"SÉQ. 2 : Localisation et nature de l’information génétique déterminant les caractères héréditaires. " (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève pourra :** - Expliquer comment les expériences de transfert de noyau ont permis de localiser l’information génétique dans le noyau cellulaire. - Décrire la nature chimique de l’information génétique (ADN) et son organisation en chromosomes. - Interpréter les résultats des expériences classiques (grenouille de Briggs & King, mammifère de Gurdon, Avery‑MacLeod‑McCarty, Hershey‑Chase) et en déduire les propriétés de l’ADN. - Utiliser la règle de complémentarité des bases pour déterminer la séquence d’un brin d’ADN à partir de son complément. - Relier la structure du nucléosome à la compaction de l’ADN dans le chromosome métaphasique. **Prérequis :** - Notions de cellule eucaryote (noyau, cytoplasme, membrane). - Connaissances de base sur la mitose et la méiose (stades, formation des chromosomes). - Notion de caractère héréditaire et de transmission des traits. --- ## Introduction contextualisée Depuis le début du XXᵉ siècle, les biologistes se sont demandé où réside l’information qui détermine les caractères héréditaires. Deux questions fondamentales se sont posées : **(1) Où cette information est‑elle localisée dans la cellule ?** et **(2) De quelle nature chimique est‑elle faite ?** Les réponses ont émergé grâce à des expériences de transfert de noyau et à des travaux biochimiques sur l’acide désoxyribonucléique (ADN). Ce chapitre présente, dans l’ordre du programme officiel, les résultats clés de ces investigations et montre comment ils ont conduit à la conception moderne du gène comme segment d’ADN situé sur un chromosome. --- ## I. Séance 3 : Localisation de l’information génétique : résultats d’expériences de transfert de noyau ### A. Principe de l’expérience de transfert de noyau L’idée consiste à extraire le noyau d’une cellule donneuse et à le placer dans un cytoplasme receveur dont le noyau a été éliminé (ou inactivé). Si le noyau contient l’information génétique, le cytoplasme receveur devrait exprimer les caractères propres au donneur. > **> Définition** : *Transfert de noyau* = technique consistant à remplacer le noyau d’une cellule par celui d’une autre cellule afin de tester la localisation de l’information héréditaire. ### B. Résultats classiques | Organisme | Expérience | Résultat observé | Interprétation | |-----------|-----------|------------------|----------------| | Grenouille (*Rana pipiens*) – Briggs & King (1952) | Noyau de cellule blastula placé dans un ovule enucléé | Développement d’un têtard normal, puis d’une grenouille adulte phénotypiquement identique au donneur | Le noyau porte l’information nécessaire au développement complet. | | Grenouille (*Xenopus laevis*) – Gurdon (1962) | Noyau d’une cellule intestinale différenciée placé dans un ovule enucléé | Obtention de têtards qui se développent en grenouilles adultes phénotypiquement identiques au donneur | Même un noyau différencié conserve la totalité du génome. | | Amibe (*Amoeba proteus*) – Hammerling (1943) | Échange de noyaux entre souches à différentes couleurs | La couleur du cytoplasme suit celle du noyau transplanté | Le noyau détermine le phénotype cytoplasmique. | > **> Règle** : Si le cytoplasme receveur exprime le phénotype du donneur après transfert de noyau, l’information génétique est localisée dans le noyau. ### C. Interprétation : le noyau comme siège de l’information génétique Ces expériences montrent que le noyau, et non le cytoplasme, contient les déterminants héréditaires capables de diriger le développement d’un organisme complet. Le cytoplasme fournit uniquement le milieu nécessaire à l’expression de cette information (enzymes, ribosomes, etc.). ### D. Deux exemples entièrement résolus **Exemple 1 – Calcul du pourcentage de réussite d’un transfert de noyau** Dans une expérience sur *Xenopus laevis*, 120 ovules enucléés ont reçu chacun un noyau de cellule de gastrula. Au bout de 5 jours, 84 embryons ont atteint le stade de neurula. 1. Nombre total d’ovules utilisés : $N_{total}=120$. 2. Nombre d’embryons réussis : $N_{succès}=84$. 