Génétique : Gènes et Variations (Module 6)

M6 – Génétique : Actualisation sur la Notion de Gène et de Variations

Rappels Fondamentaux : Le Génome Humain

• Le génome représente l'ensemble de l'ADN d'un organisme.
• Le génome humain haploïde est constitué d'un double brin d'ADN.
• Il contient environ 3,2 x 10⁹ paires de bases.
• Seul 1 à 2% des séquences nucléotidiques du génome sont codantes pour des protéines.

L'ADN : Acide Désoxyribonucléique

• L'ADN est enroulé en forme de double hélice.
• Il comporte deux brins antiparallèles.
• Les extrémités 3' et 5' sont chimiquement différentes, avec un groupe phosphate (5') et un groupe hydroxyle (3').
• Par convention, le sens de lecture de l'ADN se fait de 5' vers 3'.
• Un nucléotide est composé de trois éléments : un phosphate, un sucre (désoxyribose) et une base azotée.
• L'alternance désoxyribose-phosphate forme le squelette de l'ADN.
• L'appariement des bases est complémentaire : A avec T, et C avec G.

Les Bases Azotées

• Les bases azotées sont des composés cycliques azotés.
• Il existe deux types de bases : pyrimidiques (Thymine et Cytosine) et puriques (Adénine et Guanine).
• Elles dérivent respectivement de la pyrimidine et de la purine.
• Les bases pyrimidiques ont un seul cycle, tandis que les puriques en ont deux.
• La thymine et l'adénine sont associées par deux liaisons hydrogène.
• La cytosine et la guanine sont liées par trois liaisons hydrogène.
• Dans tout échantillon d'ADN, les quantités de pyrimidines et de purines sont égales, quel que soit l'espèce étudiée : [T] + [C] = [A] + [G] et [A] = [T] et [C] = [G].
• Le taux de GC varie selon les espèces, étant d'environ 40% chez l'humain.

Les Gènes

• Les gènes sont des segments d'ADN de taille variable, allant de 1 kb à quelques centaines de kb.
• Ils sont responsables de la synthèse protéique.
• Un gène peut coder plusieurs protéines.
• Le génome humain contient environ 21 000 gènes, capables de coder plus de 100 000 protéines.
• L'étape 1 de l'expression génétique se déroule dans le noyau et implique :
• La transcription de l'ADN en ARN.
• La maturation de l'ARN pré-messager.
• L'exportation de l'ARNm mature vers le cytoplasme à travers les pores nucléaires.
• L'étape 2 se déroule dans le cytoplasme et comprends:
• La traduction de l'ARNm, pour la synthèse des protéines.
• Les modifications post-traductionnelles.

Structure des Gènes : Régions Non Codantes

• Les gènes possèdent des séquences non codantes en amont et en aval.
• La région activant la transcription inclut :
• La séquence LCR (Locus Control Region) qui stimule la transcription en fonction du contexte moléculaire.
• Des séquences amplificatrices (enhancers) situées à distance du promoteur qui stabilisent le complexe d'initiation par des interactions protéiques, en courbant l'ADN pour permettre le contact avec le promoteur.
• L'ARN polymérase se fixe au promoteur.
• Des facteurs protéiques de transcription se fixent, notamment le facteur TFIID sur la TATA Box, favorisant le recrutement de l'ARN polymérase.

Structure des Gènes : Régions Codantes

• Le site d'initiation de la traduction est le triplet ATG, qui code pour la méthionine.
• L'enchaînement des unités codantes (exons) et non codantes (introns) constitue le gène.
• Les séquences 5'UTR et 3'UTR, situées aux extrémités, sont transcrites mais non traduites.
• L'épissage est l'élimination des introns de l'ARN pré-messager, grâce à des séquences conservées appelées sites consensus d'épissage.
• Il existe deux types de sites d'épissage : les sites donneurs et accepteurs, en aval et en amont des exons respectivement.
• L'épissage régule l'expression des gènes et la diversité des protéines codées.
• La terminaison de la traduction se produit au niveau d'un codon STOP : TAA, TAG ou TGA.
• Une séquence de polyadénylation (AATAAA) permet la coupure du transcrit primaire, 10 à 20 nucléotides avant la fin du dernier exon.

