Transcription et Régulation Génétique

Cours de Génétique - BCM1503

• Le cours porte sur la génétique, une discipline qui étudie les caractères biologiques héréditaires.
• Le plan du cours couvre les lois de la génétique mendélienne, la théorie chromosomique de l'hérédité, le lien et la recombinaison génétique, la nature du matériel génétique, l'expérience de Hershey-Chase et des gènes aux génotypes.
• Le cours explore l'information génétique non chromosomiale et les facteurs épigénétiques.
• Le cours passe en revue les systèmes génétiques tels que les bactéries, la levure, la souris, le poisson, la drosophile et le nématode.
• La génétique classique est marquée par la publication des trois lois de l'hérédité de Mendel (1866).
• Le terme "génétique" a été utilisé pour la première fois en 1909.
• En 1900, plusieurs scientifiques ont redécouverts les travaux de Mendel.
• En 1911, TH Morgan a découvert que les chromosomes portent les gènes.
• En 1933, TH Morgan a reçu le prix Nobel de Médecine.
• En 1944, Avery, MacLeod et McCarty ont démontré que l'ADN transporte l'information génétique.
• En 1952, Hershey et Chase ont prouvé que seulement l'ADN des virus a besoin d'entrer dans une bactérie pour l'infecter.
• En 1953, Watson, Crick et Wilkins ont découvert la structure en double hélice de l'ADN.
• En 1962, un prix Nobel a été décerné pour la découverte de la structure de l'ADN.
• En 1970, Berg, Cohen et Boyer ont développé des méthodes pour couper l'ADN, ouvrant la voie aux techniques d'ADN recombinant.
• En 1980, Berg reçut un prix Nobel de Chimie.
• En 1983, Gusella a mis au point une technique pour identifier les gènes responsables de la maladie de Huntington.
• En 1990, le projet de génome humain a débuté.
• Les premières bases de la génétique ont été établies vers 1860 par Gregor Mendel.
• Mendel a observé la transmission de certains caractères chez le pois.
• La génétique mendélienne est fondamentale pour observer les caractères héréditaires.
• La génétique mendélienne a abouti à la définition du phénotype, des gènes, du génotype, de l'allèle, de l'homozygote et de l'hétérozygote.
• Les principes de Mendel, et d'autres, contribuent à la création d'un modèle chromosomique de l'hérédité.
• Ce modèle combine les principes de Mendel aux preuves cytologiques.
• La théorie chromosomique de l'hérédité expliquent que les chromosomes, pendant les processus de mitose et méiose, se divisent pour donner des cellules filles.
• La théorie montre que le nombre total de chromosomes reste constant et que le nombre de chromosomes dans les cellules varie d’espèces.
• De 1909 à 1915, T. Morgan a établi des fondements moléculaires de la génétique.
• Le chromosome, ou chromosome sexuel, est associé à un gène spécifique.
• La théorie chromosomique de l'hérédité place les facteurs d'hérédité sur les chromosomes.

Vocabulaire

• Phénotype : Caractères observables d'un individu.
• Gène : Facteur déterminant les caractères observables.
• Génotype : Ensemble des gènes d'un individu.
• Allèle : Une des formes possibles d'un gène.
• Homozygote : Individu avec deux allèles identiques d'un gène.
• Hétérozygote : Individu avec deux allèles différents d'un gène.
• Allèle dominant : Allèle qui s'exprime dans l'hétérozygote.
• Allèle récessif : Allèle qui ne s'exprime pas dans l'hétérozygote.
• Locus : Emplacement d'un gène sur un chromosome.
• Croisement mono-hybride : Croisement de deux variétés de plantes différentes par un seul caractère.
• Croisement di-hybride : Croisement entre deux variétés différentes par deux caractères.
• Lignée pure : Variété de plantes qui produisent toujours le même phénotype.
• Hybride : Organisme résultant de la reproduction de deux lignées pures différentes.
• Gènes létaux : Gènes dont l'expression cause la mort de l'organisme.
• Pénétrance : Pourcentage d'individus avec un génotype qui présentent le phénotype attendu.

Lois de Mendel

• Loi de la dominance : Un allèle dominant masque la manifestation de l'allèle récessif.
• Loi de la ségrégation : Chacun des deux allèles d'un gène se sépare lors de la formation des gamètes, chacun allant dans un seul gamète.
• Loi de la distribution indépendante : Lorsque deux paires de caractères différents sont considérés lors de croisements, les allèles de chacune de ces paires se distribuent indépendamment lors de la formation des gamètes.
• Méiose - processus de division cellulaire qui produit des cellules sexuelles (gamètes) ayant la moitié du nombre de chromosomes de la mère.
• Mitnose - processus de division de cellules pour produire des cellules somatiques en gardant le même nombre de chromosomes, que la cellule mère.

Gènes

• gènes létaux : Gènes dont l'expression cause la mort de l'organisme.
• Gènes codominants : Gènes dont les allèles s'expriment simultanément dans un hétérozygote, affichant un phénotype intermédiaire.
• Dominance incomplète : L'hétérozygote montre un phénotype intermédiaire aux deux parents.