3. Pourcentage de réussite : $$ \%\,succès = \frac{N_{succès}}{N_{total}}\times 100 = \frac{84}{120}\times 100 = 70\%. $$ **Réponse** : 70 % des transferts ont donné un embryon viable. **Exemple 2 – Déduction du génotype du noyau à partir du phénotype du têtard** Un noyau prélevé sur une grenouille de génotype inconnu est transféré dans un ovule enucléé provenant d’une grenouille albinos (phénotype récessif *aa*). Le têtard obtenu présente une pigmentation normale (phénotype dominant). - Le phénotype du têtard est déterminé par le génotype du noyau transplanté, car le cytoplasme de l’ovule ne possède pas d’allèle pour la pigmentation (il est « neutre » pour ce caractère). - Comme le têtard est pigmenté (phénotype dominant), le noyau doit porter au moins un allèle *A*. - Le cytoplasme étant *aa* ne peut pas fournir d’allèle *A*. - Donc, le noyau transplanté possède un génotype soit *AA* soit *Aa*. **Réponse** : Le noyau du donneur comporte au moins un allèle dominant *A* (génotype *AA* ou *Aa*). > **> Point clé** : Le transfert de noyau montre que le noyau possède la capacité de diriger le développement, mais que l’expression des gènes dépend aussi du milieu cytoplasmique. --- ## II. Séance 4 : Nature de l’information génétique : notions de chromosome et d’ADN ### A. Découverte de l’ADN comme matériau génétique 1. **Expérience d’Avery, MacLeod & McCarty (1944)** - Souche *S* de *Streptococcus pneumoniae* (virulente, capsule polysaccharide) transformée en souche *R* (avirulente) par un extrait filtré. - Traitement séparé de l’extrait avec des enzymes protéases, ribonucléases et désoxyribonucléases. - Seul le traitement par désoxyribonucléase détruit l’activité transformante. - **Conclusion** : l’ADN est le principe transformant. > **> Définition** : *Transformation bactérienne* = uptake et incorporation d’ADN extérieur modifiant le phénotype de la bactérie. 2. **Expérience Hershey‑Chase (1952)** - Marquage radioactif du phosphore ($^{32}P$) présent dans l’ADN et du soufre ($^{35}S$) présent dans les protéines du bactériophage T2. - Après infection de *E. coli* et agitation, seules les particules contenant $^{32}P$ pénètrent dans la bactérie. - **Conclusion** : l’ADN, et non la protéine, est le matériel génétique transmis. > **> Règle** : Dans un phage, seul l’ADN pénètre dans la cellule hôte et dirige la synthèse de nouveaux virions. ### B. Structure de l’ADN - **Double hélice** découverte par Watson & Crick (1953). - Chaque brin est composé de nucléotides : phosphate – désoxyribose – base azotée (A, T, G, C). - **Règle de complémentarité** : A s’apparie avec T (2 liaisons hydrogène), G avec C (3 liaisons hydrogène). $$ \text{Brins complémentaires}:\quad 5'\!-\!A\!-\!T\!-\!G\!-\!C\!-\!3' \;\leftrightarrow\; 3'\!-\!T\!-\!A\!-\!C\!-\!G\!-\!5' $$ > **> Formule** : Nombre de liaisons hydrogène entre A–T = 2 ; entre G–C = 3. - **Antiparallélisme** : les deux brins s’orientent en sens opposé (5’→3’ et 3’→5’). ### C. Organisation chromosomique de l’ADN 1. **Nucleosome** : unité de base de la chromatine. - Un noyau d’histones (H2A, H2B, H3, H4) ×2 autour duquel s’enroule ~146 pb d’ADN. - Liaison par l’histone H1 (liant) stabilise la fibre de 10 nm → fibre de 30 nm. > **> Définition** : *Nucleosome* = complexe histone‑ADN formant la première étape de compaction de la chromatine. 2. **Chromatine** : fibre d’ADN associée aux histones, présente sous deux formes : - **Euchromatine** : moins compactée, transcriptionnellement active. - **Hétérochromatine** : fortement compactée, généralement inactive. 3. **Chromosome métaphasique** : chromatine fortement condensée (≈10 000 fois l’ADN nu) visible au microscope optique lors de la métaphase de la mitose. - Chaque chromosome comporte deux chromatides sœurs reliées par le centromère. > **> Règle** : Nombre de chromosomes chez l’humain = 46 (2n) ; nombre de chromatides en métaphase = 92. ### D. Deux exemples entièrement résolus **Exemple 1 – Déduction de la séquence complémentaire d’un brin d’ADN** Donné le brin 5’‑A‑G‑T‑C‑G‑A‑T‑3’. 1. Appliquer la règle de complémentarité (A↔T, G↔C) en sens inverse (3’→5’). 