Conceptions sur le gène

Conceptions historiques ↑

Que transmettent les parents à leurs enfants ? question fondamentale qui montre que le questionnement lié à l'idée de gène est présent bien en amont de la formulation du concept. S'y greffent quelques "sous" problèmes: quelle est la contribution de l'un et l'autre sexe ? comment le sexe lui-même est-il déterminé ? Enfin le questionnement lié au gène entretient de fortes relations avec le questionnement propre à l'idée d'évolution; l'un se situe dans un temps court: quelques générations tout au plus, l'autre dans un temps bien plus long, que l'esprit humain peine à se représenter.

Préformation et pangénèse

De nombreuses explications vont persister pratiquement jusqu'au 16e siècle, parallèlement les unes aux autres, sans qu'un débat contradictoire les oppose. L'engouement du moyen-âge pour les métamophoses et la génération spontanée repousse ces questions du côté de l'accessoire. Il est cependant possible de dégager deux grands courants d'idées, celui de la pangénèse (Il est ici question de l'idée de pangénèse et non du mot qui la représente, proposé bien plus tard par les historiens à la suite de l'invention du mot pangène par De Vries) et celui de la préformation. Le concept de gène est préparé dans la théorie de la pangénèse alors qu'il est nié par celle de la préformation.

L'une des meilleures formulations de la théorie de la pangénèse est aussi l'une des plus anciennes et on la doit à Hippocrate: des fluides se forment dans tous les organes du corps et se rassemblent dans les organes reproducteurs pour déterminer les caractéristiques de l'enfant (chaque partie du corps se reproduit elle-même, d’où le nom de pangénèse). Pour Hippocrate, la lutte entre les fluides masculins et féminins est incertaine, ce qui permet d'expliquer les variations observées d'une génération à l'autre.

La théorie de la pangénèse est reprise par Mauperthuis (dans Vénus physique, 1752), qui lui donne une nature particulaire.

La théorie de la préformation se débarrasse de l'idée d'une construction progressive de l'individu: l'individu est déjà présent (en miniature) dans la génération précédente. Cette théorie se développe considérablement au 17e siècle, en même temps que se répand l'usage du microscope et que des "animacules" sont découverts dans le sperme.

La théorie de la préformation implique obligatoirement une inégalité des sexes dans la contribution à la génération suivante puisque l'individu nouveau ne peut être préformé deux fois (une fois dans chaque parent); là ou la théorie de la pangénèse est ouverte (les deux sexes peuvent contribuer à la formation des descendants ou l'un des deux prédominer sur l'autre avec toute les gradations possibles), la théorie de la préformation oblige à choisir qui de l'ovule ou du spermatozoïde contient l'être miniature.

Une représentation devenue quasi iconique de la préformation (version spermatozoïde) est donnée par Nicolas Hartsoeker en 1694, bien que largement imaginaire (comme en témoigne le texte d'accompagnement). La théorie de la préformation n'est pas toujours aussi caricaturale que sa représentation imagée le suggère, néanmoins, elle est quand même très liée à une vision fixiste du monde vivant.

Pour Leeuwenhoek (1678), Leibniz et d'autres, l'oeuf (l'ovule) n'est qu'un milieu nutritif pour le spermatozoïde. Le spermatozoïde est cet homoncule dans lequel l'être est préformé.

Au contraire pour Charles Bonnet (1762) ce rôle est confié à l'ovule. Bonnet formule une hypothèse complémentaire, celle de l'emboitement des germes: l'ovaire initial d'Eve, la mère de toute l'espèce humaine, contient les germes de tous les êtres humains. Comme des poupées russes, ils sont emboités les uns dans les autres. Ils forment une file d'attente. Ils sont d'autant plus petits qu'ils sont appelés à naitre tardivement par rapport à La Création divine de la première femme. Les préoccupations philosophiques et religieuses ne sont jamais très loin.

Deux démarches se développent durant tout le 19e siècle: les hybrideurs expérimentent, recherchant l'origine de la variabilité en croisant des espèces ou des variétés (de même espèce), ou au contraire, sans l'avouer (Mendel ?) à montrer la fixité des espèces. En même temps un questionnement théorique se développe pour essayer de donner une réponse au problème du support physique de l'hérédité.

Chez les hybrideurs, l'histoire retiendra surtout les expériences réalisées par Mendel, exemple de précision et d'efficacité. Le travail de Mendel, pour remarquable qu'il soit du point de vue du recueil de données scientifiques, apporte peu de réponses : les "caractères" se transmettent indépendamment les uns des autres (ce qui apparaitra plus tard comme un cas particulier) et réapparaissent inchangés dans la descendance. Autrement dit, les caractères différentiels des parents ne s'assemblent que temporairement. Ainsi, l'hybridation ne peut être la source de nouvelles espèces (ce qui contredit l'idée d'évolution et est probablement l'une des causes du dédain du travail de Mendel par ses contemporains).

La recherche de la nature physique de l'hérédité suscite une réflexion plus collective (sans doute du fait que cette démarche reste purement théorique et spéculative). La plupart des propositions se situent dans le courant d'idées de la pangénèse.

Charles Darwin adapte l'idée de pangénèse à la théorie cellulaire et tente une généralisation entre reproduction asexuée et sexuée: les fluides d'Hippocrate deviennent des gemmules émises par chaque cellule qui se déplacent jusqu'aux bourgeons ou aux gamètes (Darwin, 1868 ↓ ).

La théorie de Karl von Nägeli est complexe et représente plus une théorie de la vie qu'une théorie de la reproduction. Les micelles sont des agrégats de molécules organiques. Les micelles peuvent s'organiser de manière très structurée et croitre un peu comme un cristal, mais en plus linéaire formant l'idioplasme, un réseau parcourant tout le corps.

