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الهندسة الوراثية (2): التقنيات والتطبيقات

1. أهداف الدرس

في نهاية هذا الدرس، ينبغي أن تكون قادرًا على:

  • شرح مبدأ تفاعل البوليمراز المتسلسل PCR وتحديد مكوّنات الوسط ودور كل مكوّن؛
  • تعليل حرارة كل مرحلة من مراحل الدورة الحرارية الثلاث بالرجوع إلى خصائص ADN؛
  • حساب عدد النسخ الناتجة بعد n دورة، وتعليل الطابع الأسّي للتضخيم؛
  • شرح مبدأ الهجرة الكهربائية وتأويل ملف أشرطة انطلاقًا من مؤشر الأطوال؛
  • تعليل قيام البصمة الوراثية على التسلسلات الدقيقة المتكررة وتحليل ملف بنوة؛
  • شرح مبدأ تحديد التسلسل بطريقة Sanger وربطه بخاصية النوكليوتيد ثنائي نزع الأكسجين؛
  • وصف مراحل إنتاج بروتين علاجي بشري بواسطة بكتيريا، مع تعليل كل مرحلة؛
  • تقديم مبدأ الكائنات المعدَّلة وراثيًا والتشخيص الجيني والعلاج الجيني مع حدود كل منها.

قدّم الدرس 24 أدوات الهندسة الوراثية ومبدأ الاستنساخ الجيني داخل خلية حية. لكن التطور الحاسم في العقود الأخيرة جاء من قدرة أخرى: تضخيم قطعة من ADN وتحديد تسلسلها خارج الخلية تمامًا، بسرعة وبكميات ضئيلة جدًا من المادة الأولية. هذا الدرس يعرض هذه التقنيات ثم تطبيقاتها الطبية والفلاحية.

2. تفاعل البوليمراز المتسلسل (PCR)

2.1 مكوّنات وسط التفاعل

المكوّن دوره
ADN القالب يحمل القطعة المراد تضخيمها، ولو بكمية ضئيلة جدًا
بادئتان (amorces) من ARN أو ADN مركّبتان كيميائيًا تحدّدان بداية ونهاية المنطقة المضخَّمة؛ كل واحدة متتامة مع أحد طرفيها
ADN-بوليمراز مقاوم للحرارة (Taq) يصطنع السلاسل الجديدة دون أن يتمسّخ عند 95°م
النوكليوتيدات الأربعة مواد أولية للاصطناع
محلول موقٍ وأيونات Mg²⁺ شروط اشتغال الأنزيم

2.2 الدورة الحرارية وتعليل حرارتها

المرحلة الحرارة ما يحدث التعليل
التمسخ ≈ 95°م انفصال سلسلتي ADN تكسير الروابط الهيدروجينية فقط (الدرس 16)
التزاوج (hybridation) ≈ 50–65°م تثبيت البادئتين على القالب حرارة أقل من Tm البادئة تسمح بإعادة التمسخ النوعي
الاستطالة ≈ 72°م اصطناع السلاسل المتممة الحرارة المثلى لاشتغال Taq

2.3 الطابع الأسّي للتضخيم

في كل دورة يتضاعف عدد النسخ، لأن كل جزيء ابن يصبح بدوره قالبًا:

عدد النسخ بعد n دورة = N₀ × 2ⁿ

تطبيق عددي: انطلاقًا من جزيء واحد، بعد 30 دورة: 2³⁰ ≈ 1,07 × 10⁹ نسخة، أي أكثر من مليار نسخة في أقل من ساعتين.

صورة 1 — قيد الإعداد
وصف الوثيقة

خطاطة علمية تعليمية بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector) بخطوط نظيفة، مقسّمة إلى جزأين. الجزء العلوي: دورة PCR ممثلة في ثلاث لوحات متتالية موصولة بأسهم دائرية، مع بطاقة حرارة عند كل لوحة: اللوحة الأولى «التمسخ 95°م» تُظهر لولبًا مزدوجًا أزرق ينفصل إلى سلسلتين؛ اللوحة الثانية «التزاوج 55°م» تُظهر السلسلتين المنفصلتين وقد ثبتت على طرفي كل واحدة بادئة قصيرة حمراء بسهمين متقابلين يبيّنان اتجاهي الاصطناع؛ اللوحة الثالثة «الاستطالة 72°م» تُظهر شكلًا بيضاويًا أخضر معنونًا Taq يتقدّم من كل بادئة مصطنعًا سلسلة زرقاء جديدة. سهم دائري عريض يعيد من اللوحة الثالثة إلى الأولى مع عبارة «دورة موالية». الجزء السفلي: مبيان لعدد النسخ حسب عدد الدورات، بمحور أفقي من 0 إلى 30 دورة ومحور عمودي بسلم لوغاريتمي، عليه منحنى أسّي صاعد، مع ثلاث نقط مؤشَّرة عند الدورات 10 و20 و30 تحمل القيم التقريبية 10³ و10⁶ و10⁹. خلفية بيضاء نظيفة، تسميات بخط عربي واضح، رسم دقيق علميًا وليس فنيًا تجريديًا

