Cours sur l'Organisation du GénoME - PDF

ORGANISATION DU GÉNOME Pr OTMANE Séance du 20/01/2021  Le génome  Un Génome est l’ensemble de l’information héréditaire d’un organisme, présente en totalité dans chaque cellule.  Procaryotes  Eucaryotes  1/Caractéristiques des génomes procaryo...

ORGANISATION DU GÉNOME Pr OTMANE Séance du 20/01/2021  Le génome  Un Génome est l’ensemble de l’information héréditaire d’un organisme, présente en totalité dans chaque cellule.  Procaryotes  Eucaryotes  1/Caractéristiques des génomes procaryotes: Chromosome circulaire unique Une origine de réplication Présence possible de petites séquences d’ADN circulaires indépendantes : les plasmides. Les gènes procaryotes : Fraction codante des génomes élevée: > 90% codant Peu de séquences intergéniques : Génome « compact » la séquence des gènes est continue :pas d’intron Gènes organisés en opérons. 600 opérons dans le génome de Escherichia coli. (Un opéron est une unité d'ADN fonctionnelle regroupant des gènes qui opèrent sous le signal d'un même promoteur) Organisation de l’ADN des Procaryotes : Les Topoisomères  L’ADN peut exister à l’état relâché avec une contrainte minimale dans la molécule. C’est la forme la plus stable de la molécule  L’axe de la double hélice d’ADN peut s’enrouler sur lui-même en formant un super enroulement positif ou négatif : rendre l’ADN plus compact et diminuer ainsi le volume occupé dans la cellule.  Les topoisomères : deux molécules d’ADN qui diffèrent uniquement par le nombre d’enroulements (enlacements).  LES TOPOISOMÉRASES  Elles ont été mises en évidence chez les procaryotes et les eucaryotes.  Leur importance est capitale dans la réplication, la transcription de l’ADN. (étoposide) (extrait de l’if)) TOPOISOMERASES ORGANISATION DE L’ADN CHEZ LES EUCARYOTES ORGANISATION DE L’ADN CHEZ LES EUCARYOTES  DEFINITIONS / GENERALITES  La chromatine: Représente le matériel génétique contenu dans le noyau inter phasique. C’est une structure complexe constituée d’ADN et de protéines ; Environ deux mètres d'ADN dans chaque cellule doivent être contenus dans un noyau de quelques µm de diamètre. En plus de cet énorme degré de compaction, l'ADN doit être rapidement accessible afin de permettre son interaction avec les machineries protéiques régulant les fonctions de la chromatine (la transcription, la réplication et la réparation). Ainsi l'organisation dynamique de la structure chromatinienne influence, potentiellement, toutes les fonctions du génome.  La chromatine  L'unité fondamentale de la chromatine est appelée le nucléosome qui est composé d'ADN et de protéines d’'histones.  Il constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau. Cette structure est ensuite régulièrement répétée pour former le nucléofilament qui peut, lui- même, adopter des niveaux d'organisation plus compacts, le niveau de condensation le plus élevé étant atteint au sein du chromosome métaphasique.  COMPOSITION DE LA CHROMATINE La chromatine contient près de deux fois autant de protéines que d’ADN ; les principales protéines de la chromatine sont les histones. Elle contient une masse à peu près équivalente d’une grande variété de protéines non histones. Les histones : petites protéines très riches en acides aminés basiques (arginine et lysine) qui favorisent la liaison aux charges négatives de la molécule d’ADN.Il existe cinq types principaux d’histones, notées H1, H2A, H2B,H3,H4. Les protéines non histones : Elles vont assurer une série de fonctions, ce sont des facteurs protéiques nécessaires à : la transcription, la régulation de l’expression des génes, la réplication. Ce sont également des topoisomérases ou des HMG (High Mobility Group) 14 et 17 qui interviennent dans l’organisation chromatinienne et stabilisent la structure en collier de perles. PROTEINES HISTONES 60 millions n’appartient pas au nucléosome 146 Modifications des histones  STRUCTURE DE LA CHROMATINE En microscopie électronique, la chromatine apparait sous deux aspects :  L’euchromatine : constitue la plus grande partie de la chromatine, elle est dispersée dans tout le volume du noyau interphasique. Elle apparait décondensée sous forme d’une structure en « collier de perles », chaque perle constitue une particule cœur de nucléosome. Elle représente la partie active de la chromatine, durant l’interphase ; ses gènes actifs sont transcrits et l’ADN se réplique pour la prochaine mitose.  