Mutation et mécanismes de réparation de l'ADN PDF

II. Mutation et mécanismes de réparation de l’ADN I. Définitions I.1. Gène Un gène est un segment d'ADN dont la séquence de bases nucléotidiques détermine, par transcription, la séquence de bases dans une molécule d'ARN messager (ARNm), et, par traduction, la séquence d'acides aminés...

II. Mutation et mécanismes de réparation de l’ADN I. Définitions I.1. Gène Un gène est un segment d'ADN dont la séquence de bases nucléotidiques détermine, par transcription, la séquence de bases dans une molécule d'ARN messager (ARNm), et, par traduction, la séquence d'acides aminés (AA) dans un polypeptide. Les gènes jouent un rôle fondamental dans la détermination des caractéristiques phénotypiques des organismes. I.2. Mutation Une mutation peut être définie comme une altération dans la séquence de bases nucléotidiques d'un gène. Elle se caractérise par les éléments suivants :  Rareté : Les mutations sont des phénomènes rares, n'affectant qu'une faible fraction d'une population bactérienne.  Discontinuité (brusque) : Elles se produisent généralement en une seule étape, sans étapes intermédiaires.  Hérédité (Stable) : Les modifications apportées par la mutation sont héréditaires, transmises à la descendance. Les mutations peuvent toucher n'importe quelle région sur le chromosome ou l'ADN microbien. De plus, elles peuvent entraîner des changements phénotypiques, bien que de nombreuses mutations spontanées soient létales, entraînant la mort de la cellule. Les mutations sont classées en deux catégories : 1. Mutations spontanées : Se produisent naturellement dans toutes les cellules. 2. Mutations induites : Apparaissent lorsqu'un organisme est exposé à un agent mutagène, tel que des agents chimiques ou des rayonnements, qui interagissent avec l'ADN et modifient la structure de certains nucléotides. II. Agents responsables de mutations Les agents mutagènes sont des entités, naturelles ou résultant de l'activité humaine, qui peuvent altérer la structure de l'ADN, augmentant ainsi le taux de mutations au- delà de ce qui est observé naturellement. On distingue deux catégories de mutagènes : II.1. Agents physiques  Température : L'agitation thermique des molécules entraîne des formes tautomères, provoquant des ruptures de liaisons, comme des dépunirations (perte d'adénine ou de guanine) et des désaminations (transformation de cytosine en uracile), ce qui entraîne des erreurs d'appariement.  Rayons UV : Les rayons UV (environ 260 nm) induisent la dimérisation des bases pyrimidiques adjacentes, en particulier entre deux thymines, créant des dimères de thymine qui bloquent la transcription et la réplication, devenant létaux s'ils ne sont pas réparés. O O O O CH3 UV CH3 CH3 H3C HN NH NH + O N N O O N N O H H H H H H H H Thymine Thymine Dimère de thymine Figure : formation de dimère de thymine à cause des radiations UV  Radiations ionisantes : Les rayons X et gamma produisent des ions réactifs lors de leur interaction avec les molécules biologiques, provoquant diverses mutations, allant de mutations ponctuelles à des lésions plus graves de l'ADN. La chaleur peut également causer des coupures d'ADN par hydrolyse. II.2. Agents chimiques Des agents chimiques mutagènes existent naturellement dans l'environnement (par exemple, peroxydes, métaux lourds) et peuvent également se former comme sous- produits du métabolisme microbien ou par transformation de substances du milieu (H₂O₂, nitrates, sulfites, aldéhydes). Une forte baisse du pH peut entraîner des dépunirations et parfois des cassures de chaînes. II.2.1. Les agents chimiques mutagènes 1. Analogues des bases : Ce sont des produits chimiques similaires aux bases d'ADN, comme le bromo-uracil (BrdU), qui, incorporé dans un brin d'ADN, s'apparie plus fréquemment avec la guanine. 2. Substances altérant la structure des bases : Ces substances changent une base spécifique, modifiant son appariement correct. Par exemple, la désamination de la cytosine crée de l'uracile, qui s'apparie avec l'adénine au lieu de la guanine. Les agents alkylants ajoutent des groupes méthyliques, provoquant un mauvais appariement de la guanine avec la thymine. La désamination : la désamination est l’enlèvement d’un groupement amine d’une base. La désamination de la cytosine produit l’uracile. Ces résidus uraciles non réparés vont s’apparier avec l’adénine pendant la réplication, ce qui provoque la conversion d’une paire G-C en une paire A-T (transition GC en AT). La 5-méthyle cytosine est base méthylée qu’on trouve à des quantités relativement faibles chez