Biologie Génétique F2

Cours de génétique - Plan du cours

• Le sujet de la génétique : introduction à la génétique
• Les lois de la génétique : la génétique mendélienne
  • La dominance
  • La récessivité
  • Les gènes, les allèles
• La théorie chromosomique de l'hérédité
  • La détermination du sexe
  • Les autosomes
  • La mitose
  • La méiose
• Le linkage et la recombinaison génétique
  • La nature du matériel génétique
  • La transformation pneumococcale
  • L'expérience de Hershey-Chase
  • L'ADN comme molécule porteuse de l'information génétique
• Des gènes aux génotypes
  • Le dogme central de la biologie moléculaire : de l'ADN à l'ARN aux protéines
  • Les interactions entre les gènes
  • L'information non-chromosomique et les facteurs épigénétiques
• Systèmes génétiques
  • Les bactéries
  • La levure
  • La souris
  • Le poisson
  • La mouche à fruits (Drosophile)
  • Le nématode (c. elegans)

Définition et concepts fondamentaux de la génétique

• Définition : L'étude des caractères biologiques héréditaires
• Concept fondamental : les caractères héréditaires sont déterminés par les éléments de l'hérédité (gènes) qui sont transmis des parents à leurs descendants lors de la reproduction.

Grandes dates de la génétique

• 1866 : Publication des "trois lois de l'hérédité" de Mendel.
• 1900 : Redécouverte des travaux de Mendel après 30 ans d'oubli.
• 1909 : Utilisation du terme "génétique" pour la première fois.
• 1911 : Le généticien américain T.H. Morgan crée un grand nombre de mutations chez la mouche Drosophile, montrant que les chromosomes portent les gènes.
• 1933 : T.H. Morgan reçoit le prix Nobel de médecine.
• 1944 : Avery, MacLeod et McCarty démontrent que l'ADN transporte les informations génétiques.
• 1952 : Hershey et Chase confirment le rôle de l'ADN comme porteur d'information génétique.
• 1953 : Watson, Crick et Wilkins découvrent la structure en double hélice de l'ADN.
• 1962 : Watson, Crick et Wilkins reçoivent le prix Nobel de médecine.
• 1970 : Développement des techniques d'ADN recombinant par Berg, Cohen et Boyer.
• 1983 : Gusella met au point une technique pour identifier les gènes responsables de maladies.
• 1990 : Début du Projet Génome Humain.

Génétique moléculaire

• 1944 : La confirmation du rôle de l'ADN comme support de l'information génétique.
• 1952 : L'expérience de Hershey et Chase, qui conclu que le matériel génétique était constitué d'ADN.
• 1953 : Découverte de la structure de l'ADN en double hélice par Watson, Crick et Wilkins.

Génie génétique

• 1970 : Développement de méthodes permettant de couper l'ADN.
• 1983 : Découverte d'une technique pour identifier le gène responsable de la maladie de Huntington.
• 1990 : Lancement du Projet Génome Humain.

Loi de dominance

• Un organisme ayant des formes variables d'un gène exprimera la forme dominante.
• Homogénéité de la F1.

Loi de ségrégation

• Expliquer le passage des allèles
• Deux membres d'une même paire génique (allèles) vont ségréguer lors de la formation des gamètes.
• La moitié des gamètes porte un allèle et l'autre moitié porte l'autre allèle.

Analyse mendélienne de la transmission d'un caractère

• Croisements de variétés ne différant que par un caractère (monohybridisme).
• Exemple de la forme de la graine de pois.
• Mendel croise des lignées pures et produit des hybrides

Les conclusions de Mendel

• Le caractère « ridé » est réapparu à la seconde génération (F2).
• Deux formes (allèles) pour le gène.
• Chaque parent contribue une unité d'hérédité (allèle).
• Chaque descendant possédera deux unités (allèles).
• Dans la première génération (F1), tous les individus possèdent un allèle pour les pois lisses et un allèle pour les pois ridés. L'allèle lisse (« A ») est dominant.

