Biologie Moléculaire - Cours 1 PDF

CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Biologie moléculaire 1 Introduction 1.1 Flux d’information génétique : du gène à la protéin...

CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Biologie moléculaire 1 Introduction 1.1 Flux d’information génétique : du gène à la protéine Gène = fragment d’ADN qui est transcrit, il porte l’information nécessaire à la synthèse des protéines. Le gène débute au niveau du site d’initiation de la transcription (séquence ATG) au niveau du promoteur, et se finit au site de terminaison. Il est composé de séquences codantes (exons) et de séquences non codantes (introns) Un gène ne donne pas directement la protéine mais passe par l’ARNm et l’ARN pré- messager Le brin support pour la synthèse de cet ARN pré-messager (= transcrit primaire) est le brin anti-sens : 3’-5’ L’ARN pré-message possède une séquence presque identique au brin sens, sauf les T qui sont remplacés par des U A l’extrémité 5’ se trouve la coiffe, et à l’extrémité 3’ se trouve une queue poly A -1-  CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Le processus d’épissage : passage ARN pré-messager à ARNm Dans le noyau Synthèse de l’ARNm mature Les introns sont éliminés Certains exons peuvent être éliminés Épissage constitutif : tous les exons sont conservés Épissage alternatif : certains exons sont excisés ARNm mature sort dans le cytoplasme où il sert de support pour la synthèse des protéines grâce à la traduction 1.2 Du génotype au phénotype Génotype : ensemble de l’information génétique d’un organisme. Le support matériel de cette info est l’ADN De ce génotype découle le phénotype. Le phénotype est la conséquence du génotype. Phénotype : ensemble des caractéristiques visibles ou détectables à l’échelle d’une protéine, d’une cellule ou d’un individu 3 niveaux de phénotype : - Moléculaire : caractéristiques de certaines protéines d’un individu (l’expression incidence sur d’une même protéine peut être plus ou moins fonctionnelle) A une - Cellulaire : caractéristiques de certaines cellules d’un individu (structure et fonctionnement des cellules) - Macroscopique : traits apparents d’un individus Ex : drépanocytose Hémoglobine : 2 chaînes alpha + 2 chaînes bêta -2- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Individu atteint de la drépanocytose Individu sain (maladie de la douleur) Les molécules Molécule d’hémoglobine d’hémoglobine S (HbS, A (HbA, normale) anormale) sont associées Phénotype moléculaire en fibres qui s’agglutinent et déforment donc les globules rouges Globules rouges en forme Globules de forme de faucille lors d’une biconcaves qui circulent diminution de la normalement dans les concentration de CO2, capillaires sanguins perturbent la circulation Phénotype cellulaire sanguine et obstruent les vaisseaux sanguins. Les globules rouges ont une plus courte durée de vie Anémie (entrainant Normal fatigue et essoufflement), Phénotype AVC, douleurs intenses, macroscopique crise vaso-occlusive, problème aux poumons (décès) La drépanocytose est donc dû à la mutation du gène codant l’hémoglobine 2 Structure de l’ADN 2.1 Généralité ADN (=acide désoxyribonucléique) : support de l’information génétique. ADN dans le noyau (ADN nucléaire) chez les eucaryotes et dans les organites intracellulaires (mitochondries : ADN mitochondrial, chloroplastes des cellules eucaryotes photosynthétiques). Sa longueur varie entre les espèces : 3,2 milliards de paires de base chez l’Homme -3- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Formule : - Groupe phosphate - Sucre à 5 carbones (2’- désoxyribose) - Base azotée 2.2 Sucre L’ADN ne possède pas de groupement hydroxyle (OH) sur son carbone 2’ contrairement à l’ARN. L’ADN est donc plus stable que l’ARN car le groupement 2’OH de l’ARN est capable de couper la liaison entre les nucléotides. Le prof a précisé que les structures n’étaient pas à connaitre 2.3 Bases Pas besoins d’apprendre la structure des bases 2 classes : purines (G et A) et pyrimidine (C et T) - Purines : molécules bicycliques - Pyrimidines : molécules monocycliques Mémo du prof : Purines : les personnes âgées (A et G) mangent de la purée et font de la bicyclette (bicyclique) -4- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 2.4 Nucléoside : sucre + base Au niveau de l’ADN, le sucre (désoxyribose) et la base sont reliés par une liaison N- osidique. La liaison N-osidique engage le carbone 1’ du pentose (désoxyribose) et l’azote N1 des bases pyrimidiques (cytosine et thymine) ou l’azote N9 des bases puriques (adénine et guanine) ➔ Monocyclique (C et T) : liaison 1-1 sinon 1-9 Les nucléosides à purine se termine en -osine (Guanosine et Adénosine) Les nucléosides à pyrimidine se termine en -idine (Cytidine et Thymidine) Le groupement phosphate est lié au C5’ du pentose par une liaison ester 2.5 Polynucléotide Les nucléotides d’une chaîne d’ADN sont reliés entre eux par des liaisons phosphodiester entre l’extrémité 3’OH du premier nucléotide et l’extrémité 5’P du suivant. On obtient alors un « squelette » sucre-phosphate avec des bases variées. OH peut casser cette liaison. C’est pour cette raison que les ARN sont moins stables. -5- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 2.6 Orientation 5’—>3’ de l’ADN L’extrémité 5’ phosphate (groupement phosphate) est portée par le carbone 5’ du pentose du premier nucléotide de la séquence nucléotidique. ➔ 5’ phosphate est donc le début de la séquence de l’acide nucléique. L’extrémité 3’OH (groupement hydroxyle) est portée par le carbone 3’ du pentose du dernier nucléotide de la séquence nucléotidique. ➔ 3’OH représente la fin de la séquence de l’acide nucléique. On ajoute toujours les nucléotides à l’extrémité 3’OH. 2.7 Orientation antiparallèle et complémentaire de l’ADN Les 2 brins sont complémentaires : A et T ; G et C On retrouve : - entre l’adénine et la thymine : 2 liaisons hydrogènes - entre la guanine et la cytosine : 3 liaisons hydrogènes ➔ Interaction plus forte entre G et C qu’entre A et T Les 2 brins sont antiparallèles : la base en 5’ d’un brin réagit avec la base située en 3’ de l’autre brin. 2.8 Compaction de l’ADN L’ADN s’associe à des protéines : histones. Pour former la chromatine (ADN + protéines) ce qui va permettre de compacter l’ADN (2n d’ADN contenu dans 1 cellule) Premier niveau de compaction : nucléosome. -6- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Un nucléosome est un octamère d’histone (8 protéines histones entourées d’environ 146 paires de bases d’ADN). On retrouve 2 histones H2A, 2 H2B, 2 H3 et 2 H4. La chromatine adopte une structure en collier de perle. Ces nucléosomes peuvent s’enrouler en chapelet pour former la fibre chromatinienne. On va retrouver 6 nucléosomes par tour. C’est le deuxième niveau de compaction de l’ADN. Cette compaction va pouvoir se faire grâce à l’histone H1 au niveau de l’espace internucléosomique qui permet aux nucléosomes de se rapprocher et de s’enrouler pour former la fibre chromatinienne. Empaquetage de l’ADN en fibre de 30nm : compaction d’un facteur 40. La fibre chromatinienne va former des boucles qui vont être retenues à leur base par une structure protéïque : la matrice nucléaire. Ces boucles vont se replier pour former une fibre avec un haut niveau de compaction. Condensation maximale de la chromatine uniquement au cours de la métaphase. En dehors de celle-ci, la chromatine est plus ou moins compactée. Les chromosomes ont une forme de X seulement lors de la métaphase, ils ont une forme plus décompactée dans les autres phases du cycle. -7- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin S’ils étaient aussi compactés, les gènes ne seraient pas accessibles et ne pourraient pas être transcrits. 