Le modèle de Weismann s'appuie sur un vocabulaire tout aussi complexe que la théorie de Nägeli; on peut en extraire l'idée que les déterminants héréditaires ne sont intégralement conservés que dans les cellules germinales (plasma germinatif de Weismann), alors que les cellules somatiques perdent les déterminants qu'elles n'utilisent pas. Le modèle de Weismann explique la différenciation cellulaire, mais non l'hérédité des caractères acquis qui, à l'époque, reste largement admise et utile pour expliquer la variation dans une population.

De Vries renomme pangènes les gemmules de Darwin et limite leurs déplacements à la cellule (toutes les cellules d'un organisme possèdent les mêmes pangènes, mais ils agissent différemment d'un type cellulaire à l'autre).

Vers 1900 Correns, De Vries et Tschernak "redécouvrent" le mémoire de Mendel et en confirment les résultats. Mais ce qui est retenu de De Vries est la découverte de variations héréditaires brusques qu'il nomme mutations (On sait aujourd'hui que cette théorie est bâtie sur un cas exceptionnel qui ne correspond pas à une mutation "standard" telle qu'on se la représente aujourd'hui). L'idée des mutations apporte une réponse à la question de l'origine des variations (nécessaire à la théorie darwinienne de l'évolution) et réconcilie les expériences d'hybridation avec le mouvement de pensée de la majorité des biologistes d'alors qui donne toute sa place à la théorie de l'évolution.

Le caractère hypothétique de toutes ces propositions (sur la nature physique de l'hérédité) mène à une impasse et cette voie de recherche ne se débloquera qu'avec l'élaboration de la théorie chromosomique de l'hérédité et bien plus tard lors de l'élucidation de la structure de l"ADN.

L'âge d'or de la génétique formelle

Le danois Wilhelm Johannsen crée le mot gène en 1909 en le définissant comme une entité de calcul permettant de rendre compte de la transmission de caractères héréditaires et en refusant par avance toute idée d'objet matériel.

Johannsen définit presque en même temps (1903) le génotype: l'ensemble des pangènes (renommés ensuite gènes) et le phénotype: l'ensemble des caractères. On remarquera qu'il est plus facile pour lui de définir le génotype qu'un gène individuel.

Rapidement, se pose la question de l'inné et de l'acquis (1) : le phénotype ne dépend pas en totalité du génotype, mais aussi d'une interaction "directe" avec l'environnement.

Dès 1891, Theodor Boveri affirme (sans preuves) que «dans toutes les cellules issues de la division d'un oeuf, la moitié des chromosomes sont d'origine paternelle et l'autre moitié d'origine maternelle». En 1902, Walter Sutton observe le regroupement des chromosomes par paire en début de méiose puis leur séparation; il reprend l'hypothèse de Boveri en soulignant que les chromosomes pourraient constituer la base physique des lois mendéliennes de l'hérédité.

Les premières années du 20e siècle vont être extraordinairement fécondes dans le cadre de cette hypothèse.

De nombreux chercheurs appliquent le protocole mendélien d'hybridation à diverses espèces végétales et animales. Les résultats de Mendel sont confirmés, mais pas complètement. En particulier on s'aperçoit que tous les caractères ne sont pas indépendants.

En croisant des Pois grands à graines jaunes (caractères dominants) avec des Pois petits à graines vertes (caractères récessifs), Reginald Punnett obtient en première génération des Pois grands à graines jaunes et, en seconde génération (par autofécondation de la première génération), des Pois grands à graines jaunes (dans la proportion de 9/16), des Pois grands et verts (3/16), des Pois petits et jaunes (3/16) et des Pois petits et verts (1/16) ce qui confirme les observations de Mendel.

Pour simplifier l'analyse on croise souvent la première génération, non par elle-même, mais par le parent portant les caractères récessifs (croisement-test ou croisement en retour ou back-cross), dans ce cas on obtient en seconde génération 4 phénotypes en proportions égales.

Mais chez le Pois de Senteur, si on croise des plantes à fleurs pourpre et à grains de pollens allongés (caractères dominants) par des plantes à fleurs rouges et à grains de pollen ronds, caractères récessifs, les 4 phénotypes de seconde génération ne sont plus en proportions égales, et les phénotypes nouveaux par rapport à ceux des parents (fleurs pourpre et pollen rond ainsi que fleurs rouges et pollen allongé), moins fréquents. Thomas Morgan va obtenir des résultats comparables en travaillant sur une petite Mouche, la Drosophile. Il utilisera le terme de caractères liés pour désigner ces faits.

A la même époque, Nettie Stevens, étudie la mitose et la méiose dont elle réalise de remarquables dessins chez divers insectes. En 1906 elle décrypte le déterminisme du sexe chez le Ténébrion (par la présence d'un petit chromosome chez le mâle, chromosome qu'elle nommera chromosome Y).



L'étude des caractères liés, complétés par les observations et interprétations de F. Jansens (lequel propose l'échange de portions entre chromosomes regroupés par paire en début de méiose) permet de mettre en parallèle la ségrégation des caractères et celle des chromosomes dans les croisements et la méiose. Mais c'est surtout par l'analyse de croisements chez la Drosophile d'un caractère lié au sexe que Morgan apporte vers 1910 la preuve indiscutable que les gènes sont dans les chromosomes, validant ainsi l'idée émise en 1902 par Sutton. L'analyse historique du travail de l'équipe de Morgan est d'autant plus intéressante que Thomas Morgan, formé à l'embryologie, n'est au départ pas convaincu par l'hérédité mendélienne et encore moins par la localisation chromosomique des gènes (cf Croisez des Drosophiles).

L'établissement d'une première carte chromosomique du génome de la Drosophile dès 1915 (Thomas Morgan, 1915) représente en quelque sorte le triomphe de la théorie chromosomique de l'hérédité. On passe cependant sur le fait que la méthode ne s'applique qu'à des caractères secondaires ou anecdotiques dans la biologie des espèces concernées (les mutations qui rendent les mouches stériles ou non viables ne peuvent être étudiées) et on simplifie les conséquences d'une mutation sur le phénotype (en mettant de côté la pléiotropie).