3. الهجرة الكهربائية والبصمة الوراثية

3.1 مبدأ الهجرة الكهربائية (électrophorèse)

  • ADN مشحون سالبًا بسبب مجموعاته الفوسفاتية (الدرس 16)، فيهاجر نحو المصعد (القطب الموجب) عند وضعه في حقل كهربائي؛
  • يلعب الهلام دور غربال: الأجزاء الصغيرة تتقدّم بسرعة وتقطع مسافة أكبر، والأجزاء الكبيرة تتأخر؛
  • يُودَع في أحد الآبار مؤشر أطوال (marqueur de taille) ذو أجزاء معروفة، فتُقدَّر أطوال الأشرطة بمقارنتها به.

3.2 البصمة الوراثية (empreinte génétique)

تعتمد على التسلسلات الدقيقة المتكررة (microsatellites) المدروسة في الدرس 17: تسلسلات قصيرة تتكرر عددًا من المرات يختلف من فرد إلى آخر (تعدد الأشكال، الدرس 23). وبتضخيمها بـ PCR ثم فصلها بالهجرة الكهربائية نحصل على ملف أشرطة خاص بكل فرد.

قاعدة التحليل الوراثي: كل شريط عند الطفل يجب أن يوجد إما عند الأم أو عند الأب. فإذا حمل الطفل شريطًا غير موجود عند أي منهما، استُبعدت البنوة (باستثناء طفرة، وهي نادرة).

التطبيقات: تحديد الهوية في الطب الشرعي، إثبات البنوة، تحديد ضحايا الكوارث.

صورة 2 — قيد الإعداد
وصف الوثيقة

خطاطة علمية تعليمية بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector)، مقسّمة إلى لوحتين متجاورتين. اللوحة اليمنى معنونة «مبدأ الهجرة الكهربائية»: حوض مستطيل يحتوي هلامًا، في أعلاه صف من الآبار، وقطبان: قطب سالب أزرق في الأعلى قرب الآبار وقطب موجب أحمر في الأسفل، مع سهم عمودي يبيّن اتجاه الهجرة، وثلاث قطع ADN بأحجام مختلفة موزعة على مستويات مختلفة داخل الهلام مع تسمية «الأصغر يهاجر أبعد». اللوحة اليسرى معنونة «قراءة ملف بصمة وراثية»: هلام مرسوم بخمسة مسارات معنونة من اليمين إلى اليسار: مؤشر الأطوال، الأم، الأب، الطفل 1، الطفل 2؛ في كل مسار أشرطة أفقية سوداء بمستويات مختلفة، ومسار مؤشر الأطوال يحمل أرقامًا بجانب أشرطته. تُبرَز أشرطة الطفل 1 بإطارين ملوّنين مع سهمين يشيران إلى الشريط المطابق عند الأم والشريط المطابق عند الأب، بينما يحمل الطفل 2 شريطًا محاطًا بإطار متقطع لا يوجد عند أي من الأبوين مع علامة استفهام. خلفية بيضاء نظيفة، تسميات بخط عربي واضح، رسم علمي دقيق ومقروء

4. تحديد التسلسل (séquençage)

مبدأ طريقة Sanger: يُنجَز اصطناع للسلسلة المتممة انطلاقًا من بادئة، لكن يُضاف إلى الوسط، إلى جانب النوكليوتيدات العادية، نسبة قليلة من نوكليوتيدات ثنائية نزع الأكسجين (ddNTP) موسومة بلون مميّز لكل قاعدة.

  • هذه النوكليوتيدات تفتقر إلى مجموعة –OH على الكربون 3'؛
  • ومن ثم فعند إدماج أحدها تتوقف الاستطالة، لغياب الطرف الذي تُبنى عليه الرابطة الفوسفوديستيرية الموالية (الدرس 18)؛
  • الإدماج عشوائي، فتنتج مجموعة من القطع بكل الأطوال الممكنة، تحمل كل واحدة في طرفها لونًا يدلّ على قاعدتها الأخيرة؛
  • تُفصَل القطع حسب طولها، فتُقرأ القواعد بالتتابع.

وقد حلّت محلّها اليوم تقنيات التسلسل العالي المردود التي تسمح بقراءة جنيوم كامل في وقت قصير وبكلفة منخفضة، وهي أساس المشاريع الجنيومية والتشخيص الجزيئي الحديث.