2 formes de la chromatine : - Euchromatine : réseau fibrillaire lâche (collier de perle), transcriptionnellement actif, les facteurs de transcription ont un accès facile au gène et peuvent induire la transcription - Hétérochromatine : compactée donc les gènes sont inaccessibles donc pas transcrit o Constitutive : zone constamment condensée avec très peu de gènes → inactive. Comme les télomères et les centromères o Facultative : réseau fibrillaire tantôt condensé (transcriptionnellement inactif) et tantôt lâche (transcriptionnellement actif). Les gènes sont donc plus ou moins exprimés -8- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin L’acétylation des protéines histones peut modifier le niveau de compaction des chromatines. L’ADN est chargé négativement et les histones sont chargées positivement donc il y une très forte interaction entre eux. Mais en acétylant l’histone, on masque sa charge + et donc on diminue cette interaction et on relâche la chromatine. Ce qui permet à l’ADN d’être accessible aux facteurs de transcription, il y a alors une augmentation de la transcription. Et inversement, la désacétylation diminue la transcription 3 Réplication de l’ADN 3.1 Réplication : Duplication du matériel génétique dans le noyau Le processus de réplication à lieu dans le noyau, uniquement au cours de la phase S du cycle cellulaire. La cellule duplique son matériel chromosomique. 3.2 Duplication du matériel génétique au cours de la phase S Phase G1 : chromosome à 1 chromatide Phase S : duplication du matériel génétique avant la mitose Phase G2 : chromosome à 2 chromatides Mitose : séparation des 2 chromatides -9- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 3.3 Les substrats de la réplication Besoins d’une matrice (ADN génomique), d’un amorce (ARN + ADN), de dNTP (désoxyNucléoside TriPhosphate) et d’ADN polymérase. Chaque brin sert de matrice au brin néosynthétisé. Les nucléotides sont ajoutés à l’extrémité 3’OH. Le groupement hydroxyle attaque le phosphate alpha du dNTP entrant permettant l’incorporation d’un nucléoside monophosphate et le relâchement de deux phosphates, gardant qu’un seul groupement phosphate. 3.4 Mécanismes Initiation : 1. Hélicase : séparation des 2 brins 2. ADN polymérase alpha : synthèse de l’amorce d’ARN-ADN (10 ribonucléotides d’ARN et 20 à 30 nucléotides d’ADN) 3. RP-A : maintien les 2 brins séparés L’activité primase de l’ADN polymérase alpha lui permet de synthétiser le fragment d’ADN et son activité polymérase de synthétiser l’amorce (plusieurs amorces pour le brin discontinu). Elle n’est pas très rapide pour ajouter les nucléotides Elongation : - 10 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin RF-C reconnaît le complexe matrice/amorce et recrute la protéine PCNA qui recrute l’ADN polymérase delta pour remplacer l’ADN polymérase alpha L’ADN poly delta ajoute des nucléotides dans le sens 5’-3’.  Synthèse d’un brin continu : les nucléotides sont ajoutés dans le sens d’ouverture de la fourche.  Synthèse d’un brin discontinu : les nucléotides sont ajoutés dans le sens inverse du sens d’ouverture de la fourche. Synthèse de fragments d’Okazaki qui commencent au début d’une amorce et se terminent au niveau du dernier nucléotide juste avant l’amorce suivante. Il n’y a pas d’ARN dans ADN. L’ARNase H1 dégrade le fragment d’ARN de l’amorce. Le trou est comblé par L’ADN polymérase delta. L’ADN ligase I relie entre eux les fragments d’ADN non ligaturés. 3.5 Réplication bidirectionnelle Formation d’un œil de réplication avec une fourche de réplication de chaque côté. D’un côté de l’œil, synthèse du brin continu, et synthèse du brin discontinu de l’autre côté. Si en haut à gauche on a la synthèse du brin continu, en haut à droite on aura la synthèse du brin discontinu. Et donc en bas à gauche, on a la synthèse du brin discontinu et en bas à droite, la synthèse du brin continu. - 11 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 3.6 Origine de réplication ▪ Procaryotes : 1 seule molécule d’ADN circulaire et donc 1 origine de réplication ▪ Eucaryotes : molécules d’ADN linéaires et plusieurs origines de réplication sur chaque chromosome (environ 200 origines de réplication par chromosome), ce qui accélère le processus de réplication 3.7 Réplication semi-conservative Processus semi-conservatif car chaque brin parental sert de support pour la synthèse du brin néo-synthétisé. Synthèse de 2 molécules d’ADN identiques à partir d’une molécule d’ADN. Molécule fille : 1 brin parental + 1 néosynthétisé. 4 Télomères et télomérase 4.1 Érosion des télomères Télomères = extrémités des chromosomes À chaque cycle de division, les extrémités des chromosomes se raccourcissent (d’une dizaine de nucléotides). Le raccourcissement concerne l’extrémité 5’ du brin discontinu. - 12 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 4.2 Érosion des télomères et vieillissement Quand les chromosomes se raccourcissent on obtient des cellules sénescentes (vieillissent et fonctionnent moins bien) : processus de sénescence 4.3 Télomérase Les cellules normal n’expriment pas la télomérase, elles sont donc mortelles. Les cellules tumorales, germinales et souches sont immortels car elles possèdent l’enzyme télomérase qui permet à ces cellules de se diviser indéfiniment. Les cellules normales ne possèdent pas cette enzyme et rentrent donc en sénescence. La télomérase est une ribonucléoprotéine (protéine + ARN). Elle est formée d’un ARN et d’une transcriptase inverse. La transcriptase inverse synthétise de l’ADN à partir d’ARN qu’elle utilise comme matrice, et ajoute 6 nucléotides pour rallonger le brin le plus long. - 13 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin L’ARN de la télomérase va s’associer par complémentarité de séquence au niveau d’extrémité 3’ du brin d’ADN parental. La télomérase rallonge le brin qui était déjà le plus long. Elle fait plusieurs cycle pour le rallonger. Après quelques cycles de translocation/élongation, il y a retrait de la télomérase Cas des cellules cancéreuses : Une cellule cancéreuse placerait une amorce d’ARN antiparallèle près de la fin du brin long et comblerait le brin le plus court grâce à de l’ADN polymérase. Puis il y aurait retrait de l’amorce. Ce processus rend potentiellement les cellules immortelles (cancéreuses). Les cellules sénescentes sécrètent des facteurs forçant les autres cellules à entrer en sénescence. (Ajout du prof à ne pas connaitre) - 14 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin La télomérase a permis l’extension du télomère qui conserve néanmoins un dépassement en 3’. Le brin fils est toujours plus court que le brin parental. 5 Transcription 5.1 Transcription = synthèse du transcrit primaire La transcription a lieu dans le noyau à partir du brin anti-sens qui sert de support. Elle est mise en place par l’ARN polymérase II qui prend en charge la synthèse des ARN pré- messager et donc des ARNm. - 15 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 5.2 Promoteur des gènes L’ARN polymérase II est recrutée au niveau du promoteur, juste en avant du site d’initiation. La boîte TATA joue un rôle clé dans le recrutement de ARN polymérase II 5.3 Initiation de la transcription Facteurs généraux de transcription : TFII A) Fixation de TFIID sur la boîte TATA B) Liaison de TFIIA et TFIIB à côté de TFIID C) Assemblage de TFIIE et TFIIH avec l’ARN polymérase D) Phosphorylation de la queue C-ter de la polymérase par TFIIH grâce à son activité kinase E) L’ARN polymérase change de conformation ce qui le permet d’avancer et de transcrire : transcription 5.4 Synthèse de l’ARNm Pour la transcription, l’ARN polymérase n’a pas besoins d’amorce (contrairement à la réplication). Les nucléotides sont ajoutés dans le sens 5’-3’. Un seul des 2 brins sert de matrice (ou support) : le brin anti-sens. - 16 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 5.5 Brin sens et brin anti-sens L’ARN pré-messager est anti- parallèle et complémentaire du brin anti-sens. Le brin anti-sens sert donc de support pour la synthèse d’ARNm. À la fin, l’ARNm aura le même sens que le brin sens et la même séquence (sauf T et U). 5.6 Terminaison de la transcription La terminaison se fait grâce à une enzyme : l’endonucléase, qui va venir cliver 15 à 30 nucléotides en aval du signal de polyadénylation (séquence AAUAAA). Au niveau de l’extrémité 3’ de l’ARN pré-messager, l’adénylate transférase ajoute une queue poly(A) d’environ 200 résidus adénylates. 5.7 Modifications de l’ARN pré-messager Extrémité 5’ : coiffe Extrémité 3’ : queue poly(A) La coiffe est une 7-méthylguanosine. Elle est ajoutée très tôt au cours de la transcription. La queue poly(A) est ajoutée à la fin de la transcription. La coiffe et la queue protègent l’ARNm de la dégradation par les exonucléases et facilitent la traduction. La queue est importante dans l’exportation de l’ARNm dans le cytoplasme. - 17 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 6 Épissage 6.1 Épissage : élimination des introns Le processus d’épissage permet de convertir l’ARN pré-messager en ARNm mature (dans le noyau). 