les procaryotes et les eucaryotes. La désamination de la 5-méthyle cytosine donne de la thymine qui va s’apparier avec l’adénine, ce qui va provoquer une transition CG en AT. La thymine est une base normale de l’ADN, automatiquement, aucun mécanisme ne peut détecter et réparer cette mutation. Les sites qui contiennent la 5-méthyle cytosine dans le génome sont appelés « hot-spot » ou les régions chaudes, car la fréquence des mutations dans ces régions sont beaucoup plus élevé que la moyenne. NH2 O CH3 NH2 O N désamination NH N NH N O N O H H N O N O H H Cytosine Uracil 5-méthylcytosine(5mC) Thymine Figure : Désamination de la cytosine en uracile et de la 5-méthyle cytosine en thymine 3. Agents intercalants : Ces produits chimiques s'insèrent dans l'hélice d'ADN, provoquant des problèmes de réplication et transcription, souvent entraînant des délétions ou insertions. Par exemple, l'acridine et le bromure d'éthidium provoquent un étirement de l'ADN. Figure : les différents types de lésions ou de mutations d’ADN II.3. Agents enzymatiques Des mutations naturelles peuvent également survenir lors des processus normaux, dues à des erreurs dans les systèmes enzymatiques impliqués, comme des erreurs dans la réplication, la réparation ou la recombinaison de l'ADN. III. Différents types de mutations III.1. Mutations ponctuelles Ces mutations concernent une seule paire de bases. On distingue les cas suivants : III.1.1. Microdélétion Perte d'une paire de bases, entraînant un décalage de lecture et modifiant les codons. Cette mutation est dite "frame-shift". III.1.2. Microinsertion Ajout d'une paire de bases, ayant des conséquences similaires à celles de la délétion. III.1.3. Substitution Remplacement d'une paire de bases par une autre, résultant d'une erreur de réplication. On distingue :  Transition : Substitution d'une purine par une purine ou d'une pyrimidine par une pyrimidine.  Transversion : Substitution d'une purine par une pyrimidine, ou inversement. Les modifications peuvent inclure la formation de tautomères, la désamination de la cytosine, et d'autres altérations. Tautomérisation des bases Les bases azotées peuvent subir un changement réversible dans leur structure, formant des isomères appelés tautomères. Ces isomères peuvent s'apparier incorrectement, entraînant des erreurs de réplication. Tautomérisation des bases : Toutes les erreurs qui surviennent au cours de la réplication ne sont pas du fait des polymérases. En effet chacune des bases peu t exister sous plusieurs formes alternatives appelées tautomères. Se sont des isomères qui diffèrent par la position de leurs atomes. Ainsi que par les liaisons de ces atomes ce qui fait que ces bases forment des liaisons hydrogènes différentes de l’état normal de l’ADN, ce qui donne des mésappariement. Ces mésappariements sont susceptibles de créer des mutations au cours de la réplication. Par exemple, pour les pyrimidines, la cytosine (C*) dans son état tautomérique rare s’apparie avec l’adénine au lieu de la guanine et la thymine tautomérisée (T*) s’apparie avec la guanine au lieu de l’adénine.  Pour les purines, la forme tautomérisée de la guanine (G*) s’apparie avec la thymine et la forme tautomérisée de l’adénine (A*) s’apparie avec la cytosine. Base Appariement normal Base tautomérique Appariement anormal Cytosine (C) Guanine (G) Cytosine (C*) Adénine (A) Thymine (T) Adénine (A) Thymine (T*) Guanine (G) Guanine (G) Cytosine (C) Guanine (G*) Thymine (T) Adénine (A) Thymine (T) Adénine (A*) Cytosine (C) Figure : Appariement des bases tautomériques La dépurination (dépyrimidination) : dans la dépurination (dépyrimidination), une purine, l’adénine ou la guanine est enlevé du brin d’ADN quand la liaison glycosidique entre la base et le désoxyribose est rompue. Une cellule de mammifère perd spontanément pres de 10000 purines de son ADN durant une génération. Si ces lésions persistaient, elles provoqueraient de sérieux dégats génétiques, car durant la réplication, les sites apuriniques ne pourraient pas spécifier la base complémentaire de la purine d’origine. Heureusement, les cellules sont douées de systèmes de réparations efficaces qui réparent les sites apuriniques.  NH2 N N O - O P O OH O N N O O- H H NH2 NH2 - O P O O Adénine H H H H NH2 O H N N N O- H H + O H N - N O N N O P O O O- HH - O P O N O O H H Adénine libéré HH OH H O- de l'ADN H H OH H Figure : exemple de la dépurination (dépyrimidination) de l’ADN  III.2. Macrolésions Mutations affectant plusieurs séquences de bases. Types : Les macrolésions sont des mutations qui affectent de larges portions de l'ADN, modifiant la structure globale des séquences de bases. 