Vocabulaire

• Phénotype : ensemble des caractères apparents d'un individu.
• Gènes : facteurs déterminant les caractères apparents.
• Génotype : ensemble des gènes d'un individu.
• Allèle : une des formes possibles d'un même gène.
• Homozygote : individu avec deux allèles identiques d'un gène.
• Hétérozygote : individu avec deux allèles différents d'un gène.
• Allèle dominant ou récessif : selon la dominance d'un caractère par rapport à l'autre.

Les premiers principes de Mendel

• Des biologistes avaient observé les résultats des croisements de plantes.
• Mendel établit une approche scientifique en utilisant des pois.
• Sept caractères observables et facilement identifiables : forme, couleur de la graine, couleur de l'enveloppe, forme, couleur de la gousse, position et longueur de la tige.

Analyse mendélienne de transmission d'un caractère

• Croisement de variétés ne différant que par un caractère (monohybridisme).
• Exemple le plus célèbre, la forme de la graine du pois (lisse ou ridée).
• Mendel croise deux lignées pures (P)
• Les résultats montrent que tous les hybrides produisent des graines lisses. La génération suivante (F2) présente les deux formes à un ratio de 3:1 (lisse / ridée).

La loi de dominance

• Un organisme avec des formes variables d'un gène exprimera la forme dominante.
• Homogénéité de la F1.
• Dans ce cas, cela signifie que un caractère est dominant par rapport à un autre, exprimant ainsi une forme.

Dihybridisme

• Mendel s’intéresse à la transmission de plusieurs caractères.
• Exemple : plantes avec des pois lisses jaunes (RRYY) vs ridés-verts (rryy).
• Génération F1 : tous les pois sont lisses et jaunes (RrYy).
• Génération F2 : ratio de 9 : 3 : 3 : 1.

L'échiquier de croisement de Punnett

• Grille à deux entrées permettant d'établir toutes les combinaisons de gamètes.
• Représentation schématique des croisements.
• Illustre les probabilités décrivant la fréquence des descendants.

Quelques gamètes

• 25 % RY, 25 % Ry, 25 % rY, 25 % ry

Théorie chromosomique de l'hérédité

• Les principes de Mendel combinés aux preuves cytologiques (mitose et méiose).
• Les chromosomes se divisent longitudinalement pendant la division cellulaire.
• Les chromosomes divisés se répartissent également entre les cellules filles.

Les chromosomes sont les porteurs des gènes.

• Plus de loci (gènes) dans un organisme que de chromosomes.
• Chaque chromosome porte plusieurs loci.

Les chromosomes sexuels

• Les chromosomes sexuels interviennent dans la détermination du sexe.
• Ils peuvent être génétiquement différents.

La détermination du sexe

• Chez les abeilles, les mâles sont haploïdes et les femelles sont diploïdes.
• Le sexe (chez certaines espèces) peut être déterminé par un ou plusieurs allèles.
• Des facteurs environnementaux peuvent influer sur la détermination du sexe.

Quatre types de déterminations chromosomaux du sexe

• Système XY : les femelles homomorphiques XX, les mâles hétéromorphiques XY.
• Système ZW : les femelles hétéromorphiques ZW, les mâles homomorphiques ZZ.
• Système XO : les femelles ont deux chromosomes sexuels X, les mâles n'ont qu'un chromosome sexuel X. Les femelles XX et les mâles sont XO.
• Système composé : plusieurs chromosomes X et Y multiples.

Détermination du sexe par l'environnement

• Chaque individu a l'ensemble des gènes nécessaires pour être mâle ou femelle.
• L'expression des gènes mâles ou femelles dépend de l'environnement.
• Exemple : alligator et crocodile.

Inactivation du chromosome X (Lyonisation)

• Chez les femelles (XX), l'un des chromosomes X est inactivé aléatoirement.
• Ceci a lieu durant l'embryogenèse et influence leurs traits liés au chromosome X.
• Exemple chez le chat.

