Biologie Moléculaire - Cours n°1 PDF

CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Biologie moléculaire 1 Introduction 1.1 Flux d’information génétique : du gène à la protéin...

CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Biologie moléculaire 1 Introduction 1.1 Flux d’information génétique : du gène à la protéine Gène = fragment d’ADN qui est transcrit, il porte l’information nécessaire à la synthèse des protéines. Le gène débute au niveau du site d’initiation de la transcription (séquence ATG) au niveau du promoteur, et se finit au site de terminaison. Il est composé de séquences codantes (exons) et de séquences non codantes (introns) Un gène ne donne pas directement la protéine mais passe par l’ARNm et l’ARN pré- messager Le brin support pour la synthèse de cet ARN pré-messager (= transcrit primaire) est le brin anti-sens : 3’-5’ L’ARN pré-message possède une séquence presque identique au brin sens, sauf les T qui sont remplacés par des U A l’extrémité 5’ se trouve la coiffe, et à l’extrémité 3’ se trouve une queue poly A -1-  CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Le processus d’épissage : passage ARN pré-messager à ARNm Dans le noyau Synthèse de l’ARNm mature Les introns sont éliminés Certains exons peuvent être éliminés Épissage constitutif : tous les exons sont conservés Épissage alternatif : certains exons sont excisés ARNm mature sort dans le cytoplasme où il sert de support pour la synthèse des protéines grâce à la traduction 1.2 Du génotype au phénotype Génotype : ensemble de l’information génétique d’un organisme. Le support matériel de cette info est l’ADN De ce génotype découle le phénotype. Le phénotype est la conséquence du génotype. Phénotype : ensemble des caractéristiques visibles ou détectables à l’échelle d’une protéine, d’une cellule ou d’un individu 3 niveaux de phénotype : - Moléculaire : caractéristiques de certaines protéines d’un individu (l’expression incidence sur d’une même protéine peut être plus ou moins fonctionnelle) A une - Cellulaire : caractéristiques de certaines cellules d’un individu (structure et fonctionnement des cellules) - Macroscopique : traits apparents d’un individus Ex : drépanocytose Hémoglobine : 2 chaînes alpha + 2 chaînes bêta -2- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Individu atteint de la drépanocytose Individu sain (maladie de la douleur) Les molécules Molécule d’hémoglobine d’hémoglobine S (HbS, A (HbA, normale) anormale) sont associées Phénotype moléculaire en fibres qui s’agglutinent et déforment donc les globules rouges Globules rouges en forme Globules de forme de faucille lors d’une biconcaves qui circulent diminution de la normalement dans les concentration de CO2, capillaires sanguins perturbent la circulation Phénotype cellulaire sanguine et obstruent les vaisseaux sanguins. Les globules rouges ont une plus courte durée de vie Anémie (entrainant Normal fatigue et essoufflement), Phénotype AVC, douleurs intenses, macroscopique crise vaso-occlusive, problème aux poumons (décès) La drépanocytose est donc dû à la mutation du gène codant l’hémoglobine 2 Structure de l’ADN 2.1 Généralité ADN (=acide désoxyribonucléique) : support de l’information génétique. ADN dans le noyau (ADN nucléaire) chez les eucaryotes et dans les organites intracellulaires (mitochondries : ADN mitochondrial, chloroplastes des cellules eucaryotes photosynthétiques). Sa longueur varie entre les espèces : 3,2 milliards de paires de base chez l’Homme -3- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Formule : - Groupe phosphate - Sucre à 5 carbones (2’- désoxyribose) - Base azotée 2.2 Sucre L’ADN ne possède pas de groupement hydroxyle (OH) sur son carbone 2’ contrairement à l’ARN. L’ADN est donc plus stable que l’ARN car le groupement 2’OH de l’ARN est capable de couper la liaison entre les nucléotides. Le prof a précisé que les structures n’étaient pas à connaitre 2.3 Bases Pas besoins d’apprendre la structure des bases 2 classes : purines (G et A) et pyrimidine (C et T) - Purines : molécules bicycliques - Pyrimidines : molécules monocycliques Mémo du prof : Purines : les personnes âgées (A et G) mangent de la purée et font de la bicyclette (bicyclique) -4- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 