Pendant que Jacques Monod et son équipe élucident l’opéron lactose, premier mécanisme découvert de régulation de l’expression d’un gène, la biologie établit que les gènes sont constitués d’ADN et commence à entrevoir la nécessité d’une traduction du langage ADN (séquence des quatre bases azotées des nucléotides) en langage protéines (succession des acides aminés) (voir ici Monod 211). Monod ne manque pas de s’intéresser à ce problème, car il aimerait sans doute élucider toutes les étapes qui conduisent à la fabrication de sa « protéine fétiche », la bêta-galactosidase. Le lien gène-protéine est alors largement confirmé, comme le vérifie une fois de plus Arthur Pardee, le compère de Monod et Jacob des célèbres expériences « py-ja-ma » (voir ici Monod 132), lequel de retour aux USA montre que la destruction du gène de la β-G-ase entraine l’arrêt immédiat de la synthèse de cette enzyme.

Pour faire le lien entre le langage ADN et le langage protéines, il faut trouver la correspondance, chose entièrement faite en 1966 avec l’établissement définitif du code génétique. Mais suffit-il de disposer du dictionnaire ?

À la recherche du chainon manquant

La structure primaire de l’ADN (séquence de nucléotides) et le code génétique conduisent à concevoir les gènes comme une portion de la séquence des nucléotides arrangés en une série de triplets – nommés codons – chacun correspondant à un acide aminé. Or comment s’opèrent le recrutement et l’assemblage des acides aminés, à quel endroit, par quels agents ? Le chromosome bactérien baigne directement dans le cytoplasme, ce qui permet d’imaginer que les acides aminés puissent venir s’accrocher directement aux codons sur la fraction de molécule d’ADN correspondant au gène. C’est impossible chez les eucaryotes dotés d’un noyau dont l’ADN ne sort pas, tandis que la synthèse des protéines s’effectue dans le cytoplasme. On a découvert aussi que les lieux d’assemblage des chaînes polypeptidiques sont de petits grains minuscules visibles au seul microscope électronique, nommés ribosomes.

Pour rappel, les ribosomes sont des microstructures intracellulaires ressemblant grossièrement à deux petites boules superposées. On les trouve tantôt directement dans le cytoplasme cellulaire, dispersés ou en petits groupes, tantôt le long de microcanalisations parcourant le cytoplasme, le réticulum endoplasmique. Ces micro-usines sont faites de protéines et contiennent un ARN spécifique, l’ARN ribosomial (noté ARN-r). Comme le montrent à cette période des chercheurs aux États-Unis, cet ARN-r est nécessaire à l’accrochage des acides aminés. Est-il suffisant ?

Le biochimiste américain Alexander Dounce avait proposé que de l’ARN synthétisé dans le noyau serve d’intermédiaire entre l’ADN et le cytoplasme, mais il n’apporte pas d’argument expérimental (voir ici Monod 213). À cette même période, François Gros (1925-2022) fait part à Monod de sa découverte de la fin des années 1950 : en bloquant la synthèse de l’ARN, on interrompt immédiatement la synthèse de l’enzyme, la fameuse et toujours β-G-ase ! L’expérience de Gros consiste à ajouter aux cultures bactériennes un inhibiteur de la synthèse d’ARN. L’effet est immédiat : arrêt de la synthèse des protéines. Ce résultat suggère qu’un ARN joue un rôle d’intermédiaire dans la synthèse des protéines et, de plus, que cet intermédiaire doit être instable, autrement dit dégradé par des enzymes, faute de quoi la synthèse des protéines se poursuivrait trop longtemps.

Monod n’avait pas encore totalement écarté l’hypothèse selon laquelle l’ADN pouvait diriger directement la biosynthèse des protéines, selon le premier modèle du « patron » de Dounce (lecture directe de l’ADN par les ribosomes). Une autre hypothèse envisageait l’existence de ribosomes spécifiques de chaque gène : ce qui impliquerait par exemple que lors de l’induction de la synthèse de la β-Gase, de nouveaux ribosomes seraient formés. Or l’équipe de Monod constate que de nouveaux ribosomes n’apparaissent pas et que l’ARN-ribosomial est très stable. Il faut donc trouver autre chose. Gros commence alors à considérer sérieusement l’hypothèse d’une autre sorte d’ARN que celui des ribosomes, qui pourrait servir de messager entre l’ADN du noyau et les ribosomes du cytoplasme.

En 1960, François Jacob se rend à Cambridge auprès de Crick et ses collègues. Les discussions animées conduisent à se souvenir d’une expérience réalisée en 1956 par deux Américains, mais dont on ne sut pas alors exploiter les résultats. Volkin et Astrachan avaient détecté la formation d’un ARN instable lorsque des bactéries étaient infectées par un phage. Cet ARN s’avérait en outre être une copie (on dira une transcription) quasi conforme de l’ADN du phage. Ces deux chercheurs pensèrent que cet ARN était le précurseur de l’ADN lors de la réplication du phage : autrement dit, l’acide nucléique du phage serait copié – transcrit – en ARN avant d’être retranscrit en ADN du phage, lorsque ce dernier a pris le contrôle de la bactérie.

