Le génie du gène

07.01.2014 | par Vincent Devictor | Non classé

En lisant une controverse récente sur les OGM, j’ai eu subitement besoin de clarifications.

Qu’est-ce que l’écologie scientifique et la protection de la biodiversité ont appris de la génétique récemment ?

Quels liens entre biodiversité et OGM?

Proposition de détour historique et de clarifications : comment le gène devient concret

Le premier balbutiement de l’idée de gène est un simple concept virtuel, un « facteur », conçu par Mendel (1822-1884) pour expliquer les caractères observés à l’issu de croisement effectués chez les végétaux. Mendel détecte que la couleur des pois obtenus après un croisement peut être prédite par la couleur des individus croisés. Il doit donc y avoir « quelque chose » qui se transmet d’une génération à l’autre responsable de la couleur. Mais le « gène » (nommé par le danois Wilhelm Johannsen qui reproduit les expériences de Mendel) reste encore une unité abstraite sans support biologique.

Capture d’écran 2014-01-07 à 10.16.34

Les travaux sur les croisements se multiplient et confèrent au gène une réalité biologique de plus en plus tangible, grâce…aux mathématiques. Ce sont les mathématiciens Godfrey H. Hardy (1877-1947) et Wilhelm Weinberg (1862-1937) qui, donnent à ce « facteur » découvert par Mendel une loi de transmission de génération en génération, vérifiable empiriquement. De plus, en imaginant qu’un gène peut exister sous plusieurs formes (allèles), la génétique devient compatible avec la théorie de l’évolution : certains allèles favorables sont soumis à sélection. Les gènes sont donc variables et ne sont pas des caractères fixes. Le gène est un facteur transmis mais existe sous plusieurs formes et permet l’existence d’une descendance variable.

Mais la localisation du gène dans la cellule et sa nature biologique reste un problème clef. Comment quelque chose de variable pouvant se transmettre des parents aux enfants permet d’expliquer des caractères observés ? En étudiant le comportement des chromosomes lors de la méiose (la division cellulaire qui produit les cellules sexuelles), W. Sutton remarque en 1902 que les chromosomes ont des propriétés idéales pour être les porteurs des gènes.

L’hypothèse que les chromosomes sont porteurs des gènes est confirmée par les travaux de Thomas H. Morgan sur la Drosophile (1866-1945). Les gènes ont désormais un support biologique et une localisation.

James D. Watson et Francis Crick proposent un modèle moléculaire en double hélice qui explique comment une molécule peut à la fois contenir l’information génétique et être transmise de génération en génération. Le gène n’est plus une abstraction, il trouve une matérialité concrète.

Capture d’écran 2014-01-07 à 10.19.28

La fonction du gène est également déterminée par des travaux sur des champignons mutants, incapables de synthétiser certaines enzymes. Si la modification de certains gènes se traduit par l’incapacité de l’expression d’une protéine, on peut émettre l’hypothèse que les gènes sont transformés en protéines.

Complexifications multiples : le gène redevient abstrait

De nombreuses questions restent à élucider, notamment comment se produit concrètement le passage du gène à la protéine ? C’est dans les années 1960 que Monod et Jacob établissent le processus de transcription (synthèse de l’ADN et ARNm) puis de traduction (synthèse des protéines à partir des ARNm).

Dès lors, le gène se complexifie : on découvre que la traduction n’est ni linéaire, ni automatique. L’expression d’un gène est finement régulée selon les besoins et l’environnement de la cellule. La régulation de la transcription fait appel à des protéines elles-mêmes résultant de l’expression de certains gènes. On met aussi en évidence l’existence de séquences d’ADN non traduites en protéines mais ayant un rôle clef dans l’expression des gènes, les séquences régulatrices. Le gène n’est plus une simple région codant une protéine mais un ensemble de régions codantes (exons) de séquences non-codantes (introns) et de séquences de régulations.

Et cette vision continue de se complexifier car une même séquence d’ADN peut donner lieu à des protéines différentes selon la façon dont elle est transcrite à la suite du phénomène d’épissage différentiel. Ce phénomène correspond à la maturation de l’ARNm au cours duquel seulement certains exons sont sélectionnés parmi toute la mosaïque possible de la séquence initial.

 

Capture d’écran 2014-01-07 à 10.21.03

Que devient le gène dans ce cas ? La séquence d’ADN avant ou après épissage ? Avant épissage c’est une structure instable, transitoire et pouvant donner lieu à plusieurs protéines. Après épissage, c’est une structure dont la séquence d’ADN originelle est incertaine.

Ajoutons qu’on découvre bientôt que le génome est quasiment fluide !

Barbara McClintock découvre au début des années 50 l’existence de certaines séquences d’ADN, désormais nommées « transposons », qui codent pour une ou plusieurs protéines permettant le déplacement d’une séquence d’ADN dans le génome. Les transposons entrainent ainsi des multiplications et des déplacements de gènes au sein même de la molécule d’ADN.

