Introduction à la génétique fondamentale

Génétique Fondamentale

• Ce cours est destiné aux étudiants de première année de médecine (2024/2025) de la Faculté de Médecine et de Pharmacie d'Agadir.
• Pr Nadia SERBATI, médecin généticienne, enseigne ce cours.
• La génétique est définie comme une sous-discipline de la biologie.
• Du grec "genno" (donner naissance), la génétique est la science de l'hérédité, des variations héréditaires et des gènes.
• L'étude de l'hérédité chez les organismes comprend les variations entre les organismes et la transmission des caractères d'une génération à une autre.
• L'information génétique conditionne les fonctions cellulaires, détermine l'apparence externe, les aptitudes physiques et mentales, et assure le lien entre les générations chez toutes les espèces.

Principaux Thèmes du Cours

• Acides nucléiques et génome humain
• Réplication et réparation de l'ADN
• Transcription
• Traduction
• Contrôle de l'expression génique
• Méthodes d'analyse de l'ADN
• Mutations et conséquences en pathologie humaine
• Modes de transmission des maladies héréditaires
• Structure et fonction des chromosomes
• Cytogénétique conventionnelle
• Types et mécanismes des anomalies chromosomiques
• Techniques de cytogénétique (classique et moléculaire)

Acides Nucléiques et Génome Humain

• L'étudiant doit être capable d'énumérer les différentes formes de matériel génétique chez l'homme.
• L'étudiant doit être capable de décrire la structure générale et les constituants de l'ADN et de l'ARN.
• L'étudiant doit être capable de citer les propriétés physicochimiques de l'ADN.
• L'étudiant doit être capable de décrire la structure de l'ADN mitochondrial, l'anatomie et la structure du gène.
• L'étudiant doit être capable d'expliquer le dogme central de l'information génétique.

Introduction et Définitions

• Les acides nucléiques sont des polymères linéaires formés d'unités monomériques appelées nucléotides.
• Un nucléotide est composé de trois éléments : un sucre, une base azotée, et un groupe phosphate.
• L'association d'une base azotée avec un sucre sans phosphate est appelée un nucléoside.
• Un nucléotide est l'association d'un nucléoside avec un, deux ou trois phosphates.
• Il existe deux types de pentoses qui définissent deux variétés d'acides nucléiques : le ribose (ARN), et le désoxyribose (ADN).
• Les bases azotées des acides nucléiques sont de cinq types.
• 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, alors que l'uracile (U) se trouve uniquement dans l'ARN.
• Un nucléoside peut s'associer à un, deux, ou trois groupes phosphates.
• Les nucléotides peuvent avoir leurs groupements phosphates en position 5' ou 3' du pentose.
• Les mononucléotides, dinucléotides, trinucléotides (NMP, NDP, NTP) sont des groupements phosphates.
• Des nucleotides peuvent être combinés pour créer de l'ARN ou de l'ADN.

Structure Générale des Acides Nucléiques

• Les acides nucléiques sont des polymères linéaires formés d'unités monomériques appelées nucléotides.
• Un nucléotide est composé de trois éléments : un sucre, une base azotée et un groupe phosphate.
• Les acides désoxyribonucléique et ribonucléique sont les deux types de nucléotides.
• C'est un pentose (5 atomes de carbones) qui peut être de deux types et définit deux variétés d'acides nucléiques.
• L'acide ribonucléique (ARN) a un ribose comme sucre.
• L'acide désoxyribonucléique (ADN) a un 2'-désoxyribose comme sucre.
• Le 2' spécifie l'atome de carbone qui a perdu l'atome d'oxygène.
• L'adénine (A), la guanine (G), la cytosine sont présentes dans l'ADN et ARN Les bases azotées sont de 5 types.
• L'adénine et la guanine ont un noyau purine, l'U, le T et le C ont un noyau pyrimidine.
• La thymine est un uracile avec un groupement méthyle en position 5.
• Les nucléotides peuvent avoir un, deux, ou trois groupes phosphates en position 5' ou 3' du pentose.
• Les nucléotides peuvent être monophosphate, diphosphate ou triphosphate (NMP, NDP, NTP).
• La polymérisation se fait par une liaison 3'-5' phosphodiester qui engage le résidu OH en 3' d'un nucléotide avec le groupement Phosphate en 5' du nucléotide suivant, et libère un groupe pyrophosphate.
• Les polynucléotides sont des molécules orientées avec un pentose ayant un groupement phosphate en 5' à une extrémité.
• L'autre extrémité du pentose a son groupement hydroxyle en 3'.
• Les polynucléotides sont lus dans le sens 5' → 3'.
• Une séquence est caractérisée par l'ordre des bases azotées.

