Dr Patrice Bourgeois

Dr Tara Rodden Robinson

Traduction initiale de l’anglais par Marc Rozenbaum

La Génétique

La Génétique pour les Nuls

© Éditions First, un département d’Édi8, 2021.

Publié en accord avec John Wiley & Sons, Inc.

« Pour les Nuls » est une marque déposée de John Wiley & Sons, Inc.

« For Dummies » est une marque déposée de John Wiley & Sons, Inc.

ISBN : 9782412079560

Dépôt légal : octobre 2021

Préparation de copie et correction : Anne-Lise Martin

Index : Amélie Bazin

Mise en page : Soft Office

Illustrations : Marc Chalvin

Éditions First, un département d’Édi8

92, avenue de France

75013 Paris – France

Tél. : 01 44 16 09 00

Fax : 01 44 16 09 01

E-mail : firstinfo@efirst.com

Site Internet : www.pourlesnuls.fr

Cette œuvre est protégée par le droit d’auteur et strictement réservée à l’usage privé du client. Toute reproduction ou diffusion au profit de tiers, à titre gratuit ou onéreux, de tout ou partie de cette oeuvre est strictement interdite et constitue une contrefaçon prévue par les articles L 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. L’éditeur se réserve le droit de poursuivre toute atteinte à ses droits de propriété intellectuelle devant les juridictions civiles ou pénales.

Ce livre numérique a été converti initialement au format EPUB par Isako www.isako.com à partir de l'édition papier du même ouvrage.

À propos des auteurs

Patrice Bourgeois est docteur en biologie moléculaire et cellulaire. Ingénieur hospitalier en chef au CHU de Marseille, il est spécialisé dans le diagnostic de maladies génétiques par séquençage à haut débit de l’ADN.

Passionné de transmission des savoirs, il enseigne la génétique aux élèves infirmiers de l’académie Aix-Marseille et la biologie, l’embryologie et la méthodologie scientifique au Collège ostéopathique de Provence. Il est coauteur d’ouvrages pédagogiques chez Foucher (groupe Hatier), auteur de la Bioéthique en 50 notions clés (paru en mai 2020 chez First), conférencier pour le grand public.

Tara Rodden Robinson, auteure de la version américaine originale, est titulaire d’un diplôme de sciences infirmières, puis d’un doctorat de biologie. Elle a suivi une formation postdoctorale en génétique à l’université d’Auburn, où elle a obtenu un prix d’enseignement.

Elle a enseigné la génétique à distance dans le cadre du programme de biologie de l’université d’État de l’Oregon. Elle a effectué des travaux de recherche sur les oiseaux et a étudié la génétique de population des saumons pour déterminer l’espèce que préfèrent les oiseaux de mer.

Remerciements

Cet ouvrage aborde des thématiques si diverses qu’elles concernent plusieurs disciplines. De nombreuses personnes avaient contribué à l’édition française. Qu’elles en soient ici encore une fois remerciées.

Un important travail de réécriture a été mené pour cette édition de poche. Merci à Catherine Badens, professeure de génétique à Marseille, pour son aide précieuse dans les coupes douloureuses mais nécessaires et la réorganisation du manuscrit.

Introduction

Thérapie génique, vaccins à ARN, fichage génétique, OGM… font régulièrement la une des journaux. La génétique est l’objet de tous les fantasmes, parce qu’elle touche au cœur de notre humanité. Cette science repose sur les principes de l’hérédité, qui explique la façon dont les caractéristiques des individus se transmettent d’une génération à la suivante, par la molécule d’ADN. C’est l’une des propriétés fondamentales que partagent tous les êtres vivants. La génétique est un domaine d’étude foisonnant, en perpétuelle et très (trop ?) rapide évolution.

À propos de ce livre

Cet ouvrage est un aperçu de ce qu’est la génétique, non seulement en termes de connaissances théoriques, mais aussi dans notre vie quotidienne. Il aborde d’une façon que nous avons souhaitée la plus pédagogique possible de nombreuses thématiques.

