Techniques d'étude de l'ADN

Trente cycles de PCR transforment un fragment d'ADN en environ un milliard de copies.

Copier l'ADN dans un tube

La plupart des méthodes d'étude de l'ADN en demandent bien plus que ce que contient une goutte de sang ou un cheveu. La réaction en chaîne par polymérase, ou PCR, résout ce problème. Le NHGRI la compare à une photocopie moléculaire : une méthode rapide et peu coûteuse pour copier un petit segment d'ADN choisi. Elle utilise les mêmes règles d'appariement des bases qu'une cellule. On chauffe l'échantillon pour séparer les deux brins, puis on le refroidit pour que de courts fragments de départ, appelés amorces, se fixent de part et d'autre de la cible. Une ADN polymérase résistante à la chaleur construit ensuite un nouveau brin complémentaire sur chaque matrice. Cela forme un cycle.

Chaque cycle peut doubler le nombre de copies, qui augmente donc rapidement. Après 10 cycles, une molécule pourrait donner 2¹⁰ = 1024 copies ; après 20 cycles, 1 048 576 ; et après 30 cycles, 1 073 741 824, soit environ un milliard. Les réactions réelles n'atteignent pas tout à fait ce doublement parfait, mais le principe reste valable. Kary Mullis, qui a conçu la PCR en 1983, a reçu le prix Nobel de chimie en 1993. Le NHGRI en énumère les usages : l'essentiel des travaux de cartographie du projet Génome humain, les empreintes génétiques, la détection des bactéries et des virus et le diagnostic des maladies génétiques.

Trier les fragments par taille

Pour voir ce qu'une réaction a produit, les laboratoires utilisent souvent l'électrophorèse sur gel. OpenStax en explique le principe. Une plaque de gel d'agarose, substance issue d'algues, est plongée dans une solution saline. On dépose les échantillons d'ADN dans de petits puits à une extrémité. Les groupements phosphate donnent à l'ADN une charge négative : lorsqu'un courant électrique traverse le gel, l'ADN se déplace donc vers l'électrode positive. Le gel agit comme un enchevêtrement que les petits fragments traversent rapidement, tandis que les grands restent en arrière. Au bout d'un moment, les plus petits fragments sont les plus éloignés des puits. Un colorant rend ensuite les bandes visibles.

Lire les lettres et le génome entier

Lire l'ordre des bases s'appelle le séquençage. Frederick Sanger a mis au point la méthode par terminaison de chaîne : elle utilise des nucléotides légèrement modifiés qui arrêtent l'allongement d'un brin là où ils sont incorporés. Le tri des fragments interrompus selon leur taille révèle la séquence, base par base. Sanger a reçu le prix Nobel de chimie en 1980, et sa méthode a été utilisée pour le projet Génome humain. Ce projet a officiellement débuté en octobre 1990 et s'est achevé en avril 2003, avec plus de deux ans d'avance. Il couvrait environ 92 pour cent du génome, soit ce que permettaient les techniques de l'époque. Les 8 pour cent restants, riches en répétitions, ont été achevés par le consortium Telomere-to-Telomere en 2022, donnant une séquence complète de 3.055 milliards de paires de bases.

Comparer les génomes montre à quel point les humains se ressemblent. Le NHGRI indique qu'on dit souvent les génomes de deux personnes quelconques identiques à environ 99.9 pour cent. Sur quelque 3 milliards de bases, 0.1 pour cent représente tout de même environ 3 millions de différences, assez pour rendre le profil d'ADN de chaque personne distinctif.

Modifier l'ADN

Les outils d'édition du génome agissent comme des ciseaux qui coupent l'ADN à un endroit choisi ; les scientifiques peuvent alors y retirer, ajouter ou remplacer de l'ADN. Le NHGRI décrit CRISPR comme plus simple, plus rapide, moins coûteux et plus précis que les anciennes méthodes d'édition. De nombreux scientifiques qui modifient des génomes l'utilisent désormais. Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna ont partagé le prix Nobel de chimie 2020 « pour la mise au point d'une méthode d'édition du génome ». Les chercheurs l'utilisent pour désactiver certains gènes chez des animaux comme la souris et le poisson-zèbre, afin de comprendre leur rôle. Des traitements sont en développement, mais le NHGRI souligne des problèmes non résolus : les outils coupent parfois au mauvais endroit, et les modifications d'ovules, de spermatozoïdes ou d'embryons seraient transmises aux générations suivantes. De nombreux pays limitent ce type d'édition, et les NIH ne financent pas les recherches visant à modifier des embryons humains.