5. التطبيقات

5.1 إنتاج بروتينات علاجية: الأنسولين البشري

المرحلة التعليل
استخراج ARN رسول الأنسولين وتحويله إلى ADNc تفادي الإنترونات، لأن البكتيريا لا تعرف الاقتطاع (الدرس 24)
إدراجه في بلازميد أمام مروّج بكتيري الاستنساخ لا يكفي: يجب أن تتعرّف آلية الاستنساخ البكتيرية على المروّج
تحويل بكتيريات وانتقاء المؤتلفة عزل الخلايا الحاملة للبناء
زرع مكثف في مخمّرات ثم استخلاص وتنقية إنتاج صناعي بكميات كبيرة

لماذا هذا أفضل من الأنسولين المستخرج من الحيوان؟ لأن المنتَج بشري مطابق تمامًا، فتقلّ الأعراض المناعية، ولأن الإنتاج غير مرتبط بتوفر أعضاء حيوانية.

5.2 الكائنات المعدَّلة وراثيًا (OGM)

كائن أُدخلت إلى جنيومه مورثة أجنبية فأصبح معدَّلًا وراثيًا: نباتات مقاومة لحشرات أو لمبيدات، أو محسّنة القيمة الغذائية؛ وحيوانات منتِجة لبروتينات علاجية.

عرض متوازن للنقاش المرتبط بها: يُبرز المؤيدون مردودية أعلى واستعمالًا أقل للمبيدات وقيمة غذائية محسّنة؛ ويثير المعارضون مخاطر انتقال المورثات إلى أنواع برية، وأثرًا محتملًا على التنوع البيولوجي، ومسائل اقتصادية تتعلق بملكية البذور. والتقويم العلمي لهذه المسائل يظل مرتبطًا بكل حالة على حدة وبالإطار التشريعي لكل بلد.

5.3 التشخيص الجيني

  • الكشف عن حليل طافر بواسطة مسبار أو بـ PCR نوعية؛
  • تشخيص قبل الولادة أو للأشخاص المعرّضين لخطر وراثي؛
  • كشف العوامل الممرضة (فيروسات، بكتيريا) بتضخيم جزء من جنيومها.

5.4 العلاج الجيني (thérapie génique)

المبدأ: إدخال حليل وظيفي إلى خلايا مريض يحمل حليلًا معطوبًا، بواسطة ناقل غالبًا فيروسي منزوع القدرة الإمراضية.

  • علاج خارج الجسم (ex vivo): تُؤخذ خلايا المريض، تُعدَّل مخبريًا، ثم تُعاد إليه؛
  • علاج داخل الجسم (in vivo): يُحقن الناقل مباشرة في العضو المستهدف.

حدوده: صعوبة توجيه الناقل نحو الخلايا المقصودة وحدها، احتمال استجابة مناعية، وخطر الإدماج في موضع غير مناسب من الجنيوم. وقد فتحت تقنيات تحرير الجنيوم الحديثة إمكانية تصحيح الطفرة في موقعها بدل إضافة نسخة جديدة، وهي تطرح بدورها أسئلة أخلاقية وتشريعية جدّية.

صورة 3 — قيد الإعداد
وصف الوثيقة

خطاطة علمية تعليمية بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector)، تعرض إنتاج الأنسولين البشري بواسطة البكتيريا في خمس محطات أفقية موصولة بأسهم من اليمين إلى اليسار. المحطة 1: خلية بشرية من البنكرياس مرسومة بشكل مبسّط يخرج منها شريط ARN رسول برتقالي، معنونة «استخراج ARN رسول الأنسولين». المحطة 2: شكل بيضاوي بنفسجي معنون «الناسخة العكسية» ينتج شريط ADNc أزرق، معنونة «ADNc بلا إنترونات». المحطة 3: بلازميد دائري أخضر يُدرج فيه شريط ADNc مع إبراز مروّج بكتيري ملوّن قبله بسهم صغير، ومورثة مقاومة مضاد حيوي، معنونة «بناء البلازميد المؤتلف». المحطة 4: بكتيريا يدخلها البلازميد وعلبة بتري بمستعمرات منتقاة، معنونة «تحويل وانتقاء». المحطة 5: مخمّر صناعي أسطواني بأنابيب، يخرج منه أنبوب صغير يحمل بلورات، معنونة «زرع مكثف ثم استخلاص وتنقية الأنسولين». خلفية بيضاء نظيفة، تسميات بخط عربي واضح، رسم علمي دقيق ومقروء

6. تمرين محلول

6.1 حساب مرتبط بـ PCR

المعطيات: ننطلق من 50 نسخة من قطعة ADN ونُجري 25 دورة PCR بمردود نظري تام.

السؤال: كم عدد النسخ المتوقَّع في نهاية التفاعل؟

الحل: N = N₀ × 2ⁿ = 50 × 2²⁵ = 50 × 3,36 × 10⁷ ≈ 1,7 × 10⁹ نسخة.

