De l'ADN à vous : le dogme central du vivant

En mai 1961, dans un laboratoire des National Institutes of Health à Bethesda, dans le Maryland, un jeune biochimiste du nom de Marshall Nirenberg vit une éprouvette transformer l'abstrait en chimique. L'éprouvette contenait un extrait acellulaire, la machinerie pressée de cellules bactériennes brisées, et il y avait ajouté avec son collaborateur Heinrich Matthaei un ARN synthétique tout simple, construit uniquement à partir de la base uracile, répétée encore et encore. Lorsqu'ils vérifièrent quelle protéine l'extrait avait fabriquée, ils trouvèrent des chaînes faites d'un seul acide aminé, la phénylalanine, assemblé inlassablement. Une suite de U avait été lue comme une instruction, et l'instruction disait phénylalanine.

C'était le premier mot du code génétique jamais lu à voix haute. Avant cet après-midi-là, personne ne savait ce que signifiait le moindre codon. À la fin de l'expérience, l'un d'eux le savait : la séquence UUU code pour la phénylalanine. Ce seul résultat ouvrit une porte expérimentale qui, en cinq ans, allait mener à la table complète des codons et à un prix Nobel.

Mais pour comprendre pourquoi cette éprouvette comptait, il faut la replacer dans la carte plus large à laquelle elle appartenait. Comment l'information enfermée dans l'ADN, une molécule qui ne quitte jamais le noyau de vos cellules, finit-elle par diriger la construction des protéines qui bâtissent et font fonctionner votre corps ? La réponse est un principe que le physicien devenu biologiste Francis Crick a posé trois ans avant l'expérience de Nirenberg, et qui demeure aujourd'hui la colonne vertébrale de la biologie moléculaire.

L'idée que Crick a nommée en 1958

En 1958, Francis Crick se présenta devant la Society for Experimental Biology et prononça une communication intitulée On Protein Synthesis. Il y formulait ce qu'il appela le dogme central de la biologie moléculaire, un nom délibérément grandiose pour une affirmation faussement simple sur la direction dans laquelle l'information biologique peut voyager. L'information, proposait Crick, circule de l'ADN vers l'ARN puis vers la protéine. Une fois cette information parvenue à la protéine, elle ne peut plus repartir vers les acides nucléiques.

Le mot « dogme » était un mauvais choix, comme Crick lui-même l'admit plus tard, car il évoque quelque chose que l'on croit sans preuve. Ce qu'il voulait dire se rapprochait davantage d'une hypothèse centrale d'organisation, un énoncé sur les transferts d'information de séquence qui étaient possibles et ceux qui étaient interdits. L'asymétrie cruciale est cette valve à sens unique placée au bout du chemin : la séquence d'acides aminés d'une protéine peut être spécifiée par un acide nucléique, mais une protéine ne peut jamais réinscrire sa séquence dans l'ADN ou l'ARN. Il n'existe aucune machine cellulaire capable de lire une chaîne d'acides aminés et de reconstituer par rétro-ingénierie le gène qui l'a produite.

Cette direction de flux a une conséquence profonde. Les changements qu'une protéine subit au cours de votre vie, l'usure et l'adaptation de vos molécules de travail, ne peuvent pas être transmis en les réinscrivant dans vos gènes. L'information génétique avance, jamais elle ne reflue depuis la protéine.

Où se déroulent les deux grandes étapes

Le trajet du gène à la protéine se divise en deux étapes nommées, et dans vos cellules elles se déroulent dans des pièces différentes. La première étape, la transcription, copie un segment d'ADN en une molécule d'ARN messager, et dans une cellule eucaryote (celle qui compose les plantes, les animaux et les champignons) cela se produit à l'intérieur du noyau, là où l'ADN est conservé. La seconde étape, la traduction, lit cet ARN messager et construit la protéine correspondante, et elle a lieu sur les ribosomes, dehors dans le cytoplasme.

Comme ces deux étapes se déroulent dans des compartiments séparés, l'ARN messager doit faire un voyage. Une fois transcrit, il est maturé puis exporté hors du noyau par les pores nucléaires, les canaux contrôlés de la membrane qui entoure le noyau, avant qu'aucune protéine ne puisse en être construite. L'information doit être physiquement transportée de la pièce où réside la copie originale vers la pièce où se fait la fabrication.

Les bactéries et les autres procaryotes procèdent différemment, et la différence est instructive. Une cellule procaryote n'a pas de noyau, donc aucune membrane ne sépare l'ADN des ribosomes et l'ARN n'a aucun trajet à faire. La transcription et la traduction se déroulent simultanément sur la même molécule : les ribosomes peuvent s'accrocher à un ARN messager et commencer à construire la protéine à partir d'une extrémité pendant que l'autre extrémité est encore en train d'être copiée sur l'ADN. La chorégraphie à deux pièces de vos cellules s'effondre en un seul espace affairé.