Taille des Gènes

• La taille moyenne des gènes est d'environ 53 600 paires de bases.
• Un gène possède en moyenne 10 exons par chaîne.
• La taille moyenne des exons est de 288 nucléotides.
• La taille moyenne des introns est de quelques milliers de nucléotides, soit environ 3300.

Épissage

• L'épissage constitutif insère systématiquement l'exon dans le transcrit mature.
• L'épissage alternatif assure la diversité du protéome, permettant ou non l'insertion d'un exon dans le transcrit mature.
• Il régule qualitativement l'expression des gènes, permettant la production de protéines différentes selon le tissu, le stade de développement ou l'environnement.
• Il existe en moyenne 6 à 8 isoformes différentes par gène, et 70 à 88% des événements d'épissage alternatif modifient la fonction et la nature de la protéine.
• Différents profils d'épissage alternatif existent : saut/inclusion d'exon, sites 5' ou 3' d'épissage alternatifs, rétention d'intron, exons mutuellement exclusifs.
• Le spliceosome, un complexe multiprotéique, est responsable de l'épissage et élimine les introns par des réactions de transestérification.

Types de Spliceosome

• Le spliceosome majeur est capable d'épisser 99% des introns et reconnait uniquement les sites consensus classiques GT et AG.
• Il contient 5 ribonucléoprotéines (U1, U2, U4, U5, U6) qui s'assemblent séquentiellement sur l'ARN pré-messager.
• Le spliceosome mineur est capable d'épisser 20% des introns et reconnait divers sites consensus.

Code Génétique

• Le code génétique universel permet la traduction de l'ARNm en protéines.
• Un triplet de 3 bases qui se suivent est appelé codon.
• Un codon correspond à un acide aminé.
• Il existe quelques exceptions, notamment dans les mitochondries, les levures et les trypanosomes.
• Il y a 4 bases possibles (ATGC), ce qui donne 64 codons différents codant pour 20 acides aminés.
• La méthionine (codon AUG) sert de codon d'initiation de la traduction.
• Les codons UAA, UGA et UAGOO marquent la terminaison de la traduction.
• Plusieurs codons peuvent coder le même acide aminé.
• Dégénérescence souvent observée sur la 3ème base du codon.
• La sérine, par exemple, est codée par TCT, TCC, TCA et TCG.

Définition du Terme « Mutation »

• Le terme « mutation » désigne une variation de séquence de l'ADN ponctuelle ou étendue, sans préjuger de sa pathogénicité.
• En dehors des cellules, l'ADN est extrêmement stable.
• Dans les cellules vivantes, l'ADN est en permanence exposé à des agressions extérieures et endogènes.
• Il existe de nombreux mécanismes de surveillance pour réparer et corriger la plupart de ces lésions de l'ADN.
• Néanmoins, il existe un échappement générateur de variations.

Mécanismes d'Apparition des Variations

• Les radiations ionisantes (rayons gamma et rayons X) peuvent causer des cassures simples ou double brins de l'ADN.
• Les rayons ultraviolets (UV-B du soleil) entraînent des liaisons croisées entre les pyrimidines adjacentes:
  • Blocage de l'ADN ou ARN polymérase
  • Mésappariements entraînant des mutations en absence de réparation.
• Les produits chimiques de l'environnement (hydrocarbures, produits d'origine végétale ou microbienne et produits chimiques) ou des processus cellulaires, peuvent créer des lésions oxydatives et des distorsions de l'ADN.
• Les événements chimiques internes incluent la dépurination/dépyrimidination (perte de bases), la désamination (perte du groupement amine) et les erreurs de méthylation.
• La torsion de la double hélice peut aussi induire des erreurs.
• Les erreurs au cours de la réplication causées mauvaise incorporation de base, ou des erreurs au niveau des régions répétées de l'ADN (hot-spot mutationnel avec glissement des brins et formation d'une boucle. Les corrections sont insertion / délétion d'un nucléotide.

