Génome (PDF)

Génome [Dogme centrale] ---------------------------- Toutes les cellules vivantes expriment leur information génétique selon le **dogme central**. On parle de flux de l'information génétique : - **ADN **: Réservoir de l'information génétique -\> transcription pour devenir ARN - **ARN **: C...

Génome [Dogme centrale] ---------------------------- Toutes les cellules vivantes expriment leur information génétique selon le **dogme central**. On parle de flux de l'information génétique : - **ADN **: Réservoir de l'information génétique -\> transcription pour devenir ARN - **ARN **: Copie d'une unité génétique, appelée gène, présente dans l'ADN. Peuvent aussi avoir des fonctions dans génome (ouvrière**molécule effectrice**) - **Protéine **: Molécule effectrice remplissant les tâches nécessaires à la survie de l'organisme. - **Produit final** *NB : Déf molécule effectrice : **Une molécule effectrice agit comme un ligand qui est capable d\'augmenter ou de diminuer l\'activité de cette protéine**. Il peut également réguler l\'activité de certaines molécules d\'ARNm, l\'expression des gènes et la signalisation cellulaire (modulation de l'activité d'une cellule)* **Tous les gènes ne codent pas pour des protéines** **-\> codent pour des ARN qui ne deviennent pas forcément une protéine.** **Le génome** ============= [Définition] : **totalité de l'information génétique** d'un organisme vivant - Permet à un œuf fécondé de devenir adulte (**programme**) - Détermine espèce (hérédité) -\> **spécifique** - **Contrôle interaction organisme et environnement** On peut le voir sous **2 aspects :** - Une entité physique (**molécule d'ADN**) - Une entité fonctionnelle (**matériel génétique**) 1.Génome en tant qu'entité physique  ==================================== - *Une configuration parallèle serait impossible spatialement car les nucléotides présentent une **asymétrie**.* - *Ils ont une polarité (5' à 3')* - *Meilleure surface d'interaction des nucléotides comme ça* - *Anti-parallèle* C'est antiparallèle parce que la base est asymétrique =\> pour que ça marche. L'**ADN** est une **fraction mineure mais essentielle** (**0.25%**) d'une cellule humaine. Le génome est réparti en chromosomes ------------------------------------ - On compte le **nombre de manière haploïde.** **Procaryote : Bactéries **: 1 molécule d'ADN circulaire, rarement 2 **Eucaryote** : spécifique à chaque espèce **16 : S Cerevisiae = levure du boulanger** **4 : D. Melanogaster = mouche** **20. M. Musculus = souris** **Pas de corrélation entre nombre de chromosomes et complexité biologique** Voir chromosome ? **Caryotype** : vue **microscopique** de l'arrangement standard de l'ensemble des chromosomes d'une cellule, disposés par paires et classés par taille et position du centromère - Drogue bloque, cellule bloquée en **métaphase**, gonflée en milieu hypotonique et fixée sur une lame. Vérification par **FISH **: séquences d'ADN complémentaires couplées à des fluorochromes et hybridées -\> visualisation par **microscopique à fluorescence** La taille --------- **La taille physique du génome augmente, en général, avec la complexité biologique de l'organisme donc le nombre de nucléotides.** - Mais de **nombreuses exceptions** et grande variabilité - (Ex : génome fougère\>humain) - Génome humain 100x plus petit 2.Génome en tant qu'entité fonctionnelle  ========================================= - **Information génétique contenue dans génome est organisé en** **unités gène** ### **Un gène ** - Unité de base de l'information génétique - Région de l'ADN qui contrôle un caractère héréditaire donné d'un organisme (Pas toujours exact car certains caractères ont besoin de plusieurs gènes) - Permet la synthèse d'**au moins une molécule effectrice** (**ARN ou protéine**) **Exemple : virus HIV (SIDA)** -\> doit répondre au dogme central pour se multiplier **-\> virus à ARN +** = rétrovirus =\> 9 gènes **Exemple : Bacille de Koch (vie réduite à l'essentiel)** Dogme découvert par elle -\> 500x les bases et le génome de l'HIV **Exemple levure du boulanger (eucaryotes avec noyau) (Saccharomyces cerevisiae)\ **-\> 3x les bases et 2x les gènes de bacille **Mouche du vinaigre (drosophila melanogaster)** ================================================ - Organisme/génétique Simple - Multicellulaires - 8x les bases et 2x les gènes **Homo sapiens** - 23x les bases et 2x les gènes \- Meilleure utilisation de l'information génétique que l'homme 3. Entité physique **pas égale** entité fonctionnelle ===================================================== **La taille physique du génome et le nombre de gènes ne sont pas proportionnels.