M6 - Génétique - Fiche de Cours PDF

Here is the transcription of the provided document, formatted in markdown: ### MEDICAL TOURS 2024-2025 ### M6 – Génétique ### Fiche de cours ### Notion de gène et de variations **Symboles:** * Notion tombée 1 fois au concours * Notion tombée 2 fois au concours * Notion tombée 3 fois ou plus...

Here is the transcription of the provided document, formatted in markdown: ### MEDICAL TOURS 2024-2025 ### M6 – Génétique ### Fiche de cours ### Notion de gène et de variations **Symboles:** * Notion tombée 1 fois au concours * Notion tombée 2 fois au concours * Notion tombée 3 fois ou plus au concours --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX #### LE GÉNOME HUMAIN * Génome * Ensemble de l'ADN d'un organisme. * Génome humain haploïde, double brin. * Enchaînement de $3.2 \times 10^9$ paires de bases. * Séquences codantes: * Seul 1 à 2% de ces séquences nucléotidiques sont des séquences codant des protéines. --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX #### L'ADN : ACIDE DÉSOXYRIBONUCLÉIQUE * Comporte 2 brins antiparallèles * Enroulés en forme de double hélice * Extrémités 3' et 5' chimiquement différentes: * 5' Phosphate * 3' hydroxyle (OH) * Par convention, on définit son sens de lecture de 5' vers 3' * 1 brin = polymère formé d'un enchaînement de nucléotides * Nucléotides formés de 3 éléments: * 1 phosphate * 1 sucre * 1 base azotée * L'alternance désoxyribose-phosphate constitue le squelette de l'ADN. * Complémentarité des bases azotées * Appariement des bases: * A/T * C/G --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX #### L'ADN : ACIDE DÉSOXYRIBONUCLÉIQUE : 3 COMPOSANTS * Bases * Composés cycliques azotés * 2 types: * Bases pyrimidiques: Thymine et Cytosine * Bases puriques : Adénine et/et Guanine. * Sucre * Pentose: * Cycle à 5 carbones. * Désoxyribose ou 2'-désoxy-D-ribose. * Tri-acide * Sous la forme d'acide phosphorique. * Sous la forme de phosphate: * Forme majoritaire à pH physiologique 7,4 * Chargé négativement: responsable de la charge négative de I'ADN. --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX : L'ADN : Acide DésoxyriboNucléique #### LES BASES AZOTÉES * Bases pyrimidiques * Dérivent de la pyrimidine * Possèdent un seul cycle. * Bases puriques * Dérivent de la purine * Possèdent 2 cycles. * Association des bases purique et pyrimidiques entre elles * 2 liaisons hydrogènes entre la thymine et l'adénine. * 3 liaisons hydrogènes entre la cytosine et la guanine. * Taux cellulaires * Taux de pyrimidine et de purine identiques quel que soit l'espèce étudiée: * \[T] + \[C] = \[A] + \[G] * \[A] = \[T] et \[C] = \[G] * Taux de GC variable selon les espèces : * 40% chez l'homme. --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX #### LES GÈNES * Unité d'information génétique * Segments d'ADN de taille variable : * 1 kb à quelques centaines de kb. * Responsable de la synthèse protéique : * Un gène peut coder plusieurs protéines : * 21 000 gènes codant plus de 100 000 protéines * Du gène à la protéine * Etape 1 dans le noyau * Transcription de l'ADN en ARNm * Maturation de l'ARN pré messager. * Exportation de l'ARNm mature via les pores nucléaires vers le cytoplasme. * Etape 2 dans le cytoplasme * Traduction : synthèse des protéines à partir de l'ARNm. * Modifications post-traductionnelles. --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX #### STRUCTURE DES GENES : REGIONS NON CODANTES * Gène ne se limite ni à sa partie transcrite ni à sa partie traduite * Existence de séquences non codantes en amont et en aval. * Séquence amont * Région activant la transcription * Séquence LCR (Locus Control Region) : stimule la transcription de l'ADN en fonction du contexte moléculaire * Séquence amplificatrice enhancers (enhr): * Située à plusieurs milliers de nucléotides d'un promoteur * Stabilise le complexe d'initiation par un jeu d'interactions protéiques favorisant