La technique de polymérisation en chaîne (en anglais « polymerase chain reaction ») ou PCR, permet d’amplifier des millions de fois un unique fragment d’ADN. Cette méthode est devenue un outil précieux non seulement pour la recherche en biologie moléculaire mais également pour le diagnostic médical, la détermination de microorganismes ou encore la criminologie. L’invention de la PCR revient à Kary Mullis dans les années 80. Il obtint pour cette découverte le Prix Nobel de Chimie en 1993. La découverte d’ADN polymérases thermorésistantes (la Taq polymérase par exemple) isolées de bactéries (Thermus aquaticus) vivant dans des sources d’eau chaude a facilité l’utilisation de la PCR et a permis son automatisation.

Thèmes : la PCR, la structure du génome humain, le génotypage, la criminologie, l’ADN, l’électrophorèse.

La PCR : Une réaction de PCR nécessite :

1. de l’ADN à amplifier (dénommé template)
2. des amorces (également appelés primers)
3. des desoxynucléotides triphosphates (dATP, dCTP, dGTP, dTTP)
4. une  ADN polymérase thermorésistante (la Taq par exemple)
5. du magnésium (Mg++) indispensable au fonctionnement de l’ADN polymérase

Ces 5 ingrédients sont mélangés dans un tube à essai et soumis à différents cycles de températures.

1ère étape : la dénaturation (94°C). L’ADN template est chauffé à 94°C. Les deux brins de l’ADN se séparent. On parle de dénaturation de l’ADN. 2ème étape : l’hybridation (40-65°C). En descendant la température, les amorces s’apparient (s’hybrident) par complémentarité à leurs séquences cibles sur l’ADN. 3ème étape : l’élongation (72°C). A cette température, la Taq synthétise les brins d’ADN complémentaires en ajoutant des desoxynucléotides triphosphates à la suite des amorces. Le temps d’élongation dépend de la taille du fragment à amplifier et de la vitesse de polymérisation de l’enzyme (la Taq ajoute environ 1000 nucléotides par minute).

Ces trois étapes correspondent à 1 cycle de PCR, à la suite duquel on a doublé le nombre de fragment d’ADN cible initial. Environ une trentaine de cycles sont en principe effectués dans une expérience de PCR classique. Ainsi, après 30 cycles on aura amplifié 2n fois notre ADN cible.

 

Un schéma de l'amplification par PCR est visible ici:

Les VNTR: L’ADN  de très nombreux organismes vivant contient des séquences de nucléotides répétées en tandem les unes à la suite des autres. Ces séquences sont dénommées VNTR (variable numbers of tandem repeats). Le nombre de ces répétitions varie d’un individu à l’autre (de 0 à 300 répétitions) formant ainsi une empreinte génétique utilisée en criminologie, pour des recherches de paternité, ou encore pour étudier la génétique des populations.

Le locus D1S80 est situé sur le chromosome 1. Ce VNTR possède un motif de 16 pb répété de 14 à 41 fois suivant les individus (27 allèles différents). En regardant le nombre de répétitions sur les deux chromosomes 1 (le maternel et le paternel), on obtient ainsi  789 génotypes possibles (27x27=789).

L'EXPERIENCE:

Afin d’éviter toute contamination d’ADN, il est préférable d’utiliser des gants pendant toutes les manipulations.
Cette expérience peut être envisagée sous la forme d’une enquête policière : Un individu est venu dans le laboratoire de biologie saboter des expériences. Lors de ses méfaits il a laissé un indice : de la salive, ou un cheveu. Toute la classe est considérée comme « suspect potentiel » et le but de l’expérience sera de mettre la main sur le coupable. Le profile (génotype) de chaque élève pour ce locus sera observé sur gel d’agarose et comparé au profil du suspect. Le nombre de répétitions de chaque élève pourra également être déterminé.

Protocole :

La quantité d’ADN peut être critique pour obtenir des bons résultats. Bien qu’il soit possible d’effectuer cette expérience à partir d’un bulbe de cheveux il est préférable d’utiliser des cellules de la bouche, plus nombreuses, et obtenues facilement à partir de l'intérieur des joues.

1) Extraction d'ADN

1a) A partir de cellules épithéliales de la bouche:

• Mettre 500 µl d'H2O dans un tube Eppendorf
• Frotter abondamment l’intérieur des joues avec un écouvillon (coton tige) stérile afin d’obtenir un maximum de cellules épithéliales
• Tremper l'écouvillon dans le tube contenant les 500 µl d'H2O. Tourner l'écouvillon et le frotter contre les parois du tube
• Bien essorer l'écouvillon en le sortant du tube
• Centrifuger le tube 2 minutes à la vitesse maximum afin de faire tomber les cellules épithéliales.
• A l’aide de la P1000 enlever le surnageant en prenant soin de laisser le culot de cellules au fond du tube. Attention à ne pas aspirer le culot de cellules. Le cas échéant centrifuger à nouveau la salive.
• Ajouter 0.1 ml de solution de NaOH 200 mM sur le culot et le resuspendre en vortexant ou en pipetant à l'aide de la P1000
• Fermer le tube et incuber à 95 °C  pendant 10 minutes dans le bloc chauffant
• Vortexer brièvement
• Ajouter 0.1 ml de HCl 200 mM dans votre tube.
• Ajouter 0.1 ml Tris-HCl (pH 8.5) 200 mM dans votre tube.
• Votre préparation d’ADN est prête et peut être stockée au congélateur ou utilisée directement pour la suite de l’expérience

