Génétique Fondamentale: ADN, ARN et Génome Humain

Génétique Fondamentale : Acides Nucléiques et Génome Humain

• Le cours porte sur la génétique fondamentale, destiné aux étudiants de première année de médecine (2024/2025) de la Faculté de Médecine et de Pharmacie d'Agadir.
• Le professeur en charge est Nadia SERBATI, médecin généticienne.

Objectifs pédagogiques du cours

• Énumérer les différentes formes de matériel génétique chez l'homme.
• Décrire la structure générale et les différents constituants de l'ADN et de l'ARN.
• Citer les propriétés physicochimiques de l'ADN.
• Décrire la structure de l'ADN mitochondrial.
• Décrire l'anatomie et la structure du gène.
• Expliquer le dogme central de l'information génétique.

Introduction à la Génétique

• La génétique est une sous-discipline de la biologie.
• Étymologiquement, le terme vient du grec "genno" ou "genetikós", lié à la naissance et à l'hérédité.
• Elle étudie l'hérédité chez les organismes, les variations entre eux, et la transmission des caractères d'une génération à l'autre.
• L'information génétique conditionne les fonctions cellulaires, détermine l'apparence des individus et assure le lien entre les générations.

Acides Nucléiques : Structure Générale

• Les acides nucléiques sont des polymères linéaires d'unités monomériques appelées nucléotides.
• Un nucléotide est composé d'un sucre, d'une base azotée et d'un groupe phosphate.
• Un nucléoside est la combinaison d'une base azotée et d'un sucre, sans le phosphate.
• Variétés d'acides nucléiques sont définies par deux types de sucre: le ribose pour l'ARN et le désoxyribose pour l'ADN.

Bases Azotées

• Les acides nucléiques comprennent 5 types de bases azotées.
• L'adénine (A), la guanine (G) et la cytosine (C) sont présentes dans l'ADN et l'ARN.
• La thymine (T) se trouve uniquement dans l'ADN, remplacée par l'uracile (U) dans l'ARN.
• L'adénine et la guanine ont une structure de base de noyau purine.
• L'uracile, la thymine et la cytosine ont une structure de base de noyau pyrimidine.
• La thymine est un uracile avec un groupement méthyle (-CH3) en position 5.

Groupement Phosphate

• Un nucléoside peut s'associer avec un, deux ou trois groupes phosphates, formant des nucléotides mono-, di- ou triphosphates (NMP, NDP, NTP).
• Les groupements phosphates peuvent se trouver en position 5' ou 3' du pentose.

Polymérisation

• La polymérisation des mononucléotides forme des polynucléotides (ADN et ARN).
• Elle se réalise par une liaison 3'-5' phosphodiester, engageant le résidu OH en 3' d'un nucléotide avec le groupement phosphate en 5' du nucléotide suivant, libérant un pyrophosphate.
• L'ordre de la disposition des bases azotées caractérise une séquence d'acide nucléique, lue dans le sens 5' vers 3'.

L'ADN

• L'acide désoxyribonucléique (ADN) supporte l'information génétique chez presque tous les organismes vivants.

Historique

• Friedrich Miescher (1869) isole une substance riche en phosphore (nucléine).
• Altmann (1889) sépare les protéines de l'acide nucléique.
• Kossel (1896) identifie les 4 bases azotées (A, C, T, G).
• Levene et Jacobs (1928) identifient le 2'-désoxyribose.
• Avery, MacLeod et MacCarthy (1944) montrent que l'ADN est la base de l'hérédité.
• Chargaff (1950) découvre la complémentarité des bases azotées (A avec T, C avec G).
• Watson et Crick (1953) proposent une structure en double hélice.

Localisation

• Chez les procaryotes, l'ADN est dans le cytoplasme.
• Chez les eucaryotes, l'ADN est majoritairement dans le noyau, avec une petite quantité dans les mitochondries (1%).

Composition de l'ADN

• L'ADN est une macromolécule dont le pentose est le 2'-désoxyribose et les bases sont A, G, C et T.

Structure de l'ADN

• En 1953, Watson et Crick proposent un modèle en double hélice basé sur des observations expérimentales.
• La diffraction aux rayons X révèle une structure hélicoïdale.
• A+G = C+T et le pourcentage en GC est spécifique à chaque espèce.
• Les liaisons hydrogène connectent les bases (A=T, C≡G).

Caractéristiques de l'ADN:

• Les deux brins ont une orientation anti-parallèle.
• L'appariement est spécifique (A avec T, C avec G).
• Le nombre de liaisons hydrogène est de deux entre A et T, et de trois entre C et G.

