1. Les grandes découvertes de la génétique

La génétique est une discipline relativement jeune, puisque les premières lois de l'hérédité n'ont été découvertes qu'il y a 140 ans. Encore ces bases fondamentales n'ont-elles été jetées que grâce à la perspicacité d'un scientifique très en avance sur son temps, Grégor Mendel. Les lois qu'il décrivit furent d'ailleurs ignorées de la plupart de ses contemporains, oubliées durant plus de 40 ans, avant d'être redécouvertes au début de ce siècle, leur importance enfin reconnue et leurs principes enrichis. Mais ce n'est que grâce à la découverte de la structure de l'ADN dans les années 1950-1960 (§ La génétique moléculaire), puis à l'invention du formidable outil que constitue le génie génétique vers 1975 (§ La révolution du génie génétique), que cette discipline a pu réaliser les fantastiques progrès qui ont bouleversé tout le champ de la biologie et de la médecine.

La génétique mendélienne

Les premières bases de la génétique ont été établies vers 1860 par le moine morave Grégor Mendel, qui a observé la transmission, d'une génération à l'autre, de certains caractères apparents chez le pois. Il en a déduit des lois simples, les lois de Mendel, toujours valables aujourd'hui. Il a également émis l'hypothèse suivante : les caractères apparents transmis entre générations sont déterminés par des facteurs héréditaires qui obéissent toujours aux mêmes lois.
 
Cette génétique mendélienne a conduit à définir, lorsqu'on redécouvrit les lois de Mendel au début du XXe siècle, un premier vocabulaire de base :
 
phénotype : ensemble des caractères apparents d'un individu,
gènes : facteurs déterminant les caractères apparents,
génotype : ensemble des gènes d'un individu,
allèle : une des formes possibles d'un même gène,
homozygote : un individu est homozygote pour un gène quand il possède deux allèles identiques de ce gène,
hétérozygote : un individu est hétérozygote pour un gène quand il possède deux allèles différents de ce gène,
allèle dominant ou récessif : soit un individu hétérozygote pour un gène comportant les deux allèles G et g ; si cet individu n'exprime que le caractère correspondant à l'allèle G, celui-ci sera dit "dominant" par rapport à l'allèle g "récessif".
 
La génétique morganienne

De 1909 à 1915, l'américain Thomas Morgan a déterminé les premiers fondements moléculaires de la génétique en étudiant la transmission héréditaire de différents caractères chez la drosophile ou mouche du vinaigre.
De ces recherches est née la théorie chromosomique de l'hérédité, dont la principale affirmation est la suivante : les gènes sont des éléments matériels portés par les chromosomes.
Ces derniers apparaissent, dans la cellule, sous forme de bâtonnets qui, au cours de la division cellulaire, subissent des processus complexes de dédoublement et de séparation.

Toutes les cellules d'une même espèce comportent 2n chromosomes (n = 23 chez l'homme), à l'exception des cellules sexuelles matures, les gamètes (spermatozoïdes et ovules), qui ne renferment que n chromosomes.
Quand un spermatozoïde à n chromosomes (paternels) féconde un ovule à n chromosomes (maternels), il en résulte un oeuf fécondé, ou zygote, à 2n chromosomes appariés (chromosomes "homologues").
Toutes les cellules issues de ce zygote par un processus de division nommé mitose, comportent n chromosomes paternels et n chromosomes maternels.
Seules les cellules précurseurs des cellules sexuelles subissent une division spéciale nommée méiose, qui aboutit à des gamètes à n chromosomes, après la séparation des chromosomes homologues.
 
Au cours de la méiose, a lieu un phénomène qui augmente considérablement la diversité génétique : le crossing-over (ou enjambement chromosomique), au cours duquel les chromosomes homologues s'associent puis échangent certains segments avant de se séparer. Certains gènes sont ainsi transférés d'un chromosome homologue sur l'autre. En conséquence, chacun des gamètes issus d'une même cellule précurseur possède une combinaison de gènes différente de celle des autres gamètes. Grâce au brassage génétique créé par la méiose et la fécondation, tout zygote possède un patrimoine unique de gènes paternels et maternels. De ce patrimoine résulte le phénotype.
 
Chaque gène occupe une position déterminée sur un chromosome. Deux gènes situés sur un même chromosome ont d'autant plus de chances de ne pas être séparés lors de la méiose - donc d'être transmis ensemble à la descendance - qu'ils sont plus proches l'un de l'autre. C'est grâce à ce principe que Morgan put établir sa théorie de l'hérédité, en comparant la transmission de plusieurs caractères chez la drosophile.
 
La génétique de Morgan complétait parfaitement celle de Mendel en y introduisant de nouveaux concepts. Un vocabulaire nouveau fut créé :

distance génétique : distance entre deux gènes sur le chromosome,
locus génique : position d'un gène sur le chromosome,
mutation : modification du matériel héréditaire.
Restait à déterminer la nature chimique des gènes et des chromosomes. Ce fut chose faite avec l'avènement de la génétique moléculaire, qui entraîna un fulgurant essor dans la connaissance du vivant et des molécules qui le structurent.