Si vous ne connaissez rien à la génétique, ce livre sera pour vous un excellent guide puisqu’il en explique les bases. Si vous avez déjà un certain bagage, peut-être que vous trouverez des angles nouveaux et que vous pourrez élargir votre horizon !

Conventions utilisées dans ce livre

Comme toute discipline de spécialité, la génétique utilise un vocabulaire spécifique. Tout au long de ce livre, qui ne refuse pas l’emploi des mots justes, le jargon est explicité. Pour vous accompagner, un glossaire est disponible en fin d’ouvrage.

Certaines conventions typographiques sont utilisées :

• Les termes en italique mettent en évidence des termes qui sont définis dans le texte ou dans le glossaire.

• Dans les énumérations et les listes à puces, les expressions importantes sont en gras.

• Les sites Internet et les adresses électroniques sont en gras et dans cette police.

L’ouvrage d’un seul coup d’œil

Les connaissances théoriques sont regroupées dans les deux premières parties du livre, le reste étant plutôt consacré aux applications pratiques.

Première partie : Génétique formelle

Cette partie est consacrée aux mécanismes de l’hérédité. Après une courte introduction, le deuxième chapitre explique comment l’information génétique se répartit pendant la division des cellules, puis comment la reproduction sexuée permet de transmettre l’information génétique en brassant les caractères. Nous abordons ensuite les principes de l’hérédité, la manière dont les caractères se transmettent et s’expriment, puis quelques formes d’hérédité plus complexes.

Deuxième partie : Génétique moléculaire

Partons à la découverte du fonctionnement de nos gènes : comment l’ADN est assemblé, dupliqué et comment les plans de l’organisme sont codés par la double hélice, comment les gènes s’expriment ou sont réprimés. Un chapitre est consacré aux outils majeurs de manipulation de l’ADN : son amplification, sa lecture, sa modification. C’est l’occasion d’aborder l’histoire fascinante du projet « Génome humain ».

Troisième partie : Génétique médicale

La troisième partie permet de traiter la façon dont la génétique est utile en médecine. Il y sera question de conseil génétique et des tests ADN, des maladies héréditaires au niveau de l’ADN ou des chromosomes, et aussi de la génétique du cancer. Nous ferons le point sur la thérapie génique, une discipline en plein essor consacrée au traitement des maladies héréditaires.

Quatrième partie : Génétique et société

Cette partie aborde le rôle de la génétique dans la vie courante et couvre les sujets qui reviennent à la une des médias : la génétique des populations, quelques principes de l’évolution, mais aussi la criminalistique et les empreintes génétiques, les organismes génétiquement modifiés (OGM), le clonage et les problèmes d’éthique qui se posent au quotidien, les scientifiques repoussant toujours plus loin les limites.

Cinquième partie : La partie des Dix

Dans cette partie, vous découvrirez dix événements et personnalités qui ont jalonné l’histoire de la génétique. Ensuite, dix thèmes d’actualité, des sujets brûlants qui pourraient bien changer nos vies, sont abordés. Sur un ton plus léger, dix histoires amusantes ou inquiétantes ouvriront des perspectives sur les sujets traités tout au long de ce livre.

Icônes utilisées dans ce livre

Des icônes signalent certaines informations particulières :

Cette icône signale une information essentielle pour la compréhension du sujet, ou qu’il importe particulièrement de ne pas oublier.

Cette icône sert à repérer des éléments pour mieux assimiler les concepts exposés dans ce livre. Ce sont des « tuyaux » à visée pédagogique et des renvois à d’autres sources d’information utiles.

Ce sont des détails utiles mais pas forcément indispensables. Si vous êtes étudiant, ces paragraphes peuvent être particulièrement importants pour vous.

Cette icône signale une anecdote historique à propos d’un scientifique ou d’une découverte marquante.

Cette icône attire l’attention sur un exemple concret.

Cette icône permet de signaler un sujet particulièrement à la pointe.

