La double hélice : la course à la découverte de la forme de l'ADN

Au cours de l'hiver 1869, dans un château réaménagé de Tübingen, un médecin suisse de 25 ans nommé Friedrich Miescher lavait le pus de pansements chirurgicaux usagés. Il avait récupéré ces pansements dans une clinique voisine parce que ces compresses jetées étaient imprégnées de globules blancs, et Miescher voulait étudier la chimie de ces cellules. À partir de leurs noyaux, il extrait une étrange substance riche en phosphore qui ne se comportait comme rien de ce qu'il avait vu auparavant, ni protéine, ni graisse, ni glucide. Il la nomma nucléine. Il avait, sans le savoir, isolé l'ADN, et il mourut en croyant qu'il s'agissait d'une molécule banale, sans rôle particulier dans la cellule.

Quatre-vingt-quatre ans plus tard, au printemps 1953, cette même molécule allait devenir l'objet le plus commenté de la biologie. En quelques semaines intenses, deux hommes à Cambridge et un petit groupe à Londres élucidèrent à quoi ressemblait réellement la nucléine, et la réponse réorganisa toute la science autour d'elle. Voici l'histoire d'une molécule sans fonction devenue celle qui porte les instructions de la vie, et celle de la longue course, disputée et parfois peu généreuse, pour découvrir sa forme.

Une molécule dont personne ne pensait qu'elle comptait

Pendant des décennies après Miescher, presque personne ne crut que la nucléine pût être le matériel génétique. Le raisonnement paraissait solide à l'époque. On savait que les chromosomes portaient l'hérédité, et ces chromosomes étaient faits à la fois de protéines et d'ADN. Les protéines sont construites à partir de vingt acides aminés différents, ce qui leur conférait une richesse évidente, un vaste alphabet à partir duquel des instructions complexes pouvaient s'écrire. L'ADN, en revanche, ne contenait que quatre éléments de base, les bases adénine, thymine, guanine et cytosine, ainsi qu'un squelette monotone de sucre et de phosphate. Pour la plupart des biologistes, il semblait bien trop simple et répétitif pour coder quelque chose d'aussi complexe qu'un organisme. Le message génétique résidait sûrement dans les protéines, et l'ADN n'était qu'un échafaudage structurel.

La première véritable fissure dans ce consensus apparut en 1944. À l'Institut Rockefeller de New York, Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty publièrent dans le Journal of Experimental Medicine un article qui revenait sur un résultat déroutant de 1928. Dans cette expérience antérieure, le bactériologiste britannique Frederick Griffith avait montré qu'une souche inoffensive de pneumocoques pouvait être transformée de façon permanente en une souche mortelle lorsqu'on la mélangeait aux restes morts de cellules virulentes. Quelque chose dans ces cellules mortes, que Griffith appelait le principe transformant, portait les instructions de la virulence et pouvait être hérité par les descendants des bactéries vivantes. Avery, MacLeod et McCarty entreprirent d'identifier chimiquement ce quelque chose, et après des années de purification minutieuse, ils conclurent que le principe transformant était l'ADN, et non une protéine. Le résultat était net, mais la communauté de la biologie moléculaire refusa largement d'y croire pendant près d'une décennie, persuadée encore qu'une molécule aussi simple ne pouvait porter une telle information.

L'expérience qui trancha enfin la question

Les doutes ne se dissipèrent pleinement qu'en 1952, avec une expérience aujourd'hui célèbre pour son élégance. À Cold Spring Harbor, Alfred Hershey et Martha Chase étudiaient les bactériophages, ces virus qui infectent les bactéries. Un phage n'est guère plus qu'une enveloppe protéique entourant un noyau d'ADN, et lorsqu'il attaque une bactérie, il injecte son matériel génétique pour détourner la machinerie de la cellule. La question était simple : lorsque le phage infecte, envoie-t-il sa protéine ou son ADN ?

Hershey et Chase y répondirent à l'aide de marqueurs radioactifs. Ils cultivèrent un lot de phages avec du soufre radioactif, présent dans les protéines mais pas dans l'ADN, et un autre lot avec du phosphore radioactif, présent dans l'ADN mais pas dans les protéines. Ils laissèrent chaque lot infecter des bactéries, puis agitèrent le mélange dans un mixeur et une centrifugeuse pour détacher les enveloppes de phages vides de la surface des cellules. En vérifiant où était allée la radioactivité, ils constatèrent que le phosphore, le marqueur de l'ADN, se trouvait à l'intérieur des bactéries, tandis que le soufre, le marqueur de la protéine, restait à l'extérieur, dans les enveloppes rejetées. Seul l'ADN avait pénétré dans la cellule. Publié dans le Journal of General Physiology, ce résultat finit par convaincre la plupart des biologistes moléculaires de ce que le groupe d'Avery avait démontré huit ans plus tôt. L'ADN était le matériel génétique, et la question urgente devint de savoir à quoi il ressemblait.