1. Réarrangement Un réarrangement implique un changement de position des segments d'ADN, mais aucune perte ou gain net de matériel génétique. Le même ADN est présent, mais organisé différemment. Il existe deux sous-types principaux :  Inversion : Une portion de la séquence d'ADN est retournée, c'est-à-dire qu'elle change d'orientation à 180 degrés. L'ordre des bases reste le même, mais leur orientation est inversée. o Exemple : Si une séquence d'ADN est "ATG-CGA", après inversion, elle devient "AGC-GTA".  Translocation : Un fragment d'ADN est coupé à un endroit et réinséré dans une autre position du génome. Ce déplacement peut se faire au sein du même chromosome ou entre différents chromosomes. La séquence reste présente, mais à un nouvel emplacement. Étape Description Séquence d'ADN La séquence d'ADN d'origine Séquence initiale 5' - A T G - C G A - 3' avant la translocation. 1. Inversion change d'orientation à 180 degrés 5' - AGC-GTA- 3' Séquence d'ADN après l'excision Séquence après excision 5' - A T G -3' du fragment. 2. Insertion du Le fragment "CGA" est inséré à fragment un nouvel endroit, par exemple, 5' - A C G - C G A - T AT - 3' dans un autre gène. 3. fragment déplacé dans un même La séquence d'ADN après la 5' - C G A - A T G- 3' chromosome translocation du fragment. 2. Duplication La duplication se produit lorsqu'une portion d'ADN est copiée et ajoutée une seconde fois dans le génome. Cela signifie qu'un segment est présent en deux exemplaires consécutifs ou à différents endroits. Cela peut entraîner une augmentation de la taille du génome.   Exemple : Si la séquence "ATG" est dupliquée, on peut obtenir "ATG-ATG" dans l'ADN. 3. Délétion Une délétion est la perte complète d'un fragment d'ADN. Cela peut affecter une ou plusieurs bases, et peut entraîner une réduction significative de l'information génétique si une portion critique du gène est perdue.  Exemple : Si la séquence originale est "ATG-CGA-TTC", après délétion d'un fragment, elle peut devenir "ATG-TTC". 4. Insertion L'insertion est l'ajout d'un nouveau fragment d'ADN dans une séquence existante. Cela peut introduire une ou plusieurs bases qui n'étaient pas présentes auparavant, augmentant la longueur totale de la séquence d'ADN. Les insertions peuvent provenir de séquences répétitives, de fragments d'ADN d'autres sources, ou même de transposons (éléments génétiques mobiles).  Exemple : Une séquence initiale "ATG-CGA" pourrait devenir "ATG-GGG-CGA" après insertion du fragment "GGG".  Réarrangement : La séquence d'ADN est présente mais modifiée dans sa disposition (inversion ou translocation).  Duplication : Un segment d'ADN est copié et se retrouve deux fois dans le génome.  Délétion : Un fragment d'ADN est perdu.  Insertion : Un nouveau fragment d'ADN est ajouté. IV. Effets des mutations ponctuelles IV.1. Mutations "même sens" (silent) Ces mutations ne modifient pas la séquence d'acides aminés, n'étant détectables qu'au séquençage. IV.2. Mutations "non sens" (stop) Ces mutations introduisent un codon de terminaison, arrêtant la traduction avant la synthèse complète du polypeptide. ATT UAA TAA ATC UAG STOP TAG ACT UGA TGA IV.3. Mutations "faux sens" (missense) Remplacement d'un acide aminé par un autre, affectant potentiellement l'activité enzymatique et la conformation de la protéine. IV.4. Microdélétions ou microinsertions Ces mutations entraînent un décalage de lecture et peuvent produire des codons non- sens. IV.5. Mutations "suppresseurs" (réversion) Une seconde mutation peut ramener un organisme muté à un caractère sauvage, supprimant l'effet de la première. (a) Mutation ponctuelle faux sens (b) Mutation ponctuelle non-sens (c) Mutation ponctuelle frameshift (déphasage) (d) Mutation ponctuelle silencieuse V. Exemples de mutations V.1. Auxotrophie (déficience) Les mutants auxotrophes nécessitent des facteurs de croissance, incapables de les synthétiser. Leur exigence peut être déterminée en les cultivant sur un milieu minimum enrichi. V.2. Résistance aux antibiotiques V.2.1. Sites d'action Les antibiotiques agissent sur plusieurs cibles cellulaires, notamment la membrane, la paroi, la réplication de l'ADN, la transcription et les ribosomes. V.2.2. Mécanismes de résistance Les bactéries peuvent développer une résistance par mutation chromosomique, devenant imperméables ou modifiant les sites d'attachement des antibiotiques. D'autres peuvent acquérir de nouveaux gènes par transfert génétique, synthétisant des enzymes qui dégradent ou modifient l'antibiotique.