Partie 1 Génétique formelle

Dans cette partie…

L’étude de la transmission des gènes est appelée génétique mendélienne, ou formelle. Elle est basée sur l’étude de la transmission de notre « patrimoine génétique » d’une génération à la suivante à travers la méiose. Le processus de division cellulaire, ou mitose, est au cœur de cette transmission. Parmi les gènes transmis, certains sont forts, dominants, tandis que les autres, comme s’ils étaient timides, sont récessifs. L’hérédité dépend de ces propriétés, mais aussi de bien d’autres paramètres plus complexes.

DANS CE CHAPITRE

Quelques définitions

•

Les principales disciplines concernées

•

Les différents métiers

Chapitre 1 Définir la génétique

La génétique, qu’est-ce que c’est ?

La génétique concerne tout être vivant. C’est une science qui étudie la façon dont les caractéristiques des individus se transmettent d’une génération à la suivante. Les gènes sont les unités fondamentales de l’hérédité. Ce sont les gènes qui définissent la forme d’un organisme, ses caractéristiques physiques, ainsi que la manière dont il se comporte et se reproduit. Toute la biologie dépendant du fonctionnement des gènes, la génétique est à la base même des sciences de la vie.

La génétique est une science assez jeune. Les lois qui gouvernent la transmission des caractères entre les générations ont été décrites il y a moins de cent cinquante ans. Cependant, la structure de l’ADN n’a été comprise que dans les années 1950. Aujourd’hui, de nouvelles techniques permettent aux généticiens de repousser chaque jour les limites de la connaissance, et leur donnent un pouvoir terrifiant : la possibilité de modifier la nature même de notre espèce.

La génétique se divise en quatre principaux domaines d’étude :

• La génétique classique, ou mendélienne, décrit la manière dont les caractéristiques physiques se transmettent d’une génération à la suivante, au travers des gènes.

• La génétique moléculaire est l’étude des propriétés chimiques et structurales de l’ADN, des ARN et des protéines. Cette discipline s’attache notamment à rechercher les causes des maladies génétiques humaines. C’est elle qui permet d’envisager les modifications du génome et fonde les biotechnologies.

• La génétique des populations étudie les caractéristiques génétiques des groupes d’individus. Elle révolutionne la façon dont nous comprenons l’évolution de la vie sur terre depuis son apparition.

• La génétique quantitative est une discipline basée sur les mathématiques, qui étudie les liens statistiques entre les gènes et les caractères qu’ils codent. C’est une discipline utile principalement pour l’industrie agroalimentaire.

Génétique classique : la transmission des caractères entre les générations

La génétique classique consiste à étudier des traits physiques, ou phénotypes, déterminés par les gènes, dont dépend l’apparence de l’individu. Le phénotype est donc avant tout un caractère observable (du grec phaïnô, « montrer », et tupos, la « marque »).

C’est avec Gregor Mendel, moine et savant, qu’est née la génétique à la fin du XIXe siècle. Durant ses activités de jardinage, Mendel faisait preuve d’une insatiable curiosité, ce qui lui a permis de formuler les lois de l’hérédité encore enseignées de nos jours (chapitre 3).

La génétique classique est aussi appelée :

• Génétique mendélienne – qu’une nouvelle discipline scientifique porte le nom de son fondateur, quoi de plus naturel ?

• Génétique formelle – ce terme renvoie au fait que la transmission des traits des parents à leur progéniture respecte des lois.

Quel que soit le nom qu’on lui donne, la génétique classique comporte l’étude des cellules et des chromosomes (chapitre 2). La division cellulaire est en effet un des mécanismes à la base de l’hérédité, que ce soit pour la multiplication cellulaire, la mitose, ou pour la fabrication des cellules sexuelles, la méiose.

La génétique médicale traitée dans la troisième partie, qui s’attache à comprendre et traiter les maladies génétiques, est fondée sur une bonne compréhension des schémas de l’hérédité.

Génétique moléculaire : ADN et chimie des gènes

La génétique classique étudie l’apparence extérieure (le phénotype), mais l’étude réelle des gènes relève de la génétique moléculaire, qui suppose de comprendre les propriétés physico-chimiques de la double hélice d’ADN (chapitre 5). Les messages contenus dans notre ADN, les gènes, sont les instructions de montage à l’origine de notre apparence physique et de nombreux autres traits : la manière dont fonctionnent nos muscles, notre façon de cligner des yeux, notre groupe sanguin, notre vulnérabilité vis-à-vis de certaines maladies, etc.