La loi de ségrégation

• Chaque gamète reçoit un seul allèle de la paire. La fertilisation rétablit le dédoublement.
• Les membres d'une même paire d'allèles vont se ségréguer lors de la formation des gamètes.
• La moitié des gamètes porte un allèle et l'autre moitié porte l'autre.

Les types de croisements

• Monohybridisme : Croisement entre deux lignées pures qui diffèrent par un seul caractère.
• Dihybridisme : Croisement entre deux lignées pures qui diffèrent par deux caractères.

L'échiquier de Punnett

• Représentation schématique des croisements génétiques utilisés pour prévoir les probabilités des phénotypes possédés par les générations suivantes.

Caractéristiques des organismes modèles

• La taille du génome, le temps de développement, la facilité de reproduction et la descendance nombreuse sont des facteurs importants dans le choix des organismes modèles en génétique.

La théorie chromosomique de l'hérédité

• Elle combine les principes de Mendel aux observations cytologiques (observation de la mitose et méiose).
• Les chromosomes se divisent de façon longitudinales pendant la division cellulaire, se distribuent en nombres égaux entre les cellules filles, et le nombre total de chromosomes reste constant dans toutes les cellules d’un organisme donné sauf lors de la formation des gamètes.
• Les chromosomes varient d’espèce en espèce.

Les organismes modèles

• E.coli : bactérie unicellulaire procaryote, utilisé en génétique moléculaire
• Levure : champignon utilisé en génétique eucaryote.
• C. elegans : nématode utilisé étudier les processus génétiques et biologiques
• Drosophila : mouche à fruit utilisé en génétique et développement
• Poisson zèbre : vertébré utilisé en génétique, développement embryonnaire et génétique moléculaire
• Souris : mammifère utilisé pour étudier la génétique des mammifères et modèles de maladies humaines.
• Plante Arabidopsis : plante utilisée pour étudier les végétaux supérieurs.

Concepts importants

• Les cellules produites par mitose sont des cellules somatiques. Elles sont génétiquement identiques à la cellule parent.
• Mitnose produisent des cellules diploides (2n)
• Les gamète produites par méiose sont haploides (n).
• Chaque chromosome est une longue molécule d’ADN avec des protéines associées qui maintiennent la structure du chromosome et contrôlent l’activité des gènes.
• Le complexe ADN-protéine est appelé chromatine.
• Dans la transcription, l'ADN sert de matrice pour la synthèse des ARN.
• L'ARN est transcrit du brin ADN non codant (brin matrice ou brin antisens).
• Il existe plusieurs types d'ARN (ARNm, ARNr et ARNt).
• La traduction utilise le code génétique pour synthétaiser des protéines.
• Le génome mitochondrial est très différent du génome nucléaire.
• L'information du génome mitochondrial est d’origine maternelle
• La duplication est la réplication exacte de l'ADN, indispensable pour la division cellulaire.
• La ségrégation indépendante des chromosomes homologues ajoute à la variabilité des gamètes.
• Le crossing-over et la recombinaison génétique augmentent la variabilité, généré par l'échange de segments de chromatides entre les chromosomes homologues.
• Le phénotype est le résultat de la combinaison de gènes et de facteurs environnementaux.
• L'épistasie est un type d'interaction entre les gènes.
• L'épistasie se produit quand un gène masque l'effet d'un autre gène.

Systèmes de détermination du sexe

• Système XY : Chez les mammifères, le sexe est déterminé par la présence d'un chromosome X et Y.
• Système ZW : Chez les oiseaux, les femelles sont ZW, et les mâles sont ZZ.
• Système XO : Chez certaines espèces d’insectes, le nombre de chromosomes sexuels est différent .

Différence entre la mitose et la meiose

• Mitnose - produisent des cellules diploïdes pour les organismes somatiques.
• Meiose - produisent des cellules haploïdes pour les organismes sexuellement reproductifs.

L'interphase

• La phase G1 est une phase de croissance cellulaire.
• La phase S est une phase de duplication de chromosomes.
• La phase G2 est une phase de prédivision ou préparation à la division.

Prophase (mitose)

• Chromosomes se condensent et deviennent visibles.
• Membranes nucléaires disparaissent
• Les centrioles se séparent et migrent aux pôles cellulaires
• Le fuseau mitotique est formé à partir du centriole

Métaphase (mitose)

• Les chromosomes s'alignent sur la plaque équatoriale.

Anaphase (mitose)

• Les centromères se séparent et les chromatides sœurs se déplacent vers les pôles opposés de la cellule.
• Le nombre de chromosomes est toujours diploïde.
• La cytocinèse (division du cytoplasme) commence.

Télophase (mitose)

• Les chromosomes arrivent aux pôles opposés de la cellule.
• Les enveloppe nucléaires se reforment.
• Les chromosomes se décondensent.
• La cytocinèse est terminée et deux cellules filles sont produites.

