LES INFORTUNES DU HASARD

La découverte de la transcriptase inverse

lundi 14 mai 2012

Les savants ne devraient jamais s’ennuyer. Comment s’endormir, que dis-je, comment connaître un seul instant de distraction quand on se bat sur un terrain pavé de mines et creusé de chausse-trapes ? II y a deux ans, Monod fondait son système philosophique sur l’irréversibilité de la transmission de l’information en biologie moléculaire :

« Le mécanisme de la traduction, écrivait-il, est strictement irréversible (a). Il n’est ni observé, ni d’ailleurs concevable (cette fois, c’est moi qui souligne), que l’information soit jamais transférée... de protéine à ADN. [...] Il s’ensuit qu’il n’y a pas de mécanisme possible (c’est lui) par quoi la structure et les performances d’une protéine pourraient être modifiées et ces modifications transmises, fût-ce partiellement, à la descendance, si ce n’est comme conséquence d’une altération des instructions représentées par un segment de séquence de l’ADN. »

La seule concevable

La conséquence philosophique de ce « fait » est claire (b) « Ces altérations sont accidentelles, elles ont lieu au hasard. Et puisqu’elles constituent la seule (c’est lui qui souligne) source possible de modification du texte génétique, seul (encore lui) dépositaire, à son tour, des structures héréditaires de l’organisme, il s’ensuit nécessairement que le hasard seul (lui toujours) est à la source de toute nouveauté, de toute création dans la biosphère. Le hasard pur, le seul hasard... à la racine même du prodigieux édifice de l’évolution : cette notion centrale de la biologie moderne n’est plus aujourd’hui une hypothèse, parmi d’autres possibles ou plus ou moins concevables. Elle est la seule concevable... »

Une des lois les mieux vérifiées de l’histoire des sciences pourrait être exprimée ainsi : chaque fois qu’une impossibilité quelconque parvient à sa formulation bien claire et précise, on découvre infailliblement le phénomène montrant que c’est l’impossible qui est vrai.

Avec la « loi » de l’irréversibilité de Monod, cela n’a pas traîné. Comme l’écrit avec une toute confraternelle jubilation le professeur P.-P. Grassé, « l’encre de ces lignes n’était pas encore sèche que le démenti surgissait, cinglant, et sans réplique (c) ». Cette même année 1970, en effet, tandis que les intellectuels français se délectaient sur les plages à lire le Hasard et la Nécessité, l’Américain H. M. Temin faisait devant le Xe Congrès international du cancer une communication mettant précisément en évidence « inconcevable » réversibilité : il montrait que, dans le sarcome des poules, l’acide ribonucléique (ARN) du virus responsable est capable d’inscrire son information dans l’acide désoxyribonucléique (ADN) de la cellule qu’il parasite [1].

Pour exprimer cela avec une parfaite clarté, il suffit de reprendre l’affirmation de Monod et de la transformer en son contraire. Au lieu de : « Il n’est ni observé ni d’ailleurs concevable », il suffit d’écrire : « Il est démontré... ». Bien entendu, après cela, des déductions philosophiques de Monod et de son livre, il ne reste rigoureusement rien. Mais cela n’a aucune importance : le livre est bien écrit, il est dans la bibliothèque de tous les gens distingués ; lesquels ignorent jusqu’à l’existence de Temin. Soyons assurés que pendant encore des lustres on continuera de lire un peu partout que, « comme le montre la biologie moléculaire (ici référence au livre de Monod), les variations génétiques tirent leur origine des seuls accidents survenant à l’ADN, et que, par conséquent, tout se fait au hasard, au hasard seul, au hasard pur ». Il faut s’y résigner : en France, dès que quelque chose est dit avec élégance, c’est la transfiguration alchimique, tout plomb se mue en bronze.