L'hétérochromatine : structure qui ne change pas d'état de condensation au cours du cycle cellulaire. Hétérochromatine constitutive : est formée principalement de séquences répétées et contient peu de gènes. Elle est généralement concentrée dans des régions situées à proximité des centromères et des télomères. Hétérochromatine facultative : contient des régions codantes qui s’activent (se décondensent) et se désactivent (se condensent) selon le type de cellule. Comme le chromosome X inactif chez la femme. L’épigénétique: modification de l’expression des gènes non liés a des changements de séquences (mutations) (CODE HISTONE) NIVEAUX DE COMPACTION DE LA CHROMATINE de la chromatine au chromosome Le niveau de compaction de la chromatine permet de réguler l’accessibilité à l’ADN aux enzymes et aux protéines de la transcription. Le nucléosome constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau. Cette structure est ensuite régulièrement répétée pour former le nucléofilament qui peut, lui-même adopté des niveaux d'organisation plus compacts, le niveau de condensation le plus élevé étant atteint au sein du chromosome métaphasique. Le deuxième niveau de compaction de la chromatine est assuré par l'empilement des nucléosomes en solénoïdes, constitué par l’association de six nucléosomes/tour grâce à l’histone H1. Les solénoïdes sont eux même organisés en boucles de chromatine fixées sur un squelette protéique formant une fibre de 30nm de diamètre. Des repliements en boucles sont nécessaires, les boucles sont maintenues par un support protéique jouant le rôle d’échafaudage.  L'assemblage commence avec la mise en place d'un tétramère (H3-H4)2 d'histones nouvellement synthétisées (1), à laquelle viennent s'adjoindre deux dimères H2A-H2B (2) pour former la particule nucléosomale cœur.  Les histones nouvellement synthétisées sont spécifiquement modifiées; la modification la plus conservée est l'acétylation de l'histone H4 sur les lysines 5 et 12 (H3-H4*).  L'étape de maturation nécessite la présence d'ATP afin d'établir un espacement régulier des nucléosomes et les histones nouvellement incorporées sont désacétylées (3). L'incorporation des histones internucléosomales est accompagné par le repliement du nucléofilament. Ici est présenté le modèle de type solénoïde dans lequel il y a 6 nucléosomes par tour (4).  Finalement, plusieurs repliements successifs conduisent à des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau (5). Étapes de Compaction de L’ADN  Le génome humain Génome humain 3000 Mb Gènes et autres ADN extra-génique séquences apparentées 2100 Mb 900 Mb ADN codant ADN non-codant ADN répété ADN à copies uniques/faible nombre de copies 90 Mb 810 Mb 420 Mb 1680 Mb Pseudogènes Fragments Introns, Répétitions Répétitions intercalées de gènes etc en tandem (« interspersed ») ADN satellite ADN microsatellite Éléments LTR Éléments SINE ADN minisatellite 22 Éléments LINE Transposons  Chromatine : constitue le support de l'information génétique. C'est une structure complexe constituée d'ADN et de protéines, localisée dans le noyau cellulaire.  Nucléosome : est l'unité fondamentale de la chromatine. Il est composé d'ADN et d'histones. Il constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau.  Hétérochromatine : représente la forme condensée de la chromatine qui ne change pas d'état au cours du cycle cellulaire.  Euchromatine : représente la chromatine qui apparaît décondensée pendant l'interphase.  Hétérochromatine constitutive : est formée principalement de séquences répétées et contient peu de gènes. Elle est généralement concentrée dans des régions situées à proximité des centromères et des télomères.  Hétérochromatine facultative : contient des régions codantes pouvant adopter les caractéristiques structurale et fonctionnelle de l'hétérochromatine.  Code histone : est un "langage" hypothétique lié à la grande diversité des modifications post-traductionnelles des extrémitées terminales des histones et leur association à des processus biologiques spécifiques. Ce code serait "lu" par des protéines ou complexes protéiques capables de reconnaître et d'interpréter des profils de modification spécifiques.  Protéines HMG (High Mobility Group) : sont des protéines chromatiennes non-histones qui se lient spécifiquement à l'ADN. Ces protéines peuvent affecter l'espacement et le repliement du nucléofilament.  Chaperons d'histones : sont des facteurs de nature acide pouvant former des complexes avec les histones et ainsi favoriser leur mise en place. Ces facteurs facilitent la formation de la particule nucléosomale sans faire partie intégrante de cette particule.  Facteurs de remodelage de la chromatine : sont des facteurs nécessitant de l'énergie sous forme d'ATP qui induisent des changements conformationnels au niveau du nucléosome mais aussi au niveau de larges domaines de la chromatine.  Bandes G, C et R : correspondent à l'organisation en bandes des chromosomes métaphasiques et peuvent être visualisées par l'utilisation de colorant comme le Giemsa.  L’ ADN MITOCHONDRIAL La mitochondrie a son propre génome: ADN circulaire, double brins:  16561pb : 37 gènes sans introns et sans protéines histones, sans séquences répétées  code 22 ARNt , 2 ARNr et 13 protéines membranaires impliquées dans la production d'énergie par la mitochondrie  5 a 10 copies par mitochondrie  Grande mutabilité : 10 X > par rapport au génome nucléaire  Dans le DNA mitochondrial, le code génétique est inhabituel:  Ex: AGA - stop codon et non pas codon pour l'Arg.  Importance du DNA mitochondrial dans l'hérédité:  le DNA mitochondrial est d'origine maternelle  correspond à 0.5% du DNA dans une cellule somatique  Mode de transmission caractéristique  Importance du DNA mitochondrial dans la filiation (études phylogéniques)