** **Un génome plus grand ne contient pas forcément un plus grand nombre de gènes et ces gènes ne contiennent pas forcément plus d'information génétique.** Qu'y a-t-il en plus des gènes ? =============================== Des éléments dont la fonction est connue  ----------------------------------------- - **Origines de réplication **: là où se fixe l'ADN-polymérase pour commencer la réplication. - **Télomères **: extrémités des chromosomes faites de courtes séquences nucléotidiques répétées. - - **Centromères **: le point d'attache des filaments du fuseau mitotique permettant à une copie (chromatide) de chaque chromosome dupliqué d'être "tirée" dans chaque cellules filles lors de la division cellulaire. Les régions centromériques contiennent de courtes séquences répétées en tandem (ex : CACACACACA). - **Autres éléments structurels** : séquences d'ADN qui servent de point d'attache à une charpente protéique pour l'organisation de la chromatine dans le noyau. - Non-codante (mais fonction connuepour créer des molécules effectrices) Des éléments sans fonction connue --------------------------------- - Séquences uniques conservées, : **non-codantes** donc non-géniques, (2-3%) - Liées aux régulations - **Séquences répétées (junk or selfish DNA) de 50%,** avec un rôle pour l'évolution ainsi qu'une trace de passage de rétrovirus qui sont dispersées à travers le génome. - Souvent courtes **(50-200pbs)** - **Autre séquences répétées pour les tests de paternité avec CACAC** - - **Plus de 55% du génome humain est formé de séquences répétées** soit venant d'éléments transposables, soit de séquences répétées simples.  - **L'info génétique (gène) est perdue** dans une masse de séquences répétées 3.Morcellement de l'information génétique ----------------------------------------- ### **Exon et intron** Les gènes sont découpés en fragments (**exons**information génétique utilisée) séparés par des segments d'ADN appelés (**introns**information inutile) - **1.5% est composé d'exons codant pour les protéines** - **Nbr d'exons et d'introns est variable d'un gène à l'autre** - Introns tjr entre les exons / gène **commence et finit** par un exon - **Taille introns variable entre les espèces** - **(0-177 introns chez l'homme)** **30% des gènes** Dans la maladie de Huntigton c'est muté donc les introns sont plus petits. Résumé ------ - **Taille génome pas proportionnelle nbr gènes** - **Grand partie génome autre chose que gène** - **La taille physique du génome augmente, en général, avec la complexité biologique de l'organisme donc le nombre de nucléotides.** L'évolution du génome ===================== Généralités  ------------ **On remarque généralement une corrélation entre le nombre de gènes et la complexité de l'organisme (nombreuses exceptions)** - Nous partageons des gènes communs avec d'autres espèces (**gènes** **communs** fonctions de bases (réplication, division cellulaire,...)) - **Epissage alternatif** : permet la production de plusieurs protéines à partir d'un seul gène - **Tous les organismes ont évolué simultanémen**t au cours du temps selon leurs besoins d'adaptation, qu'ils paraissent complexes ou simples (gènes spécifiques) - **Chaque organisme possède des gènes qui lui sont uniques** Évolution des gènes : le génome n'est pas statique ================================================== **Chaque espèce vivante évolue grâce à 3 mécanismes clés :** 1. Mutations (gène orthologue) à **divergence** 2. Duplication (gène paralogue) à **divergence** 3. Nouvelles combinaisons d'exons provenant de gènes différents**brassage** Mutation menant à la divergence  ================================ La variabilité au sein d'une espèce ----------------------------------- - Accumulation progressive de mutations avec le temps (erreurs de réplication, de réparation,externe,...) =\> accumulation de réponse - Les mutations intra-géniques sont rares **: 1-2/1000 nucléotides par 10^6^ années.