On me permettra d’ailleurs d’avancer que le fait que Monod se soit trompé avec tant d’éclat est une preuve de sa vigueur intellectuelle. Il fallait une singulière perspicacité pour mettre infailliblement le doigt sur le point où allaient être jugées les orthodoxies en cours depuis un siècle. Et nous devons lui être reconnaissants d’avoir écrit un livre sur ce point décisif. Le précédent historique qui ressemble le plus à l’intervention de Monod est la phrase fameuse de lord Kelvin déclarant, vers 1897, que « la physique était achevée, sauf sur deux petits détails, le rayonnement du corps noir et les résultats de l’expérience de Michelson » : comme on sait, c’est de ces deux petits détails que devaient sortir respectivement les quanta et la relativité. De la même façon, c’est la ruine de Darwin qui est en train de sortir des découvertes qui se succèdent en biologie depuis celle de Temin. Voyons cela de plus près [2].

Les êtres vivants se reproduisent par la division et la multiplication de leurs cellules germinales. Le plan de l’être vivant est contenu dans les chromosomes de ces cellules, et plus particulièrement dans les molécules d’ADN. Depuis Watson et Crick (1953), on sait que ces molécules d’ADN sont des sortes de longs colliers de perles (les atomes) enfilées selon une architecture très complexe en forme de double hélice. Il y a jusqu’à 100 000 fibres d’ADN dans un seul chromosome : leur nombre varie selon la complexité des espèces [3].

La croissance d’un être (une graine qui germe, un fœtus qui se développe), c’est la multiplication des cellules, dont chacune a son noyau, ses chromosomes, ses gènes, etc. L’ADN de la cellule originelle se reproduit dans les autres cellules. Quand l’ADN entre en activité, il fabrique un message (l’ARN), qui quitte le noyau de la cellule où l’ADN reste enfermé et transmet le plan contenu dans l’ADN jusqu’au lieu où s’élaborent les protéines. Monod, Jacob et Lwoff ont découvert le mécanisme qui règle cet extraordinaire travail.

Fautes de copie

Le livre de Monod est fils du légitime enthousiasme éprouvé lors de cette découverte : comme il arrive souvent, le découvreur a tendance à croire que ce qu’il a trouvé est un point final. En réalité, toute découverte en prépare d’autres. Ici, en l’occurrence, si la régulation cellulaire découverte par les savants français avait constitué le dernier mot de la question, la conséquence en eût été, comme le dit Monod, le triomphe du hasard pur. Car tout changement dans le plan de l’ADN ne survenant dans ce cas que spontanément, de l’intérieur, sans aucune possibilité de rétroaction en provenance de l’extérieur, cela aurait équivalu à imaginer une usine où l’ingénieur ne peut jamais mettre la main au plan de la machine pour le modifier, où tout le travail de l’ingénieur consiste à attendre que les fautes de copie faites par la machine en se recopiant elle-même tombent par hasard sur une amélioration de son propre plan et à retenir cette amélioration fortuite.

Reprenons ici la découverte de Temin : c’est exactement le contraire qui se passe : l’ADN d’une cellule parasitée est modifiée par un ARN venant de l’extérieur, et cette modification est désormais inscrite dans l’hérédité de la cellule. Depuis deux ans, ce mécanisme, inverse de celui que découvrirent Jacob, Monod et Lwoff, qui bien entendu reste toujours valable, a été identifié dans une foule de cas (d). Le fait qu’il existe (fût-ce dans des circonstances que l’on peut encore tenir pour exceptionnelles ou pathologiques) montre qu’il est possible et que l’ADN (donc l’hérédité) peut être modifié non plus seulement à l’occasion d’anomalies aléatoires d’origine interne, les « fautes de copie », mais bien par des facteurs externes [4].

Le biologiste français P.-P. Grassé, spécialiste de l’évolution, qui depuis près d’un demi-siècle a toujours marqué son scepticisme à l’égard des théories expliquant tout par le hasard, pense que le milieu et le comportement des êtres vivants influent sur leur chimisme, et que les modifications de ce chimisme peuvent parfois, par le truchement d’un ARN, s’inscrire dans l’ADN et devenir héréditaires. Si cette vue se confirmait, les conséquences scientifiques et philosophiques en seraient immenses. Un monde intellectuel nouveau naîtrait devant nos yeux, que j’essaierai d’esquisser dans une autre chronique [5].

Aimé MICHEL

(a) J. Monod : le Hasard et la Nécessité, p. 124-125. C’est Monod qui souligne.

(b) Ibidem, p. 127.

(c) P.-P. Grassé : l’Hérédité des caractères acquis (Savoir et Action, 114, Champs-Elysées, nov. 1972, p. 23).