Des situations plus complexes que celles présentés ci-dessus sont connues, mais l'analyse ne remet pas vraiment en cause la relation biunivoque (un gène <=> un caractère), tout au plus évoque-t-on quelques cas de gènes qui interagissent dans la réalisation du phénotype. Ainsi, dans l'ouvrage déjà cité de 1907, Punnett explique le cas des Lapins noirs, gris et albinos: en croisant des Lapins noirs avec des Lapins albinos, la première génération est grise). Punnett l'explique par l'intervention de deux couples de caractères dominants/récessifs, gris/noir et gris albinos, malgré une certaine confusion dans le vocabulaire: le terme allèle (raccourci d'allélomorphe de William Bateson) définit comme une variante d'un gène ne sera utilisé que plus tard (?) et les adjectifs dominant/récessif lui seront transférés.

Seul Johannsen montre une extrême réticence sur le sujet. En 1926, il explicite le mot gène proposé précédemment en mettant en garde en contre une définition morphologique et en dénonçant la mise en correspondance d'un gène particulier à un caractère particulier (Johannsen, 1926: 167-168). Son analyse, qu'on qualifierait aujourd'hui de systémique est visionnaire.

Pour rester objectif envers Thomas Morgan, il faut souligner que les idées qu'il exprime dans l'ouvrage Embryology and Genetics (1934: 17-18) sont bien moins réductionnistes qu'énoncé ci-dessus et même contredisent la relation univoque entre gène et caractère: «each character of the adult is the product of many genes, or it may even be said of all the genes if the whole history of the affected organ is retraced to the egg» (chaque caractère de l'adulte est le produit de nombreux gènes, et on peut même dire de tous les gènes si le développement de l'organe concerné est retracé à partir de l'œuf).

La génétique formelle a eu (et a toujours) une place de choix dans l'enseignement, peut-être parce qu'elle se prête à la construction d'innombrables exercices que les élèves résolvent par une démarche algorithmique, qui s'apparente à des jeux de raisonnement logique ou à certains raisonnements mathématiques. La limite de cet enseignement est que, pour des raisons de transposition didactique (simplification), on tombe dans le piège dénoncé par Johannsen en donnant à penser qu'un gène correspond à un caractère (ou au moins en faisant comme si). A vrai dire, les enseignants ne sont pas seuls à faire cette erreur, comme le démontre la suite de l'histoire.

Une invention bourgeoise ?

Le développement de la génétique formelle va avoir des conséquences politiques et sociales très importantes. Nous discuterons de ce qui sera nommé l'affaire Lyssenko, en Russie et en France et de l'eugénisme expérimenté surtout dans les pays anglo-saxons, mais débattu partout. Deux exemples du poids des idéologies sur le débat scientifique, avec des conséquences dévastatrices.

L'analyse des relations entre Marx et Darwin puis précisément de ce que Marx et Engels ont compris, approuvent ou réprouvent de l'Origine des espèces a donné naissance à une littérature extraordinairement abondante qui me semble d'un intérêt assez secondaire, les écrits d'Engels et Marx pouvant très bien avoir leur vie propre en absence du darwinisme (qui dans l'esprit de Darwin ne s'applique pas aux sociétés humaines). Le sujet est approché dans la page consacrée au concept d'évolution. Malheureusement la persistance à vouloir appliquer les idées darwiniennes en dehors de leur champ de validité pour finalement les rejeter (Engels, Marx, Lyssenko, ...) n'a fait qu'aggraver les difficultés du marxisme à se constituer en théorie scientifique à travers le matérialisme dialectique.

Famines, goulag, assassinat ou déportation de l’intelligentsia, guerre froide, pendant 40 ans Lyssenko survit à une histoire chaotique (dont il contribuera à aggraver les effets) jusqu'à présider l'académie des sciences de l'URSS. S'agit-il d'un cas de pseudo-science, d'une dérive stalinienne ou est-ce consubstantiel du matérialisme dialectique ? La page consacrée à l'Affaire Lyssenko essaie d'apporter une réponse.

Il serait tentant de présenter l'eugénisme comme le contrepoint de la génétique de Lyssenko, l'une aveuglée par l'acquis et l'influence savamment orientée de l'environnement, l'autre reposant sur l'idée que tout est dans les gènes. L'eugénisme est pourtant une doctrine bien plus complexe, qui s'enracine dans la nuit des temps et qui, quelque soient les réprobations que ses dérives ont suscité dans un passé récent, est susceptible de se projeter dans le futur (un futur cependant indésirable pour beaucoup). Contrairement à la génétique de Lyssenko qui s'affirmait uniformément progressiste et révolutionnaire, l'eugénisme présente des facettes multiples mettant en avant les idéologies inégalitaires et la compétition, mais aussi parfois celles de leur dépassement dans un monde nouveau plus solidaire où la sélection naturelle serait remplacée par la volonté humaine.

Cette diversité d'idées sera détaillée sur une page spécifique: Brave New World.

L'histoire de la découverte de l'opéron est particulièrement intéressante; parce qu'elle s'étale sur près de 25 années, parce qu'elle se déroule en parallèle de l'affaire Lyssenko, parce que c'est sans doute l'une des plus importantes découvertes du 20e siècle en génétique et paradoxalement, parce qu'elle se déroule dans un pays, la France, qui méprise la génétique !


Dans les années 1930, Jacques Monod travaille au Cal Tech (California Institute of Technology) dans le groupe de Morgan avec Boris Ephrussi. Les méthodes utilisées là bas sont très différentes de ce qu'on pratique à la Sorbonne où de plus les influences issues d'une interprétation particulière de la pensée lamarkienne s'opposent au modèle de la sélection darwinienne, bloquant le développement de la génétique. Dans son discours de réception du prix Nobel, Monod décrit son séjour au Cal Tech comme une "révélation".