2.4 Nucléoside : sucre + base Au niveau de l’ADN, le sucre (désoxyribose) et la base sont reliés par une liaison N- osidique. La liaison N-osidique engage le carbone 1’ du pentose (désoxyribose) et l’azote N1 des bases pyrimidiques (cytosine et thymine) ou l’azote N9 des bases puriques (adénine et guanine) ➔ Monocyclique (C et T) : liaison 1-1 sinon 1-9 Les nucléosides à purine se termine en -osine (Guanosine et Adénosine) Les nucléosides à pyrimidine se termine en -idine (Cytidine et Thymidine) Le groupement phosphate est lié au C5’ du pentose par une liaison ester 2.5 Polynucléotide Les nucléotides d’une chaîne d’ADN sont reliés entre eux par des liaisons phosphodiester entre l’extrémité 3’OH du premier nucléotide et l’extrémité 5’P du suivant. On obtient alors un « squelette » sucre-phosphate avec des bases variées. OH peut casser cette liaison. C’est pour cette raison que les ARN sont moins stables. -5- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 2.6 Orientation 5’—>3’ de l’ADN L’extrémité 5’ phosphate (groupement phosphate) est portée par le carbone 5’ du pentose du premier nucléotide de la séquence nucléotidique. ➔ 5’ phosphate est donc le début de la séquence de l’acide nucléique. L’extrémité 3’OH (groupement hydroxyle) est portée par le carbone 3’ du pentose du dernier nucléotide de la séquence nucléotidique. ➔ 3’OH représente la fin de la séquence de l’acide nucléique. On ajoute toujours les nucléotides à l’extrémité 3’OH. 2.7 Orientation antiparallèle et complémentaire de l’ADN Les 2 brins sont complémentaires : A et T ; G et C On retrouve : - entre l’adénine et la thymine : 2 liaisons hydrogènes - entre la guanine et la cytosine : 3 liaisons hydrogènes ➔ Interaction plus forte entre G et C qu’entre A et T Les 2 brins sont antiparallèles : la base en 5’ d’un brin réagit avec la base située en 3’ de l’autre brin. 2.8 Compaction de l’ADN L’ADN s’associe à des protéines : histones. Pour former la chromatine (ADN + protéines) ce qui va permettre de compacter l’ADN (2n d’ADN contenu dans 1 cellule) Premier niveau de compaction : nucléosome. -6- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin Un nucléosome est un octamère d’histone (8 protéines histones entourées d’environ 146 paires de bases d’ADN). On retrouve 2 histones H2A, 2 H2B, 2 H3 et 2 H4. La chromatine adopte une structure en collier de perle. Ces nucléosomes peuvent s’enrouler en chapelet pour former la fibre chromatinienne. On va retrouver 6 nucléosomes par tour. C’est le deuxième niveau de compaction de l’ADN. Cette compaction va pouvoir se faire grâce à l’histone H1 au niveau de l’espace internucléosomique qui permet aux nucléosomes de se rapprocher et de s’enrouler pour former la fibre chromatinienne. Empaquetage de l’ADN en fibre de 30nm : compaction d’un facteur 40. La fibre chromatinienne va former des boucles qui vont être retenues à leur base par une structure protéïque : la matrice nucléaire. Ces boucles vont se replier pour former une fibre avec un haut niveau de compaction. Condensation maximale de la chromatine uniquement au cours de la métaphase. En dehors de celle-ci, la chromatine est plus ou moins compactée. Les chromosomes ont une forme de X seulement lors de la métaphase, ils ont une forme plus décompactée dans les autres phases du cycle. -7- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin S’ils étaient aussi compactés, les gènes ne seraient pas accessibles et ne pourraient pas être transcrits. 2 formes de la chromatine : - Euchromatine : réseau fibrillaire lâche (collier de perle), transcriptionnellement actif, les facteurs de transcription ont un accès facile au gène et peuvent induire la transcription - Hétérochromatine : compactée donc les gènes sont inaccessibles donc pas transcrit o Constitutive : zone constamment condensée avec très peu de gènes → inactive. Comme les télomères et les centromères o Facultative : réseau fibrillaire tantôt condensé (transcriptionnellement inactif) et tantôt lâche (transcriptionnellement actif). Les gènes sont donc plus ou moins exprimés -8- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin L’acétylation des protéines histones peut modifier le niveau de compaction des chromatines. L’ADN est