L’expression de nos gènes et leur régulation seront abordées dans les chapitres 6 et 7. Elle commence avec la transcription d’un message contenu dans l’ADN sous une forme plus simple à traiter et appelée ARN. L’ARN porte le message qui servira à fabriquer une protéine selon un processus appelé traduction, un peu comme si on suivait une recette de cuisine pour élaborer un plat. Nous sommes le résultat du savant assemblage des protéines fabriquées d’après le plan transmis par les ARN sur l’ordre de nos gènes et il en est de même pour tout être vivant.

La recherche médicale sur les causes du cancer et la quête de solutions thérapeutiques sont traitées au chapitre 11. La thérapie génique (chapitre 13), les biotechnologies et le clonage (chapitre 16) sont autant de branches basées sur l’utilisation de la génétique moléculaire.

Génétique des populations : l’étude génétique des groupes

La génétique des populations est l’étude de la diversité génétique d’un sous-ensemble d’une espèce donnée (chapitre 14). Fondamentalement, c’est la recherche de tendances permettant de décrire la signature génétique d’un groupe particulier, par exemple les conséquences d’une migration, d’un isolement par rapport aux autres populations, de certains choix de partenaires de reproduction, de certaines conditions géographiques ou de certains comportements.

La génétique de l’évolution, qui étudie la manière dont les traits changent avec le temps, est traitée dans le même chapitre.

Prenons l’exemple du guépard, félin africain en grand danger d’extinction. La génétique des populations a permis de découvrir que tous les guépards étaient génétiquement très proches, à tel point qu’une greffe d’organes provenant d’un guépard serait facilement acceptée par un autre guépard. Mais la diversité génétique des guépards étant si faible, les spécialistes craignent qu’un jour ou l’autre, une épidémie puisse anéantir d’un coup toute l’espèce : aucun individu n’y résisterait mieux que les autres.

Appliquée à l’homme, la description de la génétique d’un point de vue mathématique est essentielle pour l’étude des traces génétiques. Afin d’établir l’unicité d’une empreinte ADN, les généticiens doivent échantillonner celles d’un grand nombre d’individus et décider du degré de rareté d’une observation particulière (voir chapitre 15). La médecine recourt aussi à la génétique des populations pour déterminer la fréquence des mutations pathogènes et calculer le risque de voir ces mutations se « révéler » chez les fœtus : c’est le conseil génétique (chapitre 12).

Génétique quantitative : pour mieux comprendre l’hérédité

La génétique quantitative étudie des caractéristiques qui varient de façon subtile et les met en relation avec la génétique formelle. D’un ensemble de gènes combinés à des facteurs environnementaux dépendent des caractéristiques comme l’aptitude à rapporter quelque chose chez les chiens, le nombre d’œufs pondus chez les oiseaux, ou la performance à la course à pied chez l’être humain. Science mathématique par nature, la génétique quantitative fait appel à des méthodes statistiques assez élaborées pour estimer, dans la variation d’une caractéristique particulière, la part de l’environnement et la part de l’hérédité.

La génétique quantitative est notamment utilisée pour déterminer dans quelle mesure un trait donné est héritable. Elle permet aux scientifiques, en se fondant sur les caractéristiques des organismes parents, de tenter de prédire celles de leur descendance. L’héritabilité donne une indication de la façon dont une caractéristique peut changer grâce à un processus de sélection naturelle ou artificielle.

Cette discipline n’est pas traitée dans cet ouvrage.

Qui fait de la génétique ?

Toutes sortes de structures emploient des personnels spécialisés en génétique :

• Les laboratoires pharmaceutiques, pour étudier l’effet des médicaments sur l’expression des gènes (chapitre 6) et pour mettre au point de nouveaux traitements comme la thérapie génique (chapitre 13).

