gène, unité de base de l’hérédité, fragment de matériel génétique, qui détermine la transmission d’une caractéristique particulière ou d’un ensemble de caractéristiques. Les gènes sont portés par les chromosomes (ou, chez les virus, par le brin d’acide nucléique constituant le génome). La place qu’un gène occupe sur le chromosome est appelée locus.

Le matériel génétique est un acide nucléique, l’acide désoxyribonucléique (ADN), principale molécule constitutive du chromosome. Chaque chromosome comprend une seule molécule d’ADN, très longue, dont les gènes sont des segments. Ils sont donc constitués de nombreuses nucléotides, maillons de base de la molécule d’ADN, et pouvant contenir quatre types de bases : adénine, guanine, cytosine et thymine ; leur succession dans un gène déterminant la protéine pour laquelle ce dernier va coder.

Les gènes ont la capacité de coder la synthèse des protéines. Les « produits » directs d’un gène sont des molécules d’acide ribonucléique (ARN) qui sont des brins complémentaires (des copies en négatif) d’un des deux brins de l’ADN. L’ARN ne contient pas de thymine, qui est remplacée par de l’uracile. Les molécules d’ARN de certains gènes jouent un rôle direct dans le métabolisme de l’organisme, mais la plupart d’entre eux participent à la synthèse des protéines, ce sont les ARN messagers, ou ARNm. Les protéines sont des chaînes constituées de sous-unités appelées acides aminés et la séquence de base de l’ARNm détermine la séquence d’acides aminés de la protéine, au moyen du code génétique. Chaque séquence d’acides aminés donnera une protéine différente, qui pourra être soit une protéine structurale, soit une hormone, soit une enzyme. Toute modification de l’ADN peut donc entraîner des changements dans les gènes (des mutations) pouvant potentiellement affecter la structure ou la biochimie des organismes.

Outre les gènes stricto sensu, les chromosomes sont constitués d’un grand nombre de séquences « non codantes », c’est-à-dire dont la succession n’a aucune signification en termes de protéines. Chez les organismes supérieurs (animaux et plantes, par opposition aux bactéries et aux virus), les séquences non codantes sont dix fois plus nombreuses que les séquences codantes. Certaines de ces séquences sont des zones régulatrices de l’activité des gènes, qui permettent d’activer la synthèse protéique correspondante, ou au contraire de l’inhiber. Mais, en dehors de ces régions, le rôle de la majorité des séquences non codantes est inconnu.

En outre, une découverte relativement récente a montré que, chez les organismes supérieurs, les gènes ne sont pas formés d’une suite ininterrompue de séquences significatives pour la synthèse protéique. Au contraire, une séquence de nucléotides codant pour un polypeptide particulier peut être interrompue par plusieurs séquences non codantes, les introns. Pendant la transcription de l’ADN, les introns sont eux aussi reproduits le long de l’ARN, avec les séquences codantes. Les séquences correspondant aux introns sont ensuite extraites de l’ARN par des enzymes spécifiques du noyau ; on dit que l’ARN est épissé. Le produit final de l’épissage est l’ARNm.

Le rôle des introns n’a pas été clarifié. On suppose cependant que la formation de l’ARNm par extraction des séquences intermédiaires peut intervenir dans la régulation de la quantité de polypeptides produite par le gène. On a également observé des introns dans des gènes codant pour des ARN particuliers, comme les ARNr (ribosomiaux), constituants des ribosomes. La découverte des introns a été rendue possible par les méthodes mises au point par le biologiste britannique Frederick Sanger permettant de déterminer précisément la séquence nucléotidique des molécules d’ADN et d’ARN.

Des études directes sur l’ADN ont également montré que, chez les organismes supérieurs, certaines séquences nucléotidiques codantes apparaissent de nombreuses fois dans le matériel génétique. Ces copies multiples de gènes codent pour des protéines et certains ARN, tels ceux des ribosomes. D’autres séquences répétées, en revanche, ne semblent pas avoir de rôle particulier. Parmi elles, on trouve des séquences capables de se déplacer le long d’un chromosome ou d’un chromosome à un autre. Ces fractions de génome, les transposons ou éléments transposables, peuvent provoquer des mutations dans les gènes adjacents à leurs points d’arrivée ou de départ, soit parce qu’ils se sont insérés directement dans la séquence codante du gène, soit parce qu’ils ont fait irruption dans les séquences régulatrices (provoquant un dérèglement du contrôle de l’expression du gène correspondant).