** Cependant, à l'échelle de l'évolution ces mutations sont significatives. - Une mutation qui apparaît aléatoirement dans un gène donné provoque **la formation de « 2 versions » du gène** avec des séquences légèrement différente. C'est ce qu'on appelle **2 allèle**s. ### Allèle et gène polymorphe **Allèle **: Variante/version différente donnée d'un même gène au sein d'une espèce. **Gène polymorphe** : Gène pour **lequel 2 ou plusieurs allèles existent**. Il y a donc plusieurs versions du gène dans la population 2 génomes humains -\> **4-5 x 10^6^ différences** - **Variabilité des caractères héréditaires** entre individus ### Homozygote et hétérozygote Deux mêmes allèles ensemble : homozygote Deux allèles différents ensemble : hétérozygotes La variabilité entre espèces  ----------------------------- - Accumulation de mutations intra-géniques qui mène à la formation de deux gènes différents : responsable de la divergence entre espèces. - La divergence des séquences de gène orthologue s'accompagne en général d'une **divergence progressive** dans leurs fonctions respectives  Gène **orthologue** ------------------- [Déf] : Il s'agit d'un gène commun à **deux espèces différentes** provenant d'une espèce commune ancestrale (quelque peu changé par les mutations). Le nombre de **gènes orthologues** entre deux espèces diminue avec le temps jusqu'à ce qu'ils deviennent des gènes **différents**. - **Ils effectuent la meme fonction chez chacune des deux espèces** - **Leur identité diminue avec le temps =\> plus en plus de mutations** ### Calculer le degré de divergence de 2 espèces grâce aux gènes orthologues Il y a une corrélation entre le degré de divergence de 2 gènes orthologues et l'époque à laquelle le dernier ancêtre commun a vécu - Calcul de l'ancêtre : 0,1% (mutations) par 10\^6 (années) si 1,5% cmb d'annéesproduit en croix - Arbre phylogénétique : notre génome est identique à 99% à celui du chimpanzé. On peut garder le pourcentage et le temps pour savoir. **Après un certain moment, les gènes orthologues deviennent différents.** Moins de mutations sur les exons -------------------------------- **L'information est morcelée mais les exons restent les informations.** S'il y a une mutation sur un exon c'est néfaste car la protéine va être mutée alors que sur les introns ce n'est pas grave. - **Les gènes orthologues sont plus similaires dans les exons** C'est pourquoi les mutations s'accumulent moins vite dans les exons que dans les séquences d'introns =**\> plus de mutations dans les introns =\> plus de divergence**  Pourcentage d'identité ---------------------- Le **pourcentage d'identité moyenne** est défini par le pourcentage de nucléotides **similaires sur un gène orthologue**. Cela montre à quel point 2 gènes orthologues se ressemblent. **Souris entre homme et souris 99% alors que** **mouche 40%** - Mutation sur même gène peut conduire à des conséquences similaires entre les espèces - Tache blanche montre la mutation du gène KIT  **% d'identité moyenne des gènes orthologues / proportion de gènes orthologues** Duplication menant à la divergence  =================================== [Lors de la méiose], il arrive que les deux chromosomes soient mal appariés. Etant donné que **50% de notre génome est fait de séquences répétées**, cela peut avoir comme conséquence que des gènes homologues soient répliqués à cause de **recombinaisons homologues aléatoires/inégales**. À terme, les mutations vont s'accumuler et les deux gènes deviendront différents avec une **délétion du gène Y** ici. **Paralogue** : gènes issus d'un évènement de duplication au sein d'une même espèce **Orthologue** : gènes de deux espèces différentes du même gène ancestral **Homologue** : désigne des orthologues ou paralogues montrant une similarité nucléotide Gènes **paralogues**  [Déf] : **Ce sont des gènes issus d'un événement de duplication,** survenue au sein d'une **même espèce** par recombinaison inégale, qui présente une divergence de séquence. Plus il y accumulation de mutations dans des gènes paralogues, plus ils deviennent des gènes différents. Gènes **homologues** ==================== Il s'agit des gènes présentant une similarité évidente dans leur séquence nucléotidique, ils codent donc pour **la même fonction** (Des gènes orthologues ou paralogues) **Duplication peut mener qu'une copie perd la fonction en accumulant les mutations. L'autre devient unique. La non-fonctionnelle est appelée « pseudogène ».