Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique (1ère S)
Observons une photo de cellules végétales en microscopie optique :
Le noyau est ici coloré en rouge. On constate que celui-ci change de forme. Il est parfois bien rond et parfois plutôt filamenteux ou en forme de trapèze.
le noyau cellulaire contient les chromosomes. Ceux-ci peuvent être visibles selon leur niveau de condensation.
Dans les noyaux bien ronds la cellule est en interphase et les chromosomes sont totalement décondensés. Durant la division cellulaire ou mitose, les chromosomes se condensent et deviennent visibles.
Les chromosomes en milieu de mitose prennent l'aspect suivant :
La structure d'un chromosome est la suivante :
Ces chromosomes possèdent 2 molécules d'ADN, une dans chaque chromatide :
Nous verrons que la plupart du temps, les chromosomes ne possèdent qu'une chromatide, donc une seule molécule d'ADN.Toute cellule, végétale ou animale, subit le processus de mitose. On peut observer dans la photo suivante, des divisions dans des cellules de queue de Triton. :
L'ensemble interphase + mitose s'appelle un cycle cellulaire.
Si on observe des photos de cellules de racines de Jacinthe, on peut obesrver que les chromosomes n'ont pas le même aspect durant la mitose :
Ces différentes figures correspondent aux différentes phases de la mitose. Celle-ci est découpée en 4 phases.
1) prophase : la membrane du noyau disparait et les chromosomes se condensent. Ils ont deux chromatides.
2) métaphase : les chromosomes se réunissent en plaque équtoriale au centre de la cellule. Ils sont en condensation maximum. Un fuseau achromatique se met en place.
3) anaphase. Les centromères se clivent (se coupent en deux) et chaque chromatide migre vers un pôle de la cellule. c'est l'ascension polaire.
4) télophase. Les chromosmes à une chromatide se désindividualisent et la membrane nucléaire réapparait. La membrane cellulaire se met en place.
La mitose permet au deux cellules filles de posséder le même génôme que la cellule mère. Ainsi, les caractéristiques génétiques passent d'une génération cellulaire à l'autre. Le schéma ci-dessous, le met en évidence.
Ce phénomène est général à toutes les cellules. On peut observer ci-dessous, une mitose dans une œuf d'Ascaris, qui est un ver parasite du tube digestif de cheval.
On voit qu'à l'issu de la mitose, les cellules possèdent des chromosomes à une chromatide alors qu'en début de mitose, les chromosomes sont deux chromatides. Cela signifie que le nombre de chromatides double durant l'interphase. Le doublement du nombre de chromatides, correspond au doublement de la quantité d'ADN. On parle de réplication.
Dès la découverte de la structure de l'ADN en 1953, Watson et Crick ont proposé un modèle de la réplication de l'ADN.
Cette proposition est une hypothèse parmi d'autres sur la réplication. Dans les années 50, on a proposé plusieurs modèles de réplication.
Très rapidement, on n'a retenu que le modèle dit semi-conservatif de Watson et Crick car c'est le seul qui peut expliquer que deux cellules filles ont le même génôme que la cellule mère après la mitose.
Ce sont Matthew Meselson (né en 1931) et Franklin Stahl (né en 1929) qui ont mis en place une expérimentation permettant de valider l'hypothèse.
Meselson et Stahl utilisent la méthode d'ultracentrifugation. C'est une centrifugation à très haute vitesse qui permet de séparer des éléments de densités proches.
Ils cultivent des bactéries sur un milieu riche en azote 15, isotope lourd de l'azote 14. L'ADN étant riche en composés azotés comme les bases des nucléotides, l'ADN par incorporation de ce 15N devient un ADN lourd. Lorsqu'ils ont vérifié que l'ADN des bactéries est bien un ADN lourd, ils transfèrent des bactéries sur un milieu riche en 14N.Si l'hypothèse semi-conservative est bien la bonne, on devrait obtenir sur les générations de bactéries suivantes les résultats suivants :
En procédant à des ultracentrifugations d'ADN après chaque réplication, ils vont obtenir le résultat suivant :
On constate que dans le premier tube, l'ADN est entièrement lourd. Dans le second tube, l'ADN est dit "hybride", c'est à dire qu'il est constitué d'un brin avec du 14N et d'un brin avec du 15N. Dans le troisième tube, on a deux types d'ADN : de l'ADN hybride et de l'ADN léger constitué uniquement à partir de 14N.
Le modèle semi-conservatif est donc parfaitement validé.
La réplication de l'ADN commence en même temps à plusieurs niveaux du chromosome. On parle d'œil de réplication. La réplication peut se produitre grâce à une enzyme, l'ADN-polymérase.