Méiose I - Phase de réduction

• Condensation de la chromatine.
• Les chromosomes homologues s'attirent pour former des paires (synapses).
• Le complexe synaptonème se forme.
• Les chromosomes continuent de se raccourcir, et les chromatides sœurs deviennent évidentes.
• L'échange de matériel entre chromatides (crossing-over) à lieu.
• Les fuseaux s'attachent aux centromères.
• Chaque paire de chromosomes homologues se localise à la plaque équatoriale.
• Chaque chromosome de chaque paire d'homologue se dirige vers un pôle opposé.
• Les chromosomes homologues sont séparés.
• La formation des dyades de chromatides sœurs se produit à chaque pôle, où un noyau haploïde est formé.
• La cytocinèse est presque terminée.

Méiose II - Phase équationnelle

• Les cellules filles ont le même nombre de chromosomes que les cellules mères.

La recombinaison génétique

• Les chromosomes homologues s'associent puis échangent des segments avant de se séparer.
• Certains gènes sont transférés d'un chromosome homologue vers l'autre lors du crossing-over.
• Chaque gamète possède une combinaison de gènes unique.
• Le brassage génétique produit un zygote avec un patrimoine génétique unique.

La transcription

• C'est la synthèse d'ARN à partir d'un modèle d'ADN.
• Il s'agit d'une copie de l'information génétique.
• Les étapes incluent l'initiation, l'élongation et la terminaison.
• La transcription chez les procaryotes est différente de celle des eucaryotes.

La traduction

• Transformation de l'information génétique contenue dans le brin ARNm en protéine.
• Utilise le code génétique qui associe des triplets de nucléotides (codons) à des acides aminés.
• Les étapes incluent l'initiation, l'élongation et la terminaison.

Les ARN de transfert

• Adaptateurs qui lient les codons dans le ARNm et les acides aminés correspondants qui doivent être utilisés pour synthétiser la protéine.
• Ils possèdent des régions appelées anticodons.

Transcription, traduction et modifications post-traductionnelles

• L'ARNm est synthétisée durant la transcription à partir d'une matrice d'ADN, qui contient l'information génétique.
• L'ARNm quitte le noyau vers le cytoplasme, là où se situe les ribosomes.
• La protéine est assemblée durant la traduction.
• La protéine est fonctionnelle une fois qu'elle a subit des modifications.

Contrôle de l’expression génique

• Le niveau moléculaire est régulé au niveau de la chromatine, au niveau de la structure des gènes et au niveau transcriptionnel .
• Le contrôle pré-transcriptionnel implique la modification de la structure de l’ADN.
• Le contrôle post-transcriptionnel implique la maturation de l’ARN.
• Les modifications post-traductionnelles interviennent après la synthèse des protéines.

La méthylation de l'ADN

• Ajout d'un groupe méthyle à l'ADN, un changement épigénétique réversible.
• Affecte l'accessibilité de l'ADN, la régulation épigénétique ainsi que l'expression des gènes.

Du génotype au phénotype

• La composition allélique (des gènes) d’un individu est le génotype.
• La composition des caractères observables par un individu est le phénotype.
• Plusieurs gènes peuvent contribuer à un même caractère (polygénie).
• Un même gène peut influencer différents traits (pléiotropie).
• Des gènes peuvent interagir (épistasie).
• Des facteurs environnementaux influencent le phénotype.

Reproduction parasexuelles

• Transmission du matériel génétique entre des individus liés sexuellement.
• Transformation: absorption de l’ADN par une bactérie.
• Conjugaison: transfert d’ADN par contact direct.
• Transduction: transfert d'ADN par un virus.

Génétiques de différent Organismes Modèles

• Bactéries (exemple : E. coli):
• • Unicellulaires procaryotes.
• • Reproduction asexuée par scission binaire.
• • Modèle simple pour l'étude de la génétique et des processus moléculaires.
• Levures (exemple : S. cerevisiae):
• • Unicellulaire eucaryote, modèle pour l'étude de la génétique des eucaryotes
• • Reproduction par bourgeonnement ou fission.
• • Cycle de vie avec des étapes diploïdes et haploïdes.
• Nématode (exemple : C. elegans):
• • Multicellulaire, transparente, court cycle de vie.
• • Modèle pour la génération de mutants, l'étude de la mort cellulaire programmée, biologie du développement, la différenciation et les cellules souches.
• Mouche à fruits (exemple : Drosophila melanogaster):
• • Modèle multicellulaire, cycle de reproduction court.
• • Modèle important pour l'étude du développement, des gènes homéotiques, et pour tester la génétique des animaux supérieures.
• Poisson zèbre (exemple : Brachydanio rerio):
• • Vertébré, transparence des larves, cycle de vie court.
• • Modèle pour l'étude du développement précoce et le dépistage de gènes.
• Souris :
• • Modèle mammifère.
• • Peut être génétiquement modifié pour étudier les fonctions d’un gène