Cours - Génétique - Expression du patrimoine génétique - PDF

Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique CHAPITRE 3 : L’EXPRESSION DU PATRIMOINE GENETIQUE Dia transgenèse. La transgenèse (transfert d'un gène d'un organisme donneur à un organisme receveur) permet à l'organisme qui a reçu l...

Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique CHAPITRE 3 : L’EXPRESSION DU PATRIMOINE GENETIQUE Dia transgenèse. La transgenèse (transfert d'un gène d'un organisme donneur à un organisme receveur) permet à l'organisme qui a reçu le gène transféré de produire un nouvelle protéine (exemple de la souris verte qui produit la protéine GFP suite à l'introduction d'un gène de méduse). → Un gène contient donc un message qui permet la synthèse d'une protéine. PROBLÉMATIQUE DU CH3: Comment l'information génétique portée par la molécule d'ADN s'exprime-t-elle dans la cellule? Définition : L'expression du patrimoine génétique désigne l'ensemble des processus par lesquels l'information héréditaire portée par les gènes aboutira à la formation de molécules essentielles au fonctionnement des cellules. 1/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique I. La relation entre les gènes et les protéines. A) Structure et fonction des protéines. Document 1 : Qu'est-ce qu'une protéine ? Les acides aminés sont des molécules élémentaires constituant les protéines. Il en existe 20 différents. Document 2 : Les 20 acides aminés (AA) 2/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Les protéines sont des éléments essentiels de la vie de la cellule: elles peuvent jouer un rôle structurel (kératine du cheveu), un rôle dans la mobilité (comme la myosine= protéine du muscle), un rôle catalytique = augmentation de la vitesse des réactions cellulaires (les enzymes comme par exemple l'ADN polymérase), un rôle de régulation de la compaction de l'ADN (les histones) ou du fonctionnement des organes (hormones)... B) Le code génétique, lien entre enchaînement de nucléotides et enchaînement d'acides aminés. Le message génétique (information) correspond à une séquence de nucléotides (4 nucléotides différents) et la protéine correspond à une séquence d'acides aminés (20 aa différents). Le code génétique est le système de correspondance mis en jeu lors de la traduction de l'information génétique en protéine. Il est commun à tous les êtres vivants on dit que le code génétique est universel. Document 3 : Le code génétique Le code génétique est basé sur une correspondance pour laquelle 1 ensemble de 3 nucléotides= triplet de nucléotides = codon sera traduit en un acide aminé. → Par exemple CUC sera traduit par l'acide aminé: leucine On peut constater que plusieurs codons sont traduits en un même acide aminé. → On dit que le code génétique est redondant. Par exemple: CAU ET CAC sont traduits par le même acide aminé: histidine → On constate l'existence d'un codon qui permet de démarrer la traduction de la séquence de nucléotide = codon d'initiation AUG qui sera traduit en méthionine. → On constate aussi l'existence de 3 codons qui permettent de stopper la traduction de la séquence nucléotidique = codons de terminaison ou codons STOP: UAG UAA UGA 3/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique II. Les étapes de la synthèse des protéines = Les étapes de l'expression des gènes DIA : Expérience de chasepulse Dans cette expérience, les scientifiques utilisent cette fois de l'uracile radioactive. L'uracile rentre dans la constitution d'une molécule appelée ARN. Les ARN produits par le cellule incorporeront les uraciles radioactives et deviendront alors des ARN radioactifs. Les scientifiques, afin de localiser les ARN, devront alors localiser la radioactivité. Dans la première expérience, les scientifiques laissent les cellules en contact avec l'uracile radioactive 15 minutes puis lavent (afin d'éliminer l'uracile non incorporée). Après autoradiographie, on observe que la radioactivité est localisée dans le noyau de la cellule. Cela signifie que les ARNs sont fabriqués dans le noyau. Dans la deuxième expérience, les scientifiques laissent les cellules en contact avec l'uracile radioactive 15 minutes puis lavent et re-cultivent les cellules dans un milieu sans uracile radioactive pendant 90 minutes. Donc les nouvelles molécules d'ARNs produites ne seront pas marquées radioactivement, on ne pourra pas les localiser. Les seules molécules d'ARNs