ADN (Acide Désoxyribonucléique)

• L'ADN supporte l'information génétique chez presque tous les organismes vivants.

ADN Génomique : Historique

• En 1869, Friedrich Miescher isole une substance riche en phosphore dans le noyau des cellules, qu'il nomme "nucléine".
• En 1889, Altmann sépare de la nucléine des protéines et une substance acide, l'acide nucléique.
• En 1896, Kossel découvre dans l'acide nucléique les 4 bases azotées.
• En 1928, Levene et Jacobs identifient le 2'désoxy-D-ribose.
• En 1935, on parle alors d'acide désoxyribonucléique.
• En 1944, Avery, Mac Leod et Mac Carthy instaurent l'ADN comme base de l'hérédité.
• En 1950, Chargaff découvre une complémentarité dans les bases azotées de l'ADN.
• En 1953, James Watson et Francis Crick proposent une structure en double hélice pour l'ADN.

Localisation

• Chez les procaryotes, le matériel génétique se trouve dans le cytoplasme.
• Chez les eucaryotes, l'ADN se trouve principalement dans le noyau.
• Une petite quantité (1%) se trouve dans les mitochondries.

Composition de L'ADN

• L'ADN est une macromolécule d'acides nucléiques dont le pentose est le 2' désoxyribose.
• Les bases azotées sont les purines (adénine et guanine) et les pyrimidines (cytosine et thymine).
• L'information contenue dans l'ADN est déterminée par l'ordre dans lequel les quatre bases (A, G, C, T) se succèdent le long de la chaîne.

Structure de L'ADN

• En 1953, le modèle de l'ADN en double hélice, proposé par Watson et Crick, est accepté et basé sur des données expérimentales.
• La diffraction aux rayons X révèle une structure hélicoïdale.
• La densité de l'ADN suggère une structure à deux chaînes de polynucléotides.
• Variable entre organismes, la composition en bases est constante dans les tissus du même organisme.
• L'hypothèse de Crick et Watson est que A s'apparie avec T (deux liaisons hydrogène) et C avec G (trois liaisons hydrogène).
• Une molécule d'ADN est caractérisée par son pourcentage de GC.
• Les deux brins sont orientés de manière antiparallèle (en direction opposée).
• Un brin est dans le sens 5'-3', l'autre dans le sens 3'-5'.

Caractéristiques de L'ADN

• L'appariement des bases est spécifique: A avec T, C avec G.
• La séquence d'un brin peut être déduite de la séquence de l'autre, due à la complémentarité des bases.
• Les liaisons hydrogène sont au nombre de deux entre A et T, et au nombre de trois entre C et G.
• Les deux brins d'ADN sont associés par des liaisons hydrogène qui peuvent facilement être rompues par la chaleur ou en milieu alcalin.
• C'est la dénaturation processus qui est réversible.
• La notion de Tm (température de fusion) est la température à laquelle 50% des molécules sont sous forme double brin.
• Le Tm d'une séquence d'ADN (25 pb en moyenne) est fonction de la composition en paires AT et CG: Tm = 2(AT) + 4(CG).
• L'hybridation est une association spontanée, spécifique et réversible de deux brins d'ADN complémentaires.

