The Embryo Project Encyclopedia

En avril 1953, James Watson et Francis Crick ont publié « Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid » ou « A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid » dans la revue Nature. Dans l’article, Watson et Crick proposent une nouvelle structure pour l’acide désoxyribonucléique ou ADN. En 1944, Oswald T. Avery et son groupe de l’Université Rockefeller de New York ont publié des preuves expérimentales que l’ADN contenait les facteurs biologiques appelés gènes qui dictent la croissance et le développement des organismes. Les scientifiques ne savaient pas comment la fonction DNAás conduisait au passage de l’information génétique d’une cellule à l’autre, ou d’un organisme à l’autre. Le modèle présenté par Watson et Crick reliait le concept de gènes à l’hérédité, à la croissance et au développement. À partir de 2018, la plupart des scientifiques acceptent le modèle d’ADN de Watson et de Cricks présenté dans l’article. Pour leurs travaux sur l’ADN, Watson et Crick ont partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine de 1962 avec Maurice Wilkins.

La collaboration qui a conduit Watson et Crick à écrire « A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid » a commencé en octobre 1951 peu après l’arrivée de Watson au laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge à Cambridge, en Angleterre. À l’époque, Watson était un chercheur postdoctoral américain de vingt-trois ans et Crick, à l’âge de trente-cinq ans, était doctorant à l’Université de Cambridge. Watson et Crick ont commencé à étudier ensemble la structure de l’ADN peu de temps après son arrivée au laboratoire Cavendish. Ils déjeunaient fréquemment ensemble et discutaient de leur travail et du travail des autres dans le laboratoire. Finalement, des membres supérieurs du laboratoire ont donné à Watson et à Crick un espace de bureau à partager.

En 1944, le groupe Averys de l’Hôpital universitaire Rockefeller a publié un article qui a fourni des preuves expérimentales que l’ADN contenait des gènes. Des décennies avant la publication de l’article de Watson et Cricks, les scientifiques ont trouvé des preuves des blocs constitutifs de l’ADN appelés nucléotides. Les nucléotides sont composés de trois parties. La partie médiane du nucléotide est un sucre désoxyribose attaché à un côté du désoxyribose est un groupe phosphate chargé négativement composé de phosphore et d’oxygène et du côté opposé du désoxyribose se trouve l’une des quatre bases azotées, qui varie entre les nucléotides. Les scientifiques avaient publié sur la structure des quatre bases de l’ADN: l’adénine, la thymine, la guanine et la cytosine. L’adénine et la guanine sont constituées de deux anneaux fusionnés et appelées purines. La cytosine et la thymine sont des structures à anneaux simples appelées pyrimidines.

Lorsque Watson et Crick ont écrit leur article, ils se sont appuyés sur les résultats d’expériences de cristallographie aux rayons X. Pour effectuer une cristallographie aux rayons X, les scientifiques tirent un faisceau de rayons X, qui sont des ondes électromagnétiques de haute énergie sur un cristal. Une fois que le faisceau frappe le cristal, les rayons X se dispersent d’une manière qui dépend des dispositions tridimensionnelles des atomes de ce cristal. L’expérience aboutit à une image, appelée motif de diffraction, que les scientifiques utilisent pour déterminer la structure tridimensionnelle du cristal qu’ils observent. Au cours des années précédant la publication de l’article, les scientifiques ont utilisé la cristallographie aux rayons X pour en apprendre davantage sur la structure tridimensionnelle de l’ADN. Alors que Watson et Crick n’ont jamais mené eux-mêmes d’expériences de cristallographie aux rayons X, ils ont utilisé les données d’expériences menées par d’autres scientifiques pour développer leur modèle d’ADN.

Watson et Crick ont proposé un nouveau modèle pour la structure tridimensionnelle de l’ADN. L’article comportait moins de deux pages et une illustration. Pour commencer l’article, Watson et Crick répondent à un autre modèle d’ADN proposé par Linus Pauling et Robert Corey, deux scientifiques du California Institute of Technology à Pasadena, en Californie. Pauling et Corey ont proposé un modèle alternatif quelques mois seulement avant que Watson et Crick n’écrivent leur article.