Autres différences selon le sexe

• Les traits limités par le sexe sont transmis par les autosomes, mais exprimés uniquement chez l’un des deux sexes (ex : plumage chez les oiseaux).
• Les traits influencés par le sexe s'expriment plus fortement chez les individus d'un sexe (ex : calvitie masculine chez l'humain).

La division cellulaire

• Processus complexe de reproduction cellulaire avec une duplication exacte et une division égale de l'ADN.
• Création de progéniture identique au parent chez les organismes unicellulaires.
• Croissance, développement et réparation chez les organismes pluricellulaires.

Deux types de division cellulaire

• Mitose : division du noyau pour produire deux cellules identiques à la cellule mère (nombre de chromosomes identique).
• Méiose : division du noyau qui réduit le nombre de chromosomes de moitié pour produire des gamètes (cellules sexuelles).

Concepts importants

• Cellule-mère avec nombre pair de chromosomes = diploïde (2n).
• Gamètes avec moitié de chromosomes = haploïde (n).
• Toutes les cellules d’une espèce ont 2n chromosomes, sauf les cellules sexuelles matures qui sont haploïdes (n).
• Chaque espèce a un nombre exact de chromosomes dans les cellules somatiques.

Concepts importants (suite)

• Chaque chromosome est une molécule complexe d'ADN avec des protéines associées.
• Le complexe ADN-protéines = chromatine, enroulée et repliée. Les chromosomes paternels et maternels se rejoignent lors de la fécondation pour former un zygote avec 2n chromosomes.

Cycle cellulaire

• La mitose est une partie du cycle cellulaire.
• Différentes étapes : G1, S, G2 et M (mitose).

L'interphase

• Phase G1 : croissance, lacune pré-réplication.
• Phase S : duplication du chromosome, quantité d'ADN double.
• Phase G2 : croissance, lacune post-réplication, préparation à la division.

La mitose

• Processus pour augmenter le nombre de cellules (proliferation).
• Assure que les cellules somatiques d'un organisme ont la même composition génétique.
• Reproduction asexuée.
• Quatre étapes clés: prophase, métaphase, anaphase et télophase.

Prophase

• Les chromosomes se condensent et deviennent visibles.
• La membrane nucléaire se désintègre.
• Les centrioles se déplacent vers les pôles opposés.
• Le fuseau mitotique est formé.

Métaphase

• Les chromosomes alignés sur le plan équatorial du fuseau.

Anaphase

• Les centromères se séparent, les chromatides sœurs se séparent et migrent vers les pôles opposés de la cellule.

Télophase

• Les chromosomes atteignent les pôles opposés de la cellule.
• De nouvelles membranes nucléaires se forment autour des chromosomes.
• Les chromosomes se décondensent.
• La cytocinèse (division du cytoplasme) commence.

Cytokinese

• Division du cytoplasme pour former deux cellules filles.
• Différences dans la cytocinèse entre cellules animales et végétales.

La méiose

• Se produit uniquement dans les organismes à reproduction sexuée.
• Objectif : réduire le nombre de chromosomes pour former des gamètes haploïdes (n).
• Deux divisions cellulaires distinctes.
• Division réductionnelle (méiose I) : les chromosomes homologues se séparent, produisant 2 cellules filles avec la moitié du nombre de chromosomes. Division équatoriale (méiose II) : les chromatides sœurs se séparent, produisant 4 cellules filles, chaque avec un nombre haploïde de chromosomes.

Méiose I : Phase Réductionnelle

• Début de la condensation de la chromatine
• Les chromosomes homologues s'unissent pour former des paires (synapses).
• Le complexe synaptonème se forme entre les homologues pour faciliter l'appariement.
• Les chromosomes continuent à se raccourcir et les chromatides sœur deviennent évidentes sous formes de tétrades.
• L'échange de matériel entre chromatides (crossing-over) a lieu.
• Les fuseaux s'attachent aux centromères.