Types de Structures de l'ADN

• Primaire: chaîne de nucléotides liés par des liaisons phosphodiester.
• Secondaire: double chaîne de polynucléotides complémentaires et anti-parallèles.
• Tertiaire: configuration tridimensionnelle (hélice).
• Quaternaire: surenroulement de l'ADN en chromosomes.
• L'ADN existe sous trois formes hélicoïdales principales: A, B (la plus fréquente) et Z
• L'ADN en forme B est formé de deux chaînes polynucléotidiques (double brin d'ADN) enroulées l'une autour de l'autre. dans ce modèle, le nombre de paires de bases par tour d'hélice est de 10 et fait 3.4 nm.

Dénaturation et Hybridation

• Les brins d'ADN sont liés par des liaisons hydrogène faibles, rompues par la chaleur ou un milieu alcalin (dénaturation réversible).
• Tm est définie comme étant la température à laquelle 50% des molécules sont sous forme double brin. Elle est fonction de la composition en paires AT et CG (Tm = 2(AT) + 4(CG)).
• L'hybridation spontanée, spécifique et réversible de deux brins d'ADN complémentaires est possible.

L'ARN

• L'acide ribonucléique (ARN) est un polymère linéaire de nucléotides, présent chez presque tous les êtres vivants et certains virus.

ARN vs ADN

Types d'ARN et Fonctions

• ARNm (messager): matrice pour la traduction en protéine.
• ARNt (transfert): véhicule les acides aminés vers les ribosomes.
• ARNr (ribosomique): forme le ribosome pour la synthèse protéique.
• Autres ARN: impliqués dans l'épissage, la régulation transcriptionnelle, etc.

Organisation du Matériel Génétique Chez l'Homme

• ADN: 3,2 milliards de paires de bases, 2 m par génome haploïde.
• Condensation de l'ADN avec des protéines (histones et non-histones).
• Chromatine: substance nucléaire qui fixe les colorants basiques.
• Dans des cellules eucaryotes normales, après 40 à 60 cycles de réplication, les cellules meurent, ceci étant expliqué par le raccourcissement des télomères.

Télomères

• Les télomères sont les extrémités terminales des chromosomes, essentielles à la préservation de l'intégrité du matériel génétique.
• Ils protègent les chromosomes de la dégradation exonucléolytique, préviennent la recombinaison chromosomique aberrante et participent à la ségrégation chromosomique.
• L'ADN télomérique est riche en séquences répétées (5'-TTAGGG).

Centromères

• Le centromère joue un rôle clé en étant le site de fixation des microtubules, assurant l'alignement et la ségrégation corrects des chromosomes.
• Le domaine centromérique contient de l'ADN satellite.

Organisation de l'ADN en Chromosomes

• Condensation extrême de la chromatine (ADN + protéines).

Niveaux de Condensation

• Fibre de 11 nm (nucléosomes).
• Fibre de 30 nm (solénoïdes).

Nucléosomes

• Octamère de protéines histones (2H2A, 2H2B, 2H3, 2H4) autour duquel s'enroule l'ADN (140 pb sur 2 tours).

Euchromatine contre Hétérochromatine

Organisation du Matériel Génétique chez l'Homme

• Chaque chromosome métaphasique est constitué de deux chromatides sœurs, réunies par un centromère et délimitées à leurs extrémités par des télomères.

ADN Mitochondrial

• ADN extra-nucléaire, représentant 1% de l'ADN total.
• Transmission maternelle.

Mitochondries

• Organites cellulaires avec une double membrane.
• Impliquées dans la production d'énergie (ATP).
• Possèdent un génome distinct.
• Structure annulaire avec des protéines
• ADN double-brin circulaire d'environ 16,5kb
• Le taux de mutations du génome mitochondirale est 10x plus élevé que l'ADN nucléaire.

Génome mitochondrial

• 37 gènes au total qui permettent la syntyhèse de : 13 protéines, 22 ARNt et 2 ARN ribosomiens (12S et 16S)

Génome Humain

• Constitué de deux génomes: nucléaire et mitochondrial.
• Publié en février 2001, identifié à 99% en avril 2003.

Structure des Gènes

• Notion introduite par JOHANNSEN en 1909.
• Un gène est un segment d'ADN contribuant à une fonction ou un phénotype, contenant des séquences nucléiques nécessaires à la production d'ARN et/ou de protéines.

Éléments d'un Gène

• Promoteur: région régulatrice en amont.
• Exons: parties codantes.
• Introns: parties non codantes, éliminées lors de la maturation de l'ARNm.
• Régions flanquantes : régions régulatrices en amont du gène

Dogme Fondamental de la Biologie

• Le matériel génétique dirige la synthèse des protéines, passage unidirectionnel de l'information du gène à la protéine.