Connaître la composition et la structure des protéines permet aux scientifiques de comprendre par quel biais les gènes ont des effets spécifiques sur les structures et les fonctions des organismes. Cependant, la connaissance des protéines n’explique pas comment les organismes modifient leur réponse à un changement d’environnement, ou comment la cellule unique d’un œuf (ou zygote) peut engendrer tous les tissus et organes d’un organisme.

Les cellules d’un organisme contiennent toutes les mêmes gènes, mais seuls certains sont actifs et synthétisent, selon la spécialisation cellulaire (déterminée par la fonction du tissu où elles se trouvent) des protéines différentes. Ainsi, les cellules des glandes mammaires synthétisent, pendant la lactation, les protéines du lait, tandis que les cellules du derme produisent de la kératine, et celles du pancréas, de l’insuline. En fait, les différents types cellulaires présentent une combinaison particulière de gènes actifs, pendant que les autres restent inactifs. De même, le développement d’un organisme complexe à partir d’une cellule unique est lié aux processus qui activent spécifiquement certains gènes.

Chez les organismes supérieurs, ces processus d’activation restent relativement obscurs. Cependant, les travaux des généticiens français François Jacob et Jacques Monod ont permis d’en expliquer une bonne partie chez les bactéries. Chez ces dernières, les gènes intervenant dans les mêmes fonctions (comme le métabolisme du lactose) sont groupés en un endroit du chromosome, et leur expression est coordonnée : ce groupe de gènes est appelé opéron (terme créé par Jacob et Monod). À côté de chaque opéron se trouve un fragment d’ADN non codant appelé promoteur. C’est le site sur lequel l’ARN polymérase, une enzyme réalisant la synthèse de l’ARNm, se fixe pour amorcer la transcription. Entre ce promoteur et le gène se trouve souvent une autre région, appelée opérateur, sur laquelle peut se fixer une protéine spécifique, le répresseur. Le répresseur est synthétisé par un gène extérieur à l’opéron, qui peut même en être fort éloigné.

Lorsque le répresseur est lié à l’opérateur, il stoppe l’avancée de l’ARN polymérase le long du chromosome et arrête ainsi la production d’ARNm. Les gènes de l’opéron ne sont donc pas exprimés. Cependant, une substance chimique éventuellement présente dans la cellule, un glucide, par exemple, peut se fixer sur le répresseur et en changer la conformation. Celui-ci ne peut plus se fixer sur le site opérateur, qui se trouve alors libre. Les gènes, dans cette conformation de leurs séquences régulatrices, sont actifs. Outre ce système fonctionnant en « tout ou rien », certaines substances peuvent également modifier le degré d’expression des gènes, en modifiant la capacité de l’ARN polymérase à se fixer sur le promoteur.

Apparemment, les gènes des organismes eucaryotes ne sont pas organisés en opérons, mais il semblerait que chaque gène possède son propre système de régulation, avec séquences répressives et activatrices. Les introns pourraient jouer un rôle dans ce domaine.

L’union de deux gamètes conduit à une cellule œuf contenant deux séries de gènes, chaque série provenant d’un parent. Chaque gène existe donc en deux exemplaires, l’un étant généralement transmis par la mère et l’autre par le père (sauf dans le cas des gènes liés au sexe). Chaque exemplaire du gène occupe la même position (locus) sur les paires de chromosomes homologues du zygote.

Lorsque le gène est présent sous deux formes (allèles) identiques, on dit que l’individu est homozygote pour ce gène. Lorsque les deux formes sont différentes, c’est-à-dire lorsque chaque parent a transmis un allèle différent du même gène, on dit que l’individu est hétérozygote pour ce gène. Dans ce cas, bien que les deux allèles soient présents dans le matériel génétique de l’individu, un seul se manifestera : l’allèle dominant. Cependant, comme l’avait montré Mendel, le caractère correspondant à l’allèle récessif peut réapparaître chez les générations suivantes. Il faut pour cela que les descendants soient homozygotes pour l’allèle récessif de ce gène.