سؤال تكميلي: لماذا لا يستمر التضخيم أسّيًا إلى ما لا نهاية عمليًا؟ لأن النوكليوتيدات والبادئات تنفد تدريجيًا وينخفض نشاط الأنزيم، فيبلغ التفاعل مرحلة استقرار؛ ولهذا يبقى الحساب النظري تقديرًا أعلى للحقيقة.

6.2 تأويل ملف بصمة وراثية

المعطيات: ملف أشرطة لأربعة أشخاص: أم، أب مفترض، وطفلان.

الشريط (بترتيب الحجم التنازلي) الأم الأب المفترض الطفل 1 الطفل 2
a + − + −
b − + + −
c + − − +
d − + − −
e − − − +

التحليل:

  • الطفل 1: يحمل الشريطين a و b؛ a موجود عند الأم و b موجود عند الأب المفترض. كل أشرطته مبرَّرة ← البنوة متوافقة مع المعطيات.
  • الطفل 2: يحمل c (موجود عند الأم) وe غير موجود عند أي منهما ← لا يمكن أن يكون هذا الشريط قد انتقل من الأب المفترض ← تُستبعد بنوته لهذا الأب.

7. أخطاء شائعة وفخاخ الامتحان

الخطأ التصويب
«PCR تحتاج إلى خلية حية أو ناقل» تتم كليًا في الأنبوب، بمكوّنات كيميائية وأنزيم
«PCR والاستنساخ الجيني شيء واحد» الاستنساخ داخل خلية بواسطة ناقل؛ PCR في أنبوب وبدون خلية
«Taq يُستعمل لأنه أسرع» يُستعمل لأنه يتحمّل 95°م ولا يتمسّخ عند التمسخ الحراري
«مرحلة التمسخ تكسر الروابط الفوسفوديستيرية» تكسر الروابط الهيدروجينية فقط (الدرس 16)
«الحرارة هي التي تحدّد المنطقة المضخَّمة» البادئتان هما اللتان تحدّدانها
«بعد n دورة نحصل على n نسخة» التضخيم أسّي: N₀ × 2ⁿ
«الأشرطة الأبعد عن البئر هي الأكبر» العكس: الأصغر تهاجر أبعد
«ADN يهاجر نحو القطب السالب» مشحون سالبًا فيهاجر نحو الموجب
«البصمة الوراثية تقارن كل الجنيوم» تقارن عددًا محدودًا من المواقع المتكررة المتعددة الأشكال
«البصمة الوراثية تثبت البنوة يقينًا» تستبعدها يقينًا، وتُثبتها باحتمال إحصائي مرتفع جدًا
«ddNTP يوقف الاصطناع لأنه سام» لأنه يفتقر إلى –OH في 3'، فتستحيل الرابطة الموالية
«يُدخَل في البكتيريا ADN الجنيومي للأنسولين» يُدخَل ADNc، مع مروّج بكتيري يسمح بالاستنساخ
«العلاج الجيني يصحّح الطفرة عند كل الخلايا بما فيها الجنسية» التطبيقات الحالية تخصّ خلايا جسمية محددة، والتدخل في الخلايا الجنسية موضع منع وجدل أخلاقي

8. معجم المصطلحات

بالعربية بالفرنسية
تفاعل البوليمراز المتسلسل PCR (réaction en chaîne par polymérase)
بادئة Amorce
دورة حرارية Cycle thermique
تمسخ / تزاوج / استطالة Dénaturation / Hybridation / Élongation
هجرة كهربائية Électrophorèse
مؤشر أطوال Marqueur de taille
بصمة وراثية Empreinte génétique
تسلسلات دقيقة متكررة Microsatellites
تحديد التسلسل Séquençage
نوكليوتيد ثنائي نزع الأكسجين Didésoxynucléotide (ddNTP)
كائن معدَّل وراثيًا Organisme génétiquement modifié (OGM)
تشخيص جيني Diagnostic génétique
علاج جيني Thérapie génique
تحرير الجنيوم Édition du génome