Watson et Crick commencent leur article en discutant du modèle alternatif proposé par Pauling et Corey. Bien qu’il ne soit pas décrit en détail par Watson et Crick, le modèle d’ADN de Pauling-Corey était une triple hélice, où chacun des trois brins hélicoïdaux contenait des nucléotides reliés entre eux. Dans le modèle de Pauling-Corey, les groupes phosphates chargés négativement faisaient face à l’intérieur de la triple hélice, et les bases faisaient face à l’extérieur de la triple hélice. Dans leur article, Watson et Crick critiquent le modèle de Pauling-Corey. Premièrement, ils soutiennent que les bases d’ADN ne peuvent pas faire face à l’extérieur avec les groupes phosphate tournés vers l’intérieur. Watson et Crick affirment que les brins d’ADN se lient entre eux à travers les bases, donc si les bases sont tournées vers l’extérieur, il n’y aurait rien reliant les brins d’ADN. Les auteurs ont également fait valoir que si les dorsales en phosphate chargées négativement des brins d’ADN se faisaient face vers l’intérieur, elles se repousseraient mutuellement. De plus, la disposition des atomes dans la structure de Pauling-Corey se repousserait mutuellement. Cela conclut Watson et critique le modèle de Pauling-Corey dans leur article.

Watson et Crick continuent avec une description de leur structure d’ADN proposée et un diagramme pour accompagner leur proposition. Ils définissent leur structure comme une double hélice, avec deux chaînes hélicoïdales enroulées autour d’un axe théorique. Selon Watson et Crick, les brins d’ADN sont antiparallèles les uns aux autres. Cela signifie que les brins courent dans des directions opposées. Les nucléotides ne sont pas des molécules parfaitement symétriques. Ils ont un haut et un bas. Ainsi, lorsque les brins d’ADN sont antiparallèles comme le décrivent Watson et Crick, un brin a les nucléotides orientés vers le côté droit vers le haut et l’autre brin a les nucléotides orientés à l’envers.

Watson et Crick poursuivent la description de leur structure en la comparant à un modèle d’une chaîne d’acides nucléiques proposé par Sven Furberg, cristallographe au Birbeck College, à Londres, au Royaume-Uni, en 1952. Watson et Crick disent que, comme le modèle de Furberg, leur modèle d’ADN a les bases orientées à l’intérieur de la double hélice et les dorsales de phosphate orientées à l’extérieur de la double hélice. Également similaire à la structure des Furbergs, Watson et Crick expliquent que les bases sont perpendiculaires aux cycles de désoxyribose et aux groupes phosphate des nucléotides. En d’autres termes, les bases sont comme des échelons d’une échelle et les groupes sucre désoxyribose et phosphate sont comme les rails de l’échelle. Après avoir décrit quelques détails restants sur leur structure, Watson et Crick terminent leur description générale de leur modèle d’ADN.

Watson et Crick discutent ensuite des nouvelles caractéristiques de leur modèle d’ADN. La première caractéristique discutée par les auteurs est de savoir comment les deux brins d’ADN sont connectés. Les auteurs affirment qu’une seule base d’un brin d’ADN se fixe à une seule base du brin d’ADN opposé via des liaisons hydrogène. Dans l’ADN, des liaisons hydrogène se produisent entre les atomes d’hydrogène et les atomes d’oxygène ou d’azote. Alors que les liaisons hydrogène sont plus faibles que les liaisons phosphate reliant les nucléotides ensemble dans chaque brin d’ADN, elles sont suffisamment fortes pour maintenir les deux brins hélicoïdaux ensemble. Watson et Crick expliquent que pour qu’une liaison hydrogène adéquate se produise, au sein de chaque paire de bases connectées, une base doit être une purine, un double cycle, et une base doit être une pyrimidine, un seul cycle.

Ensuite, Watson et Crick décrivent l’identité spécifique de chaque base dans une paire de bases. Les auteurs supposent que chacune des quatre bases ne peut s’apparier qu’avec un autre type de base. L’adénine, une purine, ne peut s’apparier qu’avec la thymine, une pyrimidine. La guanine, une purine, ne peut s’apparier qu’avec la cytosine, une pyrimidine. Sur la base de cette logique, Watson et Crick expliquent que la séquence de bases le long d’un brin d’ADN détermine automatiquement la séquence de l’autre brin. Chaque base le long d’un brin d’ADN se couple avec sa seule contrepartie viable sur le brin opposé. Pour étayer leur affirmation sur l’appariement de base spécifique, Watson et Crick citent des preuves expérimentales. Erwin Chargaff de l’Université Columbia de New York a obtenu ces preuves. Les auteurs expliquent que Chargaff a déterminé que dans l’ADN, le rapport adénine / thymine et guanine / cytosine est toujours à peu près un pour un. Cela signifie que la quantité d’adénine dans l’ADN est à peu près égale à la quantité de thymine, et la quantité de guanine est à peu près égale à la quantité de cytosine, ce qui est le cas probable si l’appariement des bases dans l’ADN est spécifique.

