Les procès relatifs à la technologie de l’ARNm montrent comment les intérêts de profit entraînent une lutte pour le contrôle des découvertes scientifiques vitales

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L’histoire de l’ARNm

L’élucidation de la structure de l’ADN a suscité des questions beaucoup plus complexes. Comment l’ADN fonctionne-t-il, et comment les protéines et les enzymes sont-elles fabriquées dans les cellules? Une partie de la réponse réside dans la découverte de l’ARN messager(ARNm), annoncée officiellement en 1961. Comme pour son parent, l’ADN, il a fallu des décennies de travail fastidieux et la participation d’innombrables scientifiques avant que les processus moléculaires et biochimiques de l’ARNm ne soient élucidés. Cependant, personne n’a reçu le prix Nobel pour sa découverte.

L’essai de Matthew Cobb, dont le lien figure dans le paragraphe précédent, fournit un examen complet de cette histoire. En résumé, les niveaux techniques atteints à l’époque en biochimie ne pouvaient fournir que des indices de la présence d’ARNm et nécessitaient des «exploits d’imagination» et une «façon entièrement nouvelle de penser la fonction des gènes».

Fondamentalement, la découverte de l’ARNm a été motivée par le besoin de comprendre comment les gènes fonctionnaient au niveau moléculaire, de quelle façon ils créaient des protéines, unités moléculaires essentielles au déroulement de la vie. Il ne suffisait pas de savoir que l’ADN contenait toute l’information héréditaire. Comment la traduire en «fonction biologique»? Le modèle de Watson et Crick a permis de comprendre que l’information génétique était liée aux séquences de paires de bases sur la molécule d’ADN.

Les travaux antérieurs de Jean Brachet et Torbjörn Caspersson dans les années 1940 avaient révélé que la synthèse des protéines se produisait dans le cytoplasme de la cellule et non dans le noyau où se trouvait l’ADN. Ils avaient également remarqué que pendant les périodes de synthèse protéique accrue, les niveaux d’ARN augmentaient. La fabrication des protéines ne se faisait pas directement sur l’ADN, des processus intermédiaires étaient donc nécessaires.

En 1952, Alexander Dounce, qui travaillait à la faculté de médecine de Rochester, a observé que «la disposition des résidus d’acides aminés [éléments constitutifs des protéines] dans une chaîne peptidique donnée [le précurseur des protéines] est dérivée de la disposition spécifique des résidus de nucléotides dans une molécule d’acide nucléique spécifique correspondante».

Il a proposé que l’ADN serve de modèle pour la synthèse de l’ARN, qui sert ensuite de base à la synthèse des protéines. En 1957, Francis Crick a qualifié cette idée de «dogme central de la biologie moléculaire», ce qui signifie que le transfert de matériel génétique se fait d’acide nucléique à acide nucléique ou d’acide nucléique à protéine. L’information ne peut pas être transférée en sens inverse.

Bien que l’on ait trouvé de l’ARN et des protéines associées appelées ribosomes, nécessaires à la synthèse des protéines, le manque de compréhension de la nature et de la fonction de ces structures a conduit à des idées fausses persistantes sur la façon dont l’information génétique était transmise. La théorie dominante à l’époque était que pour chaque segment d’ADN traduit, il y avait un ribosome correspondant pour synthétiser une protéine particulière.

Entre-temps, les travaux menés tout au long des années 1950 sur les bactéries ont montré un renouvellement rapide de l’ARN lors d’une infection par des phages [un virus qui parasite une bactérie en l’infectant et en se reproduisant à l’intérieur de celle-ci], ce qui a conduit à l’hypothèse que l’ARN était synthétisé dans le noyau, puis transporté dans le cytoplasme, où il s’intégrait aux ribosomes. En outre, on a constaté que le nucléotide uracile spécifique de l’ARN était nécessaire à la synthèse des protéines [et n’intervenait pas dans la réplication de l’ADN], ce qui n’a fait que confirmer que le message était «transcrit» dans le noyau et envoyé dans le cytoplasme où il pouvait être «traduit».

Un premier indice de l’existence d’un ARN messager a été fourni en 1956 par Ken Volkin et Larry Astrachan, travaillant au Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee, grâce à leurs travaux sur l’infection de bactéries E. coli par des phages. La quantité totale d’ARN dans la bactérie n’a pas changé, mais une petite fraction du total a été fabriquée en quelques minutes seulement. Il est intéressant de noter que la composition de cet ARN à courte durée de vie est celle de l’ADN du phage [ou virus] infectant.