La génétique moléculaire

Une des plus grandes découvertes du XXe siècle a été l'élucidation, au cours des années 1950, de la nature chimique du matériel génétique. Le support des gènes est constitué par la gigantesque molécule d'acide désoxyribonucléique, ou ADN, dont la structure en double hélice a été déterminée par James Watson et Francis Crick en 1961, ce qui leur valut le prix Nobel. Cette découverte a révolutionné l'étude du vivant, livrant aux biologistes une clé fondamentale pour comprendre la grammaire et le langage des cellules.

En effet, c'est précisément dans la molécule d'ADN que sont codées les instructions qui gouvernent le fonctionnement des cellules. On nomme génome l'ensemble des instructions inscrites dans le matériel génétique (généralement de l'ADN) d'un organisme. Cette molécule d'ADN forme une pelote microscopique enroulée dans le noyau des cellules (chez les organismes eucaryotes, c'est-à-dire constitués de cellules munies d'un noyau) ou dans le cytoplasme (chez les procaryotes, cellules dénuées de noyau, comme les bactéries). Une fois déroulée, la molécule d'ADN s'étire en un fil gigantesque, constitué par un enchaînement précis de caractères dans un alphabet à quatre lettres chimiques : les "bases" ou "nucléotides", symbolisés par les lettres A,T, G et C. Ces caractères forment des mots, les gènes, qui s'enchaînent le long de l'ADN.

Une des singularités de l'ADN est d'être formé de deux brins "complémentaires", semblables à une photographie et son négatif. C'est la clé du mécanisme de son dédoublement, ou réplication, qui se produit lors de la division cellulaire.
Les deux brins complémentaires se séparent alors, et le négatif de chaque brin est synthétisé. Ce processus engendre deux molécules d'ADN strictement conformes (sauf erreurs de copie ou remaniements chromosomiques) à la molécule initiale. Chacune de ces molécule-filles se distribue ensuite respectivement dans une des deux cellules issues de cette division.

Comment le message génétique codé dans cet ADN est-il lu par la cellule? Un messager intermédiaire est ici nécessaire : il s'agit de la molécule d'ARN (acide ribonucléique), qui permet le transfert de l'information génétique portée par un gène, dans le noyau cellulaire, jusqu'au cytoplasme, où cette information est traduite sous forme de molécules particulières, les protéines.
Celles-ci sont les véritables "chevilles ouvrières" de la cellule. Chaque gène code une instruction déterminant la synthèse d'une protéine particulière, chargée dans la cellule d'une tâche spécifique (on dit alors qu'un gène "code" pour une protéine donnée).

La molécule d'ARN possède une structure chimique proche de celle de l'ADN, à la différence près qu'elle ne comporte qu'un seul brin et qu'elle est constituée par un enchaînement de caractères légèrement différents, également dans un alphabet à quatre lettres : A, U, G et C. Cet ARN est synthétisé, au cours du processus de transcription, à partir d'un segment de la molécule d'ADN qui lui sert de "moule".
La molécule d'ARN alors produite est une "photocopie" d'un gène porté par l'ADN.

Cet ARN, dit "messager", migre dans le cytoplasme de la cellule. Là, il est converti en protéine au cours du processus de traduction. Une protéine est formée par un enchaînement d'autres unités chimiques : les acides aminés.
On nomme code génétique l'ensemble des règles qui font correspondre, à trois bases portées par l'ARN messager, un acide aminé déterminé de la protéine.
 
La révolution du génie génétique

Élucider la grammaire du vivant était certes fondamental. Encore fallait-il pouvoir aussi étudier la fonction d'un gène donné.
Jusqu'au milieu des années 1970, ce défi restait insurmontable : on ne savait pas isoler un gène déterminé, au sein de l'immense molécule d'ADN. Ce verrou fut levé grâce à l'invention, vers 1975, du génie génétique.
On désigne ainsi l'ensemble des outils qui permettent de bricoler "sur mesure" la molécule d'ADN, dans le but de purifier des gènes, de les manipuler à volonté dans le génome de différentes espèces, et de déterminer leur séquence (c'est-à-dire l'enchaînement des lettres chimiques A, T, G et C, qui constitue le message inscrit dans les gènes).
 
Premier outil découvert : les "enzymes de restriction", sortes de ciseaux moléculaires qui découpent l'ADN en des sites bien précis. En exploitant judicieusement ces enzymes, on a pu isoler des segments d'ADN donnés. Puis on apprit à insérer ces segments d'ADN dans des micro-organismes capables de les reproduire à l'identique en de très nombreux exemplaires, ou "clones".
Disposant ainsi du matériel génétique à étudier en quantités suffisantes, on a pu dès lors déterminer la séquence d'un gène donné, grâce aux techniques de séquençage mises au point par Paul Berg, Walter Gilbert et Frederick Sanger (prix Nobel de Chimie en 1980).
 
Grâce au génie génétique, l'encyclopédie de l'ADN était désormais accessible aux généticiens. Une ère nouvelle s'ouvrait : ils s'employèrent à déchiffrer ce gigantesque ouvrage. Et le rythme de leur lecture s'est considérablement accru au fil des années, parallèlement aux progrès extraordinaires des techniques disponibles.