ARN

• Polymère linéaire constitué d'un enchaînement de nucléotides, présent dans tous les êtres vivants et virus.
• L'ARN transcription, à partir de l'ADN et une copie d'une région d'un des brins de l'ADN.
• ARN messager (ARNm): proviennent de la transcription de l'ADN et servent de matrice pour la traduction en protéine.
• ARN de transfert (ARNt): acheminent les acides aminés vers les ribosomes.
• ARN ribosomique (ARNr): s'associent à des complexes protéiques pour former le ribosome qui supporte la synthèse des protéines.
• Les petits ARN nucléaires et nucléolaires sont impliqués dans l'épissage et la maturation de l'ARN.
• MicroARN régulent la transcription et la traduction post-transcriptionnelles.
• Les ARN d'interférence dégradent l'ARN.

Structures Différentielles de L'ADN et de L'ARN

• L'ADN a deux brins torsadés en forme d'hélice, l'ARN a un brin droit.
• L'ADN a du désoxyribose, l'ARN a du ribose.
• L'ADN a l'adénine, la thymine, la guanine et la cytosine, l'ARN a l'adénine, l'uracile, la guanine et la cytosine.
• L'ADN forme les gènes, l'ARN aide à fabriquer les protéines.
• L'ADN est dans le noyau, l'ARN commence dans le noyau et peut se déplacer dans le cytoplasme.

Organisation du Matériel Génétique Chez L'Homme 

• ADN : 3,2 milliards de paires de bases, 2 m par génome haploide.
• L'ADN s'associe à des protéines, ARN, subit un haut degré de condensation.
• La chromatine est la substance nucléaire.
• La chromatine se présente comme un mélange de fibres dont le diamètre varie.
• Le chromosome métaphasique est une forme compacte de chromatine.
• L'ADN télomérique est riche en séquences répétées en tandem 5'-TTAGGG.
• L'extrémité est associée à des complexes protéiques.
• Dans une cellule eucaryote normale, après 40 à 60 cycles de réplication, la cellule meurt.
• La mort naturelle des télomères raccourcissement les télomères sont des extrémités terminales des chromosomes.
• Ils préservent l'intégrité du matériel génétique et préviennent la recombinaison chromosomique aberrante.
• Ils la ségrégation des chromosomes et l'attachement des chromosomes à la matrice nucléaire.
• Le centromère, zone de constriction, est le site de fixation des microtubules.
• Il permet l'alignement correct des chromosomes et la ségrégation correcte des chromosomes.
• Le domaine centromérique est constitué d'ADN satellites (séquences répétées).

Génome Humain

• Le génome humain est constitué de deux génomes : nucléaire et mitochondrial
• Le génome nucléaire se situe dans le noyau et contient 20,000 gènes codants.
• Le génome mitochondrial contient 13 gènes codants.
• Un événement majeur a eu lieu dans l'histoire de l'humanité, la publication de la quasi-totalité du génome humain en février 2001.
• Connu à 99%, la quasi-totalité du génome a été identifiée en 2003 (annonce du 14 avril 2003).
• L'ADN mitochondrial est nu et circulaire, et non lié aux protéines.
• Il contient jusqu'à 100000 mitochondries par cellule.
• Son taux de mutations est dix fois plus élevé que celui du noyau.

Structure des Gènes

• La taille d'un gène varie de 2000 paires de bases à plus de 2 millions de paires de bases.
• Un gène est un siège d'altérations par mutations.
• Sur le génome, la partie codante de l'ADN est constituée de gènes et de pseudogènes, et les séquences non codantes.
• Le reste du génome est constitué des introns et d'ADN intergénique.
• Sur le génome, 5% correspond à des séquences codantes.
• Seulement environ 0,5% des génomes consistent en pseudogènes.
• Dans les gènes de l'ADN mitochondrial il n'y a pas d'introns.

Anatomie d'un Gène

• En amont du gène en 5', se trouve la région promotrice et la séquence régulatrice de la transcription du gène.
• Un gène est une entité discontinue dans laquelle les parties codantes (exons) sont en général séparées entre elles par des parties non codantes (introns).
• Certains introns jouent un rôle important dans la régulation de l'expression d'un gène.

Dogme Fondamental de la Biologie

• Le matériel génétique dirige la synthèse des protéines.
• Le dogme de la biologie est basé sur le passage de l'information du gène à la protéine.