Copier le gène : la transcription

La transcription commence lorsqu'une enzyme appelée ARN polymérase trouve et se lie à un segment précis d'ADN appelé promoteur, une séquence qui marque l'endroit où un gène débute et le sens dans lequel il doit être lu. Une fois fixée, la polymérase écarte les deux brins de la double hélice pour ouvrir une courte bulle, exposant les bases à l'intérieur. Elle lit alors le long d'un brin, le brin matrice, en se déplaçant dans le sens 3-prime vers 5-prime, et s'en sert pour assembler un brin d'ARN complémentaire dans le sens opposé 5-prime vers 3-prime. Ces nombres prime désignent simplement les deux extrémités chimiquement distinctes d'un brin d'acide nucléique, et ils comptent parce que la machinerie moléculaire ne peut fonctionner que dans un seul sens le long d'eux.

Chez les eucaryotes, l'ARN fraîchement fabriqué, appelé transcrit naissant, n'est pas encore prêt à être traduit. Il subit une série de modifications alors qu'il est encore dans le noyau. Une structure protectrice appelée coiffe en 5-prime est ajoutée à son extrémité avant. Des segments de séquence non codante appelés introns sont découpés et les morceaux codants restants sont raccordés entre eux, un processus connu sous le nom d'épissage. Enfin, une longue queue de bases adénine, la queue poly-A, est ajoutée à l'extrémité 3-prime. Ce n'est qu'après cette maturation que l'ARN messager mature quitte le noyau. La coiffe et la queue aident à stabiliser la molécule et la signalent comme un jeu d'instructions légitime, tandis que l'épissage assemble le message codant final à partir de fragments dispersés.

Lire le message : la traduction et le code

Dehors dans le cytoplasme, la traduction est l'étape où la séquence de l'ARN messager devient une chaîne d'acides aminés. Imaginez la scène à l'intérieur d'un ribosome au travail : le ribosome se referme sur l'ARN messager et le lit dans le sens 5-prime vers 3-prime, tandis que de petites molécules adaptatrices appelées ARN de transfert apportent les acides aminés un à un. Chaque ARN de transfert porte un acide aminé précis et présente une séquence de trois bases, son anticodon, qui s'apparie avec un codon correspondant de trois bases sur l'ARN messager. À mesure que les bons ARN de transfert s'arriment dans l'ordre, leurs acides aminés sont liés en une chaîne croissante, le polypeptide, qui émerge d'un tunnel dans le ribosome.

Le règlement qui relie les codons aux acides aminés est le code génétique, et il possède trois propriétés déterminantes qu'il vaut la peine de retenir. Il existe soixante-quatre codons possibles de trois bases, et ceux-ci correspondent à vingt acides aminés plus trois signaux d'arrêt qui indiquent au ribosome où terminer la chaîne. Premièrement, le code est redondant, ce qui signifie que la plupart des acides aminés sont spécifiés par plus d'un codon. Deuxièmement, il est non chevauchant, ce qui signifie que chaque base appartient à exactement un codon et que les codons sont lus dans un cadre fixe, trois bases à la fois sans partage. Troisièmement, il est presque universel : les mêmes codons signifient les mêmes acides aminés chez une bactérie, un séquoia et un être humain, avec seulement quelques exceptions mineures connues dans les mitochondries et chez une poignée de protistes. Cette quasi-universalité est l'une des preuves les plus fortes que toute la vie sur Terre descend d'un ancêtre commun qui utilisait déjà ce code.

Décrypter le code, un codon à la fois

Cela nous ramène à l'éprouvette de Nirenberg. Avant 1961, le code génétique était une structure théorique sans aucune entrée expérimentale. L'astuce de Nirenberg et Matthaei consista à contourner la complexité de la machinerie naturelle en nourrissant un extrait acellulaire d'E. coli avec un ARN sur mesure qu'ils avaient eux-mêmes fabriqué, un brin d'uracile pur. L'extrait construisit consciencieusement une protéine de phénylalanine pure, prouvant que UUU code pour la phénylalanine. Ils présentèrent le résultat au Congrès international de biochimie de Moscou en août 1961, et le domaine comprit immédiatement que le code pouvait désormais être lu expérimentalement plutôt que seulement deviné.