6.2 Mécanismes L’épissage implique des petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP) qui sont composées de petits ARN nucléaire (snARN) et de protéines ➔ snRNP = snARN + protéine Les snARN sont riches en uridine : les snRNP sont alors nommés de U1 à U6 Les snRNP vont former le splicéosome. Splicéosome = complexe essentiel à l’épissage. Il reconnaît les séquences à épisser et rapproche les 2 extrémités des 2 exons à suturer. Un intron : commence par la séquence GU qui est le site donneur d’épissage se termine par la séquence AG qui est le site accepteur possède un site de branchement A (20 à 40 nucléotides avant AG), contient toujours un nucléotide à adénine 1- Reconnaissance du site donneur d’épissage (GU) par U1 2- Reconnaissance du site de branchement (A) par U2 3- Formation du spliceosome après le recrutement de U4, U5 et U6 (il rapproche les 2 exons à suturer) - 18 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 6.3 Mécanisme Le 2’OH du nucléotide à adénine du site de branchement attaque le phosphate 5’terminal de l’intron (coupure du squelette sucre-phosphate). Liaison 2’-5’ phosphodiester entre ce résidu A et le premier nucléotide de l’intron : formation d’un intermédiaire en lasso. Attaque de 3’OH de l’exon 1 sur la liaison phosphodiester entre l’intron et l’exon 2. ➔ Liaison exon1-exon2 et départ de l’intron sous forme de lasso. 6.4 Notion d’épissage alternatif Partie abordée rapidement, et qui sera surement vu avec plus de précision au prochain CM : Gène = exons (séquences codantes) + introns (séquences non codantes) 2 formes d’épissage dans lesquels sont éliminés tous les introns Épissage constitutif : lorsque chaque exon est conservé dans l’ARNm mature Épissage alternatif : lorsque certains exons sont excisés au cours de la maturation des transcrits primaires (ARN pré-messager) - 19 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin RAPPEL : Tout l’ARNm n’est pas traduit, la traduction commence au codon initiateur AUG et s’arrête au codon stop (UAG, UAA, UGA) 7 Introduction 8 Structure de l’ADN 9 Réplication de l’ADN 10 Télomères et télomérase 11 Transcription 12 Epissage Gène = exons (séquences codantes) + introns (séquences non codantes) 2 formes d’épissage dans lesquels sont éliminés tous les introns Épissage constitutif : lorsque chaque exon est conservé dans l’ARNm mature Épissage alternatif : lorsque certains exons sont excisés au cours de la maturation des transcrits primaires (ARN pré-messager) Grâce au processus d’épissage alternatif, 1 gène permet la synthèse de 4 protéines différentes (en moyenne). On a environ 25 000 gènes donc nos cellules sont capables de produire environ 100 000 protéines différentes Ex : gène CALCA Ce gène conduit à la synthèse : de la protéine calcitonine (hormone hypocalcémiante) capable d’inhiber les ostéoclastes et donc d’inhiber la libération de calcium dans l’os de la protéine CGRP (puissant vasodilatateur) Ex : gène VEGF-A - 20 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Un gène peut conduire à la synthèse de protéines aux fonctions opposées (activité pro-angiogénique et anti-angiogénique) au sein d’un même processus physiologique. On estime qu’il y a environ 10% des maladies génétiques dues à un défaut d’épissage. 13 Traduction 13.1 Synthèse protéique La traduction se produit dans le cytoplasme, elle permet le passage des ARNm matures en acides aminés qui constituent les protides et protéines. - 21 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 13.2 Ribosomes Les ribosomes sont des ribonucléoprotéines qui sont composés de 82 protéines et de 4 acides ribonucléiques. Un ribosome contient deux sous-unités distinctes : la sous-unité 60S (rose) et la 40S (vert). Ils comportent également 3 sites de liaisons pour les ARNt : - Le site A : site d’arrivée de l’ARNt lié à un Acide aminé - Le site P : ARNt est lié à la chaine de Polypeptides en cours de synthèse - Le site E : site de sortie (E pour EXIT) de l’ARNt qui n’est plus lié aux polypeptides 13.3 structure de l’ARNm Une seule partie de l’ARNm est traduite - 5’ UTR (région transcrite non traduite en 5’) - 3’UTR (région transcrite non traduite en 3’) La traduction commence au codon initiateur (AUG) et termine au codon stop (UAA, UAG ou UGA) - 22 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Recrutement du complexe : petite sous-unité du ribosome + ARNt initiateur (ARNt couplé à la méthionine) + facteur d’initiation de la traduction (eIFs) au niveau de la coiffe en 5’ de l’ARNm - Progression du complexe le long de l’ARNm jusqu’à la rencontre du codon d’initiation AUG. 13.4 Initiation de la traduction - Début de la traduction quand le complexe : petite sous-u du ribosome + ARNt initiateur (couplé à la méthionine) + facteur d’initiation de la traduction (eIFs) arrive au niveau du codon d’initiation AUG - Départ des facteurs eIFs qui empêcheraient l’interaction entre les deux sous unités du ribosome dans le cytoplasme - Recrutement de la grosse sous-unité - ARNt initiateur (couplé à la méthionine) logé dans le site P du ribosome - 23 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Un second ARNt vient occuper le site A où l’appariement dépend toujours de la reconnaissance entre le codon et son anticodon - Formation de la liaison peptidique entre les deux acides aminés. Ici entre la méthionine et l’acide glutamique - Décalage du ribosome → libération du site A 13.5 Elongation - Fixation d’un 3e ARNt couplé à un acide aminé sur le site A et libération de l’ARNt situé le plus en amont (sur le site E) - Une liaison peptidique entre les deux premiers acides aminés et le troisième, c’est une réaction peptidyl-transférase - Translocations du ribosome et ajouts d’acides aminés jusqu’à la terminaison de la traduction - 24 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Réaction peptidyl-transférase : attaque nucléophile du groupement alpha aminé de l’aminoacyl-ARNt sur le carbone du groupement carbonylique du peptidyl-ARNt. - Cette réaction est catalysée par ARN28S. 13.6 Terminaison de la traduction La terminaison est programmée par un codon stop (UAG ou UAA ou UGA), ce dernier n’est reconnu par aucun ARNt mais il est reconnu par les facteurs de terminaison RF (pour Releasing Factor). Ces RF vont donc permettre de libérer la protéine et il y a une dissociation des deux sous-unités du ribosome. - 25 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 13.7 Le code génétique Le code génétique est dit redondant ou dégénéré. En effet plusieurs codons codent pour un même acide aminé (on a 64 codons pour 20 acides aminés) 14 Médicaments 14.1 Les antibiotiques - 26 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Il existe de nombreux antibiotiques qui ciblent directement les facteurs impliqués dans la synthèse d’ADN, d’ARN ou des protéines des bactéries. En effet environ 40% des antibiotiques connus sont des inhibiteurs de la machinerie de la traduction. ANTIBIOTIQUE QUI CIBLE LA SYNTHESE DES ARN : EXEMPLE DE LA RIFAMPICINE Formation d’un complexe stable entre ARN polymérase des bactéries + Rifampicine Modification de la conformation de l’ARN poly (inhibition de la synthèse de l’ARN) Ne cible pas l’ARN poly des eucaryotes Utilisé dans la prise en charge de : - Tuberculose - Brucellose - Infection a mycobactéries atypiques - Lèpre - Méningite à méningocoques ANTIBIOTIQUE QUI CIBLENT LA SYNTHESE DES PROTEINES - 27 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Ribosomes des cellules procaryotes = complexe ribonucléoprotéiques (55 prot+3 acides ribonucléiques) 2 sous unités distinctes 50S ET 30S Nombreux antibiotiques ciblent le ribosomes des bactéries - Liaison des antibiotiques à la sous unité 50S du ribosome : inhibition de l’activation de la peptidyl-transférase - Chloramphénicol prescrit pour : conjonctivite bactérienne, kératite bactérienne, ulcère cornéen bactérien - Lyncomycine pour traiter les infections de la peau, digestives, respiratoires… - Clindamycine pour traiter certaines infections bactériennes graves, notamment de la peau, des dents, des amygdales ou des tissus mous Tétracyclines sont un groupe d’antibiotiques utilisé pour traiter de nombreuses infections bactériennes différentes. Elles comprennent : doxycycline, Eravacydine… Mode d’action : tétracyclines se fixent sur la sous unité 30S des ribosomes, empêchent la fixation de l’aminoacyl-ARNt et inhibent ainsi la synthèse protéique. 