Composition et structure du matériel génétique (Fra) PDF

Procaryotes/Eucaryotes Le monde vivant comprend 2 types d’organismes : Eucaryote Procaroyte Composition et...

Procaryotes/Eucaryotes Le monde vivant comprend 2 types d’organismes : Eucaryote Procaroyte Composition et structure du matériel génétique Procaryotes/Eucaryotes Composition et structure des acides nucléiques  Taille : Acides nucléiques  Polymères constitués de 3 composants : > Escherichia coli ~ 1-2 µm > Saccharomyces cerevisiae (levure) ~ 3-5 µm  Une base azotée H Cytosine Thymine Uracile H > Cellule humaine ~ 10-100 µm O CH3 O H C N O H H H N H C C N N H C C C C N C C C C N H C C H N C H H N C H H N C H N C N C N N C C N H C N N H N C O H O H  Division cellulaire : O H Guanine H Adénine H Bases pyrimidiques Bases puriques > Procaryotes : Fission binaire (masse cellulaire)  Un sucre pentose HOH2C O OH HOH2C O OH > Eucaryotes : Fission couplée à une mitose 2-désoxy Ribose OH OH Ribose OH  Un groupement phosphate  Composition et structure des acides nucléiques Composition et structure des acides nucléiques Acides nucléiques  Polymères constitués  La molécule d’ADN est une alternance de 3 composants : entre un groupe Phosphate et un Désoxy- nucléotide ( Sucre + Base azotée )  Chaque Phosphate est lié en C5 (5’) et C3 (3’) de chaque Sucre adjacent  L’organisation du squelette Sucre-Phosphate confère une orientation à la chaîne Composition et structure des acides nucléiques Composition et structure des acides nucléiques 2 règles contrôlent la formation de la structure double brin de l’ADN : 2 règles contrôlent la formation de la structure double brin de l’ADN : Complémentarité : Associations spécifiques et exclusives entre les bases (ponts hydrogène H) Antiparallélisme : Orientation des 2 brins dans des sens opposés ( 5’3’ et 3’5’ ) 3 liaisons H H H N O H N H C C C C C N C N H N C H H 5' P DR P DR P DR P DR P DR P DR OH 3' N C C N N H O H A C G T A G H Guanine Cytosine T G C A T C 3' HO DR P DR P DR P DR P DR P DR P 5' 2 liaisons H H H N N H O CH3 C C C C C N C N H N C H H N C C N H O H Adénine Thymine  Composition et structure des acides nucléiques Composition et structure des acides nucléiques D Structure en double hélice de la molécule d’ADN  Décrite par Watson, Crick, Franklin et Wilkins (1953)  Ce modèle explique deux aspects fonctionnels de l’ADN : GS  La réplication  Le transfert de l’information : P “Dogme de la biologie moléculaire” PS  C’est une hélice droite  Elle est définie par un diamètre et un pas (tour) d’hélice Diamètre (D) 23 Å  Elle définit des petits sillons (PS) Pas de l’hélice (P) 34 Å et des grands sillons (GS) Nucléotides/Pas 10 Composition et structure des acides nucléiques Composition et structure des acides nucléiques  Chargaff a analysé la proportion des bases dans l’ADN de plusieurs organismes différents et a tiré comme conclusions : - Chaque espèce a sa propre composition d’ADN - Dans les brins complémentaires, il y’a autant de A que de T (%A = %T), et autant de G que de C (%G = %C) => Dans un ADN bicaténaire : A+G/T+C = 1 => Dans un ADN monocaténaire : A+G/T+C ≠ 1 ADN-B ADN-A ADN-Z - Le rapport A+T/C+G est variable selon les espèces, mais Molécule hydratée Molécule déshydratée +++ constant entre les membres d'une même espèce Diamètre 23 Å 25 Å 18 Å Pas de l’hélice 34 Å 25 Å 45 Å Nucléotides/Pas 10 11 12  Composition et structure des acides nucléiques Composition et structure des acides nucléiques  L’ARN est similaire à l’ADN et en diffère par :  Il existe plusieurs types d’ARNs ayant chacun des propriétés spécifiques :  Le sucre ribose au lieu du désoxyribose  ARN messager ( ARNm ) C’est la copie complémentaire d’une séquence nucléotidique d’ADN  Les bases A, G, C et U au lieu de T  ARN de transfert ( ARNt )  Contrairement à l’ADN, l’ARN est habituelle- ment simple brin  C’est une petite molécule d’ARN de 75-85 pb qui constitue un “adaptateur traductionnel”  Cependant, l’appariement de bases dans certaines