Dès 1937, Monod revient en France et travaille sur les enzymes qui permettent l'utilisation du lactose par les bactéries. Avec André Lwoff, il met en évidence le fait que la bactérie (Escherichia coli) comporte deux phases de croissance nettement séparées quand on ajoute du lactose dans le milieu de culture. Le phénomène est interprété comme une adaptation de la bactérie aux sucres présents dans son milieu. Dans les années 1940, tout en participant à la résistance avec des communistes, Monod est choqué par les méthodes a-scientiques de Lyssenko et pourtant l'idée d'une adaptation des enzymes de E. coli s'accorde bien avec le cadre d'une influence du milieu "poussant" l'acquisition de nouvelles caractéristiques. L'explication en vogue alors suit le modèle d'un changement de conformation de l'enzyme: un précurseur se transforme en enzyme active (β-galactosidase) en interagissant avec le lactose. En gros l'enzyme "apprend" à reconnaitre le lactose en se moulant sur cette molécule.

Travaillant désormais dans les locaux de l'institut Pasteur avec Annamaria Torriani, Monod montre que des analogues du lactose () activent la synthèse de la β-galactosidase sans être ensuite métabolisés, ce qui met en doute la théorie du moule moléculaire. D'autres pasteuriens (Georges Cohen et Howard Rickenberg) découvrent la lactose perméase, une protéine qui permet l'entrée du lactose dans les bactéries. Avec Madeleine Jolit, Monod identifie différentes mutations chez E. coli qui empêchent la cellule de métaboliser le lactose. Ils supposent l'existence de gènes z et y qui permettraient la fabrication de ces protéines (galactosidase et perméase). D'autres mutations plus énigmatiques sont repérées; déjà découvertes par par Joshua Lederberg, elles provoquent la synthèse permanente, "constitutive" de la β-galactosidase et de la perméase, même en absence de lactose. On suppose qu'elles concernent un hypothétique gène i.

En 1953 dans un article cosigné du journal Nature, Monod abandonne le terme d'adaptation pour celui d'induction (Monod, 1953). Paru quelques mois avant l'article de Watson et Crick sur la double hélice, ce plaidoyer représente un changement total de paradigme dans les explications formulées jusqu'alors; il ne faut pas sous-estimer cette proposition qui constitue en quelque sorte une deuxième révolution darwinienne.

Mais il faudra attendre 1957 pour qu'en travaillant avec François Jacob, des méthodes d'hybridation génétique permettent de proposer un modèle de régulation faisant intervenir un gène répresseur (Jacob & Monod, 1961: 318-356); c'est le modèle de l'opéron. Associant méthodes génétiques et méthodes chimiques la démonstration est exceptionnellement brillante. Elle est visionnaire car lors de sa publication ni le répresseur, ni l'ARN messager ne sont connus.

Cette découverte qui donne tout son sens à l'énoncé de 1953 sera diversement appréciée. Reçue avec enthousiasme dans les années 1960 (les auteurs recevront le prix Nobel de médecine en 1965), une interprétation réductionniste de sa généralité (dont se rendra couplable Jacques Monod lui-même: il pensait que toute régulation était une répression) sera vite mise en défaut par la découverte de régulations positives, puis par la découverte de gènes non régulés.

La conclusion de l'article de 1961 proposant l'extension du modèle aux organismes pluricellulaires pour expliquer leur développement et la différenciation des cellules trouveront une confirmation partielle 20 ans plus tard avec la découverte de gènes du développement (en particulier chez la Drosophile) qui fonctionnent plus ou moins de la même façon ! Même s'il existe de nombreux autres mécanismes de régulation chez les Eucaryotes qu'on découvre à peine aujourd'hui (liés par exemple à l'enroulement de l'ADN sur les histones du chromosome, donc bien plus complexes) la conclusion finale reste fondamentale: le génome n'est pas la simple juxtaposition de plans de fabrication de protéines mais un ensemble très structuré qui possède ce qui est nécessaire pour l'auto-contrôle de son fonctionnement.


Pour Michel Morange c'est en s'opposant à la pseudo-science de Lyssenko que Monod a pu changer de paradigme; pour Gmerk...

Le secret de la vie ?

Le développement de la biologie moléculaire (cf La double Hélice) a profondément modifié la perception du gène par les biologistes, en en faisant un objet matériel, à contre-pied de l'idée de Johannsen. Cette tentative se heurte à de redoutables difficultés comme le montre une définition des années 90 : «Le gène est un segment d'ADN ou d'ARN (certains virus) situé à un endroit bien précis (locus) sur un chromosome et porteur d'une information génétique. On distingue trois types de gènes (au niveau fonctionnel) : les gènes protéiques, les gènes spécifiant des ARN non traduits et les gènes régulateurs.» (2). Ainsi, il n'existe plus un gène mais des gènes.

Qui plus est, s'intéresser uniquement au support matériel, est bien réducteur (Descamps, 2003), et la définition précédente n'aborde d'ailleurs la fonction du gène qu'au niveau moléculaire. Définir un gène par sa nature physique ne nous apprend rien sur sa fonction au niveau de l'organisme. Si l'ADN représente bien un code, l'information contenue dans ce code n'est pas du tout homogène, autrement dit, si certains des "textes" que représentent des séquences de nucléotides nous sont facilement lisibles (les séquences codant une protéine responsable d'un phénotype bien identifié), on découvre de plus en plus qu'il s'agit de cas particuliers; dans les cas les plus communs ces "textes" nous sont inintelligibles et ne prennent sens que si on les considère dans un ensemble.

Le génome des Eucaryotes présente une complexification due aux mécanismes de "recouvrement" (introns) et de transcription qui font qu'un même segment d'ADN peut conduire à la synthèse de plusieurs protéines.

La taille et la structure du génome peuvent être très différentes d'une espèce à une autre (et même entre espèces proches). La présence de certaines séquences (transposons et autres éléments mobiles) explique souvent cette différence de taille; leur rôle sera abordé plus loin dans le questionnement sur l'évolution du génome.