9. خلاصة

  • PCR تضخيم انتقائي في الأنبوب: قالب + بادئتان + Taq + نوكليوتيدات؛ ودورتها ثلاث مراحل بحرارات معلَّلة (95°م تمسخ، 50–65°م تزاوج، 72°م استطالة). التضخيم أسّي: N₀ × 2ⁿ، والانتقائية تأتي من البادئتين لا من الحرارة.
  • الهجرة الكهربائية تفصل الأجزاء حسب الحجم لأن ADN مشحون سالبًا ويهاجر نحو المصعد عبر غربال هلامي: الأصغر يقطع مسافة أكبر، وتُقدَّر الأطوال بمؤشر أطوال.
  • البصمة الوراثية تقوم على تعدد أشكال التسلسلات الدقيقة المتكررة؛ قاعدتها أن كل شريط عند الطفل يجب أن يوجد عند أحد الأبوين. وهي تستبعد البنوة يقينًا وتثبتها باحتمال إحصائي.
  • تحديد التسلسل بطريقة Sanger يقوم على ddNTP الذي يفتقر إلى –OH في 3' فيوقف الاستطالة، فتنتج قطع بكل الأطوال تُقرأ بعد فصلها.
  • التطبيقات: إنتاج بروتينات بشرية (الأنسولين انطلاقًا من ADNc مع مروّج بكتيري)، الكائنات المعدَّلة وراثيًا بمنافعها ومخاطرها المطروحة للنقاش، التشخيص الجيني، والعلاج الجيني بناقل فيروسي مع حدوده التقنية والأخلاقية.

الدرس الموالي

بهذا الدرس يكتمل المحور الرئيسي «المعلومة الوراثية على المستويين الخلوي والجزيئي» بعناصره الخمسة (الدروس 16 إلى 25)، ويليه اختبار المحور الرئيسي (QCM) المخصص له.

الدرس 26 يفتح المحور الرئيسي الموالي، «نقل المعلومة الوراثية أثناء التكاثر الجنسي»، بعنصره الأول: المظاهر الصبغية للانتصاف والخلط الوراثي. وسينتقل السؤال من «كيف تُنسخ المعلومة وتُقرأ داخل الخلية؟» إلى «كيف تنتقل بين الأجيال وكيف يتولّد التنوع عند النسل؟».

Le génie génétique (2) : techniques et applications

1. Objectifs de la leçon

À la fin de cette leçon, vous devriez être capable de :

  • expliquer le principe de l'amplification en chaîne par polymérase (PCR) et préciser les composants du milieu réactionnel et le rôle de chacun ;
  • justifier la température de chacune des trois étapes du cycle thermique en se référant aux propriétés de l'ADN ;
  • calculer le nombre de copies obtenues après n cycles et justifier le caractère exponentiel de l'amplification ;
  • expliquer le principe de l'électrophorèse et interpréter un profil de bandes à l'aide d'un marqueur de taille ;
  • justifier que l'empreinte génétique repose sur les microsatellites et analyser un profil de filiation ;
  • expliquer le principe du séquençage selon la méthode de Sanger et le relier à la propriété des didésoxynucléotides ;
  • décrire les étapes de production d'une protéine thérapeutique humaine par une bactérie, en justifiant chaque étape ;
  • présenter le principe des organismes génétiquement modifiés, du diagnostic génétique et de la thérapie génique, ainsi que les limites de chacun.

La leçon 24 a présenté les outils du génie génétique et le principe du clonage génique à l'intérieur d'une cellule vivante. Mais le tournant décisif des dernières décennies est venu d'une autre capacité : amplifier un fragment d'ADN et en déterminer la séquence entièrement hors de la cellule, rapidement et à partir de quantités infimes de matériel. Cette leçon présente ces techniques, puis leurs applications médicales et agricoles.

2. L'amplification en chaîne par polymérase (PCR)

2.1 Les composants du milieu réactionnel

Composant Rôle
ADN matrice Contient le fragment à amplifier, même en quantité infime
Deux amorces synthétisées chimiquement Délimitent le début et la fin de la région amplifiée ; chacune est complémentaire d'une des extrémités
ADN-polymérase thermorésistante (Taq) Synthétise les nouveaux brins sans se dénaturer à 95 °C
Les quatre nucléotides Matière première de la synthèse
Tampon et ions Mg²⁺ Conditions de fonctionnement de l'enzyme

2.2 Le cycle thermique et la justification de ses températures

Étape Température Ce qui se produit Justification
Dénaturation ≈ 95 °C Séparation des deux brins Rupture des seules liaisons hydrogène (leçon 16)
Hybridation ≈ 50–65 °C Fixation des deux amorces sur la matrice Une température inférieure à la Tm de l'amorce permet une renaturation spécifique
Élongation ≈ 72 °C Synthèse des brins complémentaires Température optimale de la Taq

2.3 Le caractère exponentiel de l'amplification

À chaque cycle, le nombre de copies double, chaque molécule fille devenant à son tour une matrice :

Nombre de copies après n cycles = N₀ × 2ⁿ

Application numérique : à partir d'une seule molécule, après 30 cycles : 2³⁰ ≈ 1,07 × 10⁹ copies, soit plus d'un milliard de copies en moins de deux heures.