régions de la molécule d’ARN forment des  Il porte 2 propriétés fondamentales : régions double brin qui provoquent des  Il ne peut reconnaître qu’un seul acide aminé auquel il est lié repliements de la molécule sur elle-même de manière covalente  Ces appariements renforcent ainsi la stabilité de  Il contient une séquence de trinucléotides, “anticodon”, qui la structure secondaire de l’ARN représente l’acide aminé qu’il porte Composition et structure des acides nucléiques Composition et structure des acides nucléiques  ARN ribosomal ( ARNr )  La structure IIaire de l’ARNt est caractéristique en feuille de trêfle, maintenue par l’appariement de courtes séquences complémentaires,  Il fait partie du ribosome, la petite usine mobile qui se déplace le long alors que sa structure IIIaire est plutôt en forme de L de la matrice d’ARNm lors de la synthèse des protéines Bras Structure IIaire de l’ARNt  L’ARNr constitue la plus grande partie de la masse du ribosome et il accepteur y’en a plusieurs types : Organisme S o u s - u n i t é s r i b o s o m a l e s Bras TΨC E. coli Petite (30S) Grande (50S) Bras TΨC Bras Bras D Boucle TΨC accepteur (70S) ARNr 16S : 1.54 kb ARNr 23S : 2.9 kb ARNr 5S : 0.12 kb Boucle D Bras D Mammifères Petite (40S) Grande (60S) (80S) ARNr 18S : 1.87 kb ARNr 28S : 4.72 kb Bras anticodon ARNr 5.8S : 0.16 kb Boucle de l’anticodon ARNr 5S : 0.12 kb Bras de Bras l’anticodon supplémentaire  La taille des ARNr est cependant très variable et varie d’un organisme Anticodon Structure IIIaire de l’ARNt à un autre  Taille du génome Taille du génome Tableau. Exemples de génomes pour lesquels une séquence complète ou Tableau. Taille de quelques génomes eucaryotes une ébauche de leur génome ont été obtenues Espèces Taille du génome (Mb) Espèces Taille du génome (Mb) Nombre approximatif de gènes Champignons (Fungi) Saccharomyces cerevisiae 12.1 Bactéries Aspergillus nidulans 25.4 Escherichia coli K12 4.64 4.400 Protozoaires Mycobacterium tuberculosis H37Rv 4.41 4.000 Tetrahymena pyriformis 190 Mycoplasma genitalium 0.58 500 Invertébrés Pseudomonas aeruginosa PA01 6.26 5.700 Caenorhabditis elegans 97 Streptococcus pneumoniae 2.16 2.300 Drosophila melanogaster 180 Vibrio cholerae El Tor N16961 4.03 4.000 Bombyx mori (ver à soie) 490 Yersinia pestis CO92 4.65 4.100 Strongylocentrotus purpuratus (oursin) 845 Vertébrés Archaebactéries Takifugu rubripes (poisson) 400 Archaeoglobus fulgidus 2.18 2.500 Homo sapiens (homme) 3.200 Methanococcus jannaschii 1.66 1.750 Mus musculus (souris) 3.300 Plantes Eucaryotes Arabidopsis thaliana (vesce) 125 Arabidopsis thaliana (plante) 125 25.000 Oryza sativa (riz) 430 Caenorhabditis elegans (nématode) 97 19.000 Zea mays (maïs) 5.000 Drosophila melanogaster (mouche du vinaigre) 180 13.600 Pisum sativum (pois) 4.800 Homo sapiens (homme) 3.200 25.000 Triticum aestivum (blé) 16.000 Saccharomyces cerevisiae (levure) 12.1 5.800 Fritillaria assyriaca (fritillaire) 120.000 L’ADN eucaryote est empaqueté dans des chromosomes L’ADN eucaryote est associé aux histones  Les chromosomes sont beaucoup plus courts que les molécules d’ADN qui les  L’ADN est associé avec des protéines stables, basiques et de faible poids molé- contiennent culaire : les protéines histones (H2A, H2B, H3 et H4) > Par exemple, un chromosome humain moyen contient environ 5 cm d’ADN  Les histones sont produites en quantité énorme (60 millions de chaque type par cellule) et s’associent pour former un octamère cylindrique  L’ADN est donc condensé/empaqueté pour pouvoir tenir dans le noyau  L’octamère est constitué : - Cœur tétramérique ( 2x H3 + 2x H4 )  Ce système d’empaquetage joue également un rôle extrêmement important - 2 hétérodimères H2A-H2B dans la régulation de processus impliqués dans l’expression des gènes H2A H3 H3 H2B H2A H4 H4 H2B  L’ADN eucaryote est associé aux histones Les nucléosomes forment une fibre élémentaire  Les interactions ADN-histones se font surtout  Une autre histone, H1, vient relier les