Les petits pois de Mendel : la naissance de la génétique

Par un après-midi chaud de l'été 1857, un frère augustin trapu s'agenouillait dans le long jardin de l'abbaye Saint-Thomas de Brünn, une ville de province de ce qui était alors l'Empire d'Autriche et qui est aujourd'hui Brno, en République tchèque. Il glissait de petites étiquettes de papier autour des gousses de plants de pois, coupait les anthères avec un pinceau fin avant qu'elles ne puissent libérer leur propre pollen, et déposait le pollen d'une plante sur le stigmate d'une autre. Dans un carnet, il consignait le décompte des descendants, ligne après ligne, saison après saison. Il s'appelait Gregor Mendel, et les nombres qu'il a notés dans ce jardin allaient, un demi-siècle après sa mort, devenir le fondement de toute une science.

Ce qui rend la scène remarquable, c'est à quel point elle ressemblait peu à une révolution. Les naturalistes croisaient des plantes et élevaient des animaux depuis des siècles, et les résultats avaient toujours pris la forme d'une sorte de flou, des descendants qui semblaient mêler leurs parents de façon imprévisible. Mendel a fait quelque chose de différent, et la différence ne tenait pas à ses mains mais à sa tête. Il a traité l'hérédité comme un problème d'arithmétique, et lorsque les réponses sont revenues sous la forme de proportions nettes en nombres entiers, il avait trouvé ce que personne n'avait vu avant lui : que l'hérédité obéit à des règles, et que ces règles peuvent être écrites.

Pourquoi un physicien comptait des petits pois

Mendel n'était pas, de formation, un botaniste. Il avait étudié la physique et les mathématiques à l'université de Vienne, où l'un de ses professeurs fut Christian Doppler, l'homme dont le nom est attaché au changement de hauteur du son que l'on entend lorsqu'une sirène passe. Cette formation a eu une importance considérable. Mendel abordait les êtres vivants avec les instincts d'un physicien, cherchant des grandeurs mesurables et des schémas reproductibles plutôt que de vagues tendances, et c'est précisément pour cela que ses travaux ont réussi là où tant de tentatives antérieures avaient échoué.

Son choix d'organisme était tout aussi réfléchi. Il opta pour le pois de jardin, Pisum sativum, une plante dotée de plusieurs propriétés commodes. Elle pousse vite, produit de nombreux descendants, s'autopollinise normalement de sorte que les lignées restent pures à moins que l'expérimentateur n'intervienne, et possède des fleurs faciles à manipuler à la main. Tout aussi important, Mendel choisit de suivre sept caractères qui se présentaient sous des formes nettement contrastées, sans intermédiaire : graines lisses ou ridées, graines jaunes ou vertes, fleurs pourpres ou blanches, et ainsi de suite. Parce que chaque caractère était soit une chose, soit clairement l'autre, il pouvait répartir les descendants en catégories distinctes et les compter. D'autres naturalistes avaient croisé des plantes pendant des siècles et n'avaient obtenu qu'une bouillie ; Mendel a obtenu des nombres, et ces nombres se sont révélés porteurs de sens.

La première règle : une forme cache l'autre

Commençons par l'expérience la plus simple. Mendel prit une lignée de pois qui se reproduisait fidèlement pour les fleurs pourpres, c'est-à-dire que, laissée à s'autopolliniser, elle ne produisait que des descendants à fleurs pourpres génération après génération, et la croisa avec une lignée qui se reproduisait fidèlement pour les fleurs blanches. Le bon sens, et l'idée alors dominante d'une hérédité par mélange, prédisaient quelque chose d'intermédiaire, peut-être un lavande pâle. Ce n'est pas ce qui se produisit. Toutes les plantes de la première génération de descendants, que les biologistes appellent la F1, étaient pourpres. Le blanc avait complètement disparu.

C'est le premier principe de Mendel, la loi de la dominance. Lorsqu'un organisme porte deux versions différentes du même facteur héréditaire, l'une des versions, la dominante, s'exprime pleinement dans le caractère visible, tandis que l'autre, la récessive, reste invisible. Dans notre exemple, le facteur du pourpre est dominant sur le facteur du blanc. Le facteur de la fleur blanche n'a pas été détruit ni dilué, comme nous allons le voir, mais en présence du facteur pourpre il ne se manifeste tout simplement pas. Le résultat visible dépend de quel facteur domine, et non d'une quelconque moyenne entre les deux.

La deuxième règle : la forme cachée revient

Ici, le génie de Mendel pour suivre les nombres porta ses fruits. Il laissa ces plantes F1 uniformément pourpres s'autopolliniser et compta leurs descendants, la génération F2. Les fleurs blanches réapparurent. Sur quatre plantes, environ trois étaient pourpres et une était blanche, une proportion proche de trois pour un. Le caractère récessif avait été transmis silencieusement à travers la génération F1 pourpre, puis avait resurgi, intact, dans la suivante.