Au point où ils avaient conduit leurs recherches sur l’opéron lactose, Jacob et Monod opinent tout au contraire que dans les résultats des deux Américains ils « tiennent » leur intermédiaire entre l’ADN et la protéine. Pour eux, c’est l’inverse de l’explication des Américains : l’ADN du phage serait transcrit en ARN lequel servirait alors de matrice pour la fabrication des protéines du phage. Mais à ce stade, ce ne sont encore que des hypothèses. Pour donner corps à l’existence supposée d’un ARN messager, il reste à fournir une démonstration expérimentale.

À l’été 1960, Jacob se rend au fameux Caltech de Pasadena où se trouve son collègue venu de Cambridge, Sydney Brenner. Tous deux utilisent des techniques faisant appel à des isotopes lourds (15N et 13C) pour marquer les ribosomes et à un isotope radioactif du phosphore (32P) pour marquer les acides nucléiques. On se souvient que les acides nucléiques sont caractérisés notamment par la présence de cet élément, absent des autres catégories de macromolécules. Les expériences consistent à fournir aux bactéries en pleines divisions cellulaires, pendant un laps de temps très court, des sels minéraux contenant les isotopes lourds ou radioactifs. Après de multiples essais infructueux, en faisant varier de très nombreux paramètres, les deux chercheurs parviennent à détecter ce fameux ARN nouvellement produit.

Un peu plus tard, F. Gros isolait, par une technique d’ultracentrifugation associée au marquage radioactif, des ARN à renouvellement rapide et distincts de ceux des ribosomes. Ces ARN nouvellement produits et repérés par leur radioactivité étaient associés aux ribosomes. Des expériences complémentaires, montrant notamment que la séquence des nucléotides dans cet ARN était complémentaire de celle de l’ADN, ont permis de confirmer que cet ARN était bien l’ARN messager.

Ne pas confondre traduction et transcription

Il ne restait plus qu’à reconstituer la séquence des opérations menant de l’ADN à la protéine, via l’ARN messager. La découverte d’une troisième variété d’ARN, ARN de transfert (ARN-t), permit d’arriver au schéma classique, avec ses deux étapes : la transcription et la traduction.

Sans entrer dans le détail, la figure illustre le principe de la copie d’un segment de l’ADN en ARN : seul l’un des brins – dans la partie correspondant au gène concerné – est copié. Cette copie est qualifiée de transcription car si l'ARN et l'ADN sont très proches dans leur structure, ils diffèrent néanmoins. Entre autres par la présence dans l’ARN de la base uracile à la place de la thymine présente dans l’ADN. Le cadre de cet article n’est pas propice à détailler le mécanisme de la synthèse des protéines, à présent bien connu et que le lecteur pourra trouver dans diverses sources.

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Ce qu’illustre la découverte de cet ARN messager, c’est la distinction que l’on doit faire entre deux processus de natures différentes : transcription et traduction.

La transcription est l’acte de copie d’un gène constitué d’ADN en ARN. Cette copie est d’un genre particulier car elle est obtenue par la complémentarité des bases des acides nucléiques. Par exemple, un segment d’ADN constitué de la séquence AAGCTA sera transcrit en TTCGUT en ARN du fait de la règle de complémentarité des bases dans les acides nucléiques. Une fois transcrit, l’ARN messager sort du noyau et rejoint les ribosomes. Il a emporté de ce fait l’information contenue dans le gène. C’est, indirectement, comme si le gène – sa copie en fait – avait été transporté vers les lieux de l’assemblage des acides aminés. Il a été établi que d’autres molécules d’ARN sont nécessaires : les ARN de transfert (ARN-t), sorte de « petits lutins » qui accrochent un acide aminé à l’une de leurs extrémités, pas n’importe lequel mais celui qui correspond au codon que porte cet ARN-t. Ce dernier se lie par ce codon à l’ARN-m grâce à la même règle de complémentarité des bases.

Et c’est ainsi que s’opère de proche en proche la « lecture » de l’ARN messager, sa traduction en une chaîne d’aminoacides, puisqu’on passe d’une langue à une autre : de la langue des acides nucléiques à la langue des protéines. La découverte de l’ARN messager a permis d’ouvrir la voie à l’élucidation du mécanisme complet de la synthèse protéique à partir des gènes. Monod et Jacob y ont contribué, mais n’oublions pas d’y inclure François Gros.

Pour clore, il nous reste à revenir à la bêta-galactosidase chère à Monod. L’opéron lactose est un ensemble de gènes dont l’un d’entre eux contrôle la synthèse d’une protéine nommée répresseur, selon le double processus de transcription (ADN en ARN) et de traduction (ARN en protéine). En l’absence de lactose, ce répresseur se fixe sur le gène dit opérateur, empêchant l’action de l’enzyme qui permet la transcription notamment du gène de la β-G-ase. Le lactose en se fixant sur le répresseur inactive ce dernier, et la transcription peut s’effectuer (voir ici Monod 154).

Notes

1 3 Monod 21 : un problème de traduction, mais pas que !
2 Monod 13, induction vs constitution.
4 Monod 15: l’opéron lactose.

Bibliographie

Debré, P. (1996), Jacques Monod, Flammarion.
Morange, M. (1994), Histoire de la biologie moléculaire, La Découverte, Paris.
Découverte de l’ARN messager, en 1961 (consulté le 17/11/2025).