nucléosomes entre eux par le petit sillon > Il y a un empilement régulier des nucléosomes les uns sur les autres  La double hélice s’enroule 2x autour de l’octa- mère (147 pb) > C’est la fibre élémentaire de 30 nm ou structure en "solénoïde"  Cette structure de base est le "nucléosome"  Compaction totale de l’ordre de 40x  Il permet une compaction de l’ordre de 5x  Il y en a 1-2 x 107 par génome haploïde 30 nm 147pb 60pb 200pb 11 nm La fibre élémentaire se condense en boucles Morphologie des chromosomes  A quelques exceptions près, les chromosomes ne sont facilement observables que lorsqu’ils ont achevé leur réplication en deux structures identiques appelés chromatides ou encore chromosomes-fils  > Cette étape correspond au moment ou la cellule s’apprête à se diviser  La fibre de 30 nm s’organise en une série de  Pendant l’interphase (période comprise entre les divisions nucléaires), la chro- boucles (d’une longueur moyenne de 400 nm) matine est en effet probablement sous forme d’une fibre de 30 nm   Ce n’est que quand le noyau se divise, que l’ADN adopte une forme plus com- pacte d’enroulement pour donner des chromosomes en métaphase  Les boucles s’empilent et s’enroulent étroite- ment pour former une hélice serrée   Le niveau supérieur de condensation est celui de domaines de boucles formant un repliement organisé en chromatides  Morphologie des chromosomes Morphologie des chromosomes  Les chromosomes métaphasiques se forment au cours du cycle cellulaire après Individualisation des chromosomes en fonction de la position du centromère réplication de l’ADN, et contiennent donc deux copies de la molécule d’ADN contenue dans ce chromosome  Les chromosomes se différencient alors selon leur aspect morphologique, lui- même étroitement lié à la position de centromère  Ce paramètre d’identification, appelé indice centromérique (IC), est défini Chromatide 1 2 3 4 comme la position du centromère par Télomère rapport aux deux extrémités du chro- - Position médiane = Chromosome métacentrique (bras égaux) ( 1 ) p mosome, délimitant ainsi notamment un bras court, noté p, et un bras long, - Position sub-médiane = Chromosome sub-métacentrique ou para-centrique noté q (bras inégaux) ( 2 ) Centromère  L’indice centromérique est calculé - Position distale = Chromosome acrocentrique (bras très inégaux) ( 3 ) q selon la formule : IC = P / P+Q - Position terminale = Chromosome télocentrique (un seul bras) ( 4 ) Nombre de chromosomes ADN mitochondrial  Le génome nucléaire est divisé en un ensemble de molécules linéaires,  La grande majorité du génome humain est située dans les chromosomes dans chacune contenue dans un chromosome, et à ce jour on ne connaît pas le noyau de chaque cellule, mais il existe un petit génome circulaire (de 16 kb) d’exception à ce schéma dans les mitochondries (organites cellulaires spécialisés (2-10 µm de long et  Tous les eucaryotes étudiés ont ainsi au moins deux chromosomes, et ces 0.5-1 µm de large) présents dans le cytoplasme des cellules eucaryotes molécules sont toujours linéaires  Il y a 5 à 10 copies d’ADN mitochondrial par mitochondrie, soit des centaines  Quelques exemples d’organismes et de leur nombre de chromosomes : à un millier de molécules d’ADNmt dans une seule cellule Espèce Nombre de chromosomes  En supposant qu’il existe 1.000 copies d’ADNmt dans une cellule, celui-ci ne représente toutefois Homme 23 (n) que 0.25% du contenu total en ADN d’une cellule Chimpanzé 24 (n) Chat 19 (n) Chien 39 (n) Souris 20 (n) Rat 21 (n) Drosophile 4 (n) Levure 16  ADN mitochondrial Génome mitochondrial  L'ADN mitochondrial a environ 16.569 pb (le nombre total de nucléotides va- riant en raison de petites insertions ou délétions)  Le génome d’ADNmt est constitué d’environ 15.447 pb codantes qui forment la région codante de l’ADNmt, des positions 577 à 16.024  Les gènes de l’ADNmt codent pour 37 produits utilisés dans le processus de phosphorylation par oxydation ou la production d’énergie cellulaire  