(d) H.-M. Temin et S. Minutant, dans Nature, vol. 266, p. 1211 ; S. Spingelman et autres : Nature (vol. 227, p. 563 et 1029 ; vol. 228, p. 430) ; Beljansky, Manigault et Bourgarel : Proceedings National Academy of Sciences, vol. 69, 1972, p. 191 ; Beljansky : Comptes rendus de l’Académie des sciences, vol. 24, 1972, p. 2801.

(*) Chronique n° 123 parue dans France Catholique − N° 1358 − 22 décembre 1972

Notes de Jean-Pierre ROSPARS du 14 mai 2012


[1La découverte par Temin de la transcriptase inverse fut récompensée par le prix Nobel en 1975. Elle est importante non seulement pour la raison soulignée ici par Aimé Michel qu’elle allait à l’encontre des attentes du moment, mais aussi par les applications pratiques qui en résultèrent pour l’analyse des génomes (voir la note 3 de la chronique n° 190, Avortement et biologie, Les effrayantes perspectives ouvertes par les progrès de la biologie, parue ici le 11 juillet 2011). Remarquons toutefois que cette découverte ne remet pas en cause l’irréversibilité postulée par Monod qui va d’une protéine à un acide nucléique et non pas simplement d’un ARN à un ADN.

Bien que présente aujourd’hui uniquement chez les rétrovirus (voir note 3), la transcriptase inverse a pu jouer un rôle important dans l’évolution des premières formes de vie. En effet, on admet le plus souvent aujourd’hui que la vie à ses débuts utilisait l’ARN et non pas l’ADN pour stocker l’information génétique. La transcriptase inverse permit ainsi un transfert de l’information déjà existante vers l’ADN. Par la suite aurait été mis en place la réplication de l’ADN, c’est-à-dire l’assemblage d’un nouvel ADN d’après un patron d’ADN existant. A la fin, une fois le système actuel (ADN -> ARN messager -> protéines) solidement établi, les gènes des enzymes permettant la réplication de l’ARN (ARN-réplicase) et sa transcription inverse (transcriptase inverse) auraient été éliminées des protocellules, ce qui explique qu’on ne retrouve plus ces enzymes que dans certains virus (Christian de Duve, Poussière de vie. Une histoire du vivant, trad. A. Bucher et J.-M. Luccioni, Fayard, Paris, 1996).

[2Le microbiologiste américain Carl R. Woese dans un article souvent cité (Une nouvelle biologie pour un nouveau siècle, Microbiol. Mol. Biol. Reviews, 68 : 173-186, 2004) utilise la même comparaison pour repousser l’illusion d’une biologie presque achevée et son sentiment que l’essentiel reste à découvrir :

« La science est poussée par deux facteurs principaux, le progrès technologique et une vision directrice (une vue d’ensemble). Une relation équilibrée entre les deux est indispensable au développement fructueux d’une science : sans les progrès technologiques adéquats la route est barrée. Sans une vision directrice il n’y a pas de route ; la science devient une ingénierie, intéressée par les problèmes pratiques du moment. A son apogée la représentation qui vint à dominer et définir la biologie du 20e siècle, la biologie moléculaire, était un mélange riche et inspirant des deux facteurs. A la fin du 20e siècle, cependant, la vision moléculaire de la biologie avait été accomplie pour l’essentiel ; ce qu’elle pouvait voir du plan d’ensemble du monde vivant avait été vu, ne laissant à compléter que les détails. De quelle autre façon pourrait-on rationaliser l’étrange affirmation de quelques-uns des principaux biologistes moléculaires au monde (entre autres) que le génome humain (un problème inspiré par la médecine) était le “Saint Graal” de la biologie ? Quel exemple stupéfiant d’une biologie qui fonctionne dans une perspective d’ingénierie, d’une biologie qui n’a aucune vision directrice authentique. Regardez un siècle en arrière. Une impression semblable que la science était en voie d’achèvement n’avait-elle pas envahi la physique à la fin du 19e siècle : les grands problèmes étaient tous résolus ; dès lors il ne s’agissait plus que de travailler les détails ? Déjà vu ! La biologie aujourd’hui n’est pas plus pleinement comprise en principe que la physique ne l’était il y a environ un siècle. Dans les deux cas la vision directrice a (ou avait) atteint sa limite, et dans les deux cas, une représentation nouvelle, plus profonde et plus revigorante de la réalité est (ou était) nécessaire. »