Image 1 — en préparation
Description

Schéma scientifique pédagogique de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate à traits nets, en deux parties. Partie supérieure : le cycle de PCR représenté en trois planches successives reliées par des flèches circulaires, chacune accompagnée d'une étiquette de température : la première, « dénaturation 95 °C », montre une double hélice bleue se séparant en deux brins ; la deuxième, « hybridation 55 °C », montre les deux brins séparés sur lesquels se sont fixées à leurs extrémités de courtes amorces rouges, avec deux flèches opposées indiquant les sens de synthèse ; la troisième, « élongation 72 °C », montre une forme ovale verte annotée Taq progressant depuis chaque amorce et synthétisant un nouveau brin bleu. Une large flèche circulaire ramène de la troisième planche à la première avec la mention « cycle suivant ». Partie inférieure : un graphique du nombre de copies en fonction du nombre de cycles, axe horizontal de 0 à 30 cycles, axe vertical en échelle logarithmique, portant une courbe exponentielle croissante avec trois points repérés aux cycles 10, 20 et 30 portant les valeurs approchées 10³, 10⁶ et 10⁹. Fond blanc épuré, annotations en français, rendu scientifiquement précis et non abstrait

3. L'électrophorèse et l'empreinte génétique

3.1 Le principe de l'électrophorèse

  • l'ADN est chargé négativement en raison de ses groupements phosphate (leçon 16) ; placé dans un champ électrique, il migre donc vers l'anode (pôle positif) ;
  • le gel joue le rôle de tamis : les fragments petits avancent vite et parcourent une plus grande distance, les grands sont retardés ;
  • on dépose dans l'un des puits un marqueur de taille aux fragments connus, ce qui permet d'estimer la taille des bandes par comparaison.

3.2 L'empreinte génétique

Elle repose sur les microsatellites étudiés en leçon 17 : de courtes séquences répétées un nombre de fois variable d'un individu à l'autre (polymorphisme, leçon 23). En les amplifiant par PCR puis en les séparant par électrophorèse, on obtient un profil de bandes propre à chaque individu.

Règle d'analyse génétique : toute bande présente chez l'enfant doit se retrouver chez la mère ou chez le père. Si l'enfant porte une bande absente chez les deux, la filiation est exclue (sauf mutation, événement rare).

Applications : identification en médecine légale, établissement de filiation, identification des victimes de catastrophes.

Image 2 — en préparation
Description

Schéma scientifique pédagogique de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate, organisée en deux panneaux juxtaposés. Panneau de gauche intitulé « principe de l'électrophorèse » : une cuve rectangulaire contenant un gel, une rangée de puits en haut, deux électrodes — une électrode négative bleue en haut près des puits et une électrode positive rouge en bas — avec une flèche verticale indiquant le sens de migration, et trois fragments d'ADN de tailles différentes répartis à des niveaux distincts dans le gel avec la mention « le plus petit migre le plus loin ». Panneau de droite intitulé « lecture d'un profil d'empreinte génétique » : un gel dessiné avec cinq pistes annotées de gauche à droite : marqueur de taille, mère, père, enfant 1, enfant 2 ; chaque piste porte des bandes horizontales noires à des niveaux différents, la piste du marqueur portant des nombres en regard de ses bandes. Les bandes de l'enfant 1 sont mises en évidence par deux cadres colorés reliés par des flèches à la bande correspondante chez la mère et à celle du père, tandis que l'enfant 2 porte une bande encadrée en pointillés absente chez les deux parents, accompagnée d'un point d'interrogation. Fond blanc épuré, annotations en français, rendu scientifique précis et lisible

4. Le séquençage

Principe de la méthode de Sanger : on réalise la synthèse du brin complémentaire à partir d'une amorce, mais on ajoute au milieu, à côté des nucléotides ordinaires, une faible proportion de didésoxynucléotides (ddNTP) marqués d'une couleur distincte pour chaque base.

  • ces nucléotides sont dépourvus du groupement –OH sur le carbone 3' ;
  • dès que l'un d'eux est incorporé, l'élongation s'arrête, faute de l'extrémité sur laquelle la liaison phosphodiester suivante devrait se former (leçon 18) ;
  • l'incorporation étant aléatoire, on obtient un ensemble de fragments de toutes les longueurs possibles, chacun portant à son extrémité une couleur indiquant sa dernière base ;
  • les fragments sont séparés selon leur taille, ce qui permet de lire les bases dans l'ordre.

Ces méthodes ont aujourd'hui laissé place aux techniques de séquençage à haut débit, qui permettent de lire un génome entier en peu de temps et à faible coût, et qui fondent les grands projets génomiques et le diagnostic moléculaire actuel.

