Avant de nous pencher plus en détail sur les différents mécanismes qui lient gènes et protéines, il est bon d’étudier un temps l’élément structurel de la biologie de synthèse: l’ADN. Cet article est important pour comprendre certains éléments qui seront évoqués dans de nombreux autres articles du site.

L’Acide désoxyribonucléique ou ADN, est une molécule de taille variée utilisée par de nombreux êtres vivants pour contenir un ensemble d’information généralement sous la forme d’un génome. Un organisme est constitué d’une ou plusieurs cellules. Par exemple, la bactérie Escherichia coli n’est composé que d’une cellule, alors que le corps humain contient plusieurs milliards de cellules qui travaillent de concert. L’être humain est donc un organisme “pluricellulaire” quand E. coli est dite “monocellulaire”. Quelque soit l’organisme, une cellule est la plus petite unité qui le compose et qui, sauf exceptions, incorpore un génome. Ainsi, vous avez à peu près autant de copies de votre génome qu’il y a de cellules dans votre corps. Le génome contient un nombre considérable d’informations encryptées (comme les gènes), qui une fois lues, permettent entre autres à la cellule d’exprimer des protéines pour assurer son rôle et de survivre dans son environnement.

Figure 1: Images microscopiques d’un tissus composées de cellules humaines (A) et d’un agrégat de cellules bactériennes de l’espèce Escherichia coli (B). Chacune des cellules comporte un génome sous la forme d’ADN.

Les mécanismes derrière le décryptage et la lecture du génome dépendent directement de la structure de l’ADN. L’ADN est un “polymère”. C’est un assemblage de plus petites molécules par répétition, que l’on nomme “monomère” (« mono »-seul, « polus »-plusieurs et « meros »-parties). Les monomères de l’ADN sont des molécules nommées “nucléotides”.

Les nucléotides forment une famille de molécules que l’on peut diviser en trois parties: un sucre (le désoxyribose), un groupement phosphate, et une base azotée. L’ADN est composé de quatre nucléotides différents, qui ne diffèrent que par la structure de leur base azotée. Les bases azotées des nucléotides composant l’ADN sont l’Adénine (A), la Thymine (T), la Cytosine (C) et la Guanine (G) (Figure 2).

Figure 2: Structure d’un nucléotide. Tous les nucléotides présents dans l’ADN partagent une structure commune formée du groupement phosphate et du désoxyribose, mais diffèrent dans la structure de leurs bases azotées, au nombre de quatre. Structure adaptée de [1]

C’est parce que les nucléotides ne diffèrent entre eux que de la structure de leur base azotée, que les lettres A, T, C et G sont utilisées pour décrire l’ordre des nucléotides dans une molécule d’ADN. Par exemple, un nucléotide avec une adénine suivi d’un nucléotide avec une cytosine et de deux avec une thymine donneront la séquence « ACTT ».

Les nucléotides peuvent être alignés grâce à leur groupement phosphate et leur désoxyribose, formant ainsi un “brin”. L’ADN n’est cependant pas qu’une simple chaîne de nucléotides. Il est en fait composé de deux brins reliés entre eux par des liaisons entre leurs bases azotées respectives. Deux bases azotées peuvent en effet se lier par des liaisons dites “hydrogènes”. La base A ne peut se lier qu’à la base T, et la base C ne peut se lier qu’à la base G. Ainsi, les deux brins formant la molécule d’ADN sont dit “complémentaires”. Par exemple, la séquence “ATCCCGTTCA” aura pour brin complémentaire “TAGGGCAAGT”. L’ADN est donc constitué de deux “chaînes” ou brins de nucléotides dont les séquences sont complémentaires (Figure 3).

Figure 3: Représentation des liaisons entre nucléotides qui régissent l’ADN. La liaison ribose-phosphate (A) est responsable des liaisons entre nucléotides d’un même brin (ici T et A). La liaison hydrogène (B)[2] gouverne les interactions entre bases azotées et est nécessaire à l’alignement de deux brins complémentaires, formant une molécule d’ADN (C). Vous pouvez ici voir que le brin “TCGTATAC” a pour brin complémentaire “AGCATATG”.

La somme des liaisons entre les nucléotides d’un même brin (phosphate-ribose) et entre les bases azotées des brins complémentaires (liaisons hydrogènes) créé une tension sur toute la longueur de la molécule d’ADN. Cela revient à prendre un ressort et le dérouler à son maximum. Une fois lâché il reviendra à sa forme normale. La forme de l’ADN, dictée par les tensions évoquées précédemment est la célèbre “double hélice”, montrée en figure 4.

Figure 4: Représentation de la fameuse “double hélice” d’ADN. Cette structure est la somme de toutes les tensions générées par les liaisons entre nucléotides explorées en figure 3. Nous avons ajouté les annotations et couleurs familières à ce schéma emprunté à [2].

Un brin d’ADN, comme une phrase, a un sens de lecture. De part leur groupement phosphate-ribose, tout brin d’ADN possède une extrémité “phosphate” – nommée “5’ ”, quand l’autre extrémité est nommée “3’ ” et est occupée par un atome d’oxygène. Vous pouvez identifier ces extrémités en figure 3 ou en figure 5. Dans une molécule d’ADN, les deux brins d’ADN sont nécessairement de sens opposé.

Figure 5: Le sens d’un brin d’ADN est déterminé par les groupements présents à ses extrémités. Le sens est indiqué d’une extrémité à l’autre et joue un rôle essentiel dans de nombreux procédés comme le décryptage de l’ADN lors de la transcription.

Il est très fréquent que pour donner la séquence de nucléotide qui compose un gène, un seul sens soit utilisé. Le sens 5’ → 3’ est généralement choisi. Nous reviendrons sur ces notions dans l’article dédié à la transcription.

Résumons: Une molécule d’ADN est constituée de deux chaînes de nucléotides (ou « brins ») ayant un sens opposé et complémentaires de par leur séquence de bases azotées. L’ensemble adopte la forme d’une double hélice. La structure est stable et robuste, parfaite pour conserver l’information génétique qui permet à tout organisme d’accomplir sa fonction et de perdurer. Avec cet article nous espérons vous avoir transmis des bases claires (sans jeux de mots) pour la compréhension des nombreux sujets qui seront abordés prochainement sur le site !

Paul Lubrano

Les informations et schémas utilisés dans ce texte sont tirés des deux ouvrages suivant:

[1]Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (Seventh éd.). W. H. Freeman.

[2]Griffiths, A. J. F., Wessler, S. R., Carroll, S. B., & Doebley, J. (2010). Introduction to Genetic Analysis (10th éd.). W. H. Freeman.