Métaphase I

• Chaque paire de chromosomes homologues (tétrades) se place à la plaque équatoriale.
• Les chromosomes s'alignent le long de l'équateur de la cellule.

Anaphase I

• Chaque chromosome de chaque paire d'homologues se sépare et se déplace vers un pôle opposé de la cellule.
• Les chromosomes homologues sont séparés par les fibres du fuseau.
• La formation de la dyades (chromatides sœurs) à chaque pôle.

Télophase I

• Similaire à la télophase de la mitose.
• Un nouveau noyau haploïde se forme dans les deux cellules.
• Condensation, décondensation des chromosomes.

Méiose II - Phase équationnelle

• Deuxième division de la méiose est une division équationnelle.
• Les cellules filles auront le même nombre de chromosomes que les cellules mères.

Le résultat de la méiose est 4 cellules haploïdes

• 4 cellules haploïdes avec des chromosomes ayant fait le crossing-over.
• La méiose produit des cellules haploïdes ayant des chromosomes croisés (recombinants).

Résumé de la méiose

• Cellules après mitose : 1 cellule (2n=4, bicromatidiens).
• Prophase I, Métaphase I, Anaphase I, Télophase I (cellules (n=2, bichromatidiens)).
• Prophase II, Métaphase II, Anaphase II, Télophase II (4 cellules (n=2, monochromatidiens)).

Différences entre mitose et méiose

• Mitose : cellules somatiques, cellules filles génétiquement identiques, cellules filles sont diploïdes, se produit dans tous les tissus, ADN et division cellulaire.
• Méiose : cellules gamétiques, cellules filles génétiquement différentes, cellules filles sont haploïdes, se produit dans les gonades, deux cycles de division cellulaires, prophase de méiose 1 est complexe.

Qu'est-ce que la ségrégation indépendante?

• Lors de la méiose, les allèles d'un locus vont se distribuer dans les gamètes de façon indépendante des allèles situés dans un autre locus.
• Cela augmente la diversité génétique des descendants.

La recombinaison génétique

• Phénomène important lors de la méiose qui augmente la diversité génétique.
• Les chromosomes homologues s'associent puis échangent des segments avant de se séparer.
• Ce brassage génétique de gènes différent des différentes cellules.

Production de nouvelles combinaisons d'allèles

• Par la distribution aléatoire des chromosomes paternels et maternels.
• Par l'échange de matériel génétique entre les chromosomes (crossing-over).

Liaisons génétiques

• Gènes sur le même chromosome ont plus de chance d'être transmis ensemble.
• Fréquence de recombinaison mesure la proximité des gènes sur un chromosome.
• Utilisé pour cartographier les gènes.

Cartographie de gènes

• Les gènes sont organisés de façon linéaire en groupes de liaison.
• La fréquence de recombinaison est proportionnelle à la distance entre les gènes.

Expérience de Griffith (1928)

• Découverte de la transformation bactérienne.
• Utilise les pneumocoques (bactéries causant la pneumonie).
• Transformation bactérienne : des bactéries non virulentes (R) peuvent devenir virulentes en présence d'extraits de bactéries virulentes (S) tuées thermiquement.

Expérience d'Avery, MacLeod et McCarthy (1944)

• Essaient d'identifier la substance responsable de la transformation.
• Concluent que l'ADN est matériel transformant.
• L'ADN est une molécule transmissible.

Expérience de Hershey et Chase (1952)

• Confirmation du rôle de l'ADN comme support de l'information génétique.
• Utilise des bacteriophages (virus infectant les bactéries).
• Marquent l'ADN avec du phosphore radioactif et les protéines avec du soufre radioactif.
• Déterminent que l'ADN pénètre dans la cellule bactérie et est responsable de la production de nouveaux bacteriophages.
• L'ADN est le matériel génétique.

Dogme central

• La réplication de l'ADN sert à perpétuer l'information génétique.
• L'expression des gènes implique la transcription et la traduction pour générer les protéines.
• L'ARN est synthétisé à partir de l'ADN par la transcription et ensuite traduit en protéines par la traduction.