L’ensemble des allèles d’un individu constitue son génotype, et leur manifestation, son phénotype. Par commodité, les allèles sont habituellement désignés par une lettre, l’allèle dominant étant représenté par une lettre majuscule et l’allèle récessif par une lettre minuscule. Les génotypes sont écrits entre parenthèses, les phénotypes entre crochets.

La pigmentation de la peau, par exemple, ne peut se faire qu’en présence d’un allèle particulier, dominant (A), alors que l’absence de pigmentation, ou albinisme, est due à la présence d’un autre allèle (a), récessif. Les individus hétérozygotes (A/a) et les homozygotes dominants (A/A) pour l’allèle responsable de la pigmentation ont une pigmentation normale. En revanche, les personnes homozygotes (a/a) ne fabriquent pas le pigment et sont donc albinos. Deux parents hétérozygotes (A/a) ont une probabilité d’un quart d’avoir un enfant albinos et de trois quarts d’avoir un enfant pigmenté normalement : un demi (A/a) et un quart (A/A).

À côté de ces cas de dominance et de récessivité, on observe également des allèles dits codominants, c’est-à-dire qu’aucun ne prendra le dessus, mais qu’ils s’exprimeront ensemble, et que le résultat commun sera visible dans le phénotype. Ainsi, la coloration des fleurs de la belle-de-nuit est commandée par un gène qui peut avoir deux formes alléliques. Lorsque la plante est homozygote (R/R), ses fleurs sont rouges ; chez les homozygotes (r/r), elles sont blanches ; quant aux hétérozygotes (R/r), leurs fleurs ne sont ni rouges ni blanches, mais roses, les deux allèles engendrant un mélange des couleurs.

Dans la plupart des cas, un caractère phénotypique donné est rarement contrôlé par un seul gène. Par exemple, la production du pigment pourpre des fleurs du pois sucré nécessite au moins deux gènes dominants. Chez l’homme, la couleur de la peau est déterminée par l’expression d’un grand nombre de gènes, c’est pourquoi il existe toutes les variations possibles. La transmission héréditaire de telles caractéristiques dépendant de plusieurs gènes, est appelée hérédité polygénique.

De façon générale, les caractères qui s’expriment en quantité ou en étendue, tels que le poids, la taille ou le degré de pigmentation, dépendent d’un grand nombre de gènes, mais également des conditions de l’environnement. La transmission de ces gènes est appelée hérédité multifactorielle ; les caractères correspondants sont des caractères à variation continue.

Les effets de différents gènes sont souvent cumulables, chaque gène semblant créer un faible incrément ou décrément, indépendamment des autres gènes. Par exemple, supposons que la taille d’une plante peut être déterminée par une série de quatre gènes (A, B, C et D), que la plante mesure en moyenne 25 cm lorsqu’elle est homozygote pour chacun de ces gènes — génotype (a/a b/b c/c d/d) — et que cette taille moyenne augmente de 10 cm environ chaque fois que l’on remplace une paire d’allèles récessifs par une paire d’allèles dominants. Dans ce cas, une plante (A/A B/B c/c d/d) mesurera 45 cm, et une plante (A/A B/B C/C D/D), 65 cm.

Mais, dans la réalité, les résultats sont rarement aussi réguliers. D’une part, des gènes différents peuvent apporter des contributions différentes à la taille totale ; d’autre part, certains gènes peuvent interagir les uns avec les autres, de sorte que la contribution d’un gène dépendra de la présence d’un autre gène. En outre, des facteurs environnementaux vont jouer, comme la qualité du sol, le climat, etc.

D’après les lois de Mendel, les gènes responsables de différents caractères héréditaires sont transmis indépendamment des autres gènes. Cela n’est vrai que lorsque les gènes appartiennent à des chromosomes différents. Le généticien américain Thomas Hunt Morgan et ses collègues ont mené de nombreuses expériences sur les drosophiles, petites mouches à croissance rapide. Ces études ont montré que les gènes sont rangés linéairement le long des chromosomes et sont transmis comme une seule unité, aussi longtemps que le chromosome reste intact. On dit que ces gènes sont liés.