Carl Woese s’est rendu célèbre à la fin des années 70 en démontrant que les bactéries ne forment pas un groupe unique comme on le pensait généralement jusque là mais se divisent en deux groupes. Il baptisa un des deux groupes archébactéries parce qu’elle possédait des caractères archaïques (de la racine grecque arché, ancien), et l’autre eubactéries (du grec eu, bien). En effet, les archébactéries vivent dans des niches écologiques très spécifiques (absence d’oxygène, température élevée, forte concentration en sels, milieux acides), qui étaient sans doute celles de la Terre primitive, et aucune d’entre elles ne tire son énergie de la lumière solaire (photosynthèse). De plus Woese considéra que les différences de ces deux groupes et avec les autres êtres vivants étaient telles que la vie pouvait être divisée en trois règnes : les Archæa (archébactéries), les Bacteria (eubactéries et cyanobactéries qu’on appelait jadis algues bleu-vert) et les Eucarya (les autres êtres vivants unicellulaires ou multicellulaires, y compris les plantes et les animaux). Les Archæa et les Bacteria forment ensemble les procaryotes (karyos veut dire noyau) dont les cellules ne possèdent pas de subdivision internes apparentes : elles n’ont ni noyau ni organites. Au contraire les Eucarya ou eucaryotes possèdent un véritable noyau et des organites, par exemple les mitochondries.

Carl Woese était parvenu à ces conclusions capitales en analysant les ribosomes. Ce sont des complexes formés de protéines et d’acides nucléiques où les ARN messagers sont lus et servent à la synthèse des protéines correspondantes. Toutes les cellules qu’elles soient procaryotes ou eucaryotes contiennent des ribosomes. En s’inspirant d’une méthode employée pour la première fois par Émile Zuckerkandl et Linus Pauling en 1965 pour analyser l’évolution d’une protéine, le cytochrome C, Woese compara entre elles les séquences des molécules d’ARN formant l’une des deux sous-unités des ribosomes, et put en déduire l’arbre généalogique de toutes les cellules actuelles.

[3On a longtemps pensé qu’il y avait plusieurs fibres d’ADN par chromosome mais aujourd’hui on pense qu’il n’y en a qu’une seule. Les chromosomes, ce qui signifie « corps coloré », sont ainsi nommés parce qu’ils prennent fortement certains colorants dans les cellules en division, lorsque la fibre de chacun d’eux se pelotonne fortement. Entre deux divisions la fibre est déroulée et le chromosome n’est plus visible.

Par ailleurs la relation entre la quantité totale d’ADN d’une espèce et sa complexité n’est pas bonne. La relation est meilleure pour la quantité d’ADN codant des protéines.

[4Sauf exception encore possible (voir note suivante), l’assemblage d’ADN à partir d’un patron d’ARN n’est mis en œuvre que par certains virus. Les virus sont des organismes simplifiés : formés d’un court acide nucléique protégé par une coque de protéines, dépourvus de ribosomes et de métabolisme, ils ne sont pas capables de se reproduire par eux-mêmes ; ils ont besoin pour cela de parasiter une cellule dont ils utilisent les mécanismes biochimiques à leur profit. Bien des maladies (fièvre jaune, grippe, poliomyélite, rage, rougeole, variole etc.) se reproduisent dans des cellules animales ou humaines mais d’autres infectent les bactéries (les bactériophages), les eucaryotes unicellulaires, les plantes. Chaque virus n’infecte qu’une seule espèce ou un petit groupe d’espèces apparentées. Le génome des virus est formé selon les cas soit d’ADN, soit d’ARN. Ces derniers appartiennent eux-mêmes à deux catégories.

Ceux de la première catégorie, auquel appartient par exemple le virus de la polio, l’ARN viral injecté dans la cellule parasitée fait office d’ARN messager qui est directement lu par les ribosomes de la cellule : l’un des gènes du virus sert d’abord à la synthèse d’une enzyme (ARN réplicase) qui produit de multiples exemplaires de l’ARN viral, lesquels sont exprimés pour produire le virus complet (l’ARN et sa coque).