Les gènes sont très étroitement localisés dans l’ADNmt, avec seulement 55 nucléotides dans les 15.447 pb de la région codante qui ne sont pas utilisés pour transcrire une protéine, un ARNr ou une molécule d'ARNt  L’ADNmt porte également une région de 1.122 pb appelée région de contrôle (ou D-Loop) qui contient les sites d’origine de réplication du brin "lourd" H, et certains du brin "léger" L d’ADNmt, mais ne code pour aucun produit de gènes et est donc parfois appelée région (non codante) Caractéristiques de l’ADNmt Chromosome Y  Contrairement à l’ADN nucléaire, l’ADNmt est exclusivement hérité de la  Le chromosome Y, spécifique aux hommes, est l’un des plus petits chromoso- mère mes du génome humain et transmis de père en fils > A la conception, seul le noyau du spermatozoïde pénètre dans l'ovule et re- joint directement le noyau. Lorsque le zygote se divise ensuite et qu'un  Il s’étend sur environ 60 Mpb, dont 95%, appelé région non recombinante du Y blastocyste se développe, le cytoplasme et les autres parties de la cellule, à (NRY), ne subit pas de recombinaison et est riche en éléments répétitifs intra- l'exception du noyau, correspondent à l'ovule de la mère chromosomiques  Les mitochondries et leurs molécules d’ADNmt sont donc directement trans-  Le chromosome Y partage pourtant un certain nombre de régions d’homolo- mises à leurs descendants, indépendamment d’une influence masculine, ce gie avec le chromosome X et peut subir des recombinaisons au cours de la qui justifie le fait, qu’en dehors de mutations, la séquence de l’ADNmt de la méiose avec celui-ci dans les deux régions pseudo-autosomales situées à fratrie et de tous les membres de la famille du côté maternel soit identique l'extrémité des bras long et court (PAR1 et PAR2)  L'ADN mitochondrial utilise également un code génétique différent de celui > Entre ces deux régions, se situe la grande région non recombinante de l'ADN nucléaire. Par exemple : > Le tryptophane est codé par UGA dans l’ADNmt, tandis que le code géné- tique universel (nucléaire) de ce dernier est un codon Stop > Dans le code génétique de l'ADNmt, AUA code pour Met au lieu de Ile et AGA et AGG codent pour des codons Stop au lieu de Arg  Chromosome Y Plasmides  D’autres structures à réplication autonome peuvent être trouvées et mainte-  La région non recombinante du chromosome nues de manière stable chez les bactéries : plasmides Y est divisée en trois régions : euchromatine, hétérochromatine et centromère  La plupart des plasmides sont facultatifs, les bactéries qui n’en ont pas sont - La région euchromatique a une taille d'environ parfaitement viables 23 Mpb, divisée elle-même en 8 Mpb sur le bras court et 14,5 Mpb sur le bras long  La taille des plasmides est extrêmement variable, allant d’une 100aine pb à plusieurs 100aines kb - La région hétérochromatique contient environ 40 Mpb de séquences répétitives  Les 156 unités de transcription identifiées, dont celles impliquées dans la spermatogenèse, la fertilité masculine, ainsi que le gène SRY (Sex- determining Region Y) se situent dans la région euchromatique Plasmides Phages / Virus  Résistance aux antibiotiques  La réplication d’un phage peut suivre deux types de cycles : lytique ou lysogène  Résistance aux ions toxiques (ex: métaux lourds)  Production de bactériocines (ex: colicine par E. coli, subtilisine par B. Infection Circularisation subtilis) et de toxines (ex: hémolysine par E. coli)  Plasmides de dégradation (ex: plasmide TOL de Pseudomonas putida qui code pour des enzymes dégradant le toluène) Croissance lytique Croissance lysogène  Plasmides des bactéries lactiques (ex: plasmides de Streptococcus lactis qui codent pour des fonctions utiles à l’industrie laitière: dégradation lactose, galactose,...) Encapsidation Intégration  Plasmides symbiotiques (ex: plasmides géants 200 Mda / 1.500 kb de Réplication avec le Rhizobium) chromosome bactérien  Plasmides inducteurs de tumeurs (ex: plasmide Ti d’Agrobacterium)