14.2 Les anticancéreux - 28 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Agents métabolites : exemple du 5- Fluorouracile (5FU) - 29 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 5FU inhibe la thymidilate synthase qui ne peut plus jouer son rôle de synthèse de thymidine à partir du desoxyruidine monophosphate (dUMP) Inhibition de la réplication en raison de la carence de thymidine Utilisé dans la prise en charge de diff types de cancers (colorectaux, estomac, œsophage, sein…) Agents antimétabolites exemple du Méthotrexate Méthotrexate inhibe la dihydrofolate réductase (DHFR), ce qui conduit à une réduction de tétrahydrofolate, un donneur de groupement méthyl et donc à une diminution de la production de thymidine Inhibition de la réplication en raison de la carence en thymidine Utilisé dans les prise en charge de diff types de cancers (leucémie aigüe, lymphoblastique, lymphome de Burkitt, …) - 30 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin AGENTS INTERCALANTS : Doxorubicine Molécules avec plusieurs noyaux aromatiques condensés Intercalation de la Doxorubicine entre les paires de bases adjacentes de l’ADN → blocage de la progression des ADN et ARN polymérases (inhibe la réplication et la transcription) Utilisé dans la prise en charge de différents types de cancers (bronchopulmonaires, estomac, ovaire, vessie, sein, leucémies, …) Agents alkylants : exemple de la cisplatine Fortement électrophile : interagit avec les acides nucléiques Formation des liaisons croisés entre les 2 brins d’ADN de la double hélice ou au sein du même brin →modification de la conformation de la double hélice → blocage de la progression des ADN et ARN polymérases Utilisé dans la pris en charge de différents types de cancers (endomètre, œsophage, ovaire, vessie, col de l’utérus, testicule…) - 31 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 14.3 Problématique liés aux anticancéreux - Manque de spécificité - Effets secondaires (myélosuppression, mutagénicité) - Résistance Organisation du génome humain Sommaire : 1. Généralités 2. Gènes codants pour des protéines 3. Gènes d’ARN non-codants 4. ADN hautement répétitif 5. Génome mitochondrial 15 Généralités 15.1 Génome nucléaire : - Env. 3.109 bases - Gènes codants des protéines (env 20000) - Gènes ARN non codants (> 27000) Génome mitochondrial : - 16,6.103 bases - 37 gènes Séquences codantes pour ARN fonctionnels = env 1,7% du génome humain nucléaire !!! - 32 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 16 17 - 33 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 18 Gènes codants pour des protéines Gènes portant l’information nécessaire à la synthèse des protéines Env. 20 000 gènes codants pour des protéines Gènes transcrits par ARN polymérase II 19 Gènes d’ARN non codants 19.1 Généralités Grande diversité des ARN : pas seulement destine à la synthèse protéique ARN non codants impliqués dans la traduction, l’épissage alternatif, la régulation de l’expression génique, … - 34 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 19.2 Les ARNr ARNr : composants des ribosomes Les gènes des ARNr 5,8 S 18S 28S sont transcrits par l’ARN polymérase I Les gènes des ARNr 5S sont transcris par l’ARN polymérase III Rappel structure du ribosome eucaryote : ribonucléoprotéine 19.3 Les ARNt Une extrémité CCA 3’OH où se fera la liaison avec l’acide aminé Structure en trèfle due aux zones d’appariement et de non-appariement - 35 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Présence de nucléosides modifiés : - Ψ : pseudouridine - D : dihydrouridine - I : Inosine - Orientation antiparallèle entre ARN et ARNt - Appariement bancal entre la base situé à l’extrémité 5’ de l’anticodon et la base à l’extrémité 3’ du codon - Base située à l’extrémité 5’ de l’anticodon peut potentiellement s’apparier avec différentes bases à l’extrémité 3’ du codon. Inversement base à l’extrémité 3’ du codon peut s’apparier avec différentes bases de l’extrémité 5’ de l’anticodon - 36 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 19.4 Les ARNsn ARNsn= petits ARN nucléaires Taille de 60 à 450 nucléotides Composants des petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP) (U1 à U6) Rôle dans l’épissage des ARN pré-messagers 19.5 MiARN miARN : 21 à 22 nucléotides en moyenne - 37 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin miARN se lient en général sur la région 3’UTR des ARNm et inhibent la traduction ou induisent la dégradation des ARNm Appariement selon la complémentarité des séquences 60% des gènes potentiellement ciblés par des MiARN Un miARN peut cibler des centaines d’ARNm différents - 38 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Biogénèse : - Synthèse d’un transcrit primaire (pri- miARN) par l’ARN polymérase II - Pri-mi ARN : env. 1000 nucléotides avec une ou plusieurs structures en épingle à cheveux - Clivage du pri-mi ARN par la ribonucléase nucléaire DROSHA associée à DGCR8 : formation pré-miARN qui est d’environ 70 nucléotides - 39 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Translocation du pre- miARN dans le cytoplasme grâce à l’exportine 5 - Clivage du pre-miARN par la ribonucléase DICER : formation d’un fragment de miARN double brin « ARN duplex » - 40 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Elimination de l’un des 2 brins (séparation des 2 brins par une helicase) et association du miARN guide avec des protéines dont la protéine Argonaute pour former le complexe RISC « RNA-Induced Silencing Complex » - Complémentarité totale entre miARN et ARNm dégradation de l’ARNm par la protéine Argonaute - Complémentarité partielle inhibition de la traduction - 41 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Sécrétion - Les miARN peuvent être excrétés et participer à la communication intercellulaire Une nouvelle classe biomarqueurs miR-34a= suppresseur de tumeur Comparaison de l’expression de miR-34a par RT- PCR quantitative entre des échantillons tumoraux et des échantillons ainsi prélevé en périphérie de la tumeur chez 60 patients présentant un cancer du poumon → diminution de l’expression de miR- 34a au niveau de la tumeur miR-34a comme marqueur de mauvais pronostic dans les cancers pulmonaires - Faible expression de miR-34a au niveau du tissu tumoral et dans le plasma associée à une mauvaise survie pour les patients - 42 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Utilisation thérapeutique de miR-34a dans des modèles tumoraux précliniques Test chez des rats : Injection en IV de miR-34a encapsulé dans des liposomes, xénogreffe avec des cellules de cancer du poumon humaines Résultats de l’étude : miR- 34a inhibe la croissance des cellules cancéreuses pulmonaires humaines - 43 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Le premier essai clinique de phase I utilisant un miR-34a (MIRX34) a été testé dans le traitement du cancer du foie mais a été interrompu à cause d’effets secondaires majeurs. Antagomir : séquence de nucléotide qui va se fixer sur le miARN → incapacité de miARN à se fixer sur ARNm AntagomiR ciblant miR-122 en phase d’essai clinique pour le traitement de l’hépatite C 19.6 Les IncARN ARN longs non-codants : ARN de plus de 200 nucléotides non traduits en protéines Plusieurs mécanismes impliqués dans la régulation de l’expression génique par lncARN. - 44 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin LncARN liant et guidant des complexes protéiques de modification de la structure de la chromatine a des loci (pluriel de locus) spécifiques LncARN servent de leurres moléculaires en interagissant avec les facteurs de transcription et inhibant ainsi leur liaison à l’ADN - 45 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin LncARN inhibant compétitivement la liaison de microARN à leurs cibles : « éponges de miARN » Plusieurs mécanismes impliques dans la régulation de l’expression génique par les