Génétique moléculaire - Molecular genetics

La génétique moléculaire est un sous-domaine de la biologie qui traite de la façon dont les différences dans les structures ou l'expression des molécules d' ADN se manifestent par des variations entre les organismes. La génétique moléculaire applique souvent une « approche d'investigation » pour déterminer la structure et/ou la fonction des gènes dans le génome d'un organisme à l'aide de criblages génétiques . Le domaine d'étude est basé sur la fusion de plusieurs sous-domaines de la biologie : l'hérédité mendélienne classique , la biologie cellulaire , la biologie moléculaire , la biochimie et la biotechnologie . Les chercheurs recherchent des mutations dans un gène ou induisent des mutations dans un gène pour lier une séquence de gène à un phénotype spécifique. La génétique moléculaire est une méthodologie puissante pour lier des mutations à des conditions génétiques qui peuvent aider à la recherche de traitements/cures pour diverses maladies génétiques.

Histoire

Pour que la génétique moléculaire se développe en tant que discipline, plusieurs découvertes scientifiques ont été nécessaires. La découverte de l' ADN comme moyen de transférer le code génétique de la vie d'une cellule à une autre et entre les générations était essentielle pour identifier la molécule responsable de l'hérédité.  Watson et Crick (en collaboration avec Franklin et Wilkins ) ont découvert la structure de l'ADN, pierre angulaire de la génétique moléculaire. L'isolement d'une endonucléase de restriction dans E. coli par Arber et Linn en 1969 a ouvert le domaine du génie génétique . Des enzymes de restriction ont été utilisées pour linéariser l'ADN pour la séparation par électrophorèse et le transfert de Southern a permis l'identification de segments d'ADN spécifiques via des sondes d'hybridation . En 1971, Berg a utilisé des enzymes de restriction pour créer la première molécule d' ADN recombinant et le premier plasmide d' ADN recombinant . En 1972, Cohen et Boyer ont créé le premier organisme à ADN recombiné en insérant des plasmides à ADN recombiné dans E. coli , maintenant connu sous le nom de transformation bactérienne , et ont ouvert la voie au clonage moléculaire. Le développement des techniques de séquençage de l' ADN à la fin des années 1970, d'abord par Maxam et Gilbert, puis par Frederick Sanger , a été essentiel à la recherche en génétique moléculaire et a permis aux scientifiques de commencer à effectuer des criblages génétiques pour relier les séquences génotypiques aux phénotypes . La réaction en chaîne par polymérase (PCR) utilisant la polymérase Taq, inventée par Mullis en 1985, a permis aux scientifiques de créer des millions de copies d'une séquence d'ADN spécifique qui pourraient être utilisées pour la transformation ou manipulées à l'aide d'une séparation sur gel d'agarose . Une décennie plus tard, le premier génome entier a été séquencé ( Haemophilus influenzae ), suivi du séquençage éventuel du génome humain via le Human Genome Project en 2001. Le point culminant de toutes ces découvertes était un nouveau domaine appelé génomique qui relie la structure moléculaire d'un gène à la protéine ou à l'ARN codé par ce segment d'ADN et l'expression fonctionnelle de cette protéine dans un organisme. Aujourd'hui, grâce à l'application de techniques de génétique moléculaire, la génomique est étudiée dans de nombreux organismes modèles et les données sont collectées dans des bases de données informatiques telles que NCBI et Ensembl . L'analyse informatique et la comparaison des gènes au sein et entre les différentes espèces s'appelle la bioinformatique et relie les mutations génétiques à une échelle évolutive.