• Les laboratoires de la police scientifique, ou leurs prestataires, pour analyser l’ADN trouvé sur les lieux des crimes et établir les profils ADN des suspects ou des victimes (chapitre 15).

• Les entreprises de big data qui analysent les données issues des projets de séquençage des génomes (chapitre 8).

• Les entreprises qui participent indirectement aux travaux d’autres laboratoires de génétique en concevant et en commercialisant des produits utilisés dans la recherche, par exemple des kits utilisés pour exploiter les empreintes génétiques.

• Les laboratoires publics, soit de recherche (qui travaillent sur des organismes ou des cellules modèles et tentent d’en comprendre les mécanismes), soit de diagnostic (qui travaillent en milieu hospitalier pour identifier les causes des maladies génétiques ou les agents pathogènes).

• Les services de génétique clinique, en milieu hospitalier, où des médecins et des conseillers en génétique reçoivent des personnes en consultation afin de poser un diagnostic pour la pathologie dont ils sont potentiellement atteints, ou de leur prodiguer un conseil génétique.

Des sites intéressants

Internet est une source d’information inégalée pour la génétique. Quelques clics de souris suffisent pour trouver les dernières découvertes et les meilleurs sites sur le sujet. Voici quelques exemples en français parmi d’autres.

Sites institutionnels

• https://www.orpha.net/ : Orphanet, le site professionnel sur les maladies rares, avec les coordonnées de tous les médecins impliqués dans la recherche par maladie et par ordre alphabétique.

• http://www.genetique-medicale.fr/ : un site pédagogique grand public sur les maladies génétiques par l’Agence de la biomédecine.

• http://www.afm-telethon.fr : le site de l’Association française contre les myopathies, AFM-Téléthon, avec notamment une liste des essais thérapeutiques en cours en France dans le domaine des maladies rares, et des contacts vers les associations de patients. Son volet « éducation » pour les scolaires est également une mine d’informations : https://education.telethon.fr/

• http://www.alliance-maladies-rares.org : le site fédératif des associations de patients atteints de maladies rares.

Sites pédagogiques

• https://fr.wikipedia.org/wiki/Génétique : incontournable article Wikipédia sur le sujet !

• http://www.medecine.unige.ch/enseignement/dnaftb/ : un site américain traduit par l’université de Genève, très pédagogique et très bien fait, très complet.

DANS CE CHAPITRE

La cellule et les chromosomes

•

La mitose et la méiose

•

La génétique du sexe

Chapitre 2 La cellule est à la base de la vie

La transmission du matériel génétique d’une génération à la suivante dépend entièrement de la façon dont les cellules se multiplient. Pour se reproduire, un organisme simple comme la bactérie ou la levure commence par dupliquer son ADN (voir chapitre 6), puis se divise en deux. Ce phénomène s’appelle la mitose. Cependant, chez les organismes qui pratiquent la reproduction sexuée, dont l’espèce humaine, le processus est plus compliqué. Dans des cellules spécialisées, les chromosomes doivent d’abord se retrouver par paires et se recombiner. Puis ces cellules subissent une méiose, deux divisions successives, qui donne chez la nouvelle génération des combinaisons génétiques entièrement nouvelles : c’est ce qui rend chacun de nous unique.

La cellule, unité fondamentale du vivant

Tout être vivant connu est constitué au moins d’une cellule. Toute cellule est délimitée par une membrane souple, qui régule les échanges de nutriments, d’eau et de gaz qui la nourrissent. Le liquide intracellulaire est appelé cytoplasme, littéralement la « matière de la cellule ». C’est dans le cytoplasme que baignent les organites, divers éléments qui permettent la vie.

On distingue deux grands types d’organismes vivants :

• Les procaryotes, unicellulaires, constitués d’une seule cellule sans noyau. On les appelle aussi… les bactéries.

Elles n’ont en général qu’un chromosome circulaire flottant dans leur cytoplasme, et parfois, de petits plasmides, des ADN circulaires de très petite taille portant notamment des gènes de résistance aux antibiotiques qu’elles peuvent s’échanger pour acquérir de nouvelles propriétés. Les bactéries se reproduisent par simple division, un mode de reproduction conforme appelé mitose.