Devenir des Variations

• Le devenir des variations dépend de l'origine des cellules porteuses de la mutation.
• La variation somatique est présente dans une cellule somatique d'un tissu et n'est pas transmissible à la descendance.
• La variation germinale est présente dans une cellule germinale ou reproductrice et est transmissible à la descendance.

Variation Acquise vs Constitutionnelles

• La variation acquise apparaît au cours de la vie d'un individu et est absente initialement dans le génome de la cellule.
• Sans conséquence visible: une variation acquise entraîne généralement l'apoptose de la cellule.
• Avec conséquences visibles : la variation confère à la cellule un avantage prolifératif transformant la cellule en une cellule tumorale.
• La variation constitutionnelle est présente à la naissance et survient avant la fécondation ou pendant les premières divisions post-zygotiques.
• Elle peut être une mutation « de novo » présente chez l'enfant mais absente chez les parents, ou une mutation héritée d'un parent.
• Elle est en général homogène, présente dans toutes les cellules (somatiques et germinales) et est donc transmissible à la descendance.

Variation en Mosaïque

• Le mosaïcisme est la coexistence chez un même individu de deux populations cellulaires distinctes issues d'un même zygote.
• Les variations sont rares et inhomogènes et plus l'anomalie est précoce au cours du développement, plus la proportion de cellules anormale est grande.
• Dans le mosaïcisme somatique, la variation touche uniquement les cellules somatiques et n'est pas transmissible à la descendance.
• Dans le mosaïcisme germinal, la variation touche uniquement les cellules germinales et est transmissible à la descendance.

Polymorphismes vs Variations Pathogènes

• Les variations rares neutres sont à l'origine du polymorphisme et du moteur de l'évolution.
• Les variations pathogènes (mutations) sont à l'origine des maladies génétiques et des prédispositions.
• Le polymorphisme est une variation de séquence génomique qui entraîne l'existence d'au moins deux allèles différents dans une population.
• La définition stricte « épidémiologique » repose sur une fréquence d'au moins 1% dans la population générale.

Variations du Génome Humain: Classes d'Anomalies à l'Échelle du Gène

• Les variations ponctuelles incluent les substitutions nucléotidiques, les insertions, délétions et duplications de moins de 10 nucléotides; elles sont les plus fréquentes dans les maladies rares (environ 70%).
• Les délétions/duplications intragéniques mono ou multi-exoniques représentent moins de 10% des variations.
• Elles peuvent impliquer un ou plusieurs exons, voire l'ensemble du gène.
• Les variations par expansion de répétitions sont les plus rares en pathologie humaine.
• Environ 3% du génome humain est constitué de régions répétées en tandem, avec des régions polymorphiques de taille variable (satellites, minisatellites et microsatellites).

Variations Ponctuelles: Substitutions Nucléotidiques

• Le remplacement d'un nucléotide par un autre est appelé SNV (Single Nucleotide Variant).
• Une transition est la substitution d'une pyrimidine par une autre, ou d'une purine par une autre.
• Une transversion est la substitution d'une purine par une pyrimidine, ou inversement.
• Les transitions sont plus fréquentes que les transversions en raison de facteurs chimiques.
• La variation polymorphique d'un seul nucléotide (SNP) possède environ 15 millions de sites potentiels sur le génome humain.
• Chaque personne possède entre 3 et 5 millions de SNP, dont environ 30 de novo.
• Les SNP sont les variations les plus fréquentes du génome, réparties de manière uniforme tous les 1 à 2 kb et extra ou intra-géniques.

Types de Substitutions Nucléotidiques

• Les substitutions exoniques peuvent être :
  • faux-sens (changement d'acide aminé).
  • non-sens (création d'un codon stop).
  • silencieuses/synonymes (sans effet sur l'acide aminé).
• Les substitutions introniques modifient un site d'épissage.