Deux indices cachés dans la chimie

Au début des années 1950, deux pièces cruciales étaient déjà sur la table, même si personne ne voyait encore comment elles s'emboîtaient. La première venait d'Erwin Chargaff, de l'université Columbia. Entre 1949 et 1950, à l'aide d'une technique alors nouvelle appelée chromatographie sur papier, Chargaff mesura les proportions des quatre bases dans l'ADN prélevé chez de nombreuses espèces différentes. Il découvrit une régularité frappante. Dans chaque échantillon, quel que soit l'organisme, la quantité d'adénine égalait presque exactement la quantité de thymine, et la quantité de guanine égalait presque exactement la quantité de cytosine. En même temps, le rapport global entre l'adénine plus la thymine et la guanine plus la cytosine variait fortement d'une espèce à l'autre. Ces observations, aujourd'hui appelées règles de Chargaff, étaient un indice fascinant. Elles laissaient entendre que les bases étaient en quelque sorte appariées, que l'A allait avec le T et le G avec le C, mais Chargaff lui-même ne pouvait dire pourquoi, et le sens de ses chiffres resta verrouillé jusqu'à ce que la structure soit connue.

Le second indice ne venait pas de la chimie mais de la physique, de la manière dont l'ADN disperse les rayons X. Au King's College de Londres, Rosalind Franklin et son étudiant en thèse Raymond Gosling utilisaient la diffraction des rayons X sur fibres, une méthode où un faisceau de rayons X est dirigé sur une fibre de la molécule et où le motif des rayons dispersés est capté sur un film. Les taches et les arcs de ce motif encodent la géométrie répétitive de la molécule, et les lire relève d'un art exigeant. En mai 1952, Franklin et Gosling produisirent l'image la plus nette jamais obtenue de la forme hydratée et biologiquement pertinente de l'ADN, celle que l'on appelle la forme B. Cataloguée simplement comme la photographie 51, l'image montrait une croix de réflexions en forme de X, indéniable, un motif qui, à un œil exercé, annonçait clairement que la molécule était une hélice.

Cambridge, Londres, et une photographie montrée sans autorisation

La course comptait désormais deux camps. Au King's College, Franklin, Gosling et Maurice Wilkins travaillaient sur les données de rayons X. Au laboratoire Cavendish de Cambridge, James Watson et Francis Crick tentaient de déduire la structure en construisant des modèles physiques, ajustant ensemble plaques et tiges de métal jusqu'à ce que la géométrie respecte chaque contrainte connue. Les deux groupes étaient des rivaux mal à l'aise, et les relations entre Franklin et Wilkins en particulier étaient tendues.

En janvier 1953, Wilkins montra la photographie 51 de Franklin à Watson, sans l'autorisation ni la connaissance de Franklin. Pour Watson, l'image fut une confirmation électrisante que Crick et lui poursuivaient bien une hélice, et elle leur donna des indices quantitatifs sur ses dimensions. On débat de cet épisode depuis lors, car le travail expérimental rigoureux de Franklin nourrit directement une découverte pour laquelle elle reçut peu de crédit à l'époque, et parce qu'elle ne fut pas consultée sur l'usage de ses propres données. C'est l'une des raisons pour lesquelles l'histoire de la double hélice est autant retenue pour son éthique que pour sa science.

Munis de la photographie et des règles de Chargaff, Watson et Crick passèrent février et la première moitié de mars 1953 à l'établi de modélisation. La percée vint lorsqu'ils trouvèrent le bon appariement des bases. Si l'adénine s'apparie à la thymine et la guanine à la cytosine, les deux paires obtenues ont presque exactement la même largeur. Cette largeur uniforme signifiait que les bases appariées pouvaient se placer comme des barreaux à l'intérieur d'une hélice de diamètre constant, les volumineux squelettes sucre-phosphate courant régulièrement le long de l'extérieur. La géométrie se mit soudain en place, et elle expliquait les règles de Chargaff d'un seul coup : A égale T et G égale C parce que chaque A est lié à un T et chaque G à un C. Le modèle fut achevé le 7 mars, et le manuscrit partit pour Nature le 2 avril.