Après la discussion sur l’appariement des bases, Watson et Crick concluent avec des preuves de cristallographie aux rayons X qu’ils ont utilisées pour générer leur modèle d’ADN. Watson et Crick reconnaissent que les preuves cristallographiques aux rayons X de l’ADN publiées avant d’écrire leur article ne pouvaient pas confirmer leur modèle à eux seuls et qu’il faut plus de preuves expérimentales pour prouver leur modèle. Watson et Crick postulent alors que le mécanisme d’appariement des bases qu’ils ont proposé impliquait un mécanisme de réplication possible de l’ADN, bien qu’ils ne décrivent pas ce mécanisme. Les auteurs terminent ensuite leur article par des remerciements.

Pour développer leur modèle d’ADN, Watson et Crick se sont appuyés sur des données expérimentales non publiées en cristallographie aux rayons X. Des scientifiques du Kings College London à Londres, au Royaume-Uni, ont collecté ces données. Rosalind Franklin, une chimiste, et son étudiant diplômé, Raymond Gosling, ont collecté les données. Watson et Crick ont reconnu ces personnes dans leur document. De 1951 à 1953, Franklin et Gosling ont recueilli des images de diagramme de diffraction des rayons X de l’ADN, qu’ils ont obtenues à partir des rayons X des cristaux d’ADN. Lorsque Watson et Crick ont écrit « A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid », Franklin et Gosling n’avaient pas publié leurs images de diffraction de l’ADN les plus claires, malgré des améliorations par rapport aux données publiées à l’époque. Au début de 1953, à l’insu de Franklins, Maurice Wilkins, un collègue du Kings College, a montré à Watson l’un des modèles de diffraction clairs de l’ADN de Franklins. Plus tard, Watson et Crick ont reçu un rapport que Franklin a écrit sur ses résultats expérimentaux. Ce rapport contenait des données présentées par Franklin lors d’un colloque au Kings College en 1951. Lors de l’élaboration de leur propre modèle d’ADN, Watson et Crick ont tiré des conclusions à partir des données contenues dans l’image de diffraction de Franklins et dans son rapport.

En 1962, Watson et Crick ont partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine avec Wilkins pour leurs découvertes relatives à la structure de l’ADN et à son rôle en génétique, dont beaucoup sont apparues dans « A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. »Franklin est décédé en 1958 avant l’attribution du Prix Nobel de 1962 et n’a pas reçu le Prix Nobel, l’attribution du Prix Nobel n’est jamais posthume. Certaines personnes spéculent que si elle était vivante, elle le recevrait pour sa contribution à la résolution de la structure de l’ADN. D’autres ne pensaient pas qu’elle avait apporté des contributions cruciales à la solution de la structure de l’ADN. Le rouleau Franklin a joué dans la découverte de la structure seulement réalisée après la publication du livre de Watsons The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA en 1968. Aaron Klug, dernier étudiant diplômé de Franklins et collègue au Birkbeck College, à Londres, a hérité de ses cahiers et de ses papiers à sa mort et a publié, « Rosalind Franklin et la découverte de la structure de l’ADN » une revue de ses cahiers et de ses papiers après la publication du livre Watsons. Franklin et Gosling ont publié cinq articles sur la structure de l’ADN, les deux premiers envoyés à la presse avant que Franklin ne connaisse le modèle de Watson-Crick. Ces articles étaient des articles très techniques traitant de la cristallographie aux rayons X, ce qui explique peut-être pourquoi ils n’ont pas reçu plus d’attention.

La structure de l’ADN de Watson et Cricks reste largement acceptée par les scientifiques tout au long du XXIe siècle. La structure tridimensionnelle de l’ADN proposée par Watson et Crick s’appelle l’ADN de forme B, terminologie inventée par Franklin lorsqu’elle a collecté pour la première fois des modèles de diffraction de cette forme d’ADN. L’ADN de forme B est la conformation la plus stable de l’ADN dans des conditions physiologiques, bien que l’ADN puisse adopter d’autres confirmations tridimensionnelles en fonction de sa séquence de base et de son environnement environnant. Pendant les sept années qui suivent la publication en 1953 de  » A Structure of Deoxyribonucleic Acid « , Wilkins et son équipe de recherche obtiennent des images de diffraction des rayons X de plus haute résolution de l’ADN de forme B provenant de diverses espèces. À partir des images de meilleure qualité, Wilkins a apporté de petits ajustements aux dimensions de la structure de l’ADN de Watson et de Cricks.

«  »Une structure de l’acide nucléique désoxyribose » a eu des impacts immédiats à la fois sur l’étude de l’ADN en tant que matériel génétique et sur le domaine de la biologie moléculaire. L’article de Watson et Cricks a éloigné les scientifiques de la question de la structure de l’ADN et de son fonctionnement. Plus tard en 1953, Watson et Crick écrivent un deuxième article, « Implications génétiques de la structure de l’acide désoxyribonucléique », qui traite de la façon dont l’ADN peut s’auto-répliquer pour transmettre l’information génétique codée en son sein.