ainsi la transcription: courbure de l'ADN permettant le contact entre l'enhancer et le promoteur. * Promoteur ou séquence promotrice * Fixation de l'ARN polymérase. * Fixation de facteurs protéiques de transcription: * Fixation du facteur TFIID sur la TATA Box: favorise le recrutement de l'ARN polymérase. --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX #### STRUCTURE DES GENES : REGIONS CODANTES * Site d'initiation de la traduction * Triplet ATG codant pour la méthionine. * Enchaînement d'unités codantes = exons et d'unités non codantes = introns * Les séquences aux extrémités, 5'UTR et 3'UTR (pour Untranslated regions), sont des régions transcrites mais non traduites. * Epissage = élimination des introns de l'ARN pré-messager * Introns reconnus grâce à des séquences très conservés = sites consensus d'épissage localisé à la jonction des introns et des exons: * Séquences formées d'une dizaine de nucléotides. * 2 types de sites d'épissage : * Site donneur: en aval de l'exon, qui commence par les nucleotides GT; * Site accepteur: en amont de l'exon, qui commence par les nucléotides AG. * Régule l'expression des gènes ainsi que la diversité des protéines codées. * Terminaison de la traduction * Au niveau d'un codon STOP : TAA, TAG ou TGA. * 10 à 20 nucléotides avant la fin du dernier exon: séquence de polyadénylation AATAAA qui permet la coupure du transcrit primaire. --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX #### TAILLE DES GENES VARIABLE * Taille moyenne des gènes * 53 000 paires de base. * Nombre moyen d'exons par gène * 1 dizaine d'exons par chaîne. * Taille moyenne des exons * 300 nucléotides. * Taille moyenne des introns * Quelques milliers de nucléotides: ≈ 3000. --- ### RAPPELS FONDAMENTAUX : DU GENE A LA PROTEINE #### EPISSAGE * Epissage constitutif * Exon systématiquement inséré dans le transcrit mature. * Epissage alternatif * Assure la diversité du protéome: * Possibilité que l'exon soit inséré ou non dans le transcrit mature. * Niveau essentiel de régulation qualitative de l'expression des gènes: * Protéines différentes selon le tissu, le stade de développement, l'environnement * En moyenne 6 à 8 isoformes différents par gène * 70 à 88% des événements d'épissage alternatif changent la nature de la protéine. * Différents profils d'épissage alternatifs : saut/inclusion d'exon, sites 5' ou 3' d'épissage alternatifs, rétention d'intron, exons mutuellement exclusifs... * Spliceosome * Complexe multiprotéique responsable de l'épissage: * Protéines associées à des ribonucléoprotéines. * Elimine les introns par des réactions de transestérifications. --- ### APPELS FONDAMENTAUX #### CODE GÉNÉTIQUE * Permet la traduction de l'ARNm en protéines * Triplet = 3 bases qui se suivent = codon. * 1 codon correspond à 1 acide aminé * À quelques exceptions près : * mitochondries * levure * trypanosome * 4 bases possibles ATGC soit 4 X 4 X 4 = 64 codons différents, codant pour 20 acides aminés. * Code génétique universel *See table in original document* * Ponctuation * Méthionine: codon d'initiation de la traduction = AUG * Stop: codon de terminaison de la traduction : UAA, UGA ou UAG. * Code génétique dégénéré * Plusieurs codons pour le même acide aminé. * Dégénérescence le plus souvent observée sur la 3ème base. * Exemple de la sérine codée par TCT, TCC, TCA et TCG --- #### DEFINITIONS AUTOUR DU TERME VARIATION * << Evénement mutationnel >> * Variation de séquence de l'ADN ponctuelle ou étendue sans préjuger de sa pathogénicité. * Apparition des variations * En dehors des cellules, I'ADN est extrêmement stable. * Dans les cellules vivantes, I'ADN est en permanence exposé à : * Des agressions extérieures * Des agressions endogènes * Existence de nombreux mécanismes de surveillance pour réparer et corriger la plupart de ces lésions de l'ADN. * Néanmoins, existence d'un échappement générateur de variations. --- #### DEFINITIONS AUTOUR DU TERME