ère en biologie, conduisant, au cours des deux décennies suivantes, au déchiffrage du code génétique et à la prise de conscience que l’ADN dirige la synthèse des protéines. Des progrès techniques ont également été réalisés, comme le séquençage de l’ADN, le génie génétique et le clonage de gènes. Plus récemment, les séquences complètes de nombreux organismes ont été résolues, y compris le génome humain en juin 2000. Les 50 prochaines années de l’histoire de l’ADN seront consacrées à la réalisation des avantages pratiques de la découverte de Crick et Watson pour l’humanité – dans l’industrie, la médecine, l’alimentation et l’agriculture.

Source : Chemistry in Britain

Remerciements

Susan Aldridge

Lectures complémentaires