Dans les virus de la seconde catégorie, l’un des gènes de l’ARN injecté sert à synthétiser la transcriptase inverse. Cette enzyme transcrit l’ARN viral en ADN qui peut s’intégrer à l’ADN de la cellule hôte et s’exprimer ensuite durant toute la vie de celle-ci. Les virus de ce type sont appelés rétrovirus. On les connaît depuis le début du XXe siècle. Ils sont responsables de certains cancers (des sarcomes, des lymphomes), de dégénérescences du système nerveux central et d’immunodéficiences. Parmi ces derniers se trouve le VIH, le virus de l’immunodéficience humaine, qui provoque le SIDA (syndrome d’immunodéficience humaine) mis en évidence par les travaux de J.C. Chermann, F. Barré-Sinoussi, F. Rey et L. Montagnier en 1983 et 1984. Ils peuvent également rester dormants, sans effets connus : 8% du génome humain est constitué de rétrovirus qui se sont intégrés au fil du temps.

[5Nous donnerons cette chronique la semaine prochaine. Aimé Michel esquisse ici un mécanisme dit « lamarckien » d’hérédité des caractères acquis fondé sur la transcriptase inverse, mais avec prudence puisqu’il utilise le conditionnel (« si cette vue se confirmait » ; sur cette forme d’hérédité voir aussi la chronique n° 77, La science sauvage, Koestler, Kammerer, la loi des séries et l’hérédité des caractères acquis, parue ici le 16 mai 2011). Cette piste a été effectivement explorée par une équipe australienne dirigée par Edward Steele et les résultats publiés dans une collection dirigée par le physicien Paul Davies (E.J. Steele, R.A. Lindley et R.V. Blanden : Lamarck’s Signature : How retrogenes are changing Darwin’s natural selection paradigm. Allen and Unwin, Sydney, 1998). Ces chercheurs pensent avoir mis en évidence un transfert du soma au germen de gènes d’anticorps qui interviennent dans la résistance aux infections (immunologie) et font intervenir une sélection par essais et erreurs. Selon eux ces gènes ont été modifiés dans des cellules somatiques après transcription en ARN puis réincorporés dans l’ADN nucléaire de cellules germinales par transcription inverse. Ce mécanisme reste à confirmer.

D’autres discussions ont eu lieu ces dix dernières années impliquant des transferts de caractères acquis aux générations ultérieures comme l’hérédité épigénétique (Marcus Pembrey, Eur. J. Human Genetics, 10 : 669-671, 2002 ; Y. Liu, Like Father Like Son, EMBO Reports, 8 : 798-803, 2007 ; R.L. Jirtle et M.K. Skinner, Environmental epigenomics and disease susceptibility, Nature Rev Genetics 8 : 253-262, 2007 ; E.V. Koonin et Y.I. Wolf, Is evolution Darwinian or/and Lamarckian, Biology Direct, 4 : 42, 2009) ou de possibles interprétations non conventionnelles des mutations adaptatives des bactéries (Patricia Foster : Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. , 42 : 373-397, 2007). Un de ces phénomènes apparentés a reçu un accueil chaleureux : le transfert horizontal de gènes. Il s’agit de la transmission de gènes entre organismes (bactéries le plus souvent mais aussi cellules eucaryotes) qui ne sont pas descendants l’un de l’autre et qui peuvent même être d’espèces complètement différentes (par exemple des gène du puceron du pois permettant la synthèse de caroténoïdes proviennent de champignons, N.A. Moran et T. Jarvik, Science, 328 : 624-627, 2010).

Messages

Un message, un commentaire ?


Les forums restent ouverts durant 15 jours après la date de publication

modération a priori

Ce forum est modéré a priori : votre contribution n’apparaîtra qu’après avoir été validée par un administrateur du site.

Qui êtes-vous ?
Votre message

Ce formulaire accepte les raccourcis SPIP [->url] {{gras}} {italique} <quote> <code> et le code HTML <q> <del> <ins>. Pour créer des paragraphes, laissez simplement des lignes vides.