5. Les applications

5.1 Production de protéines thérapeutiques : l'insuline humaine

Étape Justification
Extraction de l'ARN messager de l'insuline et conversion en ADNc Éviter les introns, la bactérie ne sachant pas épisser (leçon 24)
Insertion dans un plasmide en aval d'un promoteur bactérien Le clonage ne suffit pas : la machinerie bactérienne doit reconnaître le promoteur
Transformation de bactéries et sélection des recombinantes Isoler les cellules porteuses de la construction
Culture massive en fermenteurs, puis extraction et purification Production industrielle en grandes quantités

Pourquoi ce procédé vaut-il mieux que l'insuline d'origine animale ? Parce que le produit obtenu est rigoureusement humain, ce qui réduit les réactions immunitaires, et parce que la production ne dépend pas de la disponibilité d'organes animaux.

5.2 Les organismes génétiquement modifiés (OGM)

Un organisme dans le génome duquel a été introduit un gène étranger est dit génétiquement modifié : plantes résistantes à des insectes ou à des herbicides, ou de valeur nutritionnelle améliorée ; animaux producteurs de protéines thérapeutiques.

Présentation équilibrée du débat : leurs partisans mettent en avant des rendements supérieurs, un moindre recours aux pesticides et une valeur nutritionnelle améliorée ; leurs opposants soulèvent le risque de transfert de gènes vers des espèces sauvages, un effet possible sur la biodiversité et des questions économiques liées à la propriété des semences. L'évaluation scientifique de ces questions reste liée à chaque cas particulier et au cadre législatif de chaque pays.

5.3 Le diagnostic génétique

  • détection d'un allèle muté à l'aide d'une sonde ou par une PCR spécifique ;
  • diagnostic prénatal ou dépistage chez des personnes à risque héréditaire ;
  • détection d'agents pathogènes (virus, bactéries) par amplification d'une partie de leur génome.

5.4 La thérapie génique

Principe : introduire un allèle fonctionnel dans les cellules d'un patient porteur d'un allèle défectueux, au moyen d'un vecteur le plus souvent viral privé de son pouvoir pathogène.

  • thérapie ex vivo : les cellules du patient sont prélevées, modifiées au laboratoire, puis réinjectées ;
  • thérapie in vivo : le vecteur est injecté directement dans l'organe cible.

Ses limites : la difficulté de diriger le vecteur vers les seules cellules visées, le risque de réaction immunitaire et celui d'une insertion en un site inadéquat du génome. Les techniques récentes d'édition du génome ont ouvert la possibilité de corriger la mutation à son emplacement plutôt que d'ajouter une copie, ce qui soulève à son tour de sérieuses questions éthiques et législatives.

Image 3 — en préparation
Description

Schéma scientifique pédagogique de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate, présentant la production d'insuline humaine par des bactéries en cinq stations horizontales reliées par des flèches de gauche à droite. Station 1 : une cellule pancréatique humaine schématisée d'où sort un ruban d'ARN messager orange, légendée « extraction de l'ARN messager de l'insuline ». Station 2 : une forme ovale violette annotée « transcriptase inverse » produisant un brin d'ADNc bleu, légendée « ADNc sans introns ». Station 3 : un plasmide circulaire vert dans lequel est inséré le brin d'ADNc, avec mise en évidence d'un promoteur bactérien coloré en amont marqué d'une petite flèche, et d'un gène de résistance à un antibiotique, légendée « construction du plasmide recombinant ». Station 4 : une bactérie dans laquelle pénètre le plasmide, et une boîte de Petri portant des colonies sélectionnées, légendée « transformation et sélection ». Station 5 : un fermenteur industriel cylindrique muni de tuyaux, d'où sort un petit flacon contenant des cristaux, légendée « culture massive puis extraction et purification de l'insuline ». Fond blanc épuré, annotations en français, rendu scientifique précis et lisible

6. Exercice résolu

6.1 Un calcul relatif à la PCR

Données : on part de 50 copies d'un fragment d'ADN et on réalise 25 cycles de PCR à rendement théoriquement parfait.

Question : quel nombre de copies attendre en fin de réaction ?

Correction : N = N₀ × 2ⁿ = 50 × 2²⁵ = 50 × 3,36 × 10⁷ ≈ 1,7 × 10⁹ copies.

Question complémentaire : pourquoi l'amplification ne reste-t-elle pas exponentielle indéfiniment en pratique ? Parce que les nucléotides et les amorces s'épuisent progressivement et que l'activité de l'enzyme diminue : la réaction atteint une phase de plateau. Le calcul théorique reste donc une estimation par excès.

6.2 Interprétation d'un profil d'empreinte génétique

Données : profil de bandes de quatre personnes : une mère, un père présumé et deux enfants.

Bande (par taille décroissante) Mère Père présumé Enfant 1 Enfant 2
a + − + −
b − + + −
c + − − +
d − + − −
e − − − +

Analyse :

  • Enfant 1 : il porte les bandes a et b ; a est présente chez la mère et b chez le père présumé. Toutes ses bandes sont expliquées → la filiation est compatible avec les données.
  • Enfant 2 : il porte c (présente chez la mère) et e, absente chez l'un comme chez l'autre → cette bande n'a pu être transmise par le père présumé → sa filiation avec ce père est exclue.