Pour expliquer cela, Mendel raisonna que chaque plante porte deux copies du facteur héréditaire pour chaque caractère, l'une héritée de chaque parent, et que les deux copies se séparent lorsque la plante forme ses cellules reproductrices, de sorte que chaque grain de pollen et chaque ovule ne porte qu'une seule copie. C'est la loi de la ségrégation. Nous employons aujourd'hui le mot allèle pour désigner les versions alternatives d'un gène, et nous connaissons le mécanisme physique que Mendel ne pouvait qu'inférer : la ségrégation a lieu pendant la méiose, la division cellulaire spécialisée qui produit les gamètes, lorsque les chromosomes appariés portant des gènes correspondants sont tirés vers les pôles opposés de la cellule. Chaque gamète se retrouve avec un seul allèle, choisi au hasard dans la paire, et la fécondation réunit à nouveau deux allèles chez le descendant.

Lire les proportions : l'échiquier de Punnett

La comptabilité qui sous-tend ces proportions se voit le plus facilement dans un schéma conçu par le généticien anglais Reginald Punnett vers 1905, plusieurs décennies après les travaux de Mendel mais indispensable pour les enseigner. Un échiquier de Punnett est une simple grille dans laquelle les gamètes possibles d'un parent étiquettent les lignes, les gamètes possibles de l'autre parent étiquettent les colonnes, et chaque case de la grille montre une combinaison possible chez le descendant.

Utilisons un A majuscule pour l'allèle dominant et un a minuscule pour le récessif. Les plantes F1 pourpres de Mendel portaient chacune l'un et l'autre, un génotype noté Aa et qualifié d'hétérozygote, c'est-à-dire qu'il possède deux allèles différents. Lorsqu'une telle plante fabrique des gamètes, la ségrégation envoie A dans la moitié d'entre eux et a dans l'autre moitié. Croisez deux de ces hétérozygotes, Aa avec Aa, et l'échiquier comporte quatre cases : un AA, deux Aa et un aa. C'est une proportion génotypique de 1 AA pour 2 Aa pour 1 aa. Appliquons maintenant la dominance pour lire les apparences. Les plantes AA et les deux Aa montrent toutes le caractère dominant, parce que chacune d'elles porte au moins un A, tandis que seule l'unique plante aa montre le caractère récessif. Trois dominants pour un récessif : exactement la proportion que Mendel a comptée dans son jardin. Le schéma et les données concordent, et le caractère récessif qui semblait disparaître dans la F1 est pleinement rendu dans la F2.

Deux caractères à la fois : l'assortiment indépendant

Mendel ne s'arrêta pas à un seul caractère. Il se demanda ce qui se passe lorsque deux caractères sont suivis ensemble, disons la forme et la couleur de la graine, dans ce qu'on appelle un croisement dihybride. Il croisa des plantes hétérozygotes pour les deux, de génotype AaBb, où A et a gouvernent un caractère et B et b en gouvernent un autre. Si les deux caractères se transmettent indépendamment l'un de l'autre, une plante fabriquant des gamètes devrait distribuer son allèle A ou a sans égard à l'allèle B ou b qui l'accompagne, produisant quatre sortes de gamètes en proportions égales.

En développant cela dans un échiquier de Punnett plus grand, seize cases en tout, on obtient un schéma frappant en F2 : neuf plantes présentant les deux caractères dominants, trois présentant le premier caractère dominant avec le second récessif, trois présentant l'inverse, et une présentant les deux caractères récessifs. Cette proportion de neuf pour trois pour trois pour un est la signature du troisième principe de Mendel, la loi de l'assortiment indépendant, selon laquelle les allèles de différents caractères sont distribués aux gamètes indépendamment les uns des autres. La génétique moderne ajoute une réserve que Mendel ne pouvait pas connaître. L'assortiment indépendant ne tient nettement que lorsque les deux gènes se trouvent sur des chromosomes différents, ou suffisamment éloignés sur le même chromosome ; les gènes situés près les uns des autres tendent à être hérités comme une unité, un phénomène appelé liaison génétique. Les sept caractères de Mendel se sont trouvés se comporter assez bien pour révéler la règle, un heureux hasard qui a parfois suscité des spéculations sur la chance dont il a réellement bénéficié.

Génotype, phénotype et les cas qui infléchissent les règles

Deux termes organisent tout ce qui précède. Le génotype est la combinaison particulière d'allèles que porte un organisme, sa constitution génétique cachée ; le phénotype est le caractère observable qui en résulte, ce que l'on peut réellement voir chez la plante. La grande intuition de Mendel fut que le même phénotype peut dissimuler des génotypes différents, puisque AA et Aa paraissent tous deux pourpres, et que le génotype caché se réaffirme dans les générations ultérieures selon des proportions prévisibles.