marquées sont celles du début. On observe après cette expérience que la radioactivité est localisée dans le cytoplasme de la cellule. Ainsi, on peut conclure qu'après leur fabrication dans le noyau, les molécules d'ARN se sont déplacées. Elles sont sorties du noyau et ont rejoint le cytoplasme. DIA : pores nucléaires 4/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique A) L'ARN est l'intermédiaire entre gène et protéine. → Voir TP6 ARN: Acide ribonucléique est formé d'une seule chaîne de nucléotides. Un seul brin. Il possède 4 bases azotées: A, G, C et U pour Uracile qui remplace la Thymine. Schéma de l'ARN: L'ARN passe du noyau au cytoplasme en emportant le message codé de l'ADN, on l'appelle donc ARN messager ou ARNm. B) La synthèse de l'ARN: la transcription Document 4 : Observation au microscope électronique de molécules d’ARNm en cours de synthèse = lors de la transcription. La transcription est une reproduction du message porté par une séquence de nucléotides de l'ADN en une séquence de nucléotides de l'ARN. Elle a lieu dans le noyau des cellules et est nécessaire car l'ARN permet le transfert de l'information d'un gène du noyau vers le cytoplasme. De plus, comme l'ARN synthétisé subira ensuite une étape de maturation, il est qualifié de pré-messager. La transcription se réalise grâce à l'ARN polymérase. Cette dernière se fixe sur l'ADN et ouvre la double hélice de l'ADN. L'ARN polymérase va alors associer des nucléotides en synthétisant un brin d'ARN complémentaire du brin transcrit de l'ADN. Les règles de complémentarité s'appliquent tout comme pour l'ADN sauf pour l'adénine de l'ADN transcrit qui sera complémentaire d'un uracile sur l'ARN. Le déplacement de l'ARN polymérase le long du gène va permettre l'élongation de l'ARN. 5/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Schéma de la transcription: C) La maturation des ARN Document 5 : La mise en évidence d’une maturation de l’ARN. On observe, après hybridation de l’ADN et de l’ARNm, la présence de boucles d’ADN simple brin. Cela signifie que les séquences d’ADN de ces boucles n’ont pas pu s’hybrider avec l’ARNm. Cela signifie que ces séquences ne sont donc pas présentes dans l’ARNm. L’ARNm porte moins d’informations que l’ADN. → Que s’est-il passé ? 6/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Les ARN pré-messager sont composés de portions de séquence codantes, les exons (qui seront traduites) et de portions non codantes les introns. (intrus) → Lors du processus de maturation, qu'on nomme aussi épissage, les introns sont éliminés et les exons « recollés ». Un même ARN pré-messager pourra subir différents types de maturation selon la cellule dans laquelle la synthèse protéique se déroule. Ces maturations vont conduire à l'obtention d'ARNm différents (et donc de protéines différentes). → C'est l'épissage alternatif. Document 6 : La maturation de l’ARN pré-messager par épissage alternatif. Le gène CGRP est situé sur le chromosome 11. Il s’exprime dans les cellules de la thyroïde où il code pour une hormone, la calcitonine, intervenant dans la régulation de la calcémie. Il s’exprime aussi dans de nombreux neurones du système nerveux central et périphérique où il code pour un neuromédiateur, le CGRP. Calcitonine et CGRP ont des rôles physiologiques différents. → C’est donc l’exemple d’un gène qui code pour deux protéines différentes suivant le type de cellules où il s’exprime. 7/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique D) La traduction de l'ARN en polypeptide. → Voir TP7 Cette étape consiste en la lecture du message génétique de l'ARNm et à sa traduction (grâce au code génétique) en une séquence d'acides aminés (=séquence polypeptidique). Elle se déroule dans le cytoplasme de la cellule. Cette étape nécessite la sortie de l'ARNm hors du noyau. Ceci est possible grâce aux pores nucléaires. La membrane nucléaire (membrane du noyau) est percée de trous appelés pores. C'est par ceux-ci que sort l'ARN m. Dans le cytoplasme, un ribosome se fixe sur l'ARNm au niveau d'un codon d'initiation (AUG). Le ribosome se déplace le long de l'ARNm et assemble des AA en fonction des codons lus sur l'ARNm. Une fois arrivé au niveau d'un codon STOP (UAG, UGA, UAA), cette polymérisation s'arrête, la protéine est libérée et le ribosome se détache et peut assurer une nouvelle traduction. Document 7 : Observation au microscope électronique de la traduction et son schéma interprétatif. Document 8 : Schéma des étapes de la traduction. 