chargé négativement et les histones sont chargées positivement donc il y une très forte interaction entre eux. Mais en acétylant l’histone, on masque sa charge + et donc on diminue cette interaction et on relâche la chromatine. Ce qui permet à l’ADN d’être accessible aux facteurs de transcription, il y a alors une augmentation de la transcription. Et inversement, la désacétylation diminue la transcription 3 Réplication de l’ADN 3.1 Réplication : Duplication du matériel génétique dans le noyau Le processus de réplication à lieu dans le noyau, uniquement au cours de la phase S du cycle cellulaire. La cellule duplique son matériel chromosomique. 3.2 Duplication du matériel génétique au cours de la phase S Phase G1 : chromosome à 1 chromatide Phase S : duplication du matériel génétique avant la mitose Phase G2 : chromosome à 2 chromatides Mitose : séparation des 2 chromatides -9- CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 3.3 Les substrats de la réplication Besoins d’une matrice (ADN génomique), d’un amorce (ARN + ADN), de dNTP (désoxyNucléoside TriPhosphate) et d’ADN polymérase. Chaque brin sert de matrice au brin néosynthétisé. Les nucléotides sont ajoutés à l’extrémité 3’OH. Le groupement hydroxyle attaque le phosphate alpha du dNTP entrant permettant l’incorporation d’un nucléoside monophosphate et le relâchement de deux phosphates, gardant qu’un seul groupement phosphate. 3.4 Mécanismes Initiation : 1. Hélicase : séparation des 2 brins 2. ADN polymérase alpha : synthèse de l’amorce d’ARN-ADN (10 ribonucléotides d’ARN et 20 à 30 nucléotides d’ADN) 3. RP-A : maintien les 2 brins séparés L’activité primase de l’ADN polymérase alpha lui permet de synthétiser le fragment d’ADN et son activité polymérase de synthétiser l’amorce (plusieurs amorces pour le brin discontinu). Elle n’est pas très rapide pour ajouter les nucléotides Elongation : - 10 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin RF-C reconnaît le complexe matrice/amorce et recrute la protéine PCNA qui recrute l’ADN polymérase delta pour remplacer l’ADN polymérase alpha L’ADN poly delta ajoute des nucléotides dans le sens 5’-3’.  Synthèse d’un brin continu : les nucléotides sont ajoutés dans le sens d’ouverture de la fourche.  Synthèse d’un brin discontinu : les nucléotides sont ajoutés dans le sens inverse du sens d’ouverture de la fourche. Synthèse de fragments d’Okazaki qui commencent au début d’une amorce et se terminent au niveau du dernier nucléotide juste avant l’amorce suivante. Il n’y a pas d’ARN dans ADN. L’ARNase H1 dégrade le fragment d’ARN de l’amorce. Le trou est comblé par L’ADN polymérase delta. L’ADN ligase I relie entre eux les fragments d’ADN non ligaturés. 3.5 Réplication bidirectionnelle Formation d’un œil de réplication avec une fourche de réplication de chaque côté. D’un côté de l’œil, synthèse du brin continu, et synthèse du brin discontinu de l’autre côté. Si en haut à gauche on a la synthèse du brin continu, en haut à droite on aura la synthèse du brin discontinu. Et donc en bas à gauche, on a la synthèse du brin discontinu et en bas à droite, la synthèse du brin continu. - 11 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 3.6 Origine de réplication ▪ Procaryotes : 1 seule molécule d’ADN circulaire et donc 1 origine de réplication ▪ Eucaryotes : molécules d’ADN linéaires et plusieurs origines de réplication sur chaque chromosome (environ 200 origines de réplication par chromosome), ce qui accélère le processus de réplication 3.7 Réplication semi-conservative Processus semi-conservatif car chaque brin parental sert de support pour la synthèse du brin néo-synthétisé. Synthèse de 2 molécules d’ADN identiques à partir d’une molécule d’ADN. Molécule fille : 1 brin parental + 1 néosynthétisé. 