Pour compliquer encore les choses, en 1987, Yoshizumi Ishino découvre chez Escherichia coli des séquences répétées séparées par des séquences uniques de 20 à 40 paires de bases; après qu'elles aient été retrouvées chez toutes les bactéries, Ruud Jansen propose en 2002 de les nommer CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). L'un des rôles les mieux établis de ces séquences, est en association avec une séquence Cas codant une protéine, de constituer un mécanisme de défense contre les phages et les plasmides. De courtes séquences d'ADN viral sont intercalées dans les séquences répétitives et forment une "mémoire immunitaire". Les ARN produits par ces séquences permettent à l'enzyme Cas d'identifier l'ADN viral pour le détruire par coupure (Un système analogue mais non homologue nommé ARN interfèrent et semblant jouer un rôle régulateur existe chez les Eucaryotes). Ceci montre que le domaine des acides nucléiques est bien plus complexe qu'envisagé initialement. Par contre, les systèmes CRISPR-Cas et des ARNi permettent, en les détournant, la mise au point d'outils moléculaires facilitant considérablement l'édition des séquences d'ADN; les perspectives sont vertigineuses: Charpentier et Doundna, 2014).

Au fur et à mesure que notre connaissance des génomes progresse, il devient de moins en moins possible d'en rester à la vision simple d'un génome constitué de gènes indépendants les uns des autres.

Le dogme central de la biologie moléculaire qui veut que l'information génétique ne circule que dans un seul sens (information génétique → transcription → traduction → protéine) se trouve aussi limité, essentiellement chez les eucaryotes, par le fait que l'état de certains mécanismes de régulation liés aux relations chimiques et physiques entre l'ADN et les histones se transmet à travers les divisions cellulaires et même à travers la succession méiose / fécondation d'une génération à l'autre. Ces phénomènes étudiés par l'épigénétique semblent jouer un grand rôle dans la différenciation cellulaire mais pourraient jouer un rôle évolutif, en particulier chez les plantes (dont les cellules germinales ne se différencient des cellules somatiques que très tard dans le développement des méristèmes), ouvrant la possibilité d'une héritabilité acquise.

Le gène une idée fausse ?

Dans les années 70 les deux chercheurs vont s'opposer dans le domaine de la génétique du comportement. En sélectionnant des populations de Drosophiles sur plusieurs générations, Jerry Hirsch montre que le comportement est au moins en partie déterminé génétiquement, mais ses choix expérimentaux ne permettent pas d'identifier les gènes impliqués, ni de déterminer le rôle de chacun d'eux; surtout, Hirsch est persuadé que le comportement est un phénomène trop complexe pour être réduit au niveau de gènes indépendants (en.wikipedia.org). Au contraire, Seymour Benzer pense que les différentes étapes d'un comportement peuvent être dirigées chacune par un gène unique (3).

Après avoir analysé des comportements comme la parade nuptiale de la Drosophile en terme d'étapes successives, Benzer et les collègues travaillant dans son laboratoire induisent de nombreuses mutations par utilisation d'agents chimiques et en analysent les effets sur le comportement (Benzer, 1973). Comme le souligne Michel Morange (Morange, 2011), Benzer met bien en évidence des gènes dont la mutation perturbe le comportement, mais ces gènes ne sont impliqués que de manière périphérique, leur fonction principale étant ailleurs. Ainsi Benzer identifie des gènes affectant le mouvement des ailes, d'autres jouant un rôle dans l'olfaction; les plus proches de ce que Benzer attend déterminent le phénotype sexuel (les caractères sexuels secondaires).

La parade nuptiale de la Drosophile est toujours un sujet activement étudié (Ralph Greenspan, 1995), mais ni Benzer, ni aucun chercheur depuis, n'a découvert de gène directement responsable d'une des phases de la parade nuptiale ou de toute la parade nuptiale. Les expérimentations menées dans le laboratoire de Benzer sont techniquement remarquables (en particulier l'utilisation de mutants "mosaïque"), mais Benzer et ses collabarateurs n'ont pas tiré toutes les conséquences de leurs résultats. Dans sa synthèse historique de 1995, Greenspan montre à ses dépends combien la remise en cause de l'idée qu'un comportement complexe s'explique par l'intervention d'un nombre limité de gènes est difficile; il écrit à tord: «Les nouvelles techniques de biologie moléculaires devraient permettre de détecter la contribution des différents gènes aux caractéristiques comportementales (humaines)» ! Et pourtant, les expériences de Benzer donnent raison à Hirsch. Au delà de l'exemple de la Drosophile, l'analyse du déterminisme génétique des comportements a mené à la sociobiologie.

En 1983 deux groupes de chercheurs travaillant à l'université de Bâle et à l'université de l'Indiana découvrent chez la Drosophile, une famille particulière de gènes, les gènes hox. On les retrouve chez beaucoup d'animaux (en fait tous ceux qui possèdent une symétrie bilatérale) et ils interviennent dans le déterminisme du phénotype d'un segment du corps en fonction de sa position sur l'axe antéro-postérieur. Ces gènes sont activés ou non en fonction de la position du segment sur l'axe antéro-postérieur; plus surprenant ces gènes sont disposés sur le chromosome dans un ordre qui correspond à la position sur cet axe du segment où ils sont actifs (sans que les raisons de cette disposition soient aujourd'hui réellement expliquées). Chez la Drosophile, la mutation la plus spectaculaire fait apparaitre des pattes à la place des antennes, parce que le gène Antp, normalement activé uniquement dans le thorax est activé dans la tête.

En fait les gènes hox font partie d'un ensemble plus vaste de gènes qui codent des protéines possédant une séquence particulière d'acides aminés aminés appelée homéodomaine; cet homéodomaine constitue trois hélices α (alpha) dont une se positionne sur la double hélice d'ADN; ces protéines (appelées aussi facteurs de transcription) jouent un rôle régulateur en favorisant ou en inhibant l'expression d'autres gènes. Toutefois la spécificité d'une protéine donnée à se fixer sur un gène particulier n'est pas due à l'homéodomaine, mais doit être recherchée dans les autres parties de la molécule.

