Un même ADN, des cellules spécialisées

Activité 2 - Relier l’expression des gènes à la spécialisation cellulaire

La molécule d’ADN est une double hélice composée de deux chaînes enroulées, formées de nucléotides A, T, C et G. Les nucléotides des deux chaînes sont complémentaires : A est toujours associé à T, et C à G.  

Un gène est un segment précis d’ADN dont la séquence de nucléotides permet de coder la fabrication d’une protéine spécifique.

Par exemple, le gène de la G6PC et le gène de l’insuline n’ont pas la même séquence : ils codent donc pour des protéines différentes.

Toutes les cellules d’un organisme proviennent de la cellule-œuf et possèdent le même ADN, contenant l’ensemble des gènes de l’organisme.

Cependant, chaque type cellulaire n’exprime qu’une partie de ses gènes.

Par exemple :

• Le gène de l’insuline est présent dans toutes les cellules de l'organisme mais il n'est exprimé que dans les cellules β du pancréas.

• Le gène G6PC est présent dans toutes les cellules de l'organisme mais il n'est exprimé que dans les cellules du foie et du rein.

Cette expression ciblée des gènes permet la spécialisation cellulaire et la production de protéines spécifiques à chaque type cellulaire.

1. L’ADN est une molécule constituée de nucléotides

L’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est une molécule présente dans les cellules et qui constitue le support de l’information génétique.

La molécule d’ADN possède une structure en double hélice : elle est constituée de deux chaînes enroulées l’une autour de l’autre. Chaque chaîne est formée par une succession d’unités appelées nucléotides.

Il existe quatre types de nucléotides, désignés par les lettres A, T, C et G : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) et guanine (G).

Les nucléotides des deux chaînes sont complémentaires : un nucléotide A est toujours associé à un nucléotide T, tandis qu’un nucléotide C est toujours associé à un nucléotide G.

Ainsi, la séquence d’une chaîne d’ADN permet de déterminer celle de la chaîne complémentaire. Par exemple :

A – T – G – C – C – A

T – A – C – G – G – T

L’information génétique contenue dans l’ADN dépend de l’ordre dans lequel se succèdent les nucléotides : on parle de séquence de nucléotides.

2. Un gène est une portion d’ADN portant une information génétique

L’ADN d’une cellule contient un très grand nombre de gènes. Un gène correspond à une portion précise de la molécule d’ADN caractérisée par une séquence particulière de nucléotides.

L’information portée par la séquence d’un gène permet généralement la fabrication d’une protéine. Les protéines sont des molécules qui assurent de nombreuses fonctions dans l’organisme : elles peuvent par exemple être des enzymes, des hormones ou participer à la structure et au fonctionnement des cellules.

Des gènes différents possèdent des séquences de nucléotides différentes. Ils permettent donc la production de protéines différentes ayant des fonctions différentes.

Par exemple :

Le gène de l’insuline porte l’information permettant la production de l’insuline, une hormone participant à la régulation de la glycémie.

Le gène G6PC possède une autre séquence de nucléotides et permet la production de la protéine G6PC, une enzyme intervenant notamment dans la libération de glucose par certains organes.

On peut donc établir la relation suivante :

Séquence particulière d’ADN → Gène → Production d’une protéine particulière → Fonction

3. Les cellules d’un organisme possèdent le même ADN

Toutes les cellules d’un organisme pluricellulaire proviennent initialement d’une seule cellule : la cellule-œuf, formée lors de la fécondation.

Au cours du développement, la cellule-œuf se divise de nombreuses fois pour produire les très nombreuses cellules constituant l’organisme. Lors de ces divisions, l’information génétique est transmise aux cellules produites.

Ainsi, à quelques exceptions près, toutes les cellules d’un même organisme possèdent le même ADN et donc les mêmes gènes.

Une cellule du pancréas, une cellule du foie ou une cellule de la peau possèdent donc le même ensemble de gènes. Pourtant, ces cellules présentent des structures différentes et assurent des fonctions très différentes.

La spécialisation des cellules ne s’explique donc pas par la présence de gènes différents dans chaque type cellulaire.