VARIATION #### MECANISMES D'APPARITION DES VARIATIONS * Lésions provoquées par des agents exogènes * Radiations ionisantes: rayon gamma et rayons X pouvant causer des cassures simples ou double brins de l'ADN. * Rayons ultraviolets: rayons UV-B du soleil entrainant des liaisons croisées entre les pyrimidines adjacentes. * Produits chimiques de l'environnement: hydrocarbures, produits d'origine végétale ou microbienne et produits chimiques (chimiothérapie). * Lésions oxydatives par des ERO * Addition de molécules exogènes qui créent des distorsions de l'ADN * Lésions endogènes sans agents exogènes * Erreurs au cours de la réplication : * Mauvaise incorporation de base. * Evènements chimiques internes : * Dépurinations ou dépyrimidations: perte de base par hydrolyse. * Désaminations: perte de groupement amine sur les bases A, C et G. * Erreurs de méthylation qui participent normalement à l'expression des gènes. * Torsion de la double hélice. --- #### DEFINITIONS AUTOUR DU TERME VARIATION #### DEVENIR DES VARIATIONS DEPEND DE L'ORIGINE DES CELLULES PORTEUSES DE LA MUTATION * Variation somatique * Variation présente dans une cellule somatique d'un tissu. * Non transmissible à la descendance. * Variation germinale * Variation présente dans une cellule germinale ou reproductrice. * Transmissible à la descendance. --- #### DEFINITIONS AUTOUR DU TERME VARIATION #### VARIATION ACQUISE VS CONSTITUTIONNELLE * Variation acquise * Variation apparue au cours de la vie d'un individu et absente initialement dans le génome de la cellule. * 2 types: * Sans conséquence visible : * Cas majoritaire : une variation acquise entraîne généralement I'apoptose de la cellule, * Pas de phénotype associé. * Avec conséquences visibles : * Variation conféérant à la cellule un avantage prolifératif ou une immortalité : formation de cellules tumorales = clones de cellules portant la variation. * Variation constitutionnelle * Variation présente à la naissance qui survient : * Avant la fécondation * Pendant les premières divisions post zygotique * Origine: * Mutation << de novo >> ou néomutation: présente chez l'enfant mais absente chez les parents * Mutation héritée d'un parent * En général, homogène : présente dans toutes les cellules de l'organisme : * Cellules somatiques et germinales * Est donc transmissible à la descendance. --- #### DEFINITIONS AUTOUR DU TERME VARIATION #### VARIATION EN MOSAÏQUE * Plus rare * Variation inhomogène : * Anomalie post-zygotique tardive : apparue au niveau des division post-zygotiques. * Plus l'anomalie est précoce au cours du développement, plus la proportion de cellules anormale va être grande. * Mosaïcisme * Coexistence chez un même individu de 2 populations cellulaires distinctes issues d'un même zygote * Mosaïcisme somatique * Touche uniquement les cellules somatiques * Non transmissible à la descendance * Mosaïcisme germinal * Touche uniquement les cellules germinales. * Transmissible à la descendance * Individu non atteint mais descendance atteinte --- #### DEFINITIONS AUTOUR DU TERME VARIATION #### POLYMORPHISMES VS VARIATIONS PATHOGENES * Variations héritables du génome * Aucun perturbation biologique * Variations rares neutres à l'origine du polymorphisme * Moteur de l'évolution et de la diversité des individus au sein d'une même espèce * Perturbation biologique * Variations pathogènes du génome = << mutations >>> * A l'origine des maladies génétiques et des prédispositions * Polymorphisme * Variation de séquence génomique qui entraîne l'existence d'au moins 2 allèles = 2 versions différentes d'une même séquence, dans la population. * La définition stricte « épidémiologique » repose sur sa fréquence dans la population générale: arbitrairement ≥ 1%. * Dans l'immense majorité des cas, les polymorphismes sont des variations non pathogènes du génome qui sont à la base de la diversité des individus et de l'évolution : * Parfois facteurs de risque pour les maladies communes * Plus exceptionnellement, ils peuvent être pathogènes malgré leur fréquence ≥ 1%. * 2 à 3% de porteurs hétérozygotes pour la mutation AF508 du gène CFTR responsable de la mucoviscidose --- #### LES VARIATIONS DU GENOME HUMAIN #### 3 GRANDES CLASSES D'ANOMALIES A L'ECHELLE DU GENE * Variations ponctuelles * Substitutions nucléotidiques * Insertions, délétions, duplications: inférieur à 10 nucléotides * Les plus fréquentes : ≈70% des variations dans les maladies rares * Délétions/duplications intragéniques * Délétions mono ou multi-exoniques * Duplications mono ou multi-exoniques * Moins de 10% des variations pathologiques * Variations par expansion de répétitions * Mutations dynamiques les plus rares en pathologie humaine * 3% du génome humain est constitué de régions répétées en tandem * Parmi ces régions, on retrouve des régions polymorphiques avec des répétitions sur des motifs nucléotidiques de taille variables : * Satellites: ≥ 100 nucléotides * Minisatellites * Microsatellites --- ### LES VARIATIONS DU GENOME HUMAIN #### VARIATIONS PONCTUELLES : SUBSTITUTIONS NUCLEOTIDIQUES * Remplacement d'un nucléotide par un autre nucléotide ou SNV « Single Nucleotide Variant >>> : * Transition: substitution d'une pyrimidine en pyrimidine (T → C) ou d'une purine en purine (A→ G). * Transversion: substitution d'une purine en pyrimidine ou inversement * Transition 2 fois plus fréquentes que les transversions car chimiquement plus aisé * SNP (Single nucleotide Polymorphism) * Variation polymorphique d'un seul nucléotide * 15 millions de sites potentiels sur le génome humain * 3 à 5 millions de SNP / personne dont 30 de novo * Variations les plus fréquentes du génome uniformément réparties tous les 1 à 2 kb * Extra ou intra-géniques dans la quasi-totalité des gènes * 4 types de substitutions nucléotidiques * Exonique * Variation faux-sens * Variation non-sens * Variation silencieuse/synonyme * Intronique * Variation modifiant un site d'épissage. --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS DU GENOME #### VARIATIONS PONCTUELLES : SUBSTITUTIONS NUCLEOTIDIQUES EXONIQUES * Variation faux-sens * Substitution d'un nucléotide induisant un changement d'acide aminé. * Variation non-sens * Substitution d'un nucléotide induisant l'apparition d'un codon STOP prématuré : * Provoque l'interruption du cadre de lecture * Protéine tronquée instable généralement dégradée par un mécanisme NMD (Nonsens Mediated Decay). * Variation silencieuse ou synonyme * Substitution d'un nucléotide qui n'induit pas de changement d'acide aminé. --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS DU GENOME #### VARIATIONS PONCTUELLES : SUBSTITUTIONS NUCLEOTIDIQUES INTRONIQUES * Variation d'un site d'epissage * Substitution intronique d'un nucléotide abolissant ou modifiant un site d'épissage. * Substitution intronique d'une guanine en cytosine en position -1 de l'exon 2 au niveau du site accepteur d'épissage: * Provoque le saut de l'exon 2: élimination des 2 introns et de l'exon 2 --- #### LES VARIATIONS DU GENOME HUMAIN #### VARIATIONS PONCTUELLES : INSERTIONS, DUPLICATIONS, DELETIONS DE n NUCLEOTIDES (n<10) * Sans changement du cadre de lecture * << En phase >> avec insertion ou perte d'acides aminés dans la protéine * Duplication ou délétion d'un nombre de nucléotides multiple de 3 * Décalage du cadre de lecture "Frameshift" * "Frameshift" avec insertion ou perte d'acides aminés puis apparition d'un codon STOP prématuré * Insertion de 5 nucléotides aboutissant à l'insertion d'une valine et à l'apparition d'un codon STOP prématuré --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS DU GENOME #### DELETIONS / DUPLICATIONS INTRAGENIQUES * Délétions mono ou multi exoniques * Suppression d'un ou plusieurs exons. * Duplications * Duplication d'un ou plusieurs exons. * L'exon dupliqué peut être juxtaposé à l'exon dont il provient = duplication << en tandem >> : la plupart des cas. * L'exon dupliqué peut être inséré complètement ailleurs dans le génome --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS DU GENOME #### VARIATIONS PAR EXPANSION DE REPETITIONS * Minisatellites ou VNTR (<< Variable Number of Tandem Repeats ») * Séquences de 16 à 25 nucléotides, répétées 50 à 500 fois * Région polymorphe de 1 à 20 kb (= 1000 à 20 000 nucléotides) * Marqueurs polymorphes multi-alléliques : * Entraînent la production de nombreux allèles en fonction du nombre de répétitions * Microsatellites ou STR (<< Short Tandem Repeats ») * Séquences de 2 à 6 nucléotides répétées 5 à 50 fois. * Région polymorphe de 20 à 300 pb. * Motif le plus fréquent : (CA)_n. * Mutations dynamiques * Définies par des expansions anormales et instables d'une séquence d'ADN polymorphe répétée spécifique (tri-, tétra-, penta- ou hexa-nucléotides) * Une cinquantaine de microsatellites (STR) présente un nombre de répétitions instable qui augmente au fil des générations. * Responsables de maladies à tropisme neurologique: maladies neurodégénératives tardives ou neuromusculaires * < 1% des variations en pathologie humaine * Mécanisme mutationnel spécifiquement humain découvert en 1991 : découverte du gène de l'X fragile. --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS * Impact au niveau de l'ARNm * Altération quantitative : manque ou surplus d'ARNm. * Altération qualitative : production d'un ARNm différent de l'ARN physiologique. * Impact au niveau de la protéine * Altération quantitative : manque ou surplus de protéines. * Altération qualitative : production d'une protéine différente de la protéine physiologique. * Impact en Cis * Impact direct : la mutation est présente au sein d'un exon codant pour la protéine impactée * Impact en Trans * Plus rare * Mutation dans un gène impactant une autre protéine : * Exemple des répétitions introniques profondes pouvant séquestrer d'autres protéines : exemple de la maladie de Steinert --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS #### EFFET PERTE DE FONCTION * Définition * Diminution ou absence de la fonction protéique * Allèle amorphe * Perte totale d'expression ou d'activité. * Absence de protéines fonctionnelles. * Allèle hypomorphe * Perte partielle d'expression ou d'activité. * Protéines fonctionnelles en moindre quantité ou en moindre qualité. --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS #### EFFET PERTE DE FONCTION : EXEMPLE DE LA MUCOVISCIDOSE * Mutations bialléliques du gène CFTR * Maladie autosomique récessive * 2 mutations identiques sur chaque allèle : homozygote * 2 mutations différentes sur chaque allèle : hétérozygote composite * Plus de 2000 mutations possibles. * La plus fréquente des maladies héréditaires * 1/4500 en France en moyenne * Prévalence des porteurs sains: 1/35 * Gène CFTR * Pour Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator. * Identifié en 1989 par clonage positionnel. * Localisé sur le bras long du chromosome 7. * 27 exons sur 250 kb. * CFTR code un canal ionique chlore * Régulant les flux électrolytiques transmembranaires * Localisé au pôle apical des cellules épithéliales sécrétoires : notamment dans les voies respiratoires, les canaux pancréatiques et les glandes sudoripares * Différentes étapes de synthèse de CFTR * La mutation la plus fréquente induit le mauvais repliement de la protéine : * La protéine est alors dirigée vers le protéasome où elle est dégradée. --- #### EFFET PERTE DE FONCTION : EXEMPLE DE LA MUCOVISCIDOSE #### CONSEQUENCES PHYSIOLOGIQUES DES MUTATIONS CFTR * Altération de la protéine CFTR * Son rôle qui consiste à servir de canal dans le transport d'ions chlore et sodium est altéré. * Déséquilibre ionique * Le déséquilibre entre les ions entraîne la déshydratation et l'épaississement du mucus avec accumulation de micro-organismes et libération de toxines. * Conséquences multi-systémiques * Peau : Sueur riche en sels : * Mesure de la teneur en sel permet le diagnostic de la mucoviscidose. * Poumons : Obstruction des bronches ; * Insuffisance respiratoire * Foie : Destruction des voies biliaires : * Perturbation de la digestion. * Pancréas : Obstruction des canaux pancréatiques ; * Blocage des enzymes digestives. * Intestins : Obstruction par un épais bouchon * Organes génitaux : Absence de canaux déférents, infertilité --- #### Conséquences des variations : EFFET PERTE DE FONCTION #### EXEMPLE DE LA MUCOVISCIDOSE : CLASSIFICATION DES VARIATIONS * Classe I * Absence de synthèse de la protéine. * Mutations non-sens. * Classe II * Altération de etla maturation de la protéine. * Allèle amorphe à l'origine d'une maladie plus sévère. * Classe III * Altération de la régulation du canal Cl. * Classe IV * Altération de la conduction du canal Cl. * Allèle hypomorphe * Classe V * Diminution de la synthèse de protéine --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS #### EFFET GAIN DE FONCTION * Allèle hypermorphe * Surexpression d'une forme sauvage. * Protéines produites en plus grande quantité. * Allèle néomorphe * Code pour une protéine dont la fonction est différente. * Gène le plus fréquemment impliqué * Gène PTPN11: * Code la tyrosine phosphatase SHP-2 qui intervient dans une voie de signalisation appelée ras-map kinase : * Voie à l'origine de l'expression de gènes de différenciation, de prolifération, de survie et du métabolisme cellulaire * Exemple du syndrome de Noonan * Mutations les plus fréquentes * Variations faux-sens hétérozygotes: activation excessive de la voie. * Fréquence * 1/2000 à 1/2500 naissances. * Aspects cliniques * Aspect particulier du visage * Anomalies cardiaques * Retard staturo-pondéral * Anomalies squelettiques * Retard variable de développement et des apprentissages. --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS #### EFFET DOMINANT NEGATIF * Gène impliqué * Gène codant des protéines de structure ou capable de former des homodimères ou hétérodimères. * Allèle antimorphe * Protéine mutée perd se fonction et interfère avec la fonction de l'allèle normal chez les hétérozygotes. * Plusieurs niveaux de gravité * 50% des dimères fonctionnels : * Conséquence identique à la perte de fonction * 25% des dimères fonctionnels + toxique qu'un effet perte de fonction. * Aucun dimère fonctionnel --- #### Conséquences des variations : EFFET DOMINANT NEGATIF #### EXEMPLE DE L'OSTEOGENESE IMPARFAITE * Maladie autosomique dominante * << Maladie des os de verre »: * Causée par des mutations hétérozygotes du gène COL1A1 * Caractérisée par une fragilité osseuse et une faible masse osseuse * Fractures prénatales et décès périnatal ou formes très frustres (légères) * Pathologie plus sévère en cas d'un effet dominant négatif en comparaison d'un effet perte de fonction * Sévérité très variable * Fréquence * 1/10 000 à 1/20 000 personnes atteintes en France * Protéine impactée : chaine a1 du collagène * Collagène de type I est un hétérotrimère constitué de 3 chaines enroulées en triple hélice: * 1 hétérotrimère = 2 chaines a1 et 1 chaine = a2 * Conséquence d'une mutation à effet dominant négatif : * 50% à 0% de protéine normale selon les combinaisons de chaines. * 50% à 0% de protéine normale selon les combinaisons de chaines --- #### CONSEQUENCES DES VARIATIONS #### IMPACT DES VARIATIONS SUR LE MODE DE TRANSMISSION * Impact d'une variation perte de fonction * Cause majoritaire des maladies récessives * Haplo-suffisance: 1 copie sur 2 est suffisante à la fonction normale du gène * Plus rarement responsables de maladies dominantes * Haplo-insuffisance: 1 copie sur 2 n'est pas suffisante à la fonction normale du gène. * Impact d'une variation gain de fonction ou effet dominant négatif * Cause majoritaire des maladies dominantes:: * La nouvelle fonction acquise par la cellule est délétère indépendamment de la présence de l'allèle normal.