1b) Alternative possible: à partir de follicules de cheveux

• Préparer un tube Eppendorf contenant 0.1 ml de NaOH 200 mM
• Marquer votre tube avec vos initiales
• Arracher 3 ou 4 cheveux avec leur bulbe. La racine du cheveu (bulbe) contient quelques cellules. Attention, ce bulbe, visible par un amas élargi à la base du cheveu, n’est pas toujours présent sur le cheveu quand on l’arrache.
• Mettre les cheveux dans le tube Eppendorf contenant 0.1 ml de NaOH 200 mM en prenant soin de faire tremper les bulbes dans la solution.
• Vérifier que la racine se trouve bien dans le NaOH et n’est pas collée sur le côté du tube.
• Eventuellement utiliser une pointe jaune stérile pour mettre la racine dans le liquide

• Fermer le tube en coinçant éventuellement le cheveu dans le couvercle.
• Couper les cheveux qui dépassent de trop.
• Incuber le tube Eppendorf à 95°C pendant 10 minutes dans le bloc chauffant.
• A cette étape les cheveux se dissolvent légèrement dans le NaOH.
• Centrifuger brièvement (5 secondes) le tube (pour faire tomber la condensation au fond).
• Ajouter 0.1 ml de HCl 200 mM dans votre tube.
• Ajouter 0.1 ml Tris-HCl (pH 8.5) 200 mM dans votre tube.
• Votre préparation d’ADN est prête et peut être stockée au congélateur ou utilisée directement pour la suite de l’expérience.
   

• 2) Amplification par PCR

• Préparer le mélange de réactif pour la PCR juste avant l'emploi. Ce mélange contient le 2 x Taq mix (taq polymérases, dNTPs, tampon de polymérisation et tampon de charge rouge), les primers et de l’H2O.
• Pour une classe de 16 élèves par exemple, on compte 16 réactions plus un contrôle négatif ainsi qu'un contrôle positif soit un total de 18 réactions. Afin de faciliter le pipetage et pour avoir assez de matériel en cas d'erreurs nous prévoyons un mélange pour 22 réactions.

	1 réaction	22 réactions
2xTaq ReadyMix	12.50 µl	275 µl
Primers mix D1S80	5.00 µl	110 µl
DMSO	1.25 µl	27.5 µl
H2O	1.25 µl	27.5 µl

 

• Ce mélange est préparé dans un tube Eppendorf 1.5 ml juste avant l’emploi. Mélanger en pipetant en haut et en bas délicatement.
• Distribuer ensuite les 20 µl du mélange dans les petits tubes de PCR préalablement marqués sur le côté par les initiales des personnes à tester.
• Dans votre petit tube ajouter 5 µl de votre solution d’ADN. Fermer le tube.
• Dans le petit tube PCR destiné au contôle négatif, ajouter 5 µl d’H2O à la place de l’ADN. Fermer le tube.
• Dans le petit tube PCR destiné au contôle positif, ajouter 5 µl d’ADN B2B. Fermer le tube.
• En suivant les instructions du mode d'emploi de la machine PCR, mettre les tubes dans la machine et lancer le programme D1S80.
• Le programme dure environ 1h15. Il comporte les cycles suivants:

94°  5 minutes
94°  30 secondes	}
65°  30 secondes		30 cycles
72°  30 secondes
72°  5 minutes

 

• A la fin de la réaction de PCR les tubes peuvent être gardés au congélateur
• Arrêter la machine PCR en suivant les indications du mode d’emploi.

 

3) Préparation du gel d’agarose

Le gel d'agarose est une matrice pour séparer les molécules d'ADN selon leur taille dans un champ électrique. Les petits fragments migrent plus vite que les grands, la concentration d'agarose est choisie en fonction de la taille des fragments à séparer. Ici nous allons utiliser un gel à 1.5% d’agarose.

Les cuves d'électrophorèse possèdent des petits blocs en plexi pour protéger les électrodes. Souvent les cuves sont déformées et les blocs ne rentrent plus. Il suffit donc de couper, après solidification du gel, une petite lamelle d’agarose en haut et en bas du gel pour libérer les électrodes.

 

4) Analyse des génotypes sur gel

• Récupérer vos tubes. Ils contiennent déjà le tampon de charge (rouge) et sont donc prêts à être mis sur gel.
• Charger le gel:

1er puit: 5 µl de marqueur de taille

2ème puits et suivants: 20 µl de vos échantillons.

Avant dernier puits: le contrôle négatif.

Dernier puits: le contrôle positif.

• Allumer le transformateur et faire migrer à 100V (ampérage maximum).
• Quand le colorant rouge de migration arrive en bas du gel, arrêter le transformateur.
• Laisser refroidir le gel quelques instants. Eventuellement en le mettant au frigo. L’intensité du signal sera ainsi plus forte.
• Prendre le gel et visualiser les bandes sous la lampe bleue.
• Prendre une photo.

5) Résultats et discussions

• D’après la taille des fragments obtenus, identifier le saboteur.
• D’après la taille de vos fragments obtenus, déterminer le nombre de répétition pour chacun de vos allèles.
• Le contrôle positif donne 1 bande d’environ 500 pb et une autre d’environ 600 pb.

Pour déterminer précisément la taille des fragments il faut tracer un graphique du log de la taille (en pb) du marqueur en fonction de la distance de migration (en mm) depuis le puits comme dans l’exemple ici.

Pour convertir la taille d’un allèle en nombre de répétition utiliser la formule suivante :

 

 

Voici un exemple de résultat :