Conséquences des Variations du Génome (Variations Ponctuelles Exoniques)

• Substitutions: -La substitution d'un nucléotide induisant un changement d'acide aminé (faux-sens) résulte en l'apparition d'un codon stop prématuré.
  • La substitution d'un nucléotide induisant l'Apparition d'un codon STOP prématuré provoque l'interruption du cadre de lecture ce qui tronque la proteine.
  • La protèine tronquée est instable et est géneralement dégradée.
  • Si le nucléotide n'induit aucun changement d'acide aminé on parle d'une mutation silencieuse/synonyme.

Consequences Des Variations Du Génome (Variations Ponctuelles Introniques)

• Substitutions:
  • Si la substitutions dans un nucléotide abolissant ou modifiant un site d'épissage elle peut provoquer l'élimination d'une exon.

Variations Ponctuelles:Insertions / Deletions / Duplications Inférieures A 10 Nucleotides

• "En phase " avec insertion ou perte d'acides aminés dans la protéine ce qui résume à une duplication ou délétion d'un nombre de nucléotides multiple de 3.
• Un "frameshift" avec insertion ou perte d'acides aminés puis apparition d'un codon STOP prématuré résulte en l'insertion de nouveau codons inappropriée.

Conséquences Des Variations Du Génome (Délétions/Duplications Intrageniques)

• Ils peuvent s'agir déletions/duplications d'un ou plusieurs exons
• L'exon dupliqué peut être juxtaposé à l'exon dont il provient = duplication << en tandem >> : la plupart des cas (maladressage de la protèine?
• L'exon dupliqué peut être inséré complètement ailleurs dans le génome ce qui induit un mécanisme de compensation.

Conséquences des Variations du Génome (Variations par Expansion de Répétitions)

• Séquences de 16 à 25 nucléotides, répétées 50 à 500 fois, se produisent aux minisatellites .
• Elles produisent des motifs dans une région polymorphe de 1 à 20 kb , et cause la production de nombreaux alléles.
• Séquences de 2 à 6 nucléotides répétées 5 à 50 fois:
  • Elles se produisent dans les microsatellites plus spécifiques des humains.
  • Il y a ≈600 000 microsatellites au sein du génome dont la majorité sont sans conséquence.
• Les mutations dynamiques sont définies par des expansions anormales et instables d'une séquence d'ADN polymorphe répétée spécifique (tri-, tétra-, penta- ou hexa-nucléotides) qu' il presente aux cinquantaines des microsattelites
• < 1% des variations en pathologie humaine.
• Cause des maladies à tropisme neurologique qui sont neurodégénératives tardives ou neuromusculaires.

Conséquences des Variations du Génome (Exemple du Syndrome de l'X Fragile)

• Concerne génétiquement FMR1 sur le chromosome X.
• Une répétition d'un motif CGG = (CGG)n au niveau de la région 5'UTR du gène qui est : -<55: un phénotype normal -Si n entre 55 à 200: la maladie expansionne d'une generation a l'autre -Si n >200: phénotype malade.
• la proteine FMR1 une proteine impliquée dans la plasticité synaptique ce qui se traduit par un implication dans l'apprentissage et la mémorisation.
• L'expansion induit une méthylation anormale ce qui limite l'expression du gène FMR1.

Conséquences des Variations

• Altération quantitative du manque ou surplus d'ARNm.
• Altération qualitative de production d'un ARNm différent de l'ARN.
• Quantité impact d'impact au niveau de la protéine:altération dans manque ou surplus de protéines.
• Mutation dans Protéine qualitative, qui produise une protéine altérée de la protéine physiologique.
• Mutation a impact directe si impact en Cis, ou bien moins fréquente une mutation en trans si elle affect un autre protèine.

Conséquences des Variations : Effet Perte de Fonction

• Effet si la Diminution ou absence de la fonction protéique.
• Est causée par une Allèle amorphe- Perte totale d'expression ou d'activité qui se traduit absence de protéines fonctionnelles.
• Ou bien Allèle hypomorphe Perte partielle d'expression ou d'activité, avec production d'une Protéines fonctionnelles en moindre quantité ou en moindre qualité.