2. Brin complémentaire (lu de 3’ à 5’) : - A → T - G → C - T → A - C → G - G → C - A → T - T → A → 3’‑T‑C‑A‑G‑C‑T‑A‑5’ 3. Écrire le brin dans l’orientation 5’→3’ (inverser) : 5’‑A‑T‑C‑G‑C‑T‑A‑3’. **Réponse** : Le brin complémentaire est 5’‑A‑T‑C‑G‑C‑T‑A‑3’. > **> Astuce** : Toujours écrire le brin complémentaire dans le sens opposé (antiparallèle) puis le relire de 5’ à 3’. **Exemple 2 – Calcul du nombre de nucléosomes dans un chromosome humain** On considère un chromosome moyen contenant 150 Mb (méga‑paires) d’ADN. 1. Longueur d’ADN par nucléosome ≈ 146 pb d’ADN + ~20 pb d’ADN liant (histone H1) ≈ 166 pb. 2. Nombre de nucléosomes = $\dfrac{150\times10^{6}\text{ pb}}{166\text{ pb}} \approx 9.04\times10^{5}$. **Réponse** : Environ 900 000 nucléosomes par chromosome moyen. > **> Point clé** : La compaction de l’ADN en nucléosomes permet d’empaqueter plusieurs mètres d’ADN dans un noyau de quelques micromètres de diamètre. --- ## III. Synthèse du chapitre - **Localisation** : Les expériences de transfert de noyau (grenouille, mammifère) démontrent que le noyau contient l’information héréditaire capable de diriger le développement d’un organisme complet. - **Nature** : Les travaux d’Avery‑MacLeod‑McCarty et Hershey‑Chase ont identifié l’ADN comme le matériau génétique. - **Structure de l’ADN** : Double hélice antiparallèle, règles de complémentarité A–T (2 H‑bonds) et G–C (3 H‑bonds). - **Organisation chromosomique** : ADN → nucléosome → fibre de chromatine (10 nm → 30 nm) → chromosome métaphasique (condensation ~10 000×). - **Relation** : Un gène = segment d’ADN situé sur un chromosome, exprimé grâce à la transcription et à la traduction, régulé par l’état de la chromatine (euchromatine vs hétérochromatine). > **> Règle fondamentale** : L’information génétique est localisée dans le noyau, sous forme d’ADN organisé en chromosomes. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Transfert de noyau | Technique consistant à remplacer le noyau d’une cellule par celui d’une autre pour tester la localisation de l’information héréditaire. | | Transformation bactérienne | Uptake et incorporation d’ADN extérieur modifiant le phénotype d’une bactérie. | | Double hélice | Structure de l’ADN formée par deux brins antiparalèles enroulés l’un autour de l’autre. | | Complémentarité des bases | Règle selon laquelle A s’apparie avec T et G avec C via des liaisons hydrogène spécifiques. | | Nucleosome | Complexe constitué d’un octamère d’histones autour duquel s’enroule environ 146 pb d’ADN. | | Euchromatine | Forme de chromatine peu condensée, associée à une transcription active. | | Hétérochromatine | Forme de chromatine fortement condensée, généralement transcriptionnellement inactive. | | Chromatide | Chacune des deux copies identiques d’un chromosome résultant de la réplication de l’ADN, présentes pendant la mitose. | | Centromère | Région du chromosome où se rattachent les fibres du fuseau mitotique et qui unit les deux chromatides sœurs. | | Métaphase | Stade de la mitose où les chromosomes sont alignés au niveau de l’équateur de la cellule. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 (niveau facile) Un noyau de cellule de feuille de tabac (plante différenciée) est transféré dans un ovule de tabac enucléé. Le plant obtenu présente des feuilles normales. **Question** : Quelle conclusion peut-on tirer concernant la localisation de l’information génétique ? **Corrigé** : - Le noyau de la cellule différenciée a permis le développement d’un plant complet. - Donc, le noyau contient l’information nécessaire à l’expression du génome complet. - **Conclusion** : L’information génétique est localisée dans le noyau. --- ### Exercice 2 (niveau intermédiaire) Dans une expérience d’Avery, MacLeod & McCarty, un extrait de souche *S* traité avec de la désoxyribonucléase perd son activité transformante, tandis que les mêmes extraits traités avec des protéases ou des ribonucléases conservent cette activité. **Question** : Expliquer pourquoi ces résultats permettent d’identifier l’ADN comme principe transformant. **Corrigé** : 1. L’activité transformante est la capacité de convertir une souche *R* en souche *S*. 2. La désoxyribonucléase hydrolyse spécifiquement les liaisons phosphodiester de l’ADN. Si son traitement détruit l’activité, l’agent responsable doit être de l’ADN. 3. Les protéases dégradent les protéines ; la ribonucléase dégrade l’ARN. Comme leurs traitements n’altèrent pas l’activité, les protéines et l’ARN ne sont pas responsables. 