4. Les cellules spécialisées n’expriment pas les mêmes gènes

Même si les cellules d’un organisme possèdent les mêmes gènes, elles ne les utilisent pas tous en même temps. Dans un type cellulaire donné, certains gènes sont exprimés tandis que d’autres ne le sont pas.

Lorsqu’un gène est exprimé, l’information qu’il contient est utilisée par la cellule et permet la production de la protéine correspondante.

Par exemple, le gène de l’insuline est présent dans les différentes cellules de l’organisme. Cependant, il est exprimé principalement dans les cellules β des îlots de Langerhans du pancréas. Ces cellules produisent donc de l’insuline, contrairement à la plupart des autres cellules de l’organisme.

De même, le gène G6PC est présent dans les cellules de l’organisme mais son expression a lieu principalement dans certains types cellulaires, notamment dans le foie et le rein. Les cellules qui l’expriment produisent alors la protéine G6PC.

Ainsi :

Même ADN → mêmes gènes → expression différente selon le type cellulaire → protéines différentes → fonctions différentes

5. L’expression différente des gènes explique la spécialisation cellulaire

Au cours du développement d’un organisme, les cellules deviennent progressivement différentes les unes des autres. Elles acquièrent des structures et des fonctions particulières : elles se spécialisent.

Cette spécialisation repose notamment sur l’expression de groupes de gènes différents selon les cellules. Chaque type cellulaire produit ainsi un ensemble particulier de protéines qui détermine une partie de ses caractéristiques et lui permet d’assurer certaines fonctions.

Une cellule β du pancréas et une cellule du foie possèdent donc globalement la même information génétique, mais elles n’expriment pas les mêmes ensembles de gènes. Elles produisent par conséquent des protéines différentes et acquièrent des caractéristiques différentes.

L’expression différenciée des gènes permet ainsi d’expliquer comment, à partir d’une même cellule-œuf et d’un même ADN, un organisme pluricellulaire peut être constitué d’une grande diversité de cellules spécialisées.

1. Quel est le rôle de l’ADN ?

A. Produire directement de l’énergie

B. Être le support de l’information génétique

C. Assurer la digestion des aliments

D. Relier les cellules entre elles

2. Quelle est la structure de la molécule d’ADN ?

A. Une chaîne simple de protéines

B. Une double hélice de nucléotides

C. Une succession de cellules

D. Une double hélice de protéines

3. Quelles associations de nucléotides sont correctes dans l’ADN ?

A. A avec C et T avec G

B. A avec G et C avec T

C. A avec T et C avec G

D. A avec A et C avec C

4. Qu’est-ce qu’un gène ?

A. Une cellule spécialisée

B. Une protéine présente dans l’ADN

C. Une portion d’ADN possédant une séquence particulière

D. Un type de nucléotide

5. L’expression d’un gène permet notamment :

A. La production d’une protéine particulière

B. La transformation d’une cellule en ADN

C. La fabrication de nouveaux nucléotides

D. La disparition de l’ADN de la cellule

6. D’où proviennent initialement les cellules d’un organisme pluricellulaire ?

A. De plusieurs cellules-œufs différentes

B. De la cellule-œuf

C. Des cellules du pancréas

D. Des protéines de l’organisme

7. Deux types de cellules d’un même organisme possèdent généralement :

A. Des ADN totalement différents

B. Les mêmes gènes, mais n’en expriment pas forcément les mêmes

C. Des gènes différents et les mêmes protéines

D. Uniquement les gènes nécessaires à leur fonction

8. Dans quelles cellules le gène de l’insuline est-il notamment exprimé ?

A. Les cellules du foie

B. Les cellules du rein

C. Les cellules β du pancréas

D. Toutes les cellules de l’organisme

9. Dans quels organes le gène G6PC est-il notamment exprimé ?

A. Le foie et le rein

B. Le pancréas et le cœur

C. La peau et le pancréas

D. Le cœur et le poumon

10. Pourquoi des cellules possédant le même ADN peuvent-elles être spécialisées différemment ?

A. Elles possèdent des nucléotides différents

B. Elles expriment des gènes différents et produisent ainsi des protéines différentes

C. Elles perdent une partie de leur ADN au cours de leur spécialisation

D. Elles possèdent chacune un seul gène

Correction : 1B – 2B – 3C – 4C – 5A – 6B – 7B – 8C – 9A – 10B