À quoi ressemble vraiment la structure, et pourquoi elle a aussitôt compté

La molécule que décrivirent Watson et Crick est une double hélice dextrogyre. Deux squelettes de sucre et de phosphate alternés s'enroulent à l'extérieur, courant de façon antiparallèle, ce qui signifie que les deux brins pointent dans des directions opposées. Les quatre bases s'empilent au cœur comme les marches d'un escalier en colimaçon, et les deux brins sont liés l'un à l'autre par des liaisons hydrogène entre paires de bases complémentaires, l'adénine faisant toujours face à la thymine et la guanine toujours à la cytosine. Environ 10,5 paires de bases forment un tour complet de l'hélice. L'article annonçant cette découverte parut dans Nature le 25 avril 1953, ne couvrant qu'à peine deux pages et moins de 900 mots, avec une seule figure dessinée par la femme de Crick, Odile, artiste. Il se terminait par l'une des phrases les plus discrètement célèbres de la science, une remarque selon laquelle l'appariement précis des bases qu'ils avaient proposé suggérait aussitôt un moyen pour la molécule de se copier elle-même.

Cette seule ligne, formulée sans emphase, indiquait pourquoi la structure comptait si vite. Trois problèmes profonds de la biologie découlaient de la géométrie presque gratuitement. Parce que les deux brins sont complémentaires, chacun peut servir de matrice pour reconstruire l'autre, ce qui suggérait un mécanisme de copie, plus tard confirmé sous le nom de réplication semi-conservative, où chaque molécule fille conserve un ancien brin et en gagne un nouveau. Parce que les quatre bases peuvent s'enchaîner dans n'importe quel ordre le long du squelette, la structure offrait une capacité de stockage de l'information, le message génétique étant écrit dans la séquence elle-même. Et parce que cette séquence peut changer, la structure offrait un mécanisme naturel de mutation. Tout le programme de recherche de la biologie moléculaire des trente années suivantes naquit de ces trois implications.

Un prix, une absence, et un débat persistant

En 1962, le prix Nobel de physiologie ou médecine fut attribué conjointement à Watson, Crick et Wilkins pour avoir élucidé la structure moléculaire de l'ADN. Rosalind Franklin n'en faisait pas partie. Elle était morte d'un cancer de l'ovaire en avril 1958, à l'âge de 37 ans, et selon les règles du prix, un Nobel n'est pas décerné à titre posthume, de sorte qu'elle n'était tout simplement pas éligible. Aurait-elle partagé ce prix si elle avait vécu, et comment le crédit aurait-il dû être réparti étant donné que sa photographie 51 fut centrale dans la découverte, voilà ce dont on débat depuis lors et qui reste véritablement sans réponse. Ce qui ne fait aucun doute, c'est que ses données expérimentales furent indispensables, et que le chemin allant des pansements imprégnés de pus de Miescher jusqu'à l'escalier de la double hélice passa par bien des mains, à Cambridge, Londres, New York et Cold Spring Harbor, avant que la biologie ne soit enfin reconfigurée autour d'une chimie.

Points clés à retenir

L'ADN fut d'abord isolé sous la forme d'une substance riche en phosphore appelée nucléine par Friedrich Miescher en 1869, mais pendant des décennies on le tint pour trop simple pour porter l'hérédité ; cette idée ne s'effondra qu'après qu'Avery, MacLeod et McCarty eurent montré en 1944 que l'ADN était le principe transformant de Griffith, et après que Hershey et Chase eurent confirmé en 1952 qu'un phage injecte son ADN, et non sa protéine, dans la cellule. Deux indices se révélèrent alors décisifs : les règles de Chargaff, à savoir que l'adénine égale la thymine et la guanine égale la cytosine, et la photographie 51 aux rayons X réalisée par Franklin et Gosling en 1952, qui révéla la forme hélicoïdale de l'ADN. S'appuyant sur les deux, Watson et Crick établirent au début de 1953 que les paires A-T et G-C ont la même largeur et s'insèrent donc à l'intérieur d'une double hélice dextrogyre formée de deux squelettes sucre-phosphate antiparallèles, avec des paires de bases empilées et liées par des liaisons hydrogène, et environ 10,5 paires par tour, publiée dans un bref article de Nature le 25 avril 1953. La structure compta aussitôt parce que sa géométrie suggérait la réplication semi-conservative, l'information encodée dans la séquence et un mécanisme de mutation, et le Nobel de 1962 revint à Watson, Crick et Wilkins, Franklin, morte en 1958, étant inéligible selon la règle du prix interdisant les récompenses posthumes, laissant une question encore débattue sur la façon dont le crédit aurait dû être partagé.