• Les eucaryotes sont constitués de cellules pourvues d’un noyau bien délimité. Les eucaryotes sont uni- ou multicellulaires. Comme les arbres ou les ours polaires, nous sommes des eucaryotes. Le noyau renferme l’ADN, protégé par une double membrane comme dans un coffre-fort.

En plus de l’ADN nucléaire, les eucaryotes ont de petits chromosomes circulaires dans deux types d’organites :

• Les mitochondries, qui réalisent la respiration cellulaire ;

• Les chloroplastes, spécifiques des cellules végétales chlorophylliennes, qui sont chargés de la photosynthèse.

Les chromosomes des cellules eucaryotes sont généralement de longs fragments d’ADN, très différents de l’ADN circulaire des procaryotes et bien plus abondants. Pour tenir dans le noyau, l’ADN doit être étroitement compacté (voir chapitre 5).

Bien qu’ayant les mêmes fonctions de base, les cellules procaryotes et eucaryotes sont assez différentes, comme on peut le voir sur la figure 2-1.

Des organismes terrestres… extra !

Il existe une autre catégorie d’organismes vivants, les archées, que l’on a d’abord trouvées dans des conditions extrêmes où l’on pensait la vie impossible : dans l’eau à 100 oC, dans le méthane, dans la radioactivité, dans l’acide sulfurique… Les archées partagent des caractéristiques avec les procaryotes et les eucaryotes, tout en ayant développé des propriétés particulières qui en font une mine d’inspiration en biotechnologie. Par exemple, en 1969, la première espèce d’archée connue, Thermophilus aquaticus, a été identifiée dans une source chaude du parc de Yellowstone aux États-Unis. De cette archée a été extraite une enzyme qui a permis la mise au point de la technique de PCR (voir chapitre 8), qui a révolutionné la biologie dans les années 1980. Grâce à la PCR, le clonage, les OGM et autres manipulations génétiques ont été rendus possibles.

Figure 2-1 Comparaison entre une cellule procaryote (a) et une cellule eucaryote (b).

Les cellules des organismes multicellulaires, contrairement aux procaryotes, sont souvent spécialisées. Cela leur permet de s’organiser pour former des tissus, puis des organes et des systèmes, où chaque sous-population de cellules remplit des fonctions bien particulières. Elles sont également des spécialistes de la communication et de l’interaction.

On distingue notamment deux grands types de cellules aux fonctions très différentes : les cellules de tout le corps ou cellules somatiques, et les cellules germinales, spécialisées dans la reproduction.

Cellules somatiques

Les cellules somatiques sont toutes produites par une division simple appelée mitose. Elles représentent la majorité de nos cellules, on en compte environ 200 types dans notre organisme. Les cellules de l’épiderme, les neurones et les cellules musculaires, par exemple, sont des cellules somatiques. En les observant au microscope, on constate, même si leurs composants de base sont les mêmes (elles ont un noyau et toutes les mêmes organites), que leurs formes peuvent être très différentes, spécifiquement adaptées aux fonctions qu’elles remplissent. Elles se sont spécialisées pendant notre développement, par un processus appelé différenciation.

Cellules germinales

Les cellules germinales, ou sexuelles, sont responsables de la reproduction. À ce titre, elles ont la capacité spécifique de réduire la quantité de matériel génétique qu’elles contiennent lors d’un processus tout à fait particulier appelé méiose. À leur stade final de différenciation, les cellules germinales sont devenues des gamètes. Dans l’espèce humaine, les deux types de gamètes sont les spermatozoïdes chez l’homme, et les ovocytes chez la femme. Seuls les eucaryotes pratiquent la reproduction sexuée qui, comme son nom l’indique, fait intervenir le sexe. Puisque l’ADN des deux gamètes doit se combiner dans un nouvel être unique et inédit, il est indispensable de réduire auparavant cette quantité de matériel génétique dans les gamètes.

Et les virus ?