La relation entre génotype et phénotype n'est pas toujours aussi nette que les sept caractères du pois de Mendel le laissaient paraître, et l'honnêteté intellectuelle exige de le dire. Chez certains organismes, un hétérozygote présente un intermédiaire mélangé, comme dans un croisement de mufliers rouges et blancs qui donne des fleurs roses, un schéma appelé dominance incomplète. Chez d'autres, les deux allèles s'expriment pleinement et côte à côte, comme dans le groupe sanguin humain AB, ce qui est la codominance. De nombreux caractères, dont la taille et la couleur de la peau chez l'humain, sont gouvernés par de nombreux gènes agissant ensemble, ce qu'on appelle l'hérédité polygénique, et produisent des gradations continues plutôt que des catégories tranchées. Et un seul gène peut affecter plusieurs caractères apparemment sans rapport à la fois, un phénomène connu sous le nom de pléiotropie. Aucun de ces cas ne renverse Mendel ; ils le prolongent. Ses lois décrivent fidèlement le comportement des gènes individuels, et les complications naissent de la manière dont les gènes se combinent et interagissent.

Les articles que personne n'a lus, et l'année où ils furent retrouvés

Mendel présenta ses résultats à la Société des sciences naturelles de Brünn au cours de deux soirées, le 8 février et le 8 mars 1865, et son article complet, Versuche über Pflanzenhybriden, ou Expériences sur les hybrides végétaux, parut l'année suivante dans les comptes rendus de la société. Puis presque rien ne se passa. L'article ne fut cité qu'une poignée de fois au cours des trois décennies suivantes. Mendel, promu abbé en 1868 et de plus en plus accablé par l'administration et par un litige fiscal avec le gouvernement, mit en grande partie de côté ses recherches. Il mourut en 1884, sa découverte restant pour l'essentiel non lue par le reste du monde scientifique.

Le tournant vint au printemps 1900. Trois botanistes, travaillant indépendamment et dans trois pays différents, parvinrent aux mêmes lois de l'hérédité, puis, en parcourant la littérature, tombèrent chacun sur l'article oublié de Mendel et le créditèrent. Hugo de Vries à Amsterdam, Carl Correns à Tübingen et Erich von Tschermak à Vienne publièrent tous au cours de cette même année. La simultanéité est l'une des coïncidences les plus célèbres de l'histoire des sciences, et elle sauva une grande découverte trente-quatre ans après sa publication et seize ans après la mort de son auteur. En l'espace de cinq ans, le biologiste anglais William Bateson avait donné son nom au nouveau domaine : la génétique.

Pourquoi dominant ne veut pas dire plus fort

Une idée fausse mérite d'être éliminée directement, car c'est l'erreur la plus tenace au sujet de la génétique mendélienne. On suppose souvent qu'un allèle dominant est plus fort, plus apte, plus sain ou plus répandu dans une population qu'un allèle récessif. Rien de tout cela n'est vrai. La dominance est une affirmation sur une seule chose, à savoir quel allèle détermine le caractère visible chez un hétérozygote, et elle n'implique rien quant à la fréquence d'un allèle ni à son effet sur la survie. Beaucoup d'allèles récessifs sont extrêmement courants, et beaucoup d'allèles dominants sont rares et nuisibles. La dominance vous indique à quoi ressemble un organisme lorsqu'il porte deux allèles différents, et rien de plus.

À retenir

Travaillant seul dans le jardin d'un monastère de la fin des années 1850 au début des années 1860, Gregor Mendel croisa plus de 28 000 plants de pois et, en traitant l'hérédité comme un problème de comptage, découvrit trois règles qui ancrent encore la génétique classique : la loi de la dominance, selon laquelle un allèle peut en masquer un autre chez un hétérozygote, de sorte que les croisements pourpre par blanc donnent une descendance entièrement pourpre ; la loi de la ségrégation, selon laquelle les deux allèles d'un caractère se séparent lors de la formation des gamètes (que l'on sait aujourd'hui se produire à la méiose) et se recombinent à la fécondation, produisant la proportion de trois pour un qui ramène les caractères récessifs cachés en F2 ; et la loi de l'assortiment indépendant, selon laquelle différents gènes se transmettent indépendamment, donnant la proportion de neuf pour trois pour trois pour un d'un croisement dihybride, mais seulement pour des gènes situés sur des chromosomes différents. L'échiquier de Punnett rend ces proportions visibles, et la distinction entre génotype et phénotype explique pourquoi une même apparence peut dissimuler des constitutions génétiques différentes, alors même que la dominance incomplète, la codominance, l'hérédité polygénique et la pléiotropie montrent que le tableau est plus riche que ne le suggéraient sept caractères du pois. Publié en 1866 et ignoré pendant trente-quatre ans, le travail de Mendel fut redécouvert en 1900 par de Vries, Correns et Tschermak, baptisé génétique par Bateson peu après, et demeure, avec le rappel que dominant ne signifie jamais plus fort, le fondement quantitatif sur lequel s'est bâtie la science moderne de l'hérédité.