7. Erreurs fréquentes et pièges d'examen

Erreur Correction
« La PCR nécessite une cellule vivante ou un vecteur » Elle se déroule entièrement en tube, avec des composants chimiques et une enzyme
« PCR et clonage génique sont la même chose » Le clonage a lieu dans une cellule au moyen d'un vecteur ; la PCR en tube, sans cellule
« On utilise la Taq parce qu'elle est plus rapide » On l'utilise parce qu'elle supporte 95 °C et ne se dénature pas lors de la dénaturation thermique
« L'étape de dénaturation rompt les liaisons phosphodiester » Elle ne rompt que les liaisons hydrogène (leçon 16)
« C'est la température qui détermine la région amplifiée » Ce sont les amorces qui la déterminent
« Après n cycles, on obtient n copies » L'amplification est exponentielle : N₀ × 2ⁿ
« Les bandes les plus éloignées du puits correspondent aux plus grands fragments » L'inverse : les plus petits migrent le plus loin
« L'ADN migre vers le pôle négatif » Chargé négativement, il migre vers le pôle positif
« L'empreinte génétique compare la totalité du génome » Elle compare un nombre limité de locus répétés polymorphes
« L'empreinte génétique prouve la filiation avec certitude » Elle l'exclut avec certitude et l'établit avec une probabilité statistique très élevée
« Le ddNTP arrête la synthèse parce qu'il est toxique » Parce qu'il est dépourvu du –OH en 3', ce qui rend impossible la liaison suivante
« On introduit dans la bactérie l'ADN génomique de l'insuline » On introduit un ADNc, accompagné d'un promoteur bactérien permettant la transcription
« La thérapie génique corrige la mutation dans toutes les cellules, y compris germinales » Les applications actuelles concernent des cellules somatiques ciblées ; l'intervention sur les cellules germinales est interdite et fait l'objet d'un débat éthique

8. Lexique

Français Arabe
PCR (réaction en chaîne par polymérase) تفاعل البوليمراز المتسلسل
Amorce بادئة
Cycle thermique دورة حرارية
Dénaturation / Hybridation / Élongation تمسخ / تزاوج / استطالة
Électrophorèse هجرة كهربائية
Marqueur de taille مؤشر أطوال
Empreinte génétique بصمة وراثية
Microsatellites تسلسلات دقيقة متكررة
Séquençage تحديد التسلسل
Didésoxynucléotide (ddNTP) نوكليوتيد ثنائي نزع الأكسجين
Organisme génétiquement modifié (OGM) كائن معدَّل وراثيًا
Diagnostic génétique تشخيص جيني
Thérapie génique علاج جيني
Édition du génome تحرير الجنيوم

9. Bilan

  • La PCR est une amplification sélective en tube : matrice + deux amorces + Taq + nucléotides ; son cycle comporte trois étapes aux températures justifiées (95 °C dénaturation, 50–65 °C hybridation, 72 °C élongation). L'amplification est exponentielle : N₀ × 2ⁿ, et la sélectivité vient des amorces, non de la température.
  • L'électrophorèse sépare les fragments selon leur taille : l'ADN étant chargé négativement, il migre vers l'anode à travers un tamis de gel, et le plus petit parcourt la plus grande distance ; les tailles sont estimées grâce à un marqueur.
  • L'empreinte génétique repose sur le polymorphisme des microsatellites ; sa règle est que toute bande de l'enfant doit se retrouver chez l'un des parents. Elle exclut une filiation avec certitude et l'établit avec une probabilité statistique.
  • Le séquençage de Sanger repose sur les ddNTP, dépourvus de –OH en 3', qui interrompent l'élongation : on obtient des fragments de toutes les tailles, lus après séparation.
  • Applications : production de protéines humaines (l'insuline à partir d'un ADNc placé sous promoteur bactérien), OGM avec leurs avantages et les risques débattus, diagnostic génétique, et thérapie génique par vecteur viral avec ses limites techniques et éthiques.

Leçon suivante

Cette leçon achève le sous-domaine « L'information génétique à l'échelle cellulaire et moléculaire » et ses cinq éléments (leçons 16 à 25) ; il est suivi du QCM du sous-domaine qui lui est consacré.

La leçon 26 ouvrira le sous-domaine suivant, « La transmission de l'information génétique lors de la reproduction sexuée », par son premier élément : les aspects chromosomiques de la méiose et le brassage génétique. La question passera alors de « comment l'information est-elle copiée et lue dans la cellule ? » à « comment se transmet-elle entre générations et comment la diversité de la descendance est-elle engendrée ? ».