Le dogme central

Cette image montre un exemple du dogme central utilisant un brin d'ADN transcrit puis traduit et montrant des enzymes importantes utilisées dans les processus

Cette image montre un exemple du dogme central utilisant un brin d'ADN transcrit puis traduit et montrant des enzymes importantes utilisées dans les processus

Le dogme central est à la base de toute génétique et joue un rôle clé dans l'étude de la génétique moléculaire. Le dogme central stipule que l'ADN se réplique, l'ADN est transcrit en ARN et l'ARN est traduit en protéines. Avec le dogme central, le code génétique est utilisé pour comprendre comment l'ARN est traduit en protéines. La réplication de l'ADN et la transcription de l'ADN en ARNm se produisent dans les mitochondries, tandis que la traduction de l'ARN en protéines se produit dans le ribosome . Le code génétique est composé de quatre paires de bases : adénine, cytosine, uracile et guanine et est redondant, ce qui signifie que de multiples combinaisons de ces paires de bases (qui sont lues en triple) produisent le même acide aminé. La protéomique et la génomique sont des domaines de la biologie issus de l'étude de la génétique moléculaire et du dogme central.

Technique

Génétique avancée

La génétique avancée est une technique de génétique moléculaire utilisée pour identifier des gènes ou des mutations génétiques qui produisent un certain phénotype . Dans un criblage génétique , des mutations aléatoires sont générées avec des mutagènes (produits chimiques ou rayonnements) ou des transposons et les individus sont criblés pour le phénotype spécifique. Souvent, un essai secondaire sous la forme d'une sélection peut suivre la mutagenèse lorsque le phénotype souhaité est difficile à observer, par exemple dans des bactéries ou des cultures cellulaires. Les cellules peuvent être transformées à l' aide d'un gène de résistance aux antibiotiques ou d'un rapporteur fluorescent de sorte que les mutants avec le phénotype souhaité soient sélectionnés parmi les non-mutants.

Les mutants présentant le phénotype d'intérêt sont isolés et un test de complémentation peut être effectué pour déterminer si le phénotype résulte de plus d'un gène. Les gènes mutants sont alors caractérisés comme dominants (entraînant un gain de fonction), récessifs (montrant une perte de fonction), ou épistatiques (le gène mutant masque le phénotype d'un autre gène). Enfin, la localisation et la nature spécifique de la mutation sont cartographiées par séquençage . La génétique avancée est une approche impartiale et conduit souvent à de nombreuses découvertes imprévues, mais peut être coûteuse et prendre du temps. Des organismes modèles comme le ver nématode Caenorhabditis elegans , la mouche des fruits Drosophila melanogaster et le poisson zèbre Danio rerio ont été utilisés avec succès pour étudier les phénotypes résultant de mutations génétiques.

Un exemple de génétique avancée chez C. elegans (un nématode) utilisant la mutagenèse.

Génétique inversée

Schéma illustrant le processus de développement du vaccin contre la grippe aviaire par des techniques de génétique inverse

La génétique inverse est le terme désignant les techniques de génétique moléculaire utilisées pour déterminer le phénotype résultant d'une mutation intentionnelle dans un gène d'intérêt. Le phénotype est utilisé pour déduire la fonction de la version non mutée du gène. Les mutations peuvent être des changements aléatoires ou intentionnels du gène d'intérêt. Les mutations peuvent être une mutation faux-sens causée par une substitution de nucléotides, une addition ou une suppression de nucléotides pour induire une mutation de décalage du cadre de lecture , ou une addition/suppression complète d'un gène ou d'un segment de gène. La suppression d'un gène particulier crée un knock-out de gène où le gène n'est pas exprimé et une perte de fonction en résulte (par exemple des souris knock-out ). Des mutations mal-sens peuvent entraîner une perte totale de fonction ou entraîner une perte partielle de fonction, connue sous le nom de knockdown. Le Knockdown peut également être obtenu par interférence ARN (ARNi). Alternativement, des gènes peuvent être substitués dans le génome d'un organisme (également connu sous le nom de transgène ) pour créer un knock-in de gène et entraîner un gain de fonction par l'hôte. Bien que ces techniques aient un certain biais inhérent à la décision de lier un phénotype à une fonction particulière, elle est beaucoup plus rapide en termes de production que la génétique avancée car le gène d'intérêt est déjà connu.

Voir également

Sources et remarques

Lectures complémentaires

Liens externes