Cependant, Morgan et son équipe ont également découvert que cette liaison est rarement totale. En effet, des combinaisons d’allèles de chaque parent peuvent être remaniées chez certains de leurs descendants. Ce remaniement a lieu au cours de la méiose, ensemble de divisions cellulaires aboutissant à la formation des gamètes. Lors de la première division, deux chromosomes homologues s’apparient, et peuvent alors échanger une fraction de leur matériel génétique par un processus appelé recombinaison ou crossing-over. (Cette recombinaison est visible au microscope : on observe alors une jointure en forme de X entre les deux chromosomes.)

La fréquence de recombinaison entre deux gènes donnés dépend de la distance qui les sépare. Si les gènes sont relativement éloignés, il se formera un grand nombre de gamètes recombinants. Si les gènes sont relativement proches, la recombinaison sera beaucoup plus rare. Ainsi, les généticiens peuvent dresser la carte des gènes le long d’un chromosome en fonction de leur taux de recombinaison.

Ce type d’études a souvent été réalisé sur des organismes se reproduisant rapidement comme les bactéries ou les levures. Chez ces unicellulaires procaryotes et eucaryotes, qui se reproduisent de façon asexuée, les recombinaisons entre gènes ont lieu lors d’un phénomène appelé conjugaison, au cours duquel les cellules s’apparient et échangent une fraction de leur chromosome. La méthode élaborée dans le laboratoire de Morgan est maintenant devenue si précise que l’on peut tracer les cartes génétiques d’organismes dont la différence porte sur un seul gène. Ces cartes ont tout d’abord confirmé que les gènes sont arrangés linéairement le long du chromosome, mais également qu’ils ont eux-mêmes une structure linéaire.

Des études sur les levures, et plus récemment sur les drosophiles, ont montré que la recombinaison d’allèles peut parfois se dérouler sans interéchanges entre les chromosomes. Il semble que, lorsque le même gène est présent sous deux formes différentes (lors de la conjugaison ou chez un organisme hétérozygote), l’une des deux peut être « corrigée » pour pouvoir s’apparier à l’autre. De telles corrections peuvent s’effectuer suivant toutes les possibilités (par exemple, l’allèle A peut être transformé en a, ou vice versa). Ce processus est appelé conversion génétique. Occasionnellement, plusieurs gènes adjacents peuvent subir une conversion simultanée, la probabilité que deux gènes soient coconvertis étant liée à la distance qui les sépare. On dispose ainsi d’une autre façon de tracer la carte des positions relatives des gènes sur le chromosome.

En 1910, Morgan observa des différences liées au sexe des descendants, dans la transmission des caractères. Ce domaine est appelé hérédité liée au sexe.

Le sexe d’un organisme est généralement déterminé par une seule paire de chromosomes. Des anomalies du système endocrinien ou d’autres perturbations peuvent modifier l’expression de caractères sexuels secondaires, mais n’inversent jamais totalement le sexe (caractères sexuels primaires). Ainsi, chez l’Homme, ce sont les chromosomes sexuels X et Y, qui déterminent le sexe. La femme est XX, tandis que l’homme est XY.

La longueur du chromosome humain Y est égale à environ un tiers de la longueur du chromosome X. À part son rôle dans la détermination du sexe mâle, le chromosome Y semble être génétiquement inactif. Ainsi, la plupart des gènes du chromosome X n’ont pas de gène équivalent sur le chromosome Y. Ces gènes, dits liés au sexe, apparaissent selon un mode caractéristique de transmission héréditaire, et les allèles récessifs s’expriment directement.

L’hémophilie, par exemple, est causée par un gène récessif (h) lié au sexe. Une femme (H/H) ou (H/h) est normale, tandis qu’une femme (h/h) est hémophile. Un garçon n’est jamais hétérozygote pour le gène, car il hérite seulement du gène porté par le chromosome X. Un garçon (H) est normal. En revanche, s’il hérite l’allèle h, il est hémophile. Quand un homme sain (H) et une femme hétérozygote (H/h) ont des descendants, les enfants de sexe féminin sont tous sains, mais, statistiquement, ils ont une probabilité de 1/2 de porter l’allèle h. Les enfants de sexe masculin portent H ou h. Par conséquent, ils ont une probabilité de 1/2 d’être hémophiles. Ainsi, dans des circonstances normales, une femme porteuse de la maladie a une chance sur deux d’avoir un fils hémophile, et, si elle a une fille, une chance sur deux de lui transmettre l’allèle récessif h.