4 Télomères et télomérase 4.1 Érosion des télomères Télomères = extrémités des chromosomes À chaque cycle de division, les extrémités des chromosomes se raccourcissent (d’une dizaine de nucléotides). Le raccourcissement concerne l’extrémité 5’ du brin discontinu. - 12 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 4.2 Érosion des télomères et vieillissement Quand les chromosomes se raccourcissent on obtient des cellules sénescentes (vieillissent et fonctionnent moins bien) : processus de sénescence 4.3 Télomérase Les cellules normal n’expriment pas la télomérase, elles sont donc mortelles. Les cellules tumorales, germinales et souches sont immortels car elles possèdent l’enzyme télomérase qui permet à ces cellules de se diviser indéfiniment. Les cellules normales ne possèdent pas cette enzyme et rentrent donc en sénescence. La télomérase est une ribonucléoprotéine (protéine + ARN). Elle est formée d’un ARN et d’une transcriptase inverse. La transcriptase inverse synthétise de l’ADN à partir d’ARN qu’elle utilise comme matrice, et ajoute 6 nucléotides pour rallonger le brin le plus long. - 13 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin L’ARN de la télomérase va s’associer par complémentarité de séquence au niveau d’extrémité 3’ du brin d’ADN parental. La télomérase rallonge le brin qui était déjà le plus long. Elle fait plusieurs cycle pour le rallonger. Après quelques cycles de translocation/élongation, il y a retrait de la télomérase Cas des cellules cancéreuses : Une cellule cancéreuse placerait une amorce d’ARN antiparallèle près de la fin du brin long et comblerait le brin le plus court grâce à de l’ADN polymérase. Puis il y aurait retrait de l’amorce. Ce processus rend potentiellement les cellules immortelles (cancéreuses). Les cellules sénescentes sécrètent des facteurs forçant les autres cellules à entrer en sénescence. (Ajout du prof à ne pas connaitre) - 14 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin La télomérase a permis l’extension du télomère qui conserve néanmoins un dépassement en 3’. Le brin fils est toujours plus court que le brin parental. 5 Transcription 5.1 Transcription = synthèse du transcrit primaire La transcription a lieu dans le noyau à partir du brin anti-sens qui sert de support. Elle est mise en place par l’ARN polymérase II qui prend en charge la synthèse des ARN pré- messager et donc des ARNm. - 15 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 5.2 Promoteur des gènes L’ARN polymérase II est recrutée au niveau du promoteur, juste en avant du site d’initiation. La boîte TATA joue un rôle clé dans le recrutement de ARN polymérase II 5.3 Initiation de la transcription Facteurs généraux de transcription : TFII A) Fixation de TFIID sur la boîte TATA B) Liaison de TFIIA et TFIIB à côté de TFIID C) Assemblage de TFIIE et TFIIH avec l’ARN polymérase D) Phosphorylation de la queue C-ter de la polymérase par TFIIH grâce à son activité kinase E) L’ARN polymérase change de conformation ce qui le permet d’avancer et de transcrire : transcription 5.4 Synthèse de l’ARNm Pour la transcription, l’ARN polymérase n’a pas besoins d’amorce (contrairement à la réplication). Les nucléotides sont ajoutés dans le sens 5’-3’. Un seul des 2 brins sert de matrice (ou support) : le brin anti-sens. - 16 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 5.5 Brin sens et brin anti-sens L’ARN pré-messager est anti- parallèle et complémentaire du brin anti-sens. Le brin anti-sens sert donc de support pour la synthèse d’ARNm. À la fin, l’ARNm aura le même sens que le brin sens et la même séquence (sauf T et U). 5.6 Terminaison de la transcription La terminaison se fait grâce à une enzyme : l’endonucléase, qui va venir cliver 15 à 30 nucléotides en aval du signal de polyadénylation (séquence AAUAAA). Au niveau de l’extrémité 3’ de l’ARN pré-messager, l’adénylate transférase ajoute une queue poly(A) d’environ 200 résidus adénylates. 5.7 Modifications de l’ARN pré-messager Extrémité 5’ : coiffe Extrémité 3’ : queue poly(A) La coiffe est une 7-méthylguanosine. Elle est ajoutée très tôt au cours de la transcription. La queue poly(A) est ajoutée à la fin de la transcription. La coiffe et la queue protègent l’ARNm de la dégradation par les exonucléases et facilitent la traduction. La queue est importante dans l’exportation de l’ARNm dans le cytoplasme. - 17 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 6 Épissage 6.1 Épissage : élimination des introns Le processus d’épissage permet de convertir l’ARN pré-messager en ARNm mature (dans le noyau). 6.2 Mécanismes L’épissage implique des petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP) qui sont composées de petits ARN nucléaire (snARN) et de protéