Cours Génétique Moléculaire PDF 2023/2024 (Universite ZIANE ACHOUR Djelfa)

Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 CHAPITRE I : STRUCTURE ET ORGANISATION DU MATERIEL GENETIQUE 1. STRUCTURE DES ACIDES NUCL...

Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 CHAPITRE I : STRUCTURE ET ORGANISATION DU MATERIEL GENETIQUE 1. STRUCTURE DES ACIDES NUCLEIQUES Les acides nucléiques sont des macromolécules dont l’unité de base est le nucléotide. Il existe deux types d’acides nucléiques : Acide désoxyribonucléique (ADN contient du désoxyribose) localisé essentiellement dans le noyau, les mitochondries et les chloroplastes. Acide ribonucléique (ARN contient du ribose) localisé dans le noyau, les ribosomes, le cytoplasme. Ces molécules biologiques (les acides nucléiques) représentent le support de l’information génétique : l'ADN (et ARN pour certains virus) et le support de l'hérédité et du codage des composés biologiques (ARN, protéines). 1.1. Composition des nucléotides 1.1.1. Définition Les acides nucléiques sont constitués d'un enchaînement de nucléotides. Un nucléotide se compose de trois éléments fondamentaux : un sucre, un groupe phosphate, et une base azotée. a. Les bases azotées Elles sont classées en bases pyrimidiques et en bases puriques. Les principales bases pyrimidiques sont : l’uracile, la cytosine et la thymine (5-méthyle uracile). Les principales bases puriques sont : l’adénine et la guanine (Fig.1). L’uracile est une base pyrimidique spécifiquement trouvée dans l’ARN ; la thymine est une base pyrimidique spécifiquement trouvée dans l’ADN. Fig.1 Les cinq bases azotées principales 1 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 b. Le sucre Deux types d’oses sont présents, le ribose pour l’ARN et le 2’-désoxyribose pour l’ADN. Ces deux sucres sont des pentoses (oses avec cinq atomes de carbone) sous forme cyclique (Fig.2). On les numérote avec des chiffres accompagnés de l’indication prime pour éviter des confusions avec les numérotations des bases. Le 2’-désoxyribose est un ribose désoxygéné sur le carbone 2’ dans lequel le OH est remplacé par un H. Fig.2 Structure des deux sucres constitutifs des acides nucléiques c. L’acide phosphorique Le phosphate (H3PO4) possède trois fonctions acides. Deux de ces fonctions sont estérifiées dans les ADN et les ARN, la troisième fonction acide est libre (Fig.3) Fig.3 Structure et position de l’acide phosphorique constitutif des acides nucléiques 1.1.2. Les liaisons dans les nucléotides a. La liaison ose-base La liaison ose-base est une liaison glycosidique. Elle se forme par élimination d’une molécule d’eau entre le OH du carbone situé en C1’ de l’ose et le H du N9 de la base purique ou N1 de la base pyrimidique. L’association ose-base est appelée nucléoside. 2 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Les liaisons glycosidiques sont de deux types : soit d’une conformation anti, soit une conformation syn (Fig.4). Dans le type anti, le sucre et la base sont éloignés l’un de l’autre. A l’opposé, dans le type syn, la base et l’ose sont proches l’un de l’autre. Fig.4 Les conformations syn et anti de nucléosides b. La liaison phosphate-ose Il s’agit d’une liaison ester (phosphoester). Il y a élimination d’une molécule d’eau entre un OH de l’acide phosphorique et le H en C5’ de la fonction alcool de l’ose (Fig. 5) Fig.5 Liaison acide phosphorique-sucre 1.1.3. Nomenclature des nucléotides Les nucléotides à base pyrimidique, par exemple avec la base uracile, le nucléoside et le nucléotide correspondants sont appelés respectivement uridine (terminaison : idine) et acide uridylique (terminaison : idylique). L’appellation est complétée si l’ose est un désoxyribose en faisant précéder l’abréviation du nucléotide par la lettre «d» (pour désoxy). Les nucléotides à base puriques, par exemple avec la base adénine, le nucléoside et le nucléotide correspondants sont appelés respectivement adénosine (terminaison : osine) et acide adénylique (terminaison : ylique), (Tableau.1). 3 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Tableau.1 Nomenclature des principaux nucléotides Base nucléoside nucléotide ARN ADN Code azoté Adénine Adénosine Acide adénylique AMP dAMP A (adénylate) (Adénosine (2’Désoxyadénosine monophosphate) monophosphate) Guanine Guanosine Acide guanylique GMP dGMP G (guanylate) (Guanosine (2’Désoxyguanosine monophosphate) monophosphate) Cytosine Cytidine Acide cytidylique CMP (Cytidine dCMP C (cytidylate) monophosphate) (2’Désoxycytidine monophosphate) Thymine Thymidine Acide - dTMP T thymidylique (2’Désoxythymidine (thymidylate) monophosphate) Uracile Uridine Acide uridylique UMP (Uridine - U (uridylate) monophosphate) 1.1.4. Fonctions des nucléotides Les nucléotides triphosphates et tout particulièrement L’ATP sont essentiels dans le transport de l’énergie cellulaire. L’hydrolyse des phosphates de ces nucléotide libère de grandes quantités d’énergie chimique utilisée dans de nombreuses réactions cellulaires ;  Ils s’associent à d’autres molécules pour former des coenzymes ou favoriser les réactions enzymatiques ;  Ils jouent le rôle de petits messagers solubles, transmettant le signal des hormones et neuromédiateurs à l’intérieur de la cellule (AMP cyclique) ;  Mais surtout ils se polymérisent en une longue chaine non ramifiée appelée acide nucléique, qui contient l’information génétique de la cellule vivante. 1.2. Formation des acides nucléiques Les acides nucléiques sont des polymères dont l’unité de base est le nucléotide. Ces nucléotides sont reliés par des liaisons ester. Une molécule d’eau est donc éliminée entre un OH du phosphate et un H de la fonction alcool située en C3’ de l’ose. Quand le phosphate présent ses deux fonctions acide bloquées dans la formation ester, on parle de la liaison phosphodiester (Fig.6). 4 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Fig.6 Liaisons phosphodiester relient les nucléotides dans le polynucléotide d’ADN On lit toujours un acide nucléique dans le sens de l’extrémité 5’ comportant un groupement phosphate libre vers l’extrémité 3’ qui possède un OH libre (Fig.6). 2. L’ACIDE DESOXYRIBONUCLEIQUE (ADN) 2.1. Structure d’ADN L’ADN contient toute l’information génétique, appelée génome, permettant le développement, le fonctionnement et la reproduction des êtres vivants. Les ADN présentent plusieurs caractéristiques propres et qui les opposent aux ARN :  L’ose : le 2’-désoxyribose (remplacé par le ribose dans l’ARN)  Les bases : A, C, G et T. Dans les ARN, T est remplacé par U (uracile)  Les polymères de nucléotides : la molécule d’ADN est constitué de deux chaines (ou brins) de nucléotides. Les molécules d’ARN sont le plus souvent sous forme d’un seul brin. 2.2. Les caractéristiques des chaines d’ADN Elles sont au nombre de 3: antiparallèles, complémentaires et hélicoïdales  Antiparallèles : les deux brins d’une molécule d’ADN sont disposés dans des directions opposées. Un brin est orienté dans une direction 5’→ 3’ et un deuxième brin orienté dans la direction opposée. 5 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024  Complémentaires : l’appariement des bases des deux brins d’une molécule d’ADN se fait suivant la règle de complémentarité. Selon cette règle, les bases puriques d’un brin s’associent toujours à une base pyrimidique de l’autre brin. A apparié avec T, C apparié avec G. cette complémentarité repose sur des raisons stériques (encombrement dans l’espace) et sur la formation des liaisons hydrogène. Les liaisons hydrogènes sont formées par l’interaction entre un atome d’hydrogène et un autre atome dit électronégatif. Les liaisons hydrogènes sont au nombre de deux entre A et T et de trois entre C et G (Fig.7). On désigne ces liaisons sous le terme d’hybridation. (Ainsi si on connait les bases du 1er brin, les bases du 2ème brin grâce à la règle de complémentarité seront obligatoirement connues). Ex : 5'-ATTGCCGTATGTATTGCGCT-3‘ d’où : (A + G) = (C + T) ou (A+G) / (C+T) = 1 3'-TAACGGCATACATAACGCGA-5' A/T = 1 et G/C = 1 Fig.7 Appariements des bases  Hélicoïdale : dans l’espace les deux chaines présentent une configuration hélicoïdale. Elles s’enroulent autour d’un axe imaginaire pour constituer une double hélice à rotation droite ou plus exceptionnellement à rotation gauche (Fig.8). Fig.8 Double hélice droite (a) et gauche (b) 6 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.3. Les formes de l’ADN Il existe de nombreux conformères possibles de la double hélice d'ADN, jusqu’à maintenant, six formes ont été décrites (A, B, C, D, E et Z). Les principaux sont ADN A, ADN B et ADN Z.  L'ADN B : est la forme la plus courante de la double hélice. La forme B est une hélice droite. Un tour d'hélice a une longueur d'environ 3,4 nm et contient en moyenne 10 paires de bases, et le diamètre de l’hélice est de 2 nm. Les bases sont orientées en position anti sur les résidus de désoxyribose. Fig.9 Chaine d’ADN de forme B  L'ADN A : s'agit d'une double hélice droite. Cette double hélice est plus large, avec un diamètre de l'ordre de 2,3 nm mais une longueur de seulement 2,8 nm pour 11 paires de bases par tour d'hélice. Les bases elles-mêmes demeurent orientées en position anti sur les résidus de désoxyribose.  L'ADN Z : forme une double hélice à rotation gauche avec un nombre de paires de bases par tour d’hélice de 12, la longueur d’hélice est plus importent (4,5 nm) et le diamètre de l’hélice est plus petit 1,8 nm. Les bases sont enchainées avec une altération de conformation (anti et syn). 7 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Fig.10 Les formes de l’ADN 2.4. Propriétés physico-chimiques de l’ADN Les liaisons hydrogènes et les interactions hydrophobes qui maintiennent la structure en double hélice sont des forces faibles. Avec des quantités relativement petites d'énergie, les deux brins peuvent se séparer. Ce processus est appelé dénaturation. Cette dénaturation est cependant réversible dans certaines conditions, les deux brins peuvent se réassocier suivant les règles de complémentarité. La dénaturation de l’ADN s’accompagne de modifications physico-chimiques : augmentation de l’absorption dans l’UV, diminution de la viscosité et augmentation de la densité.  Température de fusion : Une solution d'ADN est chauffée, à une certaine température, les liaisons hydrogène qui assurent la cohésion des 2 brins appariés se rompent. On parle de fusion de l'ADN caractérisée par la température de fusion (Tm : melting temperature). La dénaturation et la renaturation des brins d'ADN en solution sont des reconstitutions critiques pour diverses fonctions biologiques normales (réplication; transcription …etc.). La température de fusion augmente avec l'augmentation du CG, Ceci est lié au nombre de liaisons hydrogènes possibles formées par les bases (G et C) (3 liaisons hydrogène) au lieu de (2 entre les bases A et T).  Absorption de la lumière ultraviolette La propriété d'absorption des purines et pyrimidines dans l'UV à 260nm, et les protéines à 280nm permet de doser les acides nucléiques (C: concentration), et aussi bien d'estimer la contamination par les protéines lors de la purification des acides nucléiques. C = A260*DF*100 (unité: μg/μl A: Absorbance, DF: facteur de dilution) P (puretés) = A260 /A280 (Une solution d'ADN est considérée pure si (1.7 ≤ P ≤ 2) 8 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.5. Organisation de l’ADN en chromosomes Dans les cellules eucaryotes, la molécule d’ADN nucléaire est fortement associée à des protéines pour constituer la chromatine. L’image la plus classique est celle du collier de perles. La molécule d’ADN relie les «perles» qui sont des complexes [ADN chargé négativement - protéines histone chargées positivement] appelés nucléosomes. Le nucléosome (unité fondamentale de la chromatine) contient environ 200 paire de bases d’ADN associées à des protéines appelées histones. Les histones sont des protéines de petit poids moléculaires riches en acides aminées basiques. Dans un nucléosome, elles sont au nombre de 8 avec deux exemplaires de chacune des histones : H2A, H2B, H3 et H4. Au niveau d’un nucléosome, l’ADN (200 pb) est donc associée à un octamère (huit protéines) d’histone. L’histone H1 n’appartient pas au nucléosome, mais interviendrait dans le contacte entre deux nucléosomes (Fig.11). Fig.11 Structure des nucléosomes et des histones Environ deux mètres d'ADN dans chaque cellule doivent être contenus dans un noyau de quelques μm de diamètre. En plus, l'ADN doit être rapidement accessible afin de permettre son interaction avec les machineries protéiques régulant les fonctions de la chromatine: la réplication, la réparation et la recombinaison. Dans le noyau, l'ADN est donc extrêmement compacté (condensé) et les gènes sont empaquetés dans la chromatine. Les nucléosomes se replient pour former une fibre d'hétérochromatine (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 et les boucles sont à leur tour compressées et repliées pour former une fibre qui est les chromatides d'un chromosome (Fig.12, 13). Le niveau de condensation le plus élevé étant atteint au sein du chromosome métaphasique. 9 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Fig.12 Différents niveaux d’organisation de la chromatine Fig.13 Organisation des chromosomes, structure des nucléosomes et des histones 10 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 CHAPITRE II : NOTION DE GENE ET TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE 1. ORGANISATION DU GENOME DES EUCARYOTES 1.1. Le génome nucléaire : L’ensemble de l’ADN contenu dans une cellule d’une espèce constitue son génome ou son patrimoine génétique.  Chez les eucaryotes la quasi-totalité du génome se trouve dans le noyau, une petite quantité d’ADN est retrouvée dans la mitochondrie (génome mitochondrial) et dans les chloroplastes chez les végétaux.  Chez les procaryotes en plus de leur génome qui est représenté par l’ADN circulaire qui baigne dans le cytoplasme, on retrouve le génome plasmidique. Le génome nucléaire est divisé en un ensemble d’éléments séparés physiquement appelés chromosomes. Chaque chromosome individuel contient juste une seule molécule d’ADN en double hélice linéaire et sous forme hautement condensée. Le jeu des chromosomes d’un organisme d’une même espèce (nombre et aspect) est spécifique. Tous les eucaryotes étudiés ont au moins deux chromosomes, et ces molécules sont toujours linéaires. La présence de paires de chromosomes homologues est une caractéristique importante du matériel génétique nucléaire de la plupart des animaux et des plantes. On dit que ces organismes sont diploïdes, ce qui signifie que leurs noyaux contiennent deux copies complètes du génome. Le nombre de chromosomes dans l’ensemble génomique de base s’appelle le nombre haploïde (symbolisé par n). Les êtres humains sont diploïdes et possèdent deux copies de 23 chromosomes distincts, de sorte que dans notre cas n = 23 et 2n = 46. De nombreux Eucaryotes tels que les champignons sont haploïdes, c’est-à-dire que leur noyau ne contient qu’un jeu de chromosomes. Par exemple la moisissure du pain Neurospora est haploïde et n = 7. Chez un diploïde, les deux membres d’une paire de chromosomes s’appellent des chromosomes homologues. Les séquences d’ADN des membres d’une paire d’homologues sont quasiment les mêmes, même s’il existe souvent une variation mineure de la séquence nucléotidique. Comme les chromosomes homologues sont quasiment identiques, ils portent les mêmes gènes dans des positions relatives identiques. Par conséquent chez les diploïdes, chaque gène est présent sous la forme d’une paire de gènes. Chaque molécule d’ADN chromosomique contient de nombreuses régions fonctionnelles appelées gènes. Par conséquent, les gènes sont simplement des segments d’une molécule continue d’ADN. 11 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Les gènes sont les principaux transporteurs de l’information dans le génome et l’essentiel de la génétique repose sur eux. Toutefois, il existe une variation considérable d’une espèce à l’autre du point de vue du nombre et de la taille des gènes ainsi que dans le « paysage » chromosomique général. Dans le cas des Eucaryotes, le nombre de gènes va d’environ 6 000 chez la levure Saccharomyces cerevisiae à 20 500 approximativement chez Homo sapiens et jusqu’à 32 000 chez le maïs. La taille des régions séparant les gènes est également variable d’une espèce à l’autre. Une autre surprise émerge de la recherche moléculaire: chez de nombreuses espèces, la séquence fonctionnelle des gènes comporte des parties non codantes appelées introns. La présence de grands nombres d’introns peut rendre gigantesque la taille des gènes. L’ADN non transcrit (non codant) est appelé ADN intergénique ou extragénique, certaines séquences d’ADN intergénique situées à proximités des gènes exprimés sont indispensables au contrôle de l’expression des gènes, mais une grande quantité ne parait pas indispensable et ne possède pas de fonction connue. 1.2. Le génome extranucléaire L’ADN nucléaire ne constitue pas le fin mot de l’histoire. En effet, outre l’ADN nucléaire, une petite fraction spécialisée des génomes eucaryotes se trouve dans les mitochondries. Les plantes possèdent également un ADN spécialisé dans leurs chloroplastes. L’ensemble de ces ADN constitue le génome extranucléaire. Les Procaryotes tels que les bactéries sont dépourvus de noyau, de sorte que leur génome est présent à l’état libre dans le cytoplasme. Le génome d’un Procaryote est généralement un chromosome unique non enroulé qui, dans la plupart des cas, est circulaire. Les Procaryotes possèdent souvent de petits chromosomes circulaires appelés plasmides en plus de leur chromosome principal. Les génomes des virus sont encore plus petits et généralement linéaires. 2. TAILLE DU GENOME La taille du génome se mesure en nombre de nucléotides, ou bases. La plupart du temps, on parle de pb (pour paire de bases, puisque la majorité des génomes est constituée de doubles brins d'ADN ou bien d'ARN). On emploie souvent les multiples kb (pour kilobase) ou Mb (mégabase), qui valent respectivement 1 000 et 1 000 000 bases. La taille du génome peut aussi être exprimée en pg (picogrammes), ce qui correspond à la masse d'ADN (haploïde) par cellule. 1 pg représente environ 1 000 Mpb. A ce jour, l'organisme vivant ayant le plus grand génome connu est la plante herbacée Paris japonica ; celui-ci est long d'environ 150 milliards de paires de bases, soit près de 50 fois la taille du génome humain. 12 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 CHAPITRE III : STRUCTURE ET FONCTION DES GENES 1. NOTION DE GENE Le gène est l’unité fonctionnelle et physique élémentaire de l’hérédité qui transmet l’information d’une génération à la suivante. Un gène est fait d’une succession de nucléotides, constitué d’une région transcrite et de séquences régulatrices. C’est un facteur transmissible qui détermine un caractère. Sur le plan fonctionnel, un gène est une séquence d’ADN avec une structure nécessaire à la synthèse d’un produit fonctionnel qui peut être sous la forme d’ARN ou de polypeptide. 2. NOTIONS DE LOCUS ET D’ALLELES Chaque gène occupe un emplacement particulier (site physique) le long du chromosome. Cet emplacement est appelé locus. Les allèles sont les différentes formes que peut prendre un même gène à un locus donné. Exemple : pour le caractère « forme des grains chez le petit pois », lisse et ridé sont les deux allèles possibles du gène responsable de ce caractère (Fig.1). Fig. 1 Emplacement des allèles sur les chromosomes homologues 13 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Un individu possédant deux allèles identiques pour un gène à un locus donné est dit homozygote. Un individu possédant deux allèles différents à un locus est dit hétérozygote (Fig.2). Les allèles différents entre eux par variation de séquences d’ADN. Fig. 2 Génotypes homozygotes et hétérozygote au niveau d’une paire de chromosomes homologues Le génotype : décrit, au sens strict, la constitution génétique de la cellule ou de l’individu. Par simplification, ce terme désigne la configuration des allèles à un locus donné. Le phénotype : désigne les caractères observés en génétique, en d’autres termes c’est l’aspect extérieur anatomique ou physiologique (la couleur, forme, taille…). Les espèces eucaryotes sont soit diploïdes (cellules somatiques des animaux et plantes à fleurs) ou haploïdes (champignons et algues). Une cellule somatique diploïde contient deux génomes : un génome paternel et un génome maternel, alors qu’une cellule sexuelle (gamète male ou femelle) n’en contient qu’un seul. Donc : Cellule somatique (2n) / germinale (2n) / sexuelle (n). Avec : Cellules germinales : cellules précurseurs qui donnent la cellule sexuelle ou gamète (n) ; Cellules somatiques : toutes les cellules de l’organisme autres que les cellules germinales. Les génomes eucaryotes sont constitués d’ADN linéaire individualisé sous forme de chromosomes dans le noyau. L’ADN est toujours associé à des protéines de type histones. Le génome de la plupart des organismes procaryotes correspond à un seul chromosome composé d’un ADN souvent circulaire et de très peu de protéines associées. L’ADN associé à quelques protéines (non-histones) forme une masse dense, le nucléoïde. Les gènes bactériens sont souvent organisés en unités appelées opérons, transcrits en un seul ARN messager. Le cytoplasme contient également des structures facultatives constituées d’ADN, appelées plasmides. 14 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 3. ORGANISATION DES GENES La plupart des gènes eucaryotes contiennent une alternance de régions codantes appelées exons et de régions non codantes appelées introns. Chez les procaryotes, toutes les régions d’un gène sont codantes (Fig.3). Fig. 3 (A- Organisation génique chez les procaryotes, B- exons et introns chez les eucaryotes) 3.1. Les gènes des procaryotes Chez les procaryotes, un gène est défini structurellement comme une séquence d’ADN comprenant un promoteur, un site d’initiation et un site de terminaison. La transcription commence donc en un point précis de l'ADN pour se terminer en un point également précis, l'espace entre les deux constitue une unité de transcription. Fig. 4 Représentation schématique d’un gène chez les procaryotes A- Le promoteur Le promoteur correspond à une région non transcrite de l'ADN, généralement juste en amont du début de la région transcrite, dont la séquence permet le recrutement de l'ARN polymérase. Chez les procaryotes les promoteurs font environ 40pb (région couverte par l’enzyme) et qui contiennent 2 séquences conservées: 15 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024  Une séquence consensus de 6 nucléotides, placée en –35 (-30 à -35) du +1 de transcription. Exp: TTGACA. Le rôle de cette séquence est de donner un signal pour la reconnaissance du promoteur par l’ARN polymérase.  Une séquence de 6 nucléotides en –10 ou -12 du +1 de transcription = boite TATA box (Pribnow). Cette dernière facilite la dissociation des deux brins d’ADN, car riche en A et T. EXP: TATATT. Fig. 5 Représentation schématique du promoteur chez les procaryotes B- Site d’initiation Par convention on appelle +1 le premier nucléotide à partir duquel la transcription démarre et -1 qui précède. Le premier nucléotide est très souvent A ou G. C- Sites de terminaison Ce sont des sites qui indiquent la terminaison de la transcription. Les terminateurs font généralement partie de la séquence codante. Fig. 6 Représentation schématique des séquences de terminaison chez les procaryotes 16 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 D- Remarque : Les opérons Chez les procaryotes, il existe des gènes organisés en opérons (voies métaboliques). Chaque opéron comporte un nombre variable de gènes de structure contigus qui possèdent un même promoteur et donnant des ARN polycistroniques (donnant naissance à plusieurs protéines en même temps). Mais on trouve également des gènes de structure plus simple ne contenant, comme chez les eucaryotes, qu’une seule unité de traduction. Chez les eucaryotes, les ARNm sont monocistroniques. Opéron : Unité d’expression de gènes, codant plusieurs enzymes apparentées ou des ARNr, sous le contrôle d'un même promoteur: co-transcrits générant un long ARNm. Fig. 7 Schémas illustrant l’organisation des gènes en opéron chez les procaryotes 3.2. Les gènes des eucaryotes Chez les eucaryotes, il faut compléter la définition d’un gène par la présence d’introns localisés à l’intérieur de la partie transcrite du gène. Chez les eucaryotes on dit que quelques gènes sont discontinus car ils comprennent :  Les exons : Qui contiennent l’information héréditaire qui seront transcrits puis traduits en protéines.  Les introns Sont des séquences non codantes qui se trouvent entre les exons. Ils seront transcrits mais ils ne seront pas traduits. A- Les promoteurs des eucaryotes Chez les eucaryotes les promoteurs sont plus longs et plus complexe que ceux des procaryotes. Les séquences consensus sont :  la "boite TATA" située à environ -25 paires de bases de l’origine de la transcription. C’est une séquence de six nucléotides riches en A et T. La séquence dite consensus (statistiquement la plus rencontrée) est TATAAA. 17 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024  la "boîte CAAT" (facultative), souvent située dans la région entre -120 et -80. Cette boîte peut être située avant ou après une boîte GC.  la "boîte GC" (facultative également), située le plus souvent dans la région entre -110 et -40. Elle peut se présenter sous forme d’hexanucléotides : 5’-GGGCGG-3’. Le motif riche en bases G et C peut être répété plusieurs fois. Fig. 8 Représentation schématique des différentes boites du promoteur des eucaryotes Fig. 9 Structure schématique d’un gène eucaryote et d’un opéron procaryote 18 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 CHAPITRE IV : REGULATION DE L’EXPRESSION DES GENES La régulation génétique est un moyen pour la cellule de développer des mécanismes qui lui permettent de réprimer les gènes qui codent pour des protéines inutiles et de les activer au moment où ils deviennent nécessaires. Deux modes de régulation de l’expression d’un gène ciblent par une molécule régulatrice :  D’une façon positive : l’interaction déclenche la transcription du gène  D’une façon négative : l’interaction empêche la transcription du gène 1. REGULATION DE L'EXPRESSION DES GENES CHEZ LES PROCARYOTES Les micro-organismes sont capables de contrôler l’expression de leurs gènes. Ce contrôle permet essentiellement à la cellule d’ajuster ses synthèses en fonction des besoins nutritionnels, face à un environnement changeant, de façon à assumer la croissance et la division cellulaire. Le contrôle de l’expression des enzymes permet un ajustement rapide des activités métaboliques en réponse aux fluctuations des niveaux intracellulaires des sucres, d’acides aminés ou de nucléotides. ✓ Certaines enzymes ne sont synthétisées que lorsque leurs substrats sont présents dans la cellule: ces enzymes sont dites inductibles. ✓ D’autres enzymes ne sont synthétisées que lorsque leur produit final est absent, elles sont dites répressibles. ✓ Enfin, certaines enzymes sont produites par des gènes qui ne sont pas régulés, elles sont donc produites continuellement, que leur substrat soit présent ou pas. Ces enzymes sont dites constitutives. Les enzymes constitutives sont généralement celles dont la cellule a continuellement besoin, comme celles du métabolisme du glucose. Chez les procaryotes les gènes sont groupés en unités fonctionnelles appelées opérons. 1.1. Définition de l’opéron Unité de régulation d’un ensemble de gènes adjacents qui seront transcrits à l’aide d’un même promoteur sous forme d’un seul ARNm (polycistronique), puis traduit en plusieurs protéines différentes. Cette unité comprend des gènes de structure (CISTRONS), un ou plusieurs gènes régulateurs codant pour des protéines régulatrices et des éléments de contrôle présent dans la séquence d’ADN. 19 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024  Opérateur : contrôle de la transcription  Promoteur : fixation de l’ARN polymérase  +1 : début de la transcription  RBS (‘ribosome binding site’) : fixation du ribosome  CDS (‘coding sequence’): séquence codant pour une protéine  Terminateur : fin de la transcription Il existe deux grands types d'opérons :  Les opérons inductibles : codent pour des enzymes de la voie catabolique (dégradation). Exemple : opéron lactose.  Les opérons répressibles : codent pour des enzymes de la voie anabolique (biosynthèse). Exemple : opéron tryptophane. L’exemple le plus illustratif de la régulation de la transcription des enzymes inductibles est l’opéron lactose, celui des enzymes répressibles est l’opéron tryptophane. 1.2. Régulation de l'expression de l'opéron lactose (lac ZYA) La cellule bactérienne a besoin d’une source de carbone, qu’elle trouve dans le catabolisme des sucres. Le lactose n’étant pas utilisable comme source directe, on a besoin d’un clivage du lactose (grâce à une β-galactosidase) pour obtenir du glucose et secondairement du galactose. 20 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 1.2.1. Structure de l'opéron lactose : L’opéron lactose est constitué des éléments suivants :  Trois gènes de structure représentés par : ✓ Le gène lac Z : qui code pour la bêta galactosidase qui hydrolyse le lactose en glucose et galactose. ✓ Le gène lac Y : qui code pour une perméase qui permet le passage du lactose à travers la membrane cellulaire. ✓ Le gène lac A : code pour la transacétylase.  Un gène régulateur (gène I) qui code pour une protéine appelée répresseur.  Un promoteur des gènes de structures : qui permet la fixation de l'ARN polymérase ou le répresseur.  Un opérateur. 1.2.2. Caractéristiques de l'opéron lactose  Les gènes de l'opéron lac ont un fort niveau d'expression seulement en présence du lactose, et en absence du glucose (la source de carbone et d'énergie préférée).  L'opéron lac ne possède pas un promoteur fort pour cette raison la fixation de l'ARN polymérase doit être stimulée par une protéine d'activation spécifique, appelé protéine réceptrice d'AMPc (CRP) ou protéine activatrice du catabolisme (CAP). Qui se fixe sur le site CAP. 21 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 1.2.3. Régulation de l'opéron lactose a- En présence de glucose et absence de lactose Le gène I code pour une protéine : le répresseur qui se lie à l'opérateur (sous une forme tétramèrique), ce qui empêche l'ARN polymérase (fixée au promoteur) de progresser pour effectuer la transcription. Donc les trois enzymes ne sont pas produites car leurs gènes correspondants ne s'expriment pas, ils sont réprimés. b- En présence de lactose et absence de glucose : En présence de lactose : une molécule inductrice est synthétisée par une réaction de transglycosylation à partir du lactose (β, 1-4), il s‘agit de l'allolactose (β-D-galactopyranosyl– (1- 6)- β-glucopyranose). Cette molécule va se fixer sur le répresseur et l'inactive de sorte qu'il ne puisse plus se fixer à la séquence de l'opérateur. Permettant ainsi à l’ARN polymérase activée d’initier la synthèse de l'ARN (la synthèse des enzymes). En absence du glucose, les niveaux d'AMPc (synthétisée à partir de l'ATP par l'adénylate cyclase) augmentent, aboutissant à la fixation de la CAP à l'AMPc. Le complexe CAP-AMPc se fixe sur le 22 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 site CAP. Induisant une forte fixation de l'ARN polymérase au promoteur pour augmenter le taux de la transcription (x50 fois). c- En présence de glucose et lactose : La présence du lactose induit la synthèse de l'allolactose qui se fixe au répresseur induisant son inactivation donc il se détache de la séquence de l'opérateur permettant à l’ARN polymérase activée d’initier la synthèse de l'ARN et des enzymes. Cependant, en présence de glucose les niveaux d'AMPc diminuent et le complexe CAP-AMPc ne se forme pas et il ne se fixe pas sur le site CAP. Et donc la transcription n’est pas accélérée (faible taux de transcription). 23 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 1.3. Régulation de l'expression de l'opéron Tryptophane Le tryptophane est un acide aminé produit à partir de l’acide chorismique. L’ensemble des gènes qui codent pour les enzymes de la voie de synthèse de tryptophane constitue l’opéron trp. 1.3.1. Structure de l'opéron Tryptophane L’opéron Tryptophane est constitué des éléments suivants :  Gènes de structure : cinq gènes codant pour des enzymes impliquées dans la synthèse du tryptophane (TrpE, TrpD, TrpC, TrpB et TrpA).  Gène régulateur TrpR très éloigné de l’opéron trp : codant pour un apo-répresseur (répresseur Trp sous forme inactive qui n’a pas d’affinité pour l’opérateur Trp). Il ne prend sa forme active que s’il s’unit à une molécule de tryptophane.  Un promoteur.  Un opérateur (la région de l’opérateur se situe à l’intérieur du promoteur). 24 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 1.3.2. Régulation de l'opéron Tryptophane 1.3.2.1. Régulation par répression Les gènes de l'opéron Trp sont contrôlés par un répresseur et ne s'expriment qu'à l'épuisement de tryptophane (l'absence du tryptophane qui arrête la répression). a- En absence du tryptophane Le répresseur est incapable de se fixer sur l’opérateur Trp, l’ARN polymérase peut se lier au promoteur et transcrire les 5 gènes de structure. 25 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 b- En présence du tryptophane : Lorsqu’il y a du tryptophane dans la cellule, il se fixe au répresseur Trp, cela forme un complexe répresseur fonctionnel qui se lie à l’opérateur Trp et réprime la transcription des cinq gènes de structure de l’opéron. Le tryptophane, (le produit final des enzymes codées par l’opéron trp) agit ainsi comme un co- répresseur, c’est ce qui fait que lorsqu’on fournit à la bactérie du tryptophane, elle s’arrête d’en produire. Si la concentration en tryptophane dans le milieu diminue, le tryptophane se dissocie du répresseur Trp, celui-ci quitte l’opérateur trp et la transcription des gènes de structure de l’opéron trp reprend. Les enzymes de la voie de synthèse du tryptophane constituent donc un exemple d’enzymes répressibles, c'est-à-dire que leur synthèse est inhibée par la présence du tryptophane. 1.3.2.2. Régulation par atténuation : ✓ L'atténuation est un mécanisme de régulation de l'expression des gènes présent en particulier chez les bactéries. ✓ Elle consiste en une terminaison prématurée de la transcription, en amont des gènes de structure. Il n'y a alors pas de synthèse d'un ARN messager complet et donc pas d'expression. ✓ L'atténuation dépond de la capacité de l'ARN à former des structures secondaires entre des régions complémentaires Si les taux de tryptophane sont élevés, la plupart des transcrits terminent leur synthèse de façon prématurée (incomplète). Au contraire, si les taux sont insuffisants, la polymérase transcrit les gènes en entier. 26 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2. REGULATION DE L'EXPRESSION DES GENES CHEZ LES EUCARYOTES 2.1. Introduction La régulation de la synthèse des protéines chez les eucaryotes est beaucoup plus complexe que chez les procaryotes. Chez les eucaryotes supérieurs, les cellules sont spécialisées pourtant, elles contiennent toutes les mêmes chromosomes et donc le même ADN et les mêmes gènes. En effet, la cellule n’exprime pas tous ces gènes en même temps, cette expression est strictement contrôlée, et elle diffère d’un type cellulaire à un autre, ceci constitue la base du développement embryonnaire et de la différenciation cellulaire. 2.2. Structure des gènes eucaryotes ✓ Les gènes eucaryotes sont constitués de segments d’ADN codants (exons) et non codants (introns). ✓ La présence d’introns intercalés le long de la séquence codante constitue la différence la plus frappante entre un gène eucaryote et un gène procaryote. L’ARN polymérase reconnaît et se lie à une séquence qui se trouve en amont du gène appelée promoteur. Ce promoteur donne le signal à l’ARN polymérase qui transcrit alors les introns en même temps que les séquences exons. Les introns seront enlevés plus tard au cours de la maturation de l’ARN-prémessager. ✓ Une autre caractéristique propre aux gènes eucaryotes est la présence de séquences régulatrices non codantes supplémentaires qui peuvent se trouver à des milliers de bases à distances du promoteur. Ces séquences appelées amplificateurs (ou ENHANCERS) exercent une forte influence et permettent d’amplifier la transcription du gène. 27 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.3. Niveaux de régulation de l’expression des gènes eucaryotes Il n’y a pas de modèle général de régulation génétique chez les eucaryotes comme c’est le cas chez les procaryotes. La régulation de l’expression des gènes eucaryotes peut se faire à plusieurs niveaux. 1. Niveau chromatinien 2. Niveau transcriptionnel 3. Niveau post-transcriptionnel (Maturation de l’ARN pré-messager ; Transport de l’ARNm du noyau vers le cytoplasme) 4. Niveau traductionnel 5. Niveau post-traductionnelles 28 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.3.1. Niveau chromatinien a- Accessibilité de l'ADN L'ADN peut exister sous forme lâche appelée Euchromatine, ou sous forme compactée, l'hétérochromatine. Sous cette dernière forme, les gènes ne sont pas accessibles aux polymérases. b- Remaniement de la chromatine : En jouant sur la manière dont l'ADN est enroulé autour des nucléosomes, l'expression des gènes est régulée. 29 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 c- Méthylation des bases L'ADN peut être méthylé au niveau des bases, notamment les répétitions de G et C. La méthylation des bases est reconnue par des enzymes et déclenche la condensation de l'ADN, et conduit donc à l'inactivation des gènes. d- Modification des histones Les histones peuvent être méthylés, acétylés et /ou phosphorylés. Cela modifie l'expression de l'ADN au niveau de ces histones. 2.3.2. Régulation transcriptionnelle La régulation de la transcription peut survenir en réponse aux signaux exogènes et endogènes. Les régulateurs endogènes les plus connus sont les hormones.  Les hormones peuvent se fixer sur des récepteurs spécifiques à la surface des cellules cibles générant ainsi un signal intracellulaire transmis à l’ADN qui peut activer ou réprimer un gène ou un groupe de gènes particuliers. 30 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024  Ou passer librement à travers la membrane plasmique pour atteindre leurs récepteurs qui peuvent être dans le cytoplasme ou le noyau. 2.3.3. Régulation post-transcriptionnelle par le contrôle de la maturation des ARNm Des protéines peuvent se lier au transcrit primaire afin de modifier l'épissage des introns. (Activation ou inhibition). 2.3.4. Régulation de la traduction La synthèse de la protéine est régulée par le taux d’un métabolite cellulaire. Exemple : La synthèse de la ferritine (une protéine de stockage du fer) est régulée par les taux du fer dans l’organisme. Quand le fer est absent, une protéine (l’IRE-BP) peut se lier à l’ARNm de la ferritine au niveau d’une région appelée : élément sensible au fer. Cela empêche la traduction de l’ARNm de la ferritine. Cependant, quand le fer est présent, l’IRE-BP ne peut plus se lier à l’ARNm et la traduction peut se faire efficacement. 2.3.5. Régulation post-traductionnelle Quelques protéines sont seulement en activité si elles sont phosphorylées. La phosphorylation est effectuée par des enzymes appelées kinases. L’enlèvement des résidus de phosphate est assuré par les phosphorylases. Dans les systèmes complexes, il y a souvent une cascade de kinases et de phosphorylases qui activent une série de protéines, menant finalement à un facteur de transcription. Le facteur de transcription devient alors activé et participe dans la régulation de l’expression d’un gène ou un ensemble particulier de gènes. 31 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 CHAPITRE V : MUTATION ET MECANISME DE REPARATION DE L‘ADN 1. DEFINITION Le terme « mutation » désigne n’importe quel changement intervenu dans la séquence de l’ADN. Les mutations sont des changements permanents dans le matériel génétique. On parle aussi de «variants». Mais les variations non pathogènes de l’ADN sont appelées «polymorphismes» sont par définition également des mutations. Les mutations peuvent survenir dans un gène, notamment dans les régions qui codent les protéines (séquence codantes) ou en dehors du gène, par exemple dans la région qui régule l’expression de ce gène. Les mutations sont la source de la variabilité génétique. Elles sont aussi à l’origine des lésions génétiques qui contribuent à la mort cellulaire et aux maladies génétiques. En raison de l’existence de nombreux types de mutations et du large spectre de leurs effets, les généticiens classent les mutations selon différents schémas.  Selon le mode de survenu  Selon la localisation cellulaire et chromosomique  Selon les effets phénotypiques  Selon la taille du changement  Selon la nature du changement moléculaire. 2. CLASSIFICATION DES MUTATIONS 2.1. Selon le mode de survenu 2.1.1. Les mutations spontanées La mutation spontanée, également connue sous le nom de mutation de fond, peut être définie comme des modifications génétiques qui surviennent en l'absence de mutagènes et n'ont pas de cause connue. Elle peut résulter d'activités d'une cellule normale, telles que des erreurs ponctuelles ou des erreurs lors de la réplication de l'ADN, des lésions spontanées ou des éléments transposables. - Elles apparaissent naturellement - Aucun agent mutagène n’est associé à leur survenue - Il s’agit de changement aléatoire au niveau de la séquence nucléotidique des gènes. - La plupart de ces mutations sont liées à des processus chimiques ou biologiques naturels qui altèrent la structure des bases azotées. 32 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 - Elles apparaissent souvent durant le processus enzymatique de la réplication de l’ADN. Une fois qu’une erreur s’est glissée dans la molécule d’ADN, elle peut se refléter dans la composition en acides aminés de la protéine et si le changement d’acides aminés affecte une partie cruciale pour son activité biochimique ou pour sa structure, il peut induire une modification du phénotype. 2.1.2. Les mutations induites - elles sont dues à l’influence de facteurs externes (physique ou chimique). - elles peuvent être dues à des agents mutagènes naturels (les rayonnements produits par le soleil ou d’origine minérale) ou artificiels (rayon X). Outre les différentes formes de rayonnement, de nombreux produits chimiques naturels ou produits par l’homme sont aussi mutagènes. 2.1.3. Les mutations adaptatives Ce concept tourne autour de l’idée controversée que les organismes peuvent «sélectionner» ou «diriger» la nature des mutations dans leurs gènes de façon à s’adapter à une pression environnementale particulière. 2.2. Selon la localisation 2.2.1. Les mutations somatiques - Peuvent survenir dans toute cellule du corps excepté les cellules germinales. - Elles ne sont pas transmises aux futures générations - Les mutations dominantes qui surviennent dans les cellules somatiques de tissus adultes sont souvent masquées par les millions de cellules non mutantes du même tissu ; les fonctions tissulaires sont alors normales. 2.2.2. Les mutations germinales - Surviennent dans les gamètes et elles ont plus d’importance parce qu’elles sont transmises aux descendants via les gamètes. - Potentiellement, elles peuvent être exprimées dans toutes les cellules du descendant. 2.2.3. Les mutations autosomiques - Surviennent dans des gènes situés sur les autosomes. 2.2.4. Les mutations liées au sexe - Surviennent dans des gènes situés sur le chromosome (X) ou (Y). 2.3. Selon les effets phénotypiques Les mutations peuvent être classées selon leurs effets sur la fonction d’un gène ou de la protéine codée par ce gène. 33 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.3.1. Mutation perte de fonction Une mutation qui conduit à l’inactivation complète du gène ou qui conduit à un produit non fonctionnel du gène, aussi appelée Knock-out ou mutation nulle. Une délétion d’une partie ou de la totalité du gène ou une substitution d’un acide aminé qui inactive la protéine en sont des exemples. 2.3.2. Mutation hypomorphe Une mutation qui réduit mais n’élimine pas le niveau d’expression du gène ou de l’activité du produit du gène. Ce type de mutation correspond à une substitution qui réduit le niveau transcriptionnel, ou une substitution d’un acide aminé qui diminue la fonction protéique. Ce type de mutation est parfois appelé leaky (qui fuit), car le niveau d’expression varie d’un individu à l’autre. 