Conséquences des Variations : Effet Perte de Fonction(Exemple de la MucoViscosidose)

• Maladie autosomique récessive qui se produit avec 2 mutations sur chaque allèle soit homozygote, soit hétérozygote composite avec plus que 2000 mutations possibles.
• La (Phe508del) est la mutation est la plus fréquente( 70% population)
• La prévalence en france es de 1/4500, et les protèines saienne es de 1/35
• Pour Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, identifié en 1989, il regule le flux ionique dans le gène CFTR du chromosome de chromosome 7, travers 27 exons.
• CFTR cod une canal ionique chlore , du pole apical des cellules à travers canaux pancréatiques.
• La (Phe508del) induit un defaut du repliement vers un protèasome ou elle serais degradée.

ÉTAPES CLASSE DES MUTATIONS CFTR

• Classe I : Absence de synthèse de la protéine et son classées les mutations non-sens. (Allèle amorphe à l'origine plus sévère.)
• La Classe II est concerné avec L'altération de la maturation de la protéine.
• Classe III: Altération de la régulation du canal Cl. (Allèle hypermorphe)
• Classe IV: Altération de la conduction du canal Cl.
• Classe V : Diminution de protéine synthétisée:

CONSÉQUENCES PHYSIOLOGIQUES DES MUTATIONS CFTR

• La protéine ne transport pas ions NaCl Desequilbre:
• Augmentation des sels de la peau
• Obstracion des bronches
• Voies biliaires détraquées
• Perturbation de la digestion
• Obstrution canalaire pancréas

Conséquences des Variations : Effet Gain de Fonction

• Allèle hypermorphe
  • Surexpression d'une forme sauvage.
  • Protéines produites en plus grande quantité.
• Allèle néomorphe
  • Code pour une protéine dont la fonction est différente.
• Géne souvent impliqué:
  • Gène PTPN11 : code la tyrosine phosphatase SHP-2 qui intervient dans une voie de signalisation appelée ras-map kinase.
• Varations: -Varations hétérozygoutes faux -sens -Augmentation de rAS MAP kinase
• Exemple des syndromes de Noonan : Fréquence 1- 1/3000 à 1/3500 naissances Aspects cliniques :
• Un un ou les deux:
  • Facies
  • Anomalies cradiques
  • Staturo-pondérale
  • Squelettiques

Conséquences des Variations Effet Dominant Négatif

• Géne impliqué:
  • Un gène codant des protéines de structure ou capable de former des homodimères ou hétérodimères:
• Les Allèle antimorphes se traduisent par une Protéine mutée qui perd se fonction et interfère avec la fonction de l'allèle normal chez les hétérozygotes.
• les facteurs sont:
  • 50% des dimères fonctionnels : idem perte de fonction
    • Moins toxique que 25dimeres.
  • 25% dimères fonctionnels qui sont plus toxiques(mauvais assemblage).
  • aucun dimères fonctionnes qui est plus grave

Dominance negative dans les osteopathias imparfaitas.

• Maladie: Autosomique dominante Causée par des mutations hétérozygotes du gène COL1A1 Fracture des os très fréquente, et sévérité est variable. 1- 20.000personnes touchés pour un sur 10.000 en France
• Protèine impactée : Collagène type 1 , fait de 3 chains enroulées ensemble. 1 hétérotrimère = 2 chaines a1 et 1 chaine a2.
• Mutation à Effet dominant négatif : 0%à 50% protéine normale.

IMPACT DES VARIATIONS SUR LE MODE DE TRANSMISSION

• Cause majoritaire des maladies récessives: l'haplo-sufficience.

• Plus rarement responsables de maladies dominantes : l'haplo insuffisance

• Cause majoritaire des maladies dominantes le gain de function hétérozygote ou bien si un seul allèle ne compense pas le manque