LncARN. Rôle physiologique des LncARN - 46 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Différentiation musculaire - Développement - Inactivation du chromosome X - Diff pathologies o Alzheimer o Cancers Rôle physiopathologique des lncARN - 47 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Sécrétion Les lncARN peuvent être excrétés et participer à la communication intercellulaire lncARN = potentiels biomarqueurs 4.ADN hautement répétitif 4.1 Les séquences répétées en tandem Il s’agit de séquences plus ou moins longues, appelées « unités de répétition » (exemple : AAACTGGG) et se répètent successivement un certain nombre de fois (exemple : AAACTGGGAAACTGGGAAACTGGG) plusieurs classes en fonction de la longueur des unités de répétition - ADN satellite - ADN minisatellite - ADN microsatellite Variation du nombre de ces répétitions d’un individu à un autre (polymorphisme) - 48 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 4.1 Les séquences répétées en tandem (Satellites) - ADN satellite a possède des sites de liaison pour la protéine CENP-B (CENP-B Box) - CENP-B impliquée dans l’assemblage du kinétochore (complexe de protéines interagissant avec les microtubules) et joue un rôle clé dans la ségrégation des chromosomes 4.1 Les séquences répétées en tandem (Minisatellites) - 49 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Existence de minisatellites polymorphes: variation du nombre de répétitions pour un locus donné entre les individus 4.1 Les séquences répétées en tandem (Minisatellites) Minisatellites impliqués dans la régulation de l’expression génique en servant de site de fixation pour les facteurs de transcription: augmentation du nombre de répétition des motifs = augmentation du nombre de site de fixation pour les facteurs de transcription 4.1 Les séquences répétées en tandem (Microsatellites) - 50 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Existence de microsatellites polymorphes: variation du nombre de répétitions pour un locus donné entre les individus - 51 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - Microsatellites impliqués dans la régulation de l’expression génique en servant de site de fixation pour les facteurs de transcription: augmentation du nombre de répétition des motifs = augmentation du nombre de site de fixation pour les facteurs de transcription ➔ Origine : Cette maladie est dû à une anomalie de répétition d’un triplet de nucléotide (CAG) sur le gène codant pour la HTT (= HunTingTine) Elle se caractérise par des troubles moteurs (mouvements involontaires), des troubles cognitifs (apprentissage, mémoire), des troubles psychiatriques (anxiété...) ainsi que par une atrophie du striatum (centre du mouvement) Une personne « normale » a 15 à 35 copies de CAG (majoritairement : 17 à 20 copies) Une personne ayant entre 36 et 39 copies pourra développer ou non la maladie : pénétrance incomplète (= tous les individus ne sont pas malades) - 52 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Une personne malade voit son nombre de triplet CAG supérieur à 40 copies ainsi tous les individus dont concernés par cette maladie : pénétrance complète (= au delà de 40 copies la maladie se déclare dans tout les cas) La gravité de la maladie est proportionnelle au nombre de répétitions, pour un grand nombre de répétitions la maladie se développe à un âge précoce avec des symptômes plus graves (proche des 100 copies). Cela va entraîner la production d’une protéine anormale : un nombre aberrant de glutamine (protéine adhérente) qui auront tendance à s’agréger et produire des fragments toxiques qui vont conduire à la mort des cellules neuronales au niveau du striatum. La maladie de l’X fragile : - relativement fréquente - 1ère cause de retard mental hérité dans l’espèce humaine - déficit intellectuel, troubles du comportement, anomalies physiques Cette maladie est liée à une réplication aberrante d’un triplet de nucléotide (CGG) au sein de la région non codante (entre le site d’initiation et le codon d’initiation (ATG) du gène FMR1. La protéine FMRP étant impliquée dans la connexion des neurones et la plasticité synaptique. ➔ Une personne « normale » a 6 à 40 copies de CGG ➔ Une personne malade a plus de 200 répétitions de CGG Les symptômes sont plus importants chez les hommes que chez les femmes car ils n’ont qu’une seule copie du X (donc forcément atteint). Généralement chez les femmes il n’y a qu’un X sur les deux d’atteints. - 53 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Exemple de pathologie liée aux microsatellites: Maladie de l’X fragile Chez les garçons: Retard mental: QI entre 20 et 60 chez 90% de ces garçons Troubles du comportement Troubles du langage Dysmorphie faciale Visage allongé Oreilles grandes et décollées Chez les filles: Tableau clinique + modéré Retard mental léger (25% ont QI inférieur à 70) Timidité, anxiété sociale Répétitions CGG 200 : cytosines des triplets répétés et des dinucléotides CpG au niveau du promoteur hyperméthylées → gène peu ou pas exprimé ➔ Lorsque le triplet de nucléotide CGG sera supérieur à 200 répétitions les cytosines auront tendance à être méthylées. Cela empêche l’accès des facteurs de transcription à la cytosine au niveau du promoteur, donc conduit à une répression de l’expression des gènes ce qui signifie que le gène ne sera pas transcrit et qu’il n’y aura pas d’ARN messager ni de protéine FMR1. Ainsi, l’individu sera malade car la protéine FMRP est impliquée dans la connexion neuronale de la plasticité synaptique. - 54 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Chapitre n°2 : L’organisation du génome humain V. L’ADN hautement répétitif Rappel : La majorité du génome nucléaire humain est composé d’ADN répété (environ 60%) Il existe 2 types de séquences répétés : les répétitions dérivées d’éléments transposables : des éléments capables de se déplacer dans le génome, en dehors des gènes, dans les introns, dans les séquences non traduites et même dans les séquences codantes les séquences répétées en tandem Ils sont à tort considérés comme de l’ADN poubelle Seulement 1,7% d’exons : séquences codant pour des ARN fonctionnels (ARNm, ARNt, ARNr,...) = séquences dans les ARN matures comme ARNm mais aussi les ARN non codant 1. Les séquences répétées en tandem (pas abordé cette année par le prof mais peut aider à la compréhension) Les motifs répétés plusieurs fois sont positionnés les uns à la suite des autres. Il s’agit de séquences plus ou moins longues, appelées « unités de répétition » (exemple : AAACTGGG) elles se répètent successivement un certain nombre de fois (exemple : AAACTGGGAAACTGGGAAACTGGG) Suivant la taille de ces motifs on les classe en 3 catégories : - 55 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin a) L’ADN satellite Exemple de l’ADN satellite α au niveau des centromères L’ADN satellite α possède des sites de liaison pour la protéine CENP-B (CENP-B Box) CENP-B est impliquée dans l’assemblage du kinétochore (et donc séparation des chromatides soeurs) b) L’ADN minisatellite (de 10 à 100pb) : - 56 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Rôle des minisatellites localisés au niveau des régions régulatrices des gènes : L’ADN minisatellite est impliqué dans la régulation de l’expression des gènes, en servant de site de fixation aux facteurs de la transcription, ils vont pouvoir activer ou réprimer la transcription. Du fait du polymorphisme, les gènes seront plus exprimés chez certains individus. Exemple d’application des minisatellites : des tests d’empreinte génétique : - 57 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin La réalisation d’empreinte génétique pour identifier l’auteur d’un crime se fait par la récupération d’ADN sur le lieu d’un crime puis : 1) amplification par PCR de ces régions où l’on retrouve ces minisatellites polymorphes 2) utilisation de gel d’agarose pour faire migrer ces régions (en fonction de leur taille) par électrophorèse (séparation des fragments en fonction de leur taille) Lors de l’électrophorèse les séquences les plus importantes migreront moins loin. Du fait du polymorphisme on obtient des résultats différents en fonction des individus. Ici l’individu B a le même profil que l’ADN récupéré sur la scène de crime c) L’ADN microsatellite Existence