8/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique DIA : drépanocytose → Le phénotype résulte de l'ensemble de l'expression des gènes. Document 9 : Drépanocytose Le phénotype d'un individu souffrant de drépanocytose est défini à différentes échelles: -macroscopique (organisme): anémie chronique, crises articulaires douloureuses... -cellulaire: hématies déformées (en faucille) -moléculaire: le 6° acide aminé de la bêta-globine, constitutive de l'hémoglobine, est une valine (val) au lieu d'un acide glutamique (glu). Les différentes échelles du phénotypes sont emboîtées. Ainsi, la présence de la valine dans l'hémoglobine d'un individu souffrant de drépanocytose entraîne sa polymérisation sous forme de fibres rigides. Celles-ci confèrent une forme de faucille aux hématies qui, ne pouvant plus circuler normalement dans les petits vaisseaux, sont à l'origine de la maladie à l'échelle de l'organisme. Le phénotype d'un malade dépend de son génotype (une mutation est à l'origine de la modification de la bêta-globine), mais aussi de son environnement (certaines situations favorisent la survenue de crises). 9/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique III. Le contrôle de l'expression des gènes. Une cellule n'exprime qu'une partie des gènes qu'elle possède : en exprimant des gènes différents, les cellules se spécialisent. L'expression des gènes d'une cellule est donc contrôlée par des facteurs internes ou externes. A) Les facteurs externes du contrôle de l'expression des gènes. Document 10 : L’environnement, un facteur contrôlant l’expression des gènes. → Expliquez comment le milieu de vie influence l’expression des gènes chez les alligators. Une forte température va activer une protéine thermosensible. Une fois activer, cette protéine va activer l’expression d’un gène qui permet la synthèse d’une hormone assurant la différenciation sexuelle mâle. On observe que plus on inhibe cette protéine et moins il y a d’ARNm synthétisé. (ARNm issu de la transcription du gène permettant la différenciation mâle). On peut donc en conclure que l’environnement (sa température) va contrôler l’expression du gène responsable de la production de l’hormone assurant la différenciation sexuelle mâle en agissant sur la transcription. 10/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique B) Les facteurs internes du contrôle de l'expression des gènes. Document 11 : Le contrôle de l’expression des gènes chez les épinoches. Expliquez, sous la forme d’un schéma, l’absence du développement d’une nageoire pelvienne chez l’épinoche lacustre. Document a : Une variation du plan d’organisation chez l’épinoche. 11/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Document b : Une expérience de transgenèse Document c : Le rôle des facteurs de transcription. 12/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Schéma expliquant l’absence du développement des nageoires pelviennes chez l’épinoche lacustre comparé à leur mise en place chez l’épinoche marin. Épinoche marin Épinoche lacustre Présence d’une séquence PEL en amont Présence d’une séquence PEL en amont du gène PITX1 modiée. du gène PITX1 Mutation par délétion (- 488 paires de Taille de la séquence : 2500 paires de nucléotides) nucléotides Taille de la séquence : 2012 paires de nucléotides Fixation sur la séquence PEL de facteurs de transcription PAS de fixation sur la séquence PEL de facteurs de transcription ARN polymérase recrutée et active qui commence la transcription du gène PITX1 PAS de recrutement de l’ARN polymérase Expression du gène PITX1 PAS d’expression du gène PITX1 Présence de nageoires pelviennes ABSENCE de nageoires pelviennes → L'expression peut être contrôlée lors de toutes les étapes permettant la synthèse d'une protéine à partir d'une gène. Exemples : – édition de l'ARN : changer un codon par un autre qui induit l'arrêt de la traduction. – Séquence enhancer : des facteurs de transcription peuvent se fixer sur une région régulatrice et ainsi activer ou inhiber la transcription donc l'expression du gène – l'épissage alternatif 13/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Document 12 : Les différents niveaux de contrôle et quelques exemples de contrôle de l'expression des gènes. 14/15 Thème : Génétique Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique BILAN 15/15