Toutes ses singularités ont focalisé l'attention sur les gènes hox (par exemple dans le programme de seconde de 2001) alors qu'ils ne constituent qu'une partie des gènes de développement. La découverte de ces gènes a conforté (à tord) l'idée réductionniste selon laquelle les différentes étapes du développement d'un animal dépendent chacune d'un gène unique ou d'un nombre limité de gènes (chez l'Homme on ne connait que peu de maladies impliquant les gènes hox, comme la syndactylie, et les dysmorphies sont souvent associées à un retard mental). Hors la plupart des gènes du développement ne codent pas des facteurs de transcription, mais des éléments impliqués dans la communication entre cellules (Morange, 2011).

En 1993, Sydney Brenner (Heberle-Bors, 2001), reprenant une idée de Charles Weissmann formulée en 1978, propose de développer l'approche inverse (ou ascendante) allant du gène au phénotype (l'approche normale ou descendante sélectionne des phénotypes et cherche ensuite à caractériser les allèles responsables de ces phénotypes). En inactivant (4) un gène orphelin (c'est à dire dont la fonction n'est pas connue, en fait une séquence d'ADN repérée dans l'ensemble du génome), on devrait connaitre sa fonction par observation des modifications survenues dans le phénotype. Hors les résultats de cette approche ont plongé les généticiens dans la perplexité: chez un Eucaryote, l'inactivation d'un nombre important de gènes semble n'avoir aucune conséquence. L'explication couramment avancée est la redondance (nommée aussi plus précisément polygénie): le génome des Eucaryotes serait bien plus complexe qu'on ne l'imaginait et un grand nombre de gènes fonctionneraient en réseaux capables de compenser la déficience d'un ou plusieurs de leurs éléments.

Autrement dit, le génome est bien plus que la somme de ses gènes. Cette découverte (les gènes fonctionnant en réseau ne pouvaient être repérés par l'approche "normale") devrait créer une révolution dans les conceptions dominantes en génétique jusqu'ici très réductionnistes.

Pire, l'étude statistique de la variabilité génétique humaine montre qu'à quelques exceptions près (l'autisme, la schizophrenie, etc.), il est difficile de mettre en relation des maladies communes avec des groupes de gènes clés, mais qu'au contraire un nombre considérable de gènes semblent impliqués dans chaque maladie (Pritchard, 2017). Une constatation qui pourrait s'expliquer, selon Pritchard, par l'interdépendance des réseaux de régulation des gènes et qui semble sonner l'échec de l'approche sous-tendant le HGP (Human Genome Project ou séquençage du génome humain). Le HGP a un successeur, le projet ENCODE visant à analyser la partie du génome non traduite en protéines (chez l'Homme, environ 20 000 gènes codent des protéines, mais ils représentent moins de 2% du génome). Cette partie non traduite du génome, considérée au début comme "inutile" est aujourd'hui pensée comme jouant le plus souvent un rôle essentiel dans la régulation de l'expression génétique: presque tout reste à découvrir.

On estime que seulement 2 à 5 % des diabètes sont causés par un seul gène et on connait une vingtaine de gènes impliqués dans ces diabètes monogéniques. Ce qui fait que 95 à 98% des diabètes sont liés à plusieurs gènes et / ou l'environnement; plus de 200 gènes seraient impliqués (Philippe Froguel).

Le gène et l'évolution ↑

Une définition du gène, ne saurait être complète, comme pour tout élément biologique, hors du cadre évolutionniste.

Richard Dawkins (Dawkins, 1976), dans un exposé sans nuances, a contribué à la médiatisation de cette question. Les idées de Dawkins visent essentiellement à tout expliquer par les gènes, y compris les comportements complexes : «Nous sommes des machines à survie, des robots programmés à l'aveugle pour préserver des molécules égoïstes connues sous le nom de gènes.». Pour répondre aux critiques qui retiennent l'individu ou la population comme objet de la sélection, Dawkins précise qu'il faut distinguer l'individu, soumis à la sélection, du gène effectivement sélectionné, ce qui ne fait qu'introduire plus de confusion. A notre avis les idées de Dawkins ne résistent pas à la distinction des niveaux d'organisation (cf concept d'évolution).

La découverte des transposons par Barbara McClintock (Comfort, 2001) dans les années 40 n'a été comprise que bien plus tard (ce qui lui a valu le prix Nobel de médecine en 1983, à l'âge de 81 ans !). Les transposons (dénommés aussi avec plus ou moins de bonheur jumping genes) sont des segments d'ADN qui se recopient à différents endroit du génome, dans une cellule (5). Si les transposons constituent une confirmation spectaculaire de l'existence d'une sélection naturelle aux niveau des gènes, ils en donnent aussi les limites : un transposon semble n'être qu'un parasite pour l'organisme dont il fait partie (Orgel, 1980). A l'inverse, un gène qui a un sens pour l'organisme est presque toujours intégré dans un réseau fonctionnel et il ne peut évoluer qu'à travers cet organisme. Toutefois le regard porté sur les transposons à tendance à changer: on considère aujourd'hui qu'il sont largement contrôlés par l'organisme qui les "héberge" et qu'ils jouent un rôle important dans son évolution.

Ainsi l'environnement n'est pas seulement ce qui module l'expression des gènes (l'inné et de l'acquis), il est aussi en retour le filtre qui accepte ou non les changements de base de l'ADN, à partir de leur effet sur la protéine codée par l'allèle (ou de leur effet sur le reste du génome en absence de transcription), et donc de leur effet sur l'organisme.