de microsatellites polymorphes : variation du nombre de répétitions pour un locus donné entre les individus Polymorphisme de répétition des microsatellites mis à profit pour les analyses d’empreintes génétiques (criminalistique, recherche de parenté et recherche de victimes de catastrophes) Rôle des microsatellites localisés au niveau des régions régulatrices et au niveau du promoteur des gènes : - 58 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Comme les minisatellites, ce sont des séquences qui servent de site de fixation pour les facteurs de transcription, donc ils sont impliqués dans la régulation de la transcription. Plus le nombre de motifs est répété, plus il y a de site de fixation pour les facteurs de transcriptions donc un plus fort impact sur la transcription (activation ou inhibition). Rôle des microsatellites localisés au niveau des introns : On peut retrouver ces microsatellites au niveau des introns : ils peuvent avoir une incidence sur le processus d’épissage alternatif (processus de maturation des ARN pré-messager permettant de retirer les introns et quelques exons) en fonction du nombre de répétition. L’épissage pourra être ainsi favorisé ou réprimé. Exemple : quand on a beaucoup de séquences répétées au niveau de l’intron 2, ici une dizaine de fois, on a production d’un transcrit présentant des introns 1, 2 et 3 Lorsqu’il y a moins de répétition, ici 2 fois moins, on aura la production d’un autre variant d’épissage Donc en fonction du nombre d’introns certains variants vont être préférentiellement produit par rapport à d’autres Exemple de pathologies liée aux Microsatellites : La maladie de HUNTINGTON : - affection neurodégénérative du SNC (= Système Nerveux Central), - rare (environ 7 000 personnes en France) - héréditaire - atrophie du striatum et provoque des troubles moteurs, cognitifs et psychiatriques. ➔ Origine : - 59 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Cette maladie est dû à une anomalie de répétition d’un triplet de nucléotide (CAG) sur le gène codant pour la HTT (= HunTingTine) Elle se caractérise par des troubles moteurs (mouvements involontaires), des troubles cognitifs (apprentissage, mémoire), des troubles psychiatriques (anxiété...) ainsi que par une atrophie du striatum (centre du mouvement) Une personne « normale » a 15 à 35 copies de CAG (majoritairement : 17 à 20 copies) Une personne ayant entre 36 et 39 copies pourra développer ou non la maladie : pénétrance incomplète (= tous les individus ne sont pas malades) Une personne malade voit son nombre de triplet CAG supérieur à 40 copies ainsi tous les individus dont concernés par cette maladie : pénétrance complète (= au delà de 40 copies la maladie se déclare dans tout les cas) La gravité de la maladie est proportionnelle au nombre de répétitions, pour un grand nombre de répétitions la maladie se développe à un âge précoce avec des symptômes plus graves (proche des 100 copies). Pourquoi l’augmentation de ces triplets de nucléotides conduit au développement de cette pathologie ? Car cela va entraîner la production d’une protéine anormale : un nombre aberrant de glutamine (protéine adhérente) qui auront tendance à s’agréger et produire des fragments toxiques qui vont conduire à la mort des cellules neuronales au niveau du striatum. La maladie de l’X fragile : - relativement fréquente - 1 ère cause de retard mental hérité dans l’espèce humaine - 60 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - déficit intellectuel, troubles du comportement, anomalies physiques Cette maladie est liée à une réplication aberrante d’un triplet de nucléotide (CGG) au sein de la région non codante (entre le site d’initiation et le codon d’initiation (ATG) du gène FMR1. La protéine FMRP étant impliquée dans la connexion des neurones et la plasticité synaptique. ➔ Une personne « normale » a 6 à 40 copies de CGG ➔ Une personne malade a plus de 200 répétitions de CGG Les symptômes sont plus importants chez les hommes que chez les femmes car ils n’ont qu’une seule copie du X (donc forcément atteint). Généralement chez les femmes il n’y a qu’un X sur les deux d’atteints. Répétitions CGG < 50 : cytosines des triplets répétés et des dinucléotides CpG au niveau du promoteur non méthylées → gène exprimé normalement Répétitions CGG > 200: cytosines des triplets répétés et des dinucléotides CpG au niveau du promoteur hyperméthylées → gène peu ou pas exprimé ➔ Lorsque le triplet de nucléotide CGG sera supérieur à 200 répétitions les cytosines auront tendance à être méthylées. Cela empêche l’accès des facteurs de transcription à la cytosine au niveau du promoteur, donc conduit à une répression de l’expression des gènes ce qui signifie que le gène ne sera pas transcrit et qu’il n’y aura pas d’ARN messager ni de protéine FMR1. Ainsi, l’individu sera malade car la protéine FMR1 est impliquée dans la connexion neuronale de la plasticité synaptique 2) Les éléments transposables (tout ce qui suit a été abordé) - 61 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Eléments transposables : séquences d’ADN mobiles qui sont capables de se déplacer ou de se copier d’un endroit à un autre sur les chromosomes 4 classes principales d'éléments transposables : Transposons à ADN Rétrotransposons sans LTR (long terminal repeat) Rétrotransposons à LTR Rétrovirus endogènes Revers transcription = rétro transcription 2.1. Elles se déplacent selon 2 modes de transposition : conservatrice : par migration directe, elles vont se transposer selon le mode « couper-coller » (transposon d’ADN) il y aura excision de l’élement transposable puis insertion dans une nouvelle localisation Ce mode est utilisé par : les transposons à ADN (3% du génome) réplicative : par duplication puis insertion selon le mode « copier-coller » ; le transposon va être transcrit en ARN puis restranscrit en ADN et insérer ailleurs dans le génome Ce mode est utilisé par : les rétrotransposons sans LTR (= Long Repeat Sequence), les rétrotransposons à LTR, et les rétrovirus endogènes NB : seuls les éléments mobiles actuellement caractérisés chez les mammifères appartiennent aux classes : rétrotransposons sans LTR et rétrovirus endogènes - 62 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 2.2 Les rétrotransposons sans LTR 2 types : - LINEs (long interspersed nuclear elements): longues séquences répétées dispersées au sein du génome - SINEs (short interspersed nuclear elements): courtes séquences répétées dispersées au sein du génome lls sont impliqués dans la régulation de l’expression génique : ils vont servir de site de fixation pour les facteurs de transcription. (donc permet de favoriser la transcription ou inhiber la transcription selon ce qu’ils fixent) Exemple des LINEs Transposon Type de réplication composition longueur nb de copies Fraction de génome LINEs autonome 6-8 kb 850 000 21% SINEs non autonome 100-300 b 1 500 000 13% LINEs (long interspersed nuclear elements) : longues séquences répétées dispersées au sein de l’ADN 3 familles : LINE-1 (17% du génome), LINE-2 et LINE-3 Protéine ORF1p possède une activité chaperon des acides nucléiques et ORF2p possède des activités endonucléase et de transcriptase inverse o LINE possède a une particularité : une réplication autonome Transcription du gène LINE-1 Transport de l’ARNm de LINE-1 vers le cytoplasme - 63 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Synthèse des protéines ORF1p et ORF2p suite à la traduction de l’ARNm de LINE-1 et fixation de ces protéines sur l’ARNm de LINE-1 o ORF2p coupe l’ADN sur une région avec plusieurs A thymine Transport de LINE-1 vers le noyau puis coupure de l’ADN cible par ORF2p Extrémité 3’OH libérée par l’incision utilisée comme amorce pour l’étape de transcription inverse catalysée par ORFp2 -L’ARNm de LINE-1 sert de matrice pour la réaction de transcription inverse intégration d’une nouvelle copie du gène LINE-1 au sein du génome activité transcriptase inverse = synthétise de l’ADN à partir de l’ARN Les séquences peuvent s’insérer en plein milieu d’un gène donc les conséquences possibles de l’insertion de LINE-1 sur différents sites : - 64 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Dans l’organisme, on a des mécanismes pour empêcher l’expression de ces LINE-1 comme les