Concepts de base

• La réplication sert à perpétuer l'information sous forme d'ADN ou ARN pour les virus.
• L'expression implique deux processus : la transcription puis la traduction.
• L'ARN est synthétisé à partir de l'ADN qui sert de gabarit.
• L'ARN messager migre dans le cytoplasme.
• Le flux d'information passe d'acides nucléiques (ADN, ARN) aux protéines et jamais dans le sens inverse.

Types d'ARN

• ARNm : copie codante du gène structural, contient l'information pour la protéine.
• ARNt : adaptateur utilisé lors de la traduction, contient le code génétique (< 100 bases).
• ARNr : la majorité de l'ARN dans la cellule (> 90%), partie intégrante des ribosomes.
• ARNs : rôle dans la régulation génétique.

Transcription

• La polymérisation des nucléotides.
• Enzymes nécessaire à la réaction : RNA polymérases ADN dépendantes.
• Matrice d'ADN simple brin.
• Les 5' ribonucléotides.
• 3 phases : initiation, élongation et terminaison.

Transcription chez les procaryotes

• L'ARN polymérase est un complexe.
• Une protéine particulière (facteur sigma).
• Reconnaissance des séquences spécifiques situées en amont du point d'initiation.
• Début de l'étape d'élongation.
• Passage à l'élongation vers le site de terminaison.

Transcription chez les eucaryotes

• 3 ARN polymérases.
• L'ARN polymérase I transcrit les gènes ribosomiques.
• L'ARN polymérase II transcrit tous les ARNm nucléaires.
• L'ARN polymérase III transcrit les petits ARN (ARNt).

Maturation chez les eucaryotes

• Formation de la coiffe (cap) en 5'.
• Addition d'une séquence polyadénylée en 3'.
• Épissage: excision des introns et jonction des exons.
• Transport de l'ARNm dans le cytoplasme pour la traduction.

Épissage

• Processus qui enlève les introns et joint les exons pour obtenir un mRNA mature.

Traduction

• Mécanisme qui convertit l'information génétique du mRNA en séquence d'acides aminés pour la production de protéines.
• Code génétique utilise des codons (triplets de nucléotides) pour spécifier les acides aminées.
• Code redondant : plusieurs codons peuvent spécifier le même acide aminé.

ARN de transfert (ARNt) et liaison des acides aminés

• Petit (environ 70 nucléotides).
• Deux fonctions: liaison à un acide aminé spécifique, reconnaissance d'un codon précis grâce à un anticodon (triplet complémentaire).

La synthèse des protéines

• Chaque ribosome est constitué de 2 sous-unités.
• Les ribosomes se mettent en place en phase d'initiation.
• La petite sous unité reconnaît l'ARNm et s'y fixe
• La grosse sous unité vient compléter le ribosome.
• Les ARNt sont chargés en acides aminés.

Contrôle de l'expression génique

• Contrôle au niveau de la chromatine.
• Contrôle au niveau de la transcription.
• Expression basale.
• Transcription régulée (expression constitutive, tissu-spécifique, inductible, répression).
• Transport, maturation, stabilité des ARNm.

Méthylation de l'ADN

• Modification épigénétique.
• Ajout d'un groupe méthyle à une base d'ADN (typiquement la cytosine).
• Peut affecter l'expression génique.

Modifications post-traductionnelles

• Modifications chimiques (phosphorylation, acétylation, glycosylation, etc.).
• Maturation (clivage) et transport.

Du génotype au phénotype

• Contribution génétique (composition allélique, recombinaison, transposition).
• Régulation épigénétique (modification de l'expression génique sans changer le code).
• Interactions des gènes (voies métaboliques, voies de régulation).

Epistasie

• Un type d'interaction génique où un gène supprime ou masque le phénotype d'un autre gène.
• Exemple : le gène masculinisant présent sur le chromosome Y.
• Il se produit lorsque plusieurs gènes codent pour des produits qui fonctionnent ensemble dans la même voie métabolique.