Cette découverte est de taille car si de tels mouvements intra-génomiques ont lieu, l’unité de sélection n’est plus seulement l’organisme mais commence au niveau du génome : certains gènes multipliés favorables à l’organisme peuvent être sélectionnés au détriment d’autres gènes.

Ce n’est donc pas seulement une molécule qui est transmise tout au long du processus évolutif mais une information au sens complet du terme. Après avoir retrouvé une réalité biologique avec la découverte de l’ADN, le gène reprend un sens quasiment abstrait. Un gène n’a en effet pas vraiment de sens s’il est isolé du contexte dans lequel il s’exprime. Le « programme » génétique n’est pas fixe mais dépend d’un environnement cellulaire, lui même dépendant de l’environnement.

Ce qui est réellement déterminant n’est pas un gène, quel que soit sa définition, mais la dynamique du génome : sur un temps long, les transposons jouent, en tant que tel, un rôle clef dans l’évolution. Sur un temps plus court, la diversité des espèces et la diversité génétique interagissent. Par exemple, la variabilité et la diversité génétique d’une espèce donnée peuvent expliquer en tant que telle la coexistence de cette espèce avec une autre . La micro-evolution de la diversité génétique au sein d’une espèce peut altérer les interactions de cette espèce avec les autres.

Perdre de la diversité génétique n’est pas seulement un problème pour l’espèce mais a des répercutions sur d’autres niveaux de la biodiversité.

Gène, biodiversité et OGM: l'irruption d'incertitudes

Nous y sommes, le génome est structurellement et fonctionnellement source de diversité. Il participe - et résulte de - la dynamique évolutive et écologique.

Ce niveau d’organisation du vivant permet de comprendre pourquoi la question du maintien de la diversité génétique et la controverse sur les OGM sont à ce point centrales dans les problématiques de biodiversité.

L’accès aux ressources génétiques est d’ailleurs un point clef des négociations politiques. Préserver la diversité génétique est nécessaire pour maintenir la diversité des populations et des espèces mais plus généralement pour garantir la dynamique évolutive et écologique du vivant.

Mais préserver cette diversité est rendue difficile par notre vision partielle et à court terme de la dynamique du vivant.

Car la diversité génétique et la problématique des OGM se comprennent mal si on les aborde seulement d’un point de vue génétique ou écologique ou évolutif. Par exemple, si la modification génétique d’un organisme ne pose pas de problèmes lorsqu’elle est réalisée en laboratoire, ses conséquences à long terme dans la nature peuvent être très différentes.

Non seulement au niveau cellulaire, la transcription du génome modifié est plein d’incertitudes (en plus de la protéine visée, des composés secondaires aux effets inconnus peuvent être produits) mais le devenir des individus et des espèces modifiés génétiquement est tout aussi incertain. Mieux : au niveau écologique et évolutif, des transferts de gènes entre espèces ou une modification de la dynamique des populations de l'espèce ayant un avantage sélectif conféré par la présence du gène sont attendus.

Cette lecture interroge notre volonté et notre capacité de maitriser, de contrôler, de breveter les produits de manipulations technologiques.

La modification des organismes cultivés pouvant faire l'objet de brevets de propriétés par quelques entreprises (quitte à supplanter des pratiques agricoles locales et diversifiées garantissant le maintient d'une diversité génétique ancestrale). Le problème n'est donc pas seulement génétique-écologique-évolutif il est devenu commercial-social-politique.

On conçoit donc facilement que le gène, facteur concret, idée abstraite, est devenu aujourd'hui un nœud complexe aux enjeux multiples et qui dépassent la science.


10 commentaires pour “Le génie du gène”

  1. patricedusud Répondre | Permalink

    Merci pour ce billet à la fois clair et surtout qui évite le piège courant du manichéisme ambiant qui règne sur ce sujet.

  2. patricedusud Répondre | Permalink

    Merci pour ce billet à la fois clair et qui évite de tomber dans le piège du manichéisme ambiant qui règne sur ce sujet.

  3. MRR Répondre | Permalink

    J'apprécie l'effort pédagogique de présentation historique du gène, mais j'avoue que j'ai du mal à comprendre la fin du billet. Que voulez-vous dire d'autre que "c'est compliqué", ce qui en soi ne nous avance pas beaucoup. Un jardin c'est compliqué, on plante quand même des fraisiers. Et les OGM sont très divers, j'ai du mal à suivre comment des affirmations générales comme celles de ce billet peuvent s'appliquer à toutes : inter- ou intra-espèces, à but lucratif ou non, brevetés ou non, ajoutant ou enlevant des gènes, etc etc.

    Il me semble que les OGM sont un sujet que le grand public comprend généralement mal, et qu'il faudrait davantage faire un effort d'éclaircissement que de répéter à l'envie que "c'est compliqué".

    Mes 2 centimes comme disent les américains. (Troisième tentative de publication de ce commentaire depuis le 7 janvier.)

  4. Bertrand Répondre | Permalink

    "Le « programme » génétique n’est pas fixe mais dépend d’un environnement cellulaire, lui même dépendant de l’environnement."