Ce qui suivit fut une campagne de cinq ans. En faisant varier les ARN synthétiques et en mettant au point des techniques plus ingénieuses, les chercheurs remplirent le reste de la table entre 1961 et 1966. La reconnaissance décisive vint en 1968, lorsque le prix Nobel de physiologie ou médecine fut attribué conjointement à Robert Holley, Har Gobind Khorana et Marshall Nirenberg pour leur interprétation du code génétique et de sa fonction dans la synthèse des protéines. Holley avait élucidé la structure d'un ARN de transfert, Khorana avait synthétisé des séquences d'ARN définies qui fixaient les codons sans ambiguïté, et Nirenberg avait ouvert tout l'effort avec cette première lecture de UUU.

Ce que le dogme n'interdit pas

Un malentendu tenace mérite d'être corrigé, car les étudiants arrivent très souvent en croyant que le dogme central interdit tout flux d'information de l'ARN vers l'ADN. Il ne le fait pas, et ne l'a jamais fait. Dans sa formulation originale de 1958, Crick a explicitement répertorié le transfert ARN vers ADN comme un transfert spécial autorisé. Le seul flux qu'il excluait était celui de la protéine vers l'acide nucléique.

La question fut tranchée de façon spectaculaire en 1970, lorsque Howard Temin et David Baltimore découvrirent indépendamment une enzyme appelée transcriptase inverse dans les rétrovirus, des virus tels que le VIH qui stockent leurs gènes sous forme d'ARN et les copient en ADN à l'intérieur d'une cellule hôte. L'ARN était manifestement réinscrit en ADN, exactement le transfert que le cadre de Crick avait autorisé. La même année, pour dissiper la confusion que la découverte avait suscitée, Crick publia un article clarificateur dans Nature réaffirmant ce que le dogme central avait toujours voulu dire. La voie de la transcription inverse avait été anticipée ; la véritable interdiction, toujours intacte, ne porte que sur le flux de la protéine vers l'acide nucléique.

Quand le polypeptide sort du ribosome

Il y a une dernière honnêteté que le dogme central exige de nous. Une chaîne polypeptidique qui glisse hors du tunnel de sortie du ribosome n'est pas encore une protéine achevée et fonctionnelle. Le chemin de l'information que décrit le dogme s'arrête à la séquence, mais la fonction biologique est un problème de chimie en aval que la séquence seule ne résout pas.

Une chaîne nouvelle doit se replier en une forme tridimensionnelle précise, un processus souvent assisté par des protéines auxiliaires appelées chaperons qui l'empêchent de s'agglutiner de travers. Elle est fréquemment découpée par des enzymes appelées protéases, qui taillent la chaîne jusqu'à sa forme fonctionnelle. Elle peut se voir attacher chimiquement des groupes sucre ou des groupes phosphate, des modifications qui activent ou désactivent son activité ou la marquent pour une destination. Et elle est parfois assemblée avec d'autres chaînes, car de nombreuses enzymes et récepteurs sont des assemblages de plusieurs polypeptides. Le dogme central vous dit comment une cellule décide de l'ordre des acides aminés ; il ne vous dit pas, à lui seul, la forme finale ni la machine fonctionnelle, qui émergent d'une chimie superposée à la séquence codée.

Points essentiels à retenir

Le dogme central, nommé par Francis Crick en 1958, énonce que l'information de séquence circule de l'ADN vers l'ARN puis vers la protéine et jamais de la protéine vers l'acide nucléique ; le transfert ARN vers ADN, souvent mal mémorisé, était autorisé dès le départ et fut confirmé par la découverte de la transcriptase inverse en 1970. Dans les cellules eucaryotes, la transcription se déroule dans le noyau, où l'ARN polymérase se lie à un promoteur et copie la matrice d'ADN en un ARN messager qui est coiffé, épissé et doté d'une queue avant d'être exporté, tandis que la traduction se déroule sur les ribosomes cytoplasmiques, où les ARN de transfert apparient les anticodons aux codons pour construire un polypeptide ; chez les procaryotes, dépourvus de noyau, les deux processus se déroulent en même temps sur la même molécule. Le code génétique est un ensemble de soixante-quatre codons de trois bases correspondant à vingt acides aminés et trois signaux d'arrêt, et il est redondant, non chevauchant et presque universel, un code lu pour la première fois expérimentalement lorsque Nirenberg et Matthaei montrèrent en mai 1961 que UUU signifie phénylalanine, achevé en 1966 et honoré par le prix Nobel de 1968 décerné à Holley, Khorana et Nirenberg. Enfin, le dogme ne décrit que la séquence : une protéine achevée et fonctionnelle requiert un repliement, un clivage, une modification chimique et un assemblage qui se situent au-delà du chemin de l'information lui-même.