dinucléotides CpG au niveau de cet élément transposable qui sont méthylés donc LINE-1 n’est pas exprimé et il n’y a pas de transcription du coup il ne peut pas se déplacer. La méthylation est associé à la répression du gène. Dans un contexte normal, les séquences LINE ne sont pas répliquées. En contexte anormal on observe une réexpression de LINE-1 dû à une déméthylation de ces dinucléotides CpG ainsi LINE-1 peuvent être transcrits puis retranscrits et être insérés ailleurs dans le génome. aLes LINE-1 sont impliqués dans les cancers car elles : augmentent les expressions de gènes codant pour des protéines favorisant la progression des cancers inhibent l’expression ou “inactivation” de gènes codant pour des protéines exerçant une activité anti-tumorale. Donc plus les cancers sont graves, plus LINE-1 est exprimé. ⚠ Dans le tissu neuronal les séquences LINEs sont transcrites. Cela contribuerait à la diversité/variabilité des cellules cérébrales. Exemple des SINEs Transposon Type de réplication composition longueur nb de copies Fraction de génome LINEs autonome 6-8 kb 21 SINEs non autonome 100-300 b 1 500 000 13% SINEs (short interspersed nuclear elements) : courtes séquences répétées dispersées au sein de l’ADN Transposons non autonomes - utilisation de la machinerie des LINEs (transcriptase inverse et endonucléase) insertion de séquences SINEs impliquées dans plusieurs maladies humaines 3) les rétrovirus endogènes (structure de virus ancestrales intégrés au génome de l'organisme ou on l’a identifié) Notre génome est un cimetière à rétrovirus qui présentent des séquences à LTR (longue séquence terminale de plus de 100 pdb) répétée aux 2 extrémités des rétrovirus endogènes. On retrouve dans notre génome environ 100 000 rétrovirus. - 65 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Transcris grâce à nos ADN polymérase et traduit par nos ribosomes. ➔ On retrouve 3 séquences dans un rétrovirus (=ARN) : GAG : code pour les protéines de la capside (structure d’enveloppe qui emballe et protège le génome des virus) POL : code pour la transcriptase inverse et l’intégrase ENV : code pour les protéines de l’enveloppe des virus (Ces séquences sont bordées par des séquences LTR) Structure comparable à celle des rétrovirus “classiques” (rétrovirus exogènes) Rétrovirus endogènes : séquences de rétrovirus faisant partie intégrante du génome de l’organisme (=sont dans l’ensemble des cellules) où on l’a identifié (traces d’infections ancestrales par des rétrovirus ayant atteint la lignée germinale de leur hôte) La majorité des rétrovirus ont été inactivés Exemple du Sars Cov 2 : - LTR participe à l’intégration des rétrovirus dans le génome de l’hôte. - 66 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Le rétrovirus est capable de rentrer dans une cellule, on aura une perte de l’enveloppe et de la capside virale, et l’ARN va se retrouver dans le cytoplasme de la cellule hôte. La transcriptase inverse va convertir l’ARN viral en ADN viral (d’abord simple brin puis double brin), cet ADN va entrer dans le noyau et grâce à l’intégrase et aux séquences LTR va pouvoir rentrer dans le génome de la cellule hôte donc l’ADN cellulaire va être transcrit grâce à la machinerie de la cellule hôte. La transcription permet la synthèse des capsides, enveloppes, … Ainsi, il y a production de virions. POL va permettre de passer de l’étape 8 à 9 - 67 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin En ce sens, le génome humain est un cimetière de rétrovirus fossiles transmis de façon verticale depuis des millions d’années. Rôle physiologiques de certains rétrovirus endogènes : ex de la syncytine dans la formation du syncytiotrophoblaste Exemple : la syncytine, une protéine d’enveloppe codée par un rétrovirus endogène qui a un rôle clé dans le développement du placenta. Comparaison d’un extrait des séquences de la syncytine 1 et de la protéine d’enveloppe du virus MPMV La plupart des rétrovirus endogènes sont inactifs, mais certains restent capables de produire des protéines. (ex de la syncytine) identité en acides aminés > 80% entre la protéine syncytine 1 et la protéine d’enveloppe du virus MPMV - 68 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Les protéines de l’enveloppe vont se fixer sur des récepteurs, ce qui va permettre aux virus de fusionner avec une cellule hôte. Ainsi, la syncytine va permettre aux cellules de fusionner entre elles et donner des cellules polynucléées qui sont des cellules essentielles pour le développement du placenta. À partir du 6ème jour de gestation la syncytine permet aux trophoblastes de fusionner en syncytiotrophoblastes (structures plurinucléés) qui sont des structures invasives permettant à l’embryon de s’implanter dans la muqueuse utérine. - 69 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Le syncytiotrophoblaste (tissus du placenta) est en contact avec le sang maternel, il va : assurer les échanges entre la mère et le fœtus (oxygène, nutriments...) sécrétion d’hormones jouer un rôle dans la régulation de la réponse immunitaire, protéger le foetus contre d’éventuels pathogènes... non rejet du foetus Sans le syncytiotrophoblaste il n’y a pas de mécanisme vivipare. VI. Le génome mitochondrial 1. Les généralités Génome nucléaire : Génome mitochondrial : env 3.109paires de bases 16,6.103 paires de bases 200 000 gènes codants des protéines 13 gènes codants des protéines >27 000 gènes d’ARN non codants 24 gènes d’ARN non codants - 70 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Grand nombre d’exemplaires du génome mitochondrial : en moyenne ≈ 100 mitochondries par cellule contenant chacune ≈ 10 molécules d’ADN Génome mitochondrial porté par une molécule d’ADN circulaire On retrouve environ 2 000 mitochondries par cellule, elles permettent la formation d’ATP (=centrale énergétique). Les cellules ayant besoin de beaucoup d’ATP auront un nombre très important de mitochondries comme les cellules musculaires, contrairement aux cellules de la peau par exemple où l’on retrouve 100 à 200 mitochondries L’ADN est circulaire et est transmis de façon maternelle par le cytoplasme de l’ovocyte. La grande majorité du génome mitochondrial est codant car il y a moins de 20% qui n’est pas codant comparé au génome nucléaire environ 80% non codant. 2. L’organisation du génome mitochondrial Pas d’intron 66% ADN codant pour des protéines 15% ADN codant pour les ARNt et ARNr mitochondriaux différenciation précoce des progéniteurs neuronaux au niveau des organoïdes corticaux (mini-cerveaux développés à partir de cellules souches embryonnaires humaines) NOTCH2NL : amplification des progéniteurs et ensuite différenciation sans NOTCH2NL : Différenciation des progéniteurs neuronaux plus rapide = diminution nb de pôle progéniture = moins de neurones avec NOTCH2NL : retardement de la différenciation des progéniteurs - 77 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin NOTCH2NL a participé à l’augmentation du cerveau donc il existe des pathologies en lien avec des mutations de ce gène : Syndrome de microdélétion 1q21.1 souvent associé à une microcéphalie (taille de la tête anormalement petite) et à l’autisme Syndrome de microduplication 1q21.1 souvent associé à une macrocéphalie (taille de la tête anormalement grande) et à la schizophrénie ARHGAP11B et augmentation de la taille du cerveau Gène ARHGAP11B (gène spécifique à l’Homme) issu d’une duplication partielle du gène ancestral ARHGAP11A suivie d’une mutation au niveau de l’exon 5 survenue il y a environ 1,5 millions d’années - 78 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Expérimentation Injection de la séquence codant pour ARHGAP11B dans le génome d’un ovocyte de ouistiti fertilisé puis transfert de l’embryon chez une femelle ouistiti Fœtus récupéré par césarienne après 101 jours de gestation (pour des raisons éthiques, on ne peut pas laisser naître un animal dans ces conditions transgéniques) Résultats : 2 évolutions majeures dans le développement cérébral des singes : Augmentation de la taille du néocortex Configuration en plis (circonvolutions), qui permet chez l’humain d’augmenter la taille/surface du cerveau tout en tenant dans le volume restreint de la boîte crânienne) - 79 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Régulation de l’expression des gènes A. Généralités sur le contrôle des gènes : Introduction : 1.1 Les différentes cellules d’un organisme présentent le même ADN Toutes nos cellules contiennent les mêmes gènes. Ces cellules ont des structures et fonctions différentes (ex : neurone vs lymphotcyte) Ces différences sont dues à la régulation de l’expression des gènes. 