Au-delà des grandes classes de cellules que nous venons de décrire, il existe d’autres étrangetés dans le monde de la biologie. Les virus constituent toujours une classe qui divise les chercheurs : sont-ils vivants ou non ? Au sens strict du terme, un organisme vivant se définit par une propriété d’autonomie. La moindre des bactéries est capable de se reproduire sans l’aide de quiconque, produit de l’énergie, réalise du métabolisme : elle vit, quoi ! Or, les virus sont des « parasites obligés », totalement incapables de se reproduire sans infecter une cellule-hôte dont ils utilisent les outils pour les détourner à leur propre profit. Les virus peuvent avoir toutes sortes de formes étranges, mais aucun ne possède d’organites : un virus n’est que du matériel génétique empaqueté d’une enveloppe protectrice. Tout un monde à part !

Cycle cellulaire et mitose

Les cellules somatiques ont généralement un cycle de vie très simple : elles grandissent, puis se divisent, et ce faisant, meurent en se séparant en deux nouvelles cellules « filles ». La figure 2-2 illustre le cycle de vie d’une cellule somatique, ou cycle cellulaire, qui est strictement réglé.

Certaines cellules se divisent continuellement, d’autres jamais. Notre corps utilise la mitose pour produire de nouvelles cellules durant notre croissance, ou pour remplacer les cellules trop usées, ou encore à la suite d’une blessure. Nous produisons à chaque instant des milliers de nouvelles cellules ! Le chapitre 11 aborde ce qui se produit quand le cycle cellulaire se dérègle.

Interphase et phase S

Le cycle cellulaire est divisé en deux grandes étapes, l’interphase, qui correspond à « la vie de la cellule », et la mitose, qui est sa division en deux cellules filles.

Tous les chromosomes de la cellule sont dupliqués au cours d’une étape particulière de l’interphase, la phase S, par une sorte de « photocopie moléculaire ». Cette étape est la réplication, abordée au chapitre 6. Elle a lieu un peu avant la mitose. De la sorte, chaque bras du X chromosomique est une copie conforme de l’autre.

Figure 2-2 Le cycle cellulaire : mitose et interphase.

Pendant toute l’interphase, l’ADN des chromosomes est « relâché » et n’a pas encore pris la forme en bâtonnet qui sera la leur au cours de la mitose. Dans le noyau de la cellule, on ne distingue rien en particulier, mais l’activité est intense.

La phase G₀

Certaines cellules sortent du cycle et passent en phase G₀. C’est le cas des neurones dans le cerveau, qui sont incapables de se diviser de nouveau lorsqu’ils ont atteint leur niveau de spécialisation maximal. C’est pourquoi une moelle épinière ou un cerveau endommagés ne peuvent pas se reconstituer.

Séparer les chromosomes pendant la mitose

La mitose est le processus de séparation des chromosomes qui se décompose en quatre phases (figure 2-3). Chacune des deux nouvelles cellules doit recevoir la totalité des chromosomes.

Les cellules issues d’une mitose ont exactement le même patrimoine génétique que la cellule mère : le nombre de chromosomes est conservé. En outre, il n’y a pas de brassage de l’information génétique : c’est un mode de reproduction conforme.

Figure 2-3 Les quatre phases de la mitose.

Prophase et métaphase

Pendant l’interphase, les chromosomes étaient assez relâchés pour être invisibles. Tout change pendant la prophase (pro- signifie « devant, avant » en grec), quand les chromosomes deviennent si densément compactés qu’on peut les observer au microscope : ils prennent cette forme en X qui nous est familière. Cela correspond à leur degré maximal de compaction et de densité.

Le noyau de la cellule commence à se disloquer, si bien que les chromosomes peuvent se déplacer librement pendant que la division se poursuit. Les chromosomes vont progressivement s’aligner (voir figure 2-3) à l’équateur de la cellule, définissant ainsi un axe perpendiculaire qui marque deux pôles. C’est la métaphase, méta-signifiant « au milieu ».

Les pôles de la cellule marquent l’emplacement des deux cellules filles à l’issue de la division. Des filaments protéiques sont enroulés comme des câbles autour de chaque chromosome. Ils sont reliés à des points situés aux pôles, et forment un fuseau de division, le long duquel le mécanisme va se poursuivre.

Anaphase et télophase

Au cours de l’anaphase (en grec, ana- signifie « de bas en haut »), chaque chromosome est séparé en ses deux bras, qui migrent chacun vers les pôles opposés sous la traction des fibres du fuseau de division, si bien que l’information génétique se sépare en deux lots identiques.

Enfin, la cellule parvient à la télophase, dont l’étymologie signifie que les chromosomes sont définitivement éloignés. Des enveloppes commencent à se reformer autour des deux séries de chromosomes pour les enfermer dans deux nouveaux noyaux. Les chromosomes commencent à reprendre l’aspect usuel qui est le leur au cours de l’interphase, en pelote débobinée. La cellule elle-même commence à se scinder en deux.

Chaque nouvelle cellule est dotée d’un ensemble complet de chromosomes, tout comme la cellule initiale. Tous les organites et le cytoplasme présents dans la cellule initiale ont été équitablement répartis de telle sorte que les deux cellules filles soient parfaitement fonctionnelles.

Les nouvelles cellules sont maintenant en interphase, plus précisément en phase G₁ : un nouveau cycle cellulaire a démarré.

La méiose : produire des cellules pour la reproduction

La méiose est réservée aux organismes sexués et n’affecte que les cellules germinales : les seuls organes dans lesquels ce processus survient sont les gonades, testicules et ovaires. La méiose est en fait une succession de deux divisions cellulaires, dont la première est tout à fait particulière, car le nombre de chromosomes va être réduit. En même temps, c’est pendant cette étape que se produit l’essentiel du brassage génétique qui fait notre unicité et notre diversité.

Présentation des chromosomes

Les chromosomes sont le support physique de nos gènes, qui y sont cartographiés en fonction de leur locus, ou emplacement. Chaque organisme eucaryote possède un nombre donné de chromosomes par cellule. Chez l’être humain, on en compte 46, qui sont organisés en 23 paires. Nous reviendrons sur leurs spécificités au chapitre 9.

Les chromosomes d’une paire sont appelés homologues, car ils sont identiques du point de vue de leur forme comme de leur taille, et très semblables par les gènes qu’ils contiennent.

Un bras de chromosome est appelé chromatide. Selon l’étape de la vie de la cellule, les chromosomes ont une ou deux chromatides – les deux chromatides d’un chromosome étant toujours des copies conformes.

Au cours de la méiose, les cellules héritent d’une moitié de la quantité d’ADN initiale, de telle sorte qu’après la fécondation (rencontre d’un spermatozoïde et d’un ovocyte), l’œuf se retrouvera avec une série complète de chromosomes. Chez l’être humain, cela signifie que les cellules produites par méiose (ovocytes ou spermatozoïdes) sont dotées de 23 chromosomes chacune, un de chaque paire.

La méiose en bref

Méiose et mitose partagent un certain nombre de caractéristiques communes puisque ce sont des divisions. Les phases qui les constituent portent les mêmes noms et les chromosomes évoluent de façon assez semblable, à la différence que la méiose consiste en une succession de deux divisions.

Pourtant, ce que produit la méiose est très différent. Alors que la mitose aboutit à la formation de deux cellules identiques, la méiose produit quatre cellules comportant chacune le quart de la quantité d’ADN initiale, et ces quatre cellules ont en outre un contenu en ADN différent.

En effet, en méiose, les chromosomes homologues effectuent un échange complexe de segments d’ADN, que l’on désigne sous le terme de recombinaison. La recombinaison est à l’origine du brassage de l’information génétique, par lequel chaque individu issu de la reproduction sexuée est véritablement unique.

La méiose comporte donc deux divisions : une division réductionnelle et une division équationnelle. La figure 2-4 montre toutes ces étapes. Ce n’est pas un cycle cellulaire, il n’y a pas d’interphase entre ces deux divisions, qui se succèdent :