Beaucoup d’autres maladies, dont le daltonisme, la myopie héréditaire, la cécité nocturne et l’ichthyose (une maladie de la peau) ont été identifiées comme des maladies de la même façon liées au sexe.

Certains organites de la cellule contiennent également de l’ADN et des gènes : ce sont les mitochondries (qui assurent la respiration de la cellule et la production de son énergie) et les chloroplastes des cellules végétales, siège de la photosynthèse. La reproduction de ces organites se fait indépendamment de la réplication de l’ADN du noyau. Leur ADN est cependant répliqué suivant un processus identique. Celui-ci code pour quelques protéines impliquées dans le fonctionnement de ces organites (il est alors transcrit en ARNm, lequel est ensuite traduit, comme pour l’ADN nucléaire). En 1981, la séquence complète des nucléotides de l’ADN d’une mitochondrie fut déterminée. C’est ainsi que l’on s’aperçut que les mitochondires font entorse à l’universalité du code génétique, deux de leurs codons ne déterminant pas le même acide aminé que dans le reste du monde vivant.

La transmission des gènes des mitochondries de génération en génération présente également une particularité notoire : ils ne sont transmis que par la mère. En effet, les organites qui les contiennent ne sont présents que dans les gamètes femelles, qui sont plus volumineux et contiennent plus de cytoplasme. Le gamète mâle est, lui, généralement trop exigu pour contenir quelque organite que ce soit. C’est la raison pour laquelle il existe des maladies génétiques « cytoplasmiques », exclusivement transmises par la mère, par le biais du patrimoine génétique de ses mitochondries.

Même si la réplication de l’ADN est un processus très rigoureux, il n’est cependant pas parfait. Des erreurs surviennent parfois au cours du processus et modifient un ou plusieurs nucléotides de l’ADN. Les erreurs réalisées par l’ADN polymérase sont en fait, la plupart du temps, réparées par des enzymes spécifiques ; les changements introduits dans les séquences nucléotidiques, ou mutations, surviennent donc à une fréquence très faible. Toutefois, ils existent et peuvent concerner toutes les parties de l’ADN. Une mutation dans la séquence nucléotidique codant pour un polypeptide particulier peut, parfois, engendrer une maladie génétique. De telles mutations sont dites spontanées, car elles sont inhérentes au fonctionnement biologique des cellules de l’organisme.

Un certain nombre de mutations peuvent également être provoquées par des conditions environnementales, dites mutagènes. Ce peut être des produits chimiques ou des rayonnements, qui engendrent des erreurs dans la réplication de l’ADN. En fait, l’action directe de ces agents mutagènes est de modifier une ou plusieurs bases de l’ADN, ou de créer des liaisons covalentes anormales. Ces changements peuvent être réparés directement par certaines enzymes, soit par coupure de la liaison inadéquate, soit par ablation du morceau défectueux (ensuite resynthétisé en prenant pour matrice le brin d’ADN complémentaire, normal). Si, au moment de la réplication de l’ADN, la réparation n’a pas eu lieu, l’ADN polymérase est incapable de reconnaître la base modifiée, et, en face, laisse un vide. Ensuite intervient un autre système réparateur, qui ôte la base abîmée, la remplace par la bonne base (le brin normal servant toujours de guide), et comble le vide du brin néosynthétisé.

Les processus de réparation des cellules ne sont toutefois pas toujours en mesure de pallier ces modifications. En effet, lorsque le nombre de bases anormales est trop élevé, un système dit SOS se met en branle. Celui-ci remplace tous les trous laissés dans la séquence d’ADN nouvellement synthétisée par n’importe quel nucléotide. Ce procédé sauve le processus de réplication, mais est hautement générateur de mutations.