Polygénie; Pléiotropie

• Polygénie : plusieurs gènes impliqués dans un seul caractère.
• Pléiotropie : un seul gène peut influencer plusieurs caractères.
• L'influence de l'environnement sur un phénotype (ex. couleur de peau).

Les organismes modèles

• Organismes utilisés pour mieux comprendre l'organisme humain.
• Souris, drosophile, levure, E. coli, nématode, poisson zèbre.
• Facilité à étudier les génomes, cycle de vie court, descendance nombreuse, facilité à observer.

Génome - séquençage et annotation

• Découverte des génomes et des gènes pour divers organismes modèles.
• Corrélation entre la taille du génome et le nombre de gènes.
• Pas de lien simple entre ces deux données.

Génétique bactérienne

• E. coli est un modèle unicellulaire procaryote.
• Simplicité de l'organisme (un chromosome).
• Taux de reproduction rapide.
• Reproduction asexuée.

Reproduction asexuée

• Reproduction asexuée ou binaire : le processus chez les bactéries.
• Absence de recombinaison génétique.

Reproduction parasexuelle - Transformation

• Processus qui permet à des bactéries de recevoir de l'ADN de l'extérieur.
• Absorption de l'ADN suivi d'une recombinaison.

Reproduction parasexuelle - Conjugaison

• Processus qui nécessite un contact préalable et un appariement entre bactéries.
• Basé sur l'existence du facteur F.
• Transfert d'ADN par le biais de pili.

Reproduction parasexuelle - Transduction

• Les bacteriophages (virus) transportent de l'ADN bactérien.
• Transduction spécialisée ou généralisée.
• Transfert partiel d'ADN bactérien par des bacteriophages.

La complémentation chez les bactéries

• Méthode expérimentale pour déterminer si des mutations sont dans le même gène ou non.
• Utilisation de croisements de mutants.
• Pour savoir si les mutations sont mutantes distinctes ou allèles distincts.

Autres types de manipulations du génome chez la souris

• Souris transgéniques : insertion de nouveaux gènes.
• Souris knock-out : élimination de gènes.
• Souris knock-in : remplacement de gènes.

Le nématode C. elegans

• Cycle rapide, facile à cultiver, corps transparent.
• Possibilité d'identifier des cellules précises dans le développement.
• Un outil pour comprendre les processus biologiques importants.

Domaine d'étude du nématode C. elegans

• Lignages cellulaires (suivi individuel des cellules durant le développement.
• Différenciation des organes et de cellules spécifiques.
• Mort cellulaire programmée.

Le poisson zèbre (Danio rerio)

• Développement rapide et transparent.
• Observation directe du développement embryonnaire.
• Modèle utile pour étudier la biologie et le développement, une grande variété de mutants génétiques.
• Peut être utilisé pour la mutagenèse à grande échelle.

Pourquoi étudier le génome du Danio?

• Structure et régulation des gènes.
• Génétique du développement.
• Caractérisation moléculaire des mutants.
• Evolution des génomes.
• Synténies conservées.

Génétique de la souris

• Organismes de choix pour l'étude de la génétique des mammifères.
• Temps de gestation relativement court.
• Disponibilité de près de 400 lignées consanguines.
• Nombre important de gènes cartographiés.

Lignées consanguines

• Des souris qui sont homozygotes pour la plupart des loci.
• Obtenues par croisements répétés entre frères et sœurs.

Lignées consanguines recombinantes

• Pour répartir et redistribuer les gènes des allèles afin de trouver le ou les gènes impliqués.

Lignées consanguines congéniques

• Transfert d'un court segment de chromosome.
• Pour étudier des effets spécifiques de certains gènes ou segments.

Souris transgéniques

• Production de souris avec un gène supplémentaire.
• Utile comme modèle de maladie humaine.
• Insertion ou élimination de gène.