4. Donc, l’ADN est le seul composé dont l’élimination supprime l’activité transformante → il est le principe génétique. --- ### Exercice 3 (niveau intermédiaire) Donné le brin d’ADN suivant : 5’‑G‑C‑T‑A‑A‑G‑C‑T‑3’. **Question** : Écrire la séquence du brin complémentaire dans l’orientation 5’→3’. **Corrigé** : - Appliquer la complémentarité : G↔C, C↔G, T↔A, A↔T. - Brin complémentaire lu de 3’→5’ : 3’‑C‑G‑A‑T‑T‑C‑G‑A‑5’. - Inverser pour obtenir l’orientation 5’→3’ : 5’‑A‑G‑C‑T‑T‑A‑G‑C‑3’. **Réponse** : 5’‑A‑G‑C‑T‑T‑A‑G‑C‑3’. --- ### Exercice 4 (niveau avancé) Un chromosome humain contient environ 200 Mb d’ADN. Sachant qu’un nucléosome regroupe environ 200 pb d’ADN (146 pb d’enroulement + 54 pb d’ADN liant), estimer le nombre de nucléosomes présents sur ce chromosome. **Corrigé** : 1. Convertir les mégabases en paires de bases : $200\text{ Mb}=200\times10^{6}\text{ pb}$. 2. Nombre de nucléosomes = $\dfrac{200\times10^{6}\text{ pb}}{200\text{ pb/nucléosome}} = 1.0\times10^{6}$. **Réponse** : Environ 1 000 000 de nucléosomes. --- ### Exercice 5 (niveau avancé) Lors d’une expérience de transfert de noyau chez *Xenopus*, 95 ovules enucléés ont reçu chacun un noyau de cellule de blastula. Après 4 jours, 57 embryons ont atteint le stade de gastrula. **Question** : Calculer le taux de réussite et interpréter ce résultat en termes de potentiel totipotent du noyau transplanté. **Corrigé** : - Taux de réussite = $\dfrac{57}{95}\times100 \approx 60\%$. - Un taux de 60 % montre que la majorité des noyaux de blastula sont capables de diriger le développement jusqu’au stade de gastrula, indiquant qu’ils possèdent un potentiel totipotent (ou du moins pluripotent) à ce stade précoce. - Le fait que le taux ne soit pas de 100 % peut être attribué à des dommages mécaniques lors du transfert ou à une variabilité intrinsèque de la capacité de reprogrammation du cytoplasme receveur. --- ### Exercice 6 (niveau expert) Un extrait d’ADN de phage T2 est marqué au $^{32}P$ (phosphate) et ses protéines au $^{35}S$ (soufre). Après infection de *E. coli* et agitation en blender, on mesure la radioactivité dans le surnatant et le pellet bactérien. On obtient : - $^{32}P$ : 80 % dans le pellet, 20 % dans le surnatant. - $^{35}S$ : 5 % dans le pellet, 95 % dans le surnatant. **Question** : En déduire la nature du matériel génétique transmis au cours de l’infection. **Corrigé** : - La majorité du marquage phosphoré (ADN) se retrouve dans le pellet bactérien → l’ADN pénètre dans la cellule hôte. - La quasi-totalité du marquage soufré (protéines) reste dans le surnatant → les protéines du phage ne pénètrent pas (ou très peu) dans la bactérie. - Donc, seul l’ADN est transmis à l’hôte et dirige la synthèse de nouveaux virions. - **Conclusion** : L’ADN est le matériau génétique du phage T2, confirmant l’hypothèse de Hershey‑Chase. --- ## Erreurs fréquentes | Erreur fréquente | Pourquoi elle se produit | Comment l’éviter | |------------------|--------------------------|------------------| | Confondre **transfert de noyau** avec **transfert de cytoplasme** | L’idée que le cytoplasme puisse contenir l’information génétique est répandue chez les débutants. | Rappeler que seules les expériences où le noyau est déplacé montrent un phénotype du donneur ; le cytoplasme seul ne suffit pas. | | Penser que **A se paire avec G** ou **T avec C** | Mémorisation mécanique des paires sans comprendre le nombre de liaisons hydrogène. | Utiliser la règle « A‑T (2 liens), G‑C (3 liens) » et vérifier en dessinant les bases. | | Croire que **tout l’ADN d’un chromosome est sous forme de nucléosomes** | Oublier les régions liantes et l’ADN non nucléosomique (ex. promoteurs, régions télomériques). | Préciser que l’ADN est enroulé autour des histones avec des espaces liants d’environ 20‑80 pb selon le contexte. | | Assimiler **chromatide** à **chromosome** | Confondre les deux chromatides d’un chromosome métaphasique avec deux chromosomes distincts. | Souligner qu’une chromatide est une copie d’ADN d’un seul chromosome ; deux chromatides sœurs forment un seul chromosome. | | Interpréter un faible taux de réussite en transfert de noyau comme preuve que le noyau ne contient pas l’information | Ne pas tenir compte des facteurs techniques (damage du noyau, inefficacité du cytoplasme). | Discuter des limites expérimentales et rappeler que même un faible taux montre que le noyau possède au moins une partie de l’information. | | Utiliser la mauvaise unité lorsqu’on calcule le nombre de nucléosomes (confondre pb et kb) | Erreur de conversion entre bases et kilobases. | Toujours convertir les longueurs en paires de bases avant de diviser par la taille d’un nucléosome (ex. 150 Mb = 150 × 10⁶ pb). | --- *Fin du cours.*