** - Devient un gène différent Familles de gènes ================= Seule la moitié des gènes de notre génome sont unique. Les autres gènes peuvent être regroupés en **familles**. Si on les compare les uns aux autres -\> similarité de séquence suffisante pour vérifier qu'ils sont **issus d'évènements de duplication successifs** d'un seul gène ancestral. Combinaisons d'exons de gènes différents brassage ================================================= Gène mosaïque (1 gène qui contient des exons de plusieurs autres gènes) ----------------------------------------------------------------------- Plusieurs gènes actuels résultent d'un patchwork de segments géniques entre plusieurs gènes ancestraux différents. Ce sont les **gènes mosaïques (mélange d'exons de 2 gènes).** Un gène mosaïque sera sélectionné s'il est bénéfique et éliminé s'il est délétère. On va insérer un exon. **Gènes mosaïques faits de fragments provenant de plusieurs gènes ancestraux.** Les gènes mosaïques résultent de : - La **recombinaison homologue inégale** entre plusieurs gènes ancestraux (au niveau des exons) - **Transposition** de l'exon d'un gène sur un autre Le brassage d'exons a été facilité par le morcellement génétique en exons séparés par des introns. **Organisation du matériel génétique** ====================================== Généralités ----------- L'ADN, **long de 2m**, doit être contenu **dans un petit noyau chez les eucaryotes et cytoplasme chez les procaryotes**. **Taille du génome = 3.2 x 10^9^ paires de nucléotides** **La solution est d'empaqueter le génome** sous forme de chromatinecompact et accessible Enfermé dans un noyau de **\ empaqueter sous forme de chromatine (**compact et accessible**) 1. La chromatine La chromatine est formée par de l'**ADN et des histones (protéines)** C'est un **enroulement progressif de l'ADN** sous la forme d'une structure nucléoprotéique : - **50% de protéines histones (principalement) et 50% d'ADN** Le nucléosome : organisation de la chromatine --------------------------------------------- C'est l'unité fondamentale de la chromatine. Il est fait d'une courte longueur d'ADN enroulée autour d'un ensemble d'histones qu'on appelle le « **noyau d'histones**octamère d'histones » **Nucléosome : ADN + 8 histonesdes protéines (2 copies de 4 histones différentes)** **H2A / H2B / H3 / H4** Le collier de nucléosomes : --------------------------- Appelé également **collier de perles = x6 = premier niveau** - Permet une compaction de **6x de l'ADN** - Espaces entre nucléosomes : 200 pb (150pb enroulées autour de l'histone et **50 pb qui sont de l'ADN nu entre les** **autres** et qui forme la liaison entre les nucléosomes) La fibre de 30 nanomètres ------------------------- Formation de la fibre **: les extrémités des histones** qui dépassent du nucléosome se collent à des nucléosomes adjacents (interaction avec voisin) - **Stabilise la fibre de 30nm** **Charpente chromosomique** --------------------------- - Organisation de la fibre en **boucle** - L'ADN est très accessible - **Compaction x10 : 300nm** **Hétérochromatine / euchromatine** ----------------------------------- - **Hétérochromatine** : fermée /inactive (ne peut pas être lu par les enzymes) - **Gènes inactifs =\> compaction encore de 700nm** - **Euchromatine** : ouverte/ active/accessible (peut être lu) - Gènes actifs - Plutôt vers le **centre du noyau** **Mitose = chromosome interphase= euchromatine + hétéro** En chromosome encore plus compacté pendant la mitose  Même éloigné sur un chromosome ou sur des chromosomes distincts -\> 2 gènes peuvent être rassemblés dans **l'espace tridimensionnel du noyau** L'espace peut changer donc ils peuvent être propres. **La chromatine est une structure organisée mais dynamique.** ### Les protéines qui créent l'hétérochromatine - Protéines permettent de créer hétérochromatine - Mais également de l'arrêter (barrière par exemple) Hétérochromatine =\> peut se faire par une enzyme qui modifie les histones puis protéine ! =\> modifie les histones pour passer de euchromatine à hétérochromatine Certaines barrières peuvent bloquer les modifications (slide de droite)  On peut donc avoir des zones des fois actives ou inactives selon la volonté grâce à ces protéines. On peut passer de cote à l'intérieur (hétéro à euchromatine).