En 1957-58, à l’Institut Pasteur, Arthur Pardee et Jacques Monod ont montré que lorsqu’un gène particulier codant pour une enzyme essentielle était transféré à une bactérie dépourvue de ce gène, celle-ci produisait en quelques minutes l’enzyme qu’elle ne pouvait pas produire auparavant. La deuxième observation critique faite par l’équipe dont faisait partie François Jacob était que, chez les bactéries contenant les gènes transcrits, une enzyme ne s’activait que lorsqu’un produit chimique ou un substrat était introduit, ce qui signifie que ces gènes étaient réprimés et que l’agent inducteur permettait la formation du produit. Ils ont appelé le «gène répresseur» un «messager cytoplasmique». Mais la manière dont cette signalisation complexe était élaborée et mise en œuvre par les cellules restait inconnue.

Pendant ce temps, Francis Crick et Sydney Brenner ne travaillaient pas sur les mécanismes de régulation des processus cellulaires comme leurs homologues de Paris. Selon les mots de Brenner, «Nous nous intéressions essentiellement au code.»

Puis, un jour fatidique, le 15 avril 1960, Crick, Brenner et Jacob se rencontrent pour une réunion informelle au King’s College de Cambridge, après une conférence tenue à Londres la veille. Jacob passe en revue les détails de leur dernière expérience, où ils ont montré que lorsqu’un gène particulier est introduit dans une bactérie déficiente pour cette enzyme, celle-ci produit immédiatement des niveaux élevés de cette enzyme. Il a ajouté que Pardee avait montré dans une expérience que le gène ne produisait pas un ribosome stable et efficace, mais une «molécule messagère transitoire» qu’ils ont baptisée «X».

François Jacob écrit dans son autobiographie The Statue Withinque «Francis (Crick) et Sydney (Brenner) se sont levés d’un bond. Ils ont commencé à gesticuler. À argumenter à toute vitesse dans une grande agitation. Un Francis au visage rouge. Un Sydney aux sourcils hérissés. Les deux ont parlé en même temps, en criant. Chacun essayant de devancer l’autre. D’expliquer à l’autre ce qui lui était venu à l’esprit. Tout cela à un rythme qui laissait mon anglais loin derrière.»

Le fait d’avoir immédiatement conçu que la mystérieuse molécule messagère était un ARN messager transitoire signifierait que les ribosomes ne sont que des molécules complexes inertes qui pourraient lire n’importe quel message qui leur est envoyé par le biais du modèle copié de l’ADN, simplifiant et universalisant la fonction et la nature conservatrice des cellules en général. Cette percée intuitive a réorienté leurs efforts pour tenter d’isoler l’insaisissable ARNm.

Les mois suivants, ils travaillent au Caltech de Pasadena en utilisant les «ultracentrifugeuses» de Matt Meselon pour leur expérience. Comme ils l’avaient supposé, aucun nouveau ribosome n’a été fabriqué. Au lieu de cela, comme Cobb l’écrit dans son essai, «un petit ARN transitoire qui avait été copié à partir de l’ADN du phage était associé à d’anciens ribosomes déjà présents dans l’hôte bactérien. C’était l’ARN messager.»

Télégramme de James Watson à Sydney Brenner, 15 février 1961. Source: archives du Cold Spring Harbor Laboratory.

Comme Cobb le note ensuite à juste titre, d’autres chercheurs et scientifiques travaillant sur ces questions faisaient des percées similaires et seraient parvenus à ces conclusions à peu près au même moment. Robert Risebrough et James Watson avaient également fabriqué de l’ARNm isolé à peu près au même moment, mais ils ont ensuite appris que Crick et Brenner s’apprêtaient à publier. Watson s’est empressé d’envoyer à Brenner un télégramme lui demandant de retarder la publication de son manuscrit afin qu’ils puissent publier conjointement dans Natureen mai 1961, inaugurant ainsi la découverte de l’ARNm.

Décryptage du code génétique, ARN pré-messager et révolution génétique

La découverte de l’ARNm coïncide avec les travaux réalisés en 1958 par Marshall Nirenberg et Heinrich Matthaei au National Institutes of Health, où ils ont non seulement présenté la première démonstration de l’ARN messager, mais aussi fait le premier pas vers le déchiffrage du code génétique. La question à laquelle ils cherchaient des réponses était de savoir comment l’ADN dirigeait l’expression des protéines.