2.3.3. Mutation gain de fonction Est une mutation qui altère qualitativement l’action d’un gène. Par exemple, une mutation gain de fonction peut conduire à l’activation d’un gène dans un type cellulaire dans lequel le gène est normalement inactif. Elle peut aussi conduire à activer l’expression d’un gène de développement à un moment ou le gène sauvage n’est normalement pas exprimé. L’expression d’un gène sauvage en position anormale est appelée expression ectopique. 2.3.4. Mutation hypermorphe Le contraire d’une mutation hypomorphe. Comme l’indique le préfixe hyper, le niveau d’expression du mutant hypermorphe est accru par rapport au sauvage, parce que la mutation change la régulation du gène de telle sorte que le produit du gène est surexprimé. 2.3.5. Mutation conditionnelle Ces mutations sont appelées conditionnelles parce qu’elles conduisent à des changements du phénotype uniquement dans certaines conditions environnementales (appelés conditions restrictives). Dans les autres conditions, (appelés conditions permissives), ces mutations n’ont aucun effet. Des mutants thermosensibles de drosophiles illustrent ce type de mutation. Les individus hétérozygotes pour une telle mutation sont normaux à 20 °C température permissive mais meurent à 30 °C, température restrictive. 2.3.6. Mutation morphologique Mutations morphologiques (portant sur la forme) ou chromatiques (portant sur la coloration) sont les plus faciles à détecter, se traduisant par définition par l’apparition d’un phénotype morphologique ou de coloration différente. 2.3.7. Mutation biochimique Mutations biochimiques ou à effet nutritionnel ne sont également révélées que dans certaines conditions. Ces mutations caractérisent des cellules en culture dont l’altération d’une fonction biochimique provoque un arrêt de croissance. 34 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 Par exemple, de nombreux micro-organismes dits prototrophes sont autonomes nutritionnellement et peuvent subsister en culture sur un milieu minimum comprenant une source de carbone. Les mutants biochimiques sont souvent auxotrophes pour un composé, c'est-à-dire qu’ils ont perdu la capacité de synthétiser un métabolite essentiel. Leur croissance dépendra de l’ajout de ce composé dans le milieu. Les mutants qui ne sont plus capables d’utiliser un ose particulier comme source de carbone sont dits mutants cataboliques, comme les mutants Lac- incapables d’utiliser le lactose. 2.3.8. Mutation de la régulation Un gène régulateur peut coder un produit qui contrôle la transcription d’autres gènes. Dans d’autres cas, une séquence d’ADN, située plus ou moins loin d’un gène, peut en moduler l’activité. Ou bien encore une mutation dans un gène régulateur ou dans la région qui contrôle l’expression d’un gène peut altérer la régulation en activant ou en désactivant de façon permanente ce gène. 2.3.9. Mutation létale Mutation qui peut interrompre un processus vital pour l’organisme. À titre d’exemple, une bactérie mutante ayant perdu la capacité à synthétiser un acide aminé essentiel sera incapable de se développer (et donc mourra) sur un milieu de culture ne possédant pas cet acide aminé. 2.3.10. Mutation suppressive Supprime l'effet d’une autre mutation. Se produit à un site différent du site de mutation d'origine. L’individu porteur de la mutation suppressive est un double mutant mais présente le phénotype de type sauvage non mutée. Elle est différente de la mutation inverse dans laquelle le site muté est revenue dans la séquence de type sauvage. 2.4. Selon la taille du changement Les généticiens considèrent deux niveaux de mutations : mutations géniques et les mutations chromosomiques. 2.4.1. Les mutations chromosomiques Des fragments de chromosomes ou des chromosomes entiers ou même des jeux complets de chromosomes changent. 2.4.2. Les mutations géniques L’allèle d’un gène est changé en un autre allèle. Puisqu’un tel changement se produit à l’intérieur d’un seul gène et localisé en un locus unique du chromosome, on appelle les mutations géniques des mutations ponctuelles. Les mutations ponctuelles sont généralement réparables et les mutations chromosomiques sont irréparables. 35 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.5. Selon la nature du changement moléculaire (mutations ponctuelles) Désignent généralement les modifications de paires uniques de bases dans l’ADN ou d’un petit nombre de paires adjacentes c'est-à-dire des mutations cartographiées en une seule position dans un gène. Elles sont classifiées selon leur nature moléculaire : 2.5.1. Les substitutions Substitutions ou mésappariements: c’est la mutation la plus commune. Elle se produit quand une base est remplacée par une autre. Elles sont à leurs tours divisées en 2 sous classes, les transitions et les transversions.  Une transition : remplacement d’une base par l’autre base de la même catégorie chimique. Une purine est remplacée par une purine. A→ G ou G → A ou une pyrimidine remplacée par une pyrimidine C → T ou T→ C.  Une transversion : remplacement d’une base appartenant à une catégorie chimique par une base appartenant à l’autre catégorie chimique. Une pyrimidine remplacée par une purine C par A, C par G, T par A et T par G ; une purine remplacée par une pyrimidine A par C, A par T, G par C et G par T. 2.5.2. Les mutations par addition ou délétion Désignées sous le terme collectif : de mutations indel. Concernent l’insertion ou la délétion d’une ou plusieurs paires de bases, ce qui provoque un décalage du cadre de lecture, aboutissant à la synthèse d’une protéine complètement différente de la protéine du type sauvage. 36 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.5.3. Conséquences moléculaires des mutations ponctuelles 2.5.3.1. Mutation synonyme (silencieuse) Mutation qui change un codon correspondant à un acide aminé à un autre codon du même acide aminé. 2.5.3.2. Mutation faux sens (mutations non synonymes) Le codon d’un acide aminé est remplacé par un codon d’un autre acide aminé. Les mutations faux sens peuvent être de deux types :  Mutation faux sens conservatrice : le codon spécifie un acide aminé chimiquement similaire (effet moins grave sur la structure et la fonction de la protéine).  Mutation faux sens non conservatrice : le codon spécifie un acide aminé chimiquement différent (effet important sur la structure et la fonction de la protéine). Exemple Tyr est changé par Cys (au niveau protéique c’est une mutation faux sens conservatrice) Glu changé par Val (au niveau protéique c’est une mutation faux sens non conservatrice) NB : Acides aminés hydrophobes : Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Met, Phe, Trp Acides aminés polaires : Gly, Ser, Thr, Cys, Tyr, Asn, Gln, Acides aminés polaires chargés positivement : Lys, Arg, His Acides aminés polaires chargés négativement : Asp, Glu 37 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 2.5.3.3. Mutation non-sens Le codon d’un acide aminé est remplacé par un codon de terminaison de la traduction (codon stop). Cette mutation a un effet considérable sur la fonction de la protéine, ce qui donne une protéine complètement inactive. 2.5.3.4. Les mutations indel Entraîne des mutations par décalage du cadre de lecture et suppriment toute ressemblance entre la séquence originale d’acides aminés et la séquence située en aval du site mutant. Les mutations par décalage du cadre de lecture conduisent en général à une perte complète de la structure et la fonction de la protéine normale. 38 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 3. AGENTS MUTAGENES Un agent mutagène est défini comme un agent chimique ou physique qui provoque des mutations. Les mutagènes entrainent l’apparition des mutations par au moins trois mécanismes différents: ils peuvent remplacer une base dans l’ADN, modifier une base de façon à ce qu’elle s’apparie de façon inadéquate avec une autre base ou endommager une base qui ne peut plus s’apparier dans les conditions normales. 3.1. Agents physiques Les rayons UV, rayons X, les rayonnements gamma et alpha et la radioactivité sont les principaux agents mutagènes physiques. Exemple : - Une exposition au soleil (UV) entraine l’apparition de dimères de thymines. - Les rayons X produisent de la stérilité chez les plantes et les animaux. 3.1.1. Le rayonnement Ultraviolet et les dimères de thymine Les U.V ont un effet mutagène. Leur principal effet est de créer des dimères de pyrimidines adjacentes dans le même brin et plus particulièrement des dimères de thymine (Fig.1). Les dimères cytosine-cytosine et cytosine-thymine peuvent également être formés mais sont plus rares. Ces dimères créent des distorsions dans la conformation de la double hélice et provoquent une 39 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 incapacité de ces nucléotides de se lier avec leur base complémentaire située sur le brin complémentaire de la molécule d’ADN. Cette absence d’appariements provoque l’arrêt de l’ADN polymérase lors de la réplication, ce qui inhibe la réplication normale et introduit des erreurs dans la séquence d’ADN. De fortes doses U.V sont létales sur les cellules. Fig.1 Formation d’un dimère de thymine après exposition au UV. 3.1.2. Les radiations ionisantes Toute énergie sur terre est constituée d’ondes électromagnétiques de différentes longueurs d’ondes. L’ensemble de ces longueurs d’ondes constitue le spectre électromagnétique. L’énergie de ces ondes est inversement proportionnelle à leur longueur. Les rayons X, gamma et cosmiques ont des longueurs d’ondes plus faibles et sont donc plus énergétiques que les U.V. En conséquence, ils peuvent pénétrer plus profondément dans les tissus et causer une ionisation des molécules sur leur passage. Ces radiations ionisantes ont été déclarées depuis 1920 suite aux travaux de Muller and Stadler comme de puissants mutagènes. Quand les radiations ionisantes interagissent avec l’eau ou avec un tissu vivant, des électrons sont éjectés des atomes des molécules rencontrés sur le passage du rayonnement, créant des ions hautement réactifs appelés radicaux libres. Ces derniers réagissent avec d’autres molécules y compris l’ADN, déclenchant des réactions chimiques variées qui altèrent les bases puriques et pyrimidiques de l’ADN provoquant des effets mutagènes. Les radiations ionisantes peuvent également rompre les liaisons phospho-diester, altérant l’intégrité des chromosomes et produisant ainsi des anomalies chromosomiques (délétions, translocations, ou cassures). Il existe une relation directement proportionnelle entre dose des rayonnements et effet mutagène. 3.2. Agents chimiques Les agents chimiques peuvent être d’origine cellulaire (la modification du PH et les oxydants) ou exogènes. Ils sont en général des atomes, des ions ou des molécules (ex : l’Amiante, les Dioxines, les Métaux lourds et les Métalloïdes (Cadmium, Chrome, Nickel, Arsenic…), le Benzène, le Chlorure de vinyle, les Hydrocarbures polycycliques aromatiques, les Nitrosamines, peintures, solvants, colles…). 40 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 On les distingue par leur mode d’action. Certains agissent par des mécanismes semblables aux mécanismes spontanés, d’autres agissent davantage comme les radiations. Ils peuvent produire des modifications chimiques sur certaines bases, et donc les transformer. Ces différents agents chimiques peuvent provoquer une perte d’une base sur un nucléotide. La liaison glycosylique liant dans l’ADN les bases avec le désoxyribose est relativement fragile. La perte d’une base purique ou pyrimidique crée un site appelé apurinique ou apyrimidique (ou site AP).  les agents alkylants : représentent le groupe le plus large de mutagènes. Ils entrainent l’addition de groupes alkyles aux bases (souvent des groupes CH3). On en cite le gaz moutarde (Fig.2), l’époxide, le diméthylsulfonate et le méthylméthane sulfonate (MMS). Ce dernier introduit des groupes alkyls (-CH3, -CH2CH3) à certaines bases comme les guanines et les thymines qui deviennent méthylées. Du coup, la guanine méthylée s’apparie avec la thymine au lieu de la cytosine, donnant des transitions de GC vers AT et une thymine méthylée s’apparie avec la guanine au lieu de l’adénine donnant des transitions de TA vers CG. Fig.2 Mésappariement spécifique induit par alkylation  L’acide nitreux : Un composé chimique de formule HNO2. L'action mutagène de l'acide nitreux est liée à son pouvoir désaminant, il transforme par exemple, par désamination oxydative; l’adénine en hypoxanthine qui s’apparie avec la cytosine et donne des transitions AT en GC et la cytosine en uracile qui s’apparie avec l’adénine et cause une transition CG en TA (Fig.3). Fig.3 L'action mutagène de l'acide nitreux. 41 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024  Les espèces oxygénées réactives : Elles conduisent à des hydroxylation (ajout de OH) sur les bases. Exp : peroxyde d’hydrogène, L’hydroxylamine (NH2OH) : Il réagit avec la cytosine en ajoutant un groupe hydroxyl de façon à ce qu’il s’apparie avec l’adénine au lieu de la guanine induisant ainsi une mutation CG en TA.  Les agents intercalaires : On en cite la proflavine, l’acridine orange (fig.4), le bromure d’éthidium et l’ICR-170. Ils agissent en s’intercalant entre deux bases adjacentes dans une ou les deux chaînes de la double hélice d’ADN. Le résultat est une addition ou une délétion suivant à ce que l’agent intercalaire s’insère dans la chaîne qui joue le rôle de matrice pendant la réplication ou dans la chaîne nouvellement synthétisée. Fig.4 Structure de la proflavine (A) et de l’acridine orange (B)  Les analogues de bases : Ces mutagènes chimiques sont suffisamment similaires à l’une des quatre bases de l’ADN pour pouvoir s’incorporer dans l’ADN double brin pendant la réplication. Le 5-bromo-uracile (5-Bu) dérivé de l’Uracile, est un analogue de la thymine. Dans sa forme cétone s’apparie avec l’adénine. Dans la forme énol rare, il s’apparie de façon anormale avec la guanine (Fig.5) Après réplication, il en résultera une transition de AT vers GC. Fig.5 Similitudes des structures du 5- bromo-uracile (5-BU) et de la thymine 42 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 La 2-Aminopurine (2-AP) agit de manière similaire c’est un analogue de l’adénine qui peut s’apparier à la thymine mais qui dans sa forme protonée peut également former son mésappariement avec la cytosine. Ce qui après réplication conduit à des transitions AT vers GC (Fig.6). Fig.6 Les possibilités d’appariements pour la 2-Aminopurine (2-AP), un analogue de l’adénine 4. MECANISME DE REPARATION DE L’ADN Il existe plusieurs mécanismes de réparations, chacun est spécialisé dans la correction d'un type de dommage particulier. Quel que soit le mécanisme de réparation mis en jeu, la structure de I'ADN en deux brins complémentaires est mise à profit pour assurer une réparation correcte. En effet, le brin intact sert de matrice pour la réparation du brin endommagé, assurant une fidélité de la séquence réparée. Les premières fonctions de correction sont celles qui s’exercent pendant la réplication : 4.1. Correction immédiate C’est la fonction exonucléasique de l’ADN polymérase, en cas de reconnaissance d’un mésappariement. Ainsi que le système MMR : 4.1.1. Correction immédiate par l’ADN Pol C’est la fonction d’édition de l’ADN polymérases (fonction exonucléasique). Elle corrige les mésappariement et diminue le taux d’erreurs de 2 log (105 à 107). Malgré cette précision de l'ADN polymérase, quelques mésappariements se forment. 4.1.2. Correction des mésappariements produits lors de la réplication par système de réparation guidée (par les CH3) la méthylation Le système MMR (Methyl Mismatch Repair) est un système de réparation permettant la correction d’un mésappariement oublié par la fonction d’édition de l'ADN polymérase. La présence d’un mauvais appariement localisé est décelée par une protéine spécifique appelée protéine MSH. La protéine MSH reconnait des erreurs d’appariements mais aussi des insertions ou 43 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 des délétions de quelques nucléotides. La protéine MLH stabilise le complexe formé entre MSH et la portion d’ADN double brin qui présente le mauvais appariement. Lorsque le système détecte un mésappariement (mismatch), il détecte aussi le brin qui doit être corrigé. Pour pouvoir savoir quel est le brin avec le mésappariement, il se base sur le temps où il n’y a pas encore eu méthylation du brin fils. Le nucléotide du mésappariement du brin non méthylé est celui qui doit être corrigé. Ce système existe aussi bien chez les cellules eucaryotes et que chez les cellules procaryotes. - Chez les procaryotes, le système de réparation repère la méthylation des adénines des séquences GATC et fait intervenir les enzymes de réparation. - Chez les eucaryotes, le système repère la méthylation des cytosines des séquences CG et fait intervenir autre types d’enzymes de réparation. Nb : Ce système doit agir dans le laps de temps où la méthylation du brin fils n’est pas encore effectuée. Une fois ce laps de temps écoulé, les ADN méthylase rentrent en jeu et méthylent en miroir le brin fils. Le complexe ne peut alors plus reconnaitre le brin fils. Après vérification du brin néosynthétisé et uniquement lui car il n'est pas methylé contrairement au brin parental, le système MMR fait intervenir autres enzymes qui font : - Une incision (action endonucléasique) à proximité du nucléotide mal apparié. L'incision est pratiquée en face d'un site méthylé du brin parental qui peut se trouver à droite ou à gauche du mésappariement. - Puis digèrent le brin néosynthétisé (action exonucléasique) depuis le site de coupure jusqu'au mésappariement inclus. Cette exonucléase est donc bidirectionnelle puisque, selon l'endroit de l'incision, elle agira de 5' vers 3' ou de 3' vers 5'. L'ADN polymérase fera ensuite une extension pour réparer la brèche, en prenant comme modèle le brin parental intact. Une ligase terminera le travail. Fig.7 Réparation des mismatch (MMR) 44 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 4.2. Correction dite tarder Il existe d’autres altérations de l’ADN qui peuvent conduire à l’arrêt du cycle cellulaire (qui ne sont pas réparer immédiatement par les deux systèmes précédents), afin de laisser le temps à la cellule de réparer les dommages, par soucis de transmettre aux cellules filles un patrimoine le plus intègre possible. 4.2.1. Réparation direct par retour à l’état antérieure Ce mécanisme est associé à des altérations spécifiques où l’objectif général est d’ « inverser » le mécanisme qui a conduit à l’altération de l’ADN. Voici les deux exemples les plus courants : 4.2.1.1. Mécanisme faisant intervenir la photolyase La photolyase permet de réparer la lésion induite par la lumière UV (les dimères de thymines ou photodimères). Elle est activée par la lumière visible. Quand elle est activée, elle se lie aux dimères de thymine pour le scinder afin de faire disparaitre la liaison et revenir à deux thymines adjacentes. La photolyase n’existe que chez certains organismes : elle est présente chez les bactéries, ou chez certains eucaryotes inférieurs (ex : la drosophile, les végétaux…). Fig.8 Schématisation d’une réparation par Photolyase 4.2.1.2. Mécanisme faisant intervenir les alkyltransférases Les alkyltransférases vont avoir pour rôle de réparer les liaisons induites par les agents alkylants. La formation de l’O6-méthylguanine est une mutation qui peut se transmettre. La réparation se fait grâce à l’enzyme O6-méthylguanine méthyltransférase. Elle se lie et transporte le groupement méthyle au niveau d’une cystéine interne à cette enzyme, où est localisé le site actif de l’enzyme. On a donc un retour à la guanine, et une dégradation du groupement méthyle. 4.2.2. Réparation par excision réparation (BER ou NER) C’est un mécanisme de réparation simple brin. On peut distinguer deux types de mécanismes (NER ou BER) en fonction de l’excision de la partie altérée. Ce mécanisme agit sur les lésions présentes sur un seul brin. C’est un mécanisme multi-étapes :  Reconnaissance de la lésion.  Excision de la partie altérée : soit sur une base (BER) soit sur plusieurs nucléotides (NER). 45 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024  Réparation par réplication pour combler la lacune (ADN POL et ligase). 4.2.2.1. Réparation par excision-réparation de base (BER) Ce mécanisme met en jeu une ADN-glycosylase (cette protéine existe en plusieurs types). Cette ADN-glycosylase va reconnaître et exciser spécifiquement une base modifiée, par clivage de la liaison N-Glycosidique (entre la base et le désoxyribose). Lorsque ces ADN-glycosylases agissent, elles aboutissent à la formation d’un site AP. L’ADN-glycosylase qui rentre en jeu est celle qui est spécifique de la base qui est endommagée (ex : Uracile ADN-glycosylase). Il faut ensuite réparer le site AP. Cette réparation est faite avec deux autres enzymes. Tout d’abord l’AP-endonucléase qui a pour rôle de couper le squelette désoxyribose phosphate contenant le site AP, et donc d’enlever le sucre. Il y a donc clivage de la liaison phosphodiester, et retrait du site AP. Le trou sur la chaine d’ADN est alors complété par l’ADN polymérase qui se positionne en 3’OH pour ajouter par polymérisation le nucléotide complémentaire. La dernière liaison phosphodiester est faite par l’ADN ligase. Nb : L’excision réparation de bases (BER), est aussi appelée mécanisme de correction courte. Ce système de réparation est capable de réparer par exemple les désaminations, les dépurinations ou les dépyrimidations spontanées. Fig.9 Réparation par excision de base (BER) 4.2.2.2. Réparation par excision/réparation des plusieurs nucléotides (NER) Ce deuxième mécanisme est basé sur le même principe, mais il correspond à des lésions plus volumineuses, où il faut exciser plusieurs nucléotides. Ce mécanisme s’adresse donc à des lésions ou des modifications structurales importantes (ex : dimères de thymines ou pyrimidines). 46 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 La réparation est assurée par un complexe multienzymatique formé d’un complexe protéique (protéines ERCC1 et les protéines XP ou l’exinucléase ABC chez les bactéries) qui se positionne sur la lésion et reconnait la modification. Après s’être fixé, il induit une distorsion de la double hélice. Le mécanisme de réparation comprend plusieurs étapes : reconnaissance de la distorsion locale de l'hélice ; séparation des deux brins par une hélicase; coupure par une excinucléase à quelques nucléotides de chaque côté de la lésion, avec départ du segment endommagé (d’une longueur d'environ 30 nt chez les eucaryotes); prolongement du brin d'ADN interrompu au bord de la lacune par une ADN polymérase qui procède à une copie complémentaire grâce à l'information contenue dans le brin intact ; soudure du prolongement à l’autre bord de la lacune par une ligase. Fig.10 Réparation par excision de nucléotides (NER) 4.2.3. Réparation des lésions non réparées par les systèmes précédents Parfois la situation est critique : le brin parental contient un dimère de thymine ; le brin fils contient une lacune. L’information sur un court fragment d'ADN est donc totalement perdue pour chacun des deux brins. Cette situation est le plus souvent rencontrée après la réplication, lors d’une anomalie réplicative majeure qui va conduire le système de réparation avec les enzymes d'excision-resynthèse à être débordé. Il se produira alors une brèche appelée « lacune post-réplicative ». Elle se rencontre aussi en dehors de la réplication, après dommages induits par des radiations ionisantes ou des agents oxydants. 47 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 4.2.3.1. Réparation par recombinaison homologue C’est un système de réparation constitutif, basé sur la recombinaison homologue, qui intervient quand les systèmes précédents n’ont pas pu réparer les lésions, soit car ils étaient défectueux, soit parce qu’ils étaient débordés. Il agit contre les lésions majeures de l’ADN, lorsque le système NER est débordé ou défectueux. Ce mécanisme tire profit : de l'existence d'une deuxième molécule d'ADN identique lors de la réplication ou ; en dehors d'elle, de l'existence d'un deuxième chromosome contenant une molécule d'ADN intacte et identique à la séquence manquante, pour réparer l'altération. Lors de la réplication, une lacune est laissée sur le brin fils en face du dimère (lorsque l’ADN polymérase rencontre une lésion). Cette lacune est remplie par la séquence du brin parental opposé identique à ce brin fils, qui est prélevée par la protéine REC A (chez les procaryotes). Cela va fournir la séquence correcte et créer une deuxième lacune sur le brin parental opposé. Puis le dimère est excisé par des enzymes d’excision. Les deux lacunes (à la place du dimère de thymines et sur le brin parental opposé) sont ensuite corrigées grâce à l’ADN polymérase qui synthétise la séquence complémentaire et antiparallèle de chaque brin parental. La bactérie possède près de 1 millier de protéines REC A, qui sont normalement présentes en quantité suffisante pour effectuer les recombinaisons. Nb : Ce mécanisme agit surtout contre les dommages induits par les radiations ionisantes ou les agents oxydants. Fig.11 Mécanisme de réparation par recombinaison homologue 48 Université ZIANE ACHOUR Djelfa Module : génétique moléculaire L3 : Biotechnologie et Amélioration des Plantes Année : 2023/2024 4.2.3.2. Le système SOS (tolérance de lésions ou réparation mutagène) Si les dommages dans l’ADN sont trop importants, la réplication s'arrête et le risque est la mort cellulaire. Pour éviter cette mort, le système SOS se met en place. C’est le dernier système pour tenter de réparer les dommages de l’ADN. C’est un système d’urgences où la cellule est en condition de désespoir. Ce mécanisme permet à la réplication de se poursuivre et aux réparations de se faire, mais souvent au prix d'erreurs réplicatives et donc d'un taux de mutations important. C’est un système de réparation par recombinaison homologue, sauf qu’il est inductible. Un des témoins des dommages de l'ADN est l'accumulation d'ADN simple brin. Cet ADN simple brin active la deuxième fonction de la protéine REC A : son activité protéolytique (dégradation de protéines). Cette activité aboutit à la dégradation de son propre répresseur LEX A. Il y a alors synthèse de protéines REC A et d’une vingtaine d’autres protéines issues des gènes SOS. Cela permet de stimuler le système de recombinaison homologue. La fidélité de la réplication est diminuée au cours de la réponse SOS qui introduit un nombre d'erreurs non négligeable. Mais cette réparation SOS évite le blocage de la synthèse d'ADN et de ce fait sauve la cellule de la mort, entraînant cependant des mutations qui seront le prix à payer pour survivre. On peut supposer que si ce système est inductible et non constitutif, c'est que la bactérie y fait appel en dernier recours, préférant d'abord utiliser les systèmes de réparation sans erreurs tant qu'ils ne sont pas débordés. Ces « erreurs » peuvent toutefois être bénéfiques, en agissant dans le sens de l'évolution, alors que ces bactéries étaient en train de connaître un état de stress. Fig.12 Système SOS (réparation mutagène) 49