Etat des lieux

Pour conclure, la génétique formelle, en utilisant principalement des techniques de croisement, à permis d'étudier l'hérédité des Procaryotes, de mettre en évidence des phénomènes de régulation et d'élaborer la théorie chromosomique de l'hérédité chez les Eucaryotes. Chez ces derniers les succès ont cependant été obtenus sur des exemples qui se révèlent aujourd'hui atypiques par leur simplicité (relation un gène - un caractère).

Les définitions les plus anciennes du mot gène n'en sont pas moins des formulations restant opératoires dans un certain contexte, elles continuent (pour combien de temps ?) à représenter le concept lui-même. Incontournables sur le plan didactique, elles contribuent à à définir le corpus de connaissance de la discipline à condition d'éviter d'en généraliser les acquis dans les situations plus complexes (part de la génétique dans les maladies communes, explication des comportements, etc.).

A contrario, la génétique elle-même ne semble ne pouvoir survivre qu'en adoptant un paradigme systémique, une révolution dans une science jusqu'à présent bien trop réductionniste.

Quelques définitions du gène dans les programmes scolaires français ↑

Compte tenu de ce qui précède l'enseignement de la génétique pose de redoutables difficultés. Malgré une approche très souvent réductionniste la maitrise des exemples et exercices demande une aisance dans une forme de raisonnement logique. L'application des connaissances acquises dans des problématiques plus sociétales dont l'importance est considérable: risque génétique, thérapies géniques (pour ne pas parler d'eugénisme) nécessite ensuite de dépasser le réductionnisme précédent.

Programme de troisième (1998, 2.1) : «Les chromosomes portent les gènes, unités d'information génétique qui déterminent les caractères héréditaires. A un gène correspondent des informations différentes pour un caractère ce sont ses allèles. Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents.

Les conditions de vie peuvent modifier certains caractères. Ces modifications ne sont pas héréditaires. Chaque cellule possède l'ensemble du programme génétique de l'individu mais n'en exprime qu'une partie.

La reproduction sexuée crée au hasard un nouveau programme génétique» (à partir de celui des parents).

Programme de seconde (2001, 2.2) : «Chaque chromosome contient une molécule d'ADN qui porte de nombreux gènes. La séquence des nucléotides au sein d'un gène constitue un message. Les allèles ont pour origine des mutations qui modifient la séquence de l'ADN.»

Programme de première S (2002, 2.3) : «Un gène est défini comme une séquence de nucléotides d'un brin d'ADN déterminant la séquence d'un polypeptide donné. Un phénotype macroscopique résulte de processus biochimiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes ... l'effet des allèles d'un gène va dépendre également de l'environnement.»

Programme de terminale S (2001, 2.4) : «Le brassage intrachromosomique a lieu entre chromosomes homologues apparié lors de la prophase de la première division de méiose. Le brassage interchromosomique est du à la migration indépendante des chromosomes homologues de chaque paire lors de l'anaphase de la première division de méiose ...

Les innovations génétiques sont aléatoires et leur nature ne dépend pas des caractéristiques du milieu ...

les similitudes entre gènes sont interprétées comme le résultat d'une ou plusieurs duplications d'un gène ancestral. La divergence des gènes d'une même famille s'explique par l'accumulation de mutations.»

Programme de terminale S spécialité (2001, 2.4) : «[la théorie chromosomique de l'hérédité] contient les notions d'hérédité liée au sexe, de liaison génique et de recombinaison ... La séparation de la molécule d'ADN par les enzymes de restriction donne des fragments qui peuvent être repérés par électrophorèse, ce qui a rendu possible l'isolement, le séquençage et l'introduction des gènes dans les différents génomes grâce à des vecteurs pour les faire s'exprimer. »

Analyse : le programme de seconde (et plus encore l'impression que donnent les activités suggérées) est franchement mécaniste; Il n'est certes pas possible d'enseigner d'emblée un savoir parfait (comme l'a expliqué Guy Brousseau), mais il conviendrait de préciser le risque de la formation dans l'esprit des élèves d'une conception du "tout génétique", comme dans l'exemple de la mutation des levures ade^-, ou celui des gènes à homéobox . Ainsi la simplicité apparente, et un peu "truquée" (2.5) de la relation gène ↔ caractère qui transparait en seconde est plutôt en recul sur l'année précédente. Cette simplicité sera remise en cause en première S (pas pour tous les élèves) par l'étude de la traduction et la prise de conscience des différents niveaux de réalisation du phénotype. En terminale S, on soulignera le fait que ces mutations sont indépendantes du milieu (sauf par leur fréquence), un peu en contradiction avec l'idée lamarckienne, renforcée par l'utilisation des UV.

De même, la "beauté" de la molécule d'ADN (Crick) n'apparaîtra vraiment qu'en première S, une fois étudiée sa réplication.

Programme de première spécialité SVT (2019) : «Les chromosomes sont des structures universelles aux cellules eucaryotes (organismes dont les cellules ont un noyau). A chaque cycle de division cellulaire, chaque chromosome est dupliqué et donne un chromosome à deux chromatides, chacune transmise à une des deux cellules obtenues. C'est la base de la reproduction conforme. Chez les eucaryotes, les chromosomes subissent une alternance de condensation - décondensation au cours du cycle cellulaire. La division cellulaire mitotique est une reproduction conforme. Toutes les caractéristiques du caryotype de la cellule parentale (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées dans les deux cellules filles.

La méiose conduit à quatre cellules haploïdes, qui ont, chacune, la moitié des chromosomes de la cellule diploïde initiale.

Des erreurs peuvent se produire aléatoirement lors de la réplication de l'ADN. Leur fréquence est augmentée par l’action d’agents mutagènes. L'ADN peut également être endommagé en dehors de sa réplication. Les mutations sont à l’origine de la diversité des allèles au cours du temps. Selon leur nature elles ont des effets variés sur le phénotype.

Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau et certains des ARN formés, après maturation éventuelle, sont exportés dans le cytoplasme. Parmi ceux-ci se trouvent les ARN messagers qui dirigent la synthèse de protéines lors d'un processus dénommé traduction. Le code génétique est un système de correspondance, universel à l’ensemble du monde vivant, qui permet la traduction de l'ARN messager en protéines. (...) Le phénotype résulte de l'ensemble des produits de l'ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule. Il dépend du patrimoine génétique et de son expression. L'activité des gènes de la cellule est régulée sous l’influence de facteurs internes à l’organisme (développement) et externes (réponses aux conditions de l’environnement). Précisions : les divers composants d’un génome (gènes, pseudo gènes, éléments mobiles, séquences répétées, etc.) ne sont pas exigibles.

Certaines mutations, héritées ou nouvellement produites, sont responsables de pathologies parce qu’elles affectent l'expression de certains gènes ou altèrent leurs produits. L’examen des arbres généalogiques familiaux permet de connaitre les modes de transmission héréditaire des déterminants génétiques responsables. (...).

La plupart des pathologies d’origine génétique sont dues à l'interaction de nombreux gènes qui ne sont pas tous connus. Certains allèles de certains gènes rendent plus probable l'apparition d’une pathologie. »

Programme de terminale spécialité SVT (2019) : «La fécondation entre gamètes haploïdes rassemble, dans une même cellule diploïde, deux génomes d'origine indépendante apportant chacun un lot d'allèles. Chaque paire d'allèles résultant est constituée de deux allèles identiques (homozygotie) ou de deux allèles différents (hétérozygotie).

En fin de méiose, chaque cellule produite reçoit un seul des deux allèles de chaque paire avec une probabilité équivalente. Pour deux paires d'allèles, quatre combinaisons d'allèles sont possibles, équiprobables ou non en cas de gènes liés.

L'analyse génétique peut se fonder sur l'étude de la transmission héréditaire des caractères observables (phénotype) dans des croisements issus le plus souvent de lignées pures (homozygotes) et ne différant que par un nombre limité de caractères. Dans le cas de l'espèce humaine, l'identification des allèles portés par un individu s'appuie d'abord sur une étude au sein de la famille, en appliquant les principes de transmission héréditaire des caractères.

Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose (...)

Des échanges de matériel génétique, hors de la reproduction sexuée, constituent des transferts horizontaux. (...)

Analyse des programmes de 2019. Leur caractère très extensif et leur rédaction suscite beaucoup de questions. En première, on pourrait par exemple croire à la lecture des connaissances exigibles que le phénotype n'est défini qu'au niveau cellulaire. Heureusement (?) on trouve dans les capacités «Caractériser à l'aide d'un exemple les différentes échelles d'un phénotype (moléculaire, cellulaire, de l'organisme)». On retrouve la même contradiction un peu plus loin, cette fois entre deux chapitres "mutation et santé" et "patrimoine génétique et santé": le second nommé conduit à déconstruire les idées apprises dans le premier: Un élève doit pouvoir «conduire une étude à partir des documents fournis (en se limitant au cas de maladies autosomales monogéniques)», mais comprendre ensuite que «La plupart des pathologies d'origine génétique sont dues à l'interaction de nombreux gènes». Ainsi les rédacteurs bien que conscients du caractère très réducteur des apprentissages proposés, n'arrivent pas à les dépasser. Bon courage aux élèves et à leurs professeurs.

Quelques conceptions d'élèves de 1ère ↑

Consigne : «définissez le mot allèle» (recueil effectué dans les années 2000, dans le cadre du programme de 2002).
Les élèves ont spontanément proposé de faire des schémas qui se sont révélés particulièrement intéressants (la question n'avait pas été posée directement ainsi car schématiser incite à une matérialisation).

Les réponses : Partie d'un gène qui définit un caractère chez un individu; partie d'un chromosome porteur (porteuse ?) de maladie; une allèle est la moitié d'un chromosome, elle porte les gènes responsables des caractères humains; une allèle est la composante d'un chromosome qui en comporte deux; il y a deux allèles dans un chromosome; caractéristique des gènes spécifique à chaque personne; partie droite (d'un chromosome) symétrique à la partie gauche; version d'un gène; ils sont normalement par deux; ils sont sur les chromosomes et plus précisément sur les chromatides; deux gènes jouant sur la même caractéristique de l'individu, l'un s'exprime le dominant, l'autre ne s'exprime pas, le récessif; l'allèle est un morceau de gène.

Analyse des réponses : les allèles vont par deux (mots deux, double). Un allèle est une version d'un gène, mais dans la tentative de matérialisation, allèle est souvent confondu avec chromatide (et gène avec chromosome), ce qui apparaît nettement dans une partie des dessins qui suivent :

Maude Mandy	L'allèle est un morceau de gène.
Fabien Noémie	Un allèle est la moitié d'un chromosome; il y a deux allèles dans un chromosome.
Marion	Les allèles sont sur les chromatides.

Contrairement à gène, le mot allèle ne fait pas partie du vocabulaire courant; la familiarisation repose quasi exclusivement sur les apprentissages scolaires. Il est donc à considérer que les obstacles repérés sont souvent d'ordre didactique (mais pas tous).

Deux sources peuvent être citées :

• la surdétermination des mots dominant et récessif;
• la réification (matérialisation) du gène, soulignée par F. Jacob dans La logique du vivant (Jacob, 1970 : 22) : «quand surgit quelque entité abstraite comme le gène, le biologiste n'a de cesse qu'il ne lui ait substitué des éléments matériels, particules ou molécules».

La réification semble plus associée au programme de troisième qu'à celui de seconde; le paradigme du programme de troisième étant celui de la génétique formelle, les élèves se rattachent à ce qu'ils peuvent c'est à dire aux chromosomes. Le mot ADN n'est jamais utilisé dans les définitions. Une telle absence, alors même que le programme de seconde " va dans le sens de la pente" (matérialiste), est surprenante et mérite d'être confirmée par l'observation d'autres élèves.