Pour l’époque, il s’agissait d’un exploit de génie génétique impressionnant. Sachant que le nucléotide uracile ne se trouve que dans l’ARN, ils ont construit un ARN uniquement composé d’uracile. Ils l’ont ensuite inséré dans la bactérie E. coli, qui possède toute la machinerie nécessaire à la synthèse des protéines. Ils ont ensuite ajouté une enzyme qui n’a fait que dégrader l’ADN de l’E. coli, mais a préservé toutes ses autres fonctions. En d’autres termes, aucune protéine ne pouvait être construite autrement qu’à partir de leur ARN synthétique.

Ils ont ensuite ajouté à leurs extraits un acide aminé marqué par radioactivité et 19 autres non marqués. Les acides aminés sont les éléments constitutifs des protéines. La protéine synthétisée était de la phénylalanine marquée par radioactivité, dont le code génétique est constitué de trois bases uracile alignées. Le marquage radioactif des nucléotides [marquage des molécules avec un traceur] est devenu largement disponible dans les années 1950, permettant de visualiser et de détecter les acides nucléiques à l’état de traces.

Heinrich Matthaei et Marshall Nirenberg. Source: National Institutes of Health.

Nirenberg a présenté son article en août 1961 au Congrès international de biochimie de Moscou, électrisant les scientifiques réunis. La «course au codage» a suivi au début des années 1960 pour identifier tous les codes des différentes séquences d’acides aminés, principalement entre le groupe de Nirenberg au NIH et le lauréat espagnol du prix Nobel Severo Ochoa à la faculté de médecine de l’université de New York.

Le code génétique est la règle que suivent les cellules vivantes pour traduire l’information génétique en protéines. George Gamow, un physicien soviéto-américain, avait postulé que trois bases nucléides étaient nécessaires pour coder 20 acides aminés standard utilisés par les cellules vivantes pour construire des protéines. Il est maintenant reconnu que la traduction de l’ARNm est effectuée par les ribosomes à l’aide de molécules d’ARN de transfert (appelées ARN solubles à l’époque) qui lisent l’ARNm trois nucléotides à la fois et ajoute l’acide aminé spécifique dicté pour la position spécifique.

ARNt, Ribosomes, et la production de la chaîne peptidique à l’aide de l’ARNm. Source: Wikipédia.

En 1966, Nirenberg et son équipe, avec la collaboration d’autres scientifiques recrutés pour aider aux travaux du NIH, ont terminé le séquençage des trois bases nucléotidiques correspondant à leurs acides aminés respectifs. En 1968, il reçoit le prix Nobel avec Har Gobind Khorana pour leurs études sur les acides aminés et les protéines.

Au début des années 1970, les biochimistes et les généticiens ont reconnu qu’il devait exister une molécule précurseur de l’ARNm, qui était ensuite modifiée avant que la version finale ne soit présentée aux ribosomes, appelée ARN pré-messager. Une grande partie des travaux sur le traitement de l’ARN, la signalisation cellulaire et les protéines d’épissage complexes ont été réalisés par James Darnell et ses collaborateurs.

Selon une étude publiée dans Nucleusen 2014 sur l’histoire de l’investigation du pré-ARNm, en 1977, deux équipes travaillant indépendamment, l’une dirigée par Phillip Allen Sharp au MIT et l’autre par Richard J. Roberts au Cold Spring Harbor Laboratory, utilisant la microscopie électroniqueont découvert que les molécules d’ARN isolées s’hybridaient à l’ADN double brin en déplaçant l’un des brins d’ADN. Cependant, la séquence d’ARNm générée était complémentaire de plusieurs régions d’ADN non contiguës. (Voir le lien microscopie électronique pour les images d’ARNm et d’ADN de l’équipe de recherche de Phillip Sharp).

En d’autres termes, les gènes réels étaient divisés en plusieurs segments le long de l’ADN. Ces découvertes ont ensuite conduit 1) à la découverte des «introns» dans l’ADN des cellules eucaryotes, qui ont des noyaux bien définis, 2) à la compréhension du fait que le pré-ARNm devait être modifié en une forme mature, et 3) à la reconnaissance du fait que la transcription de l’ARNm et les fonctions d’édition pour créer une forme mature étaient indépendantes l’une de l’autre.