1.2 Les différents niveaux de régulation : 1.3 Différences de niveaux de régulation entre procaryotes & eucaryotes : Chez les eucaryotes si on n’a pas besoin d’un gène, celui-ci peut être transcrit quand même ce qui utilise un peu d’énergie. Ce n’est pas le cas chez les procaryotes. Chez les procaryotes : système de régulation relativement plus simple  Raisons : - moins d’informations génétiques (donc moins d’info à réguler) - organismes unicellulaires donc pas de différents types cellulaires - pas de noyaux, pas d’introns, … - 80 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin B. Cas des procaryotes : 1. Généralités : 1.1 Quelques constats :  Un organisme unicellulaire, avec un temps de génération très court, doit pouvoir répondre rapidement à des changements de son environnement.  La régulation génique doit prendre effet tôt.  Point de contrôle majeur chez les procaryotes : initiation de la transcription (régulation) 1.2 Découverte des opérons :  But de la régulation transcriptionnelle : permettre aux procaryotes de s’adapter aux conditions nutritionnelles du milieu ; de manière la plus économique possible  Régulation coordonnée de gènes impliqués dans une même voie métabolique grâce aux opérons (Opérons découverts par F. Jacob, J. Monod et A. Lwoff (Nobel 1965)) 5 gènes qui régulent le tryptophane grâce aux opérons 1.3 Généralités sur les opérons : Opéron  unité génétique fonctionnelle formée d'un promoteur, d’un opérateur et de gènes adjacents (gènes de structure) impliqués dans une même voie métabolique - 81 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Régulation : En fonction de l’environnement, l’opéron peut être : - induit - réprimé  Régulation coordonnée de ces gènes et synthèse d’un ARNm unique, polycistronique (ARNm qui sert de support de synthèse pour ces différente protéine) 2. Opéron lactose : 2.1 Organisation de l’opéron lactose :  Gènes de structure : contigus, transcrits en un ARNm polycistronique unique  Région régulatrice : Promoteur : site de fixation de l’ARN polymérase Opérateur : site de fixation du répresseur Site CAP : site de fixation pour la protéine CAP (catabolite activator protein)  Gène lacI : code pour un répresseur qui se fixe sur l’opérateur (en absence de lactose) - 82 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin  Opéron lactose chez E. Coli permet le catabolisme du lactose grâce à la synthèse de 3 enzymes : béta-galactosidase: hydrolyse lactose galactose + glucose Perméase : permet entrée du lactose dans la cellule Thio galactoside acétyltransférase : fonction peu connue  Opéron inductible : Présence de lactose : gènes activés Absence de lactose : gènes réprimés (Lactose = Inducteur) 2.2 Fonctionnement de l’opéron lactose :  Fort niveau d’expression des gènes du catabolisme du lactose en présence de lactose et en absence du glucose (source d’énergie préférée)  2 protéines régulatrices : CAP (activateur)et un répresseur codé par le gène lacI - 83 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin - 84 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin  Régulation de l’activité du répresseur par le lactose  Absence de lactose : répresseur sous forme active / ARN polymérase peut se lier au promoteur mais est bloquée au niveau de l’opérateur  Présence de lactose : fixation du lactose sur le répresseur changement de conformation du répresseur accompagné de son inactivation (modification allostérique)  Faible [glucose]: production de AMPc par l’adénylate cyclase à partir de l’ATP  Fixation de AMPc sur CAP changement de conformation de CAP qui adopte une conformation adéquate pour lier l’ADN (modification allostérique)  Fixation de CAP-AMPc sur l’ADN stabilise fixation de l’ARN polymérase sur l’ADN et transcription 2.3 Conclusion sur l’opéron lactose : - 85 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Présence de glucose ( baisse d’AMPc ) = transcription faible 3. Opéron tryptophane : 3.1 Organisation de l’opéron tryptophane :  Permet la synthèse des enzymes nécessaires à la production du tryptophane  Opéron répressible : Présence de tryptophane : gènes réprimés Absence de tryptophane : gènes activés (Tryptophane = corépresseur)  Présence de tryptophane === fixation de tryptophane sur le répresseur - 86 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin  Formation du complexe tryptophane-répresseur ==== changement de conformation du répresseur (molécule allostérique) qui se lie à l’opérateur et réprime (en partie !) la transcription 3.2 Fonctionnement de l’opéron tryptophane (régulation par atténuation) : Évaluation de l’activité de l’opéron tryptophane dans des souches de bactéries exprimant le répresseur (souches trpR+ ) ou non (souches trpR-) Comparaison de phénotypes En l'absence du répresseur (souches trpR-), la synthèse de de deux bactéries exprimant le l’ARNm de l’opéron trp est encore en partie réprimée par la répresseur en présence ou en présence de tryptophane !!! l’absence du tryptophane. 100% d’activité pour les opérons sans tryptophane. Avec tryptophane on a 8% d’activité. (R+ signifie = avec répresseur et R- signifie =  Existence d’un mécanisme de régulation complémentaire = contrôle par atténuation Sans répresseur).  Contrôle par atténuation implique la région « leader » situé entre l’opérateur et le gène trpE  Malgré la présence de tryptophane: synthèse d’ARNm d’environ 140nucléotides (transcrit de la région « leader »)  ARNm composé des régions 1, 2, 3 et 4 (région 2 complémentaire de 1 & 3 ; région 3 complémentaire de 2 & 4)  Chez procaryotes: couplage transcription-traduction  Position du ribosome durant la traduction déterminante dans le phénomène d’atténuation  Position du ribosome liée à l’abondance en tryptophane - 87 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin  Transcrit contient 2 triplets UGG codant pour le tryptophane en aval du codon d’initiation de la traduction AUG et en amont du codon stop UGA  Absence de tryptophane ==== absence de trp-ARNt ==== blocage du ribosome au niveau des codons UGG  Présence de tryptophane ==== présence de trp-ARNt ==== progression du ribosome jusqu’au codon STOP Le tryptophane est absent (ou en quantité insuffisante): 1- trp-ARNt indisponibles; le ribosome s’arrête aux codons trp et couvre la région 1. 2- la région 1 ne peut s’apparier avec la région 2, appariement régions 2 & 3, formation d’une épingle à cheveux anti-terminatrice 3- l’ARN polymérase continue à transcrire l’ensemble de la séquence codante ce qui permet la synthèse complète de l’ARNm. - 88 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Le tryptophane est abondant : 1- le ribosome ne s’arrête pas au niveau des codons trp; il continue à traduire la séquence leader, encombrant la région 2. 2- la région 2 ne peut s’apparier avec la région 3, cette dernière s’apparie alors avec la région 4, formation d’une épingle à cheveux terminatrice, l’ARN Pol se détache et la synthèse de l’ARNm s’arrête. 3.3 Conclusion sur l’opéron tryptophane :  2 niveaux de régulation : au niveau de l’opérateur avec le système répresseur/corépresseur et par le phénomène d’atténuation  Atténuation implique la nature synchrone de la transcription et de la traduction (dans l’espace et le temps) : mécanisme limité aux procaryotes  Chez procaryotes : régulation de l’expression des gènes fréquemment corrélée aux besoins métaboliques de la cellule  Régulation de l’expression des gènes essentiellement transcriptionnelle  Expression coordonnée de gènes fonctionnellement apparentés grâce aux opérons 4. Conclusions sur la régulation de l’expression des gènes chez les procaryotes - 89 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin  Bactéries synthétisent enzymes nécessaires au catabolisme d’une molécule que si cette molécule est présente dans son environnement  Bactéries synthétisent enzymes nécessaires à la synthèse d’une molécule que si cette molécule est absente de son environnement - 90 -