    On aurait aimé avoir plus de précisions sur l'origine de cette fameuse notion de "programme génétique". En réalité, c'est une pure invention des biologistes moléculaires...

    L' "environnement cellulaire", ça s'appèle le métabolisme, non? C'est le métabolisme qui est le siège de la vie, et le génome qu'un ensemble de recettes pour produire les molécules. C'est en tout cas la conclusion qui devrait ressortir de cette déconfiture de la notion de gène...

    A+ B.

    • Vincent Répondre | Permalink

      Bonjour,

      Merci de souligner qu'il faudrait détailler cette tentative d'analyse de la notion de gène pour aborder plus spécifiquement la question des OGM (ce qui n'était pas le but).

      Mais j'insiste néanmoins. Mon idée n'était pas de simplement dire "c'est compliqué" mais "c'est complexe".

      La question des OGM n'est pas compliqué, et en fait plutôt simple sous certains aspects (En somme il s'agit de modifier le phénotype d'un organisme en modifiant son génotype, ce que l'on fait depuis très longtemps).

      Par contre, c'est complexe. C'est à dire qu'il y a des propriétés qui émergent de la nature du programme génétique qui ne sont pas prévisibles à l'avance. Et cette complexité, oui, je pense qu'il faut la diffuser et communiquer dessus.

      Une vision réductionniste de la génétique a dominé l'agronomie. Les progrès récents en génétique montrent que c'est une vision qu'il faut dépasser: on étudie pas la dynamique d'un génome modifié dans un laboratoire. Les conséquences sont complexes, émergentes, et doivent s'étudier dans une perspective écologique et évolutive et à long terme. La complexité apparaît à ce niveau.

      Les aspects sociaux ne sont pas non plus compliqués. Une entreprise brevète non pas le vivant mais un procédé. L'argument de vente est une amélioration des cultures. C'est simple, pas compliqué. Mais c'est complexe: il se trouve qu'une propriété qui émerge d'une telle transaction peut être de dénoncer la présence de l'OGM dans un champ d'un agriculture qui n'a rien changé à ses pratiques. On peut exiger de lui de payer une amende alors que l'OGM a simplement colonisé le champ par dispersion, ce que les agriculteurs craignent et ce qui compromet le développement d'agricultures alternatives (http://www.theepochtimes.com/n3/277564-gmo-field-trials-contamination-concerns/).

      Je pense donc qu'il faut être capable de communiquer sur cette complexité, même si c'est avec simplicité. La génétique est un bon exemple pour cela. La molécule d'ADN est très simple, les processus qui en découlent sont toujours complexes.

  5. Bertrand Répondre | Permalink

    "Le « programme » génétique n’est pas fixe mais dépend d’un environnement cellulaire, lui même dépendant de l’environnement."

    On aurait aimé avoir plus de précisions sur l'origine de cette fameuse notion de "programme génétique". En réalité, c'est une pure invention des biologistes moléculaires...

    L' "environnement cellulaire", ça s'appèle le métabolisme, non? C'est le métabolisme qui est le siège de la vie, et le génome qu'un ensemble de recettes pour produire les molécules. C'est en tout cas la conclusion qui devrait ressortir de cette déconfiture de la notion de gène...

    • Devictor Répondre | Permalink

      Bonjour Bertrand,

      Merci pour cette réaction qui pointe du doigt plusieurs notions clefs.

      En effet, on peut discuter de la notion de « programme » en tant que tel.
      Une partie des découvertes sur le « programme génétique » est très liée au développement de l’informatique. Cette notion est une métaphore qui a servi dans un premier temps à interpréter les expériences menées sur l’expression des gènes en biologie du développement. On constate par exemple chez la drosophile que les gènes s’expriment séquentiellement à des moments très précis du développement de l’embryon, comme s’ils effectuaient un « programme » de construction. Les biologistes moléculaires (comme tous les scientifiques) ont élaboré leurs théories à l'aide de métaphores, construction langagières bien pratiques.

      Mais cette métaphore peut être un obstacle si on en reste là. On se rend compte que l’expression génétique est pour une part extrêmement régulée, déterminée (comme un programme fixe) mais aussi pour un part variable selon l’environnement : l'expression des gènes peut être initiée, accélérée, ralentie ou stoppée par des facteurs environnementaux. Le rayonnement solaire, peut par exemple influencer l’expression des gènes impliqués dans la synthèse d'un pigment. Et dès le niveau cellulaire, le PH ou certaines molécules peuvent jouer le rôle d’inhibiteur ou d’activateur de traduction génétique.

      La conclusion sur le métabolisme (ensemble des réactions d’anabolisme, donc de synthèse de molécules et de stockage d’énergie, et de catabolisme, donc de dégradation de molécules et d’utilisation d’énergie) est assez juste mais privilégie une vision énergétique. La vie cellulaire peut se voir aussi comme cela, comme un bilan énergétique, des entrées et des sorties.

      La génétique complète cette vision en s’intéressant à l’information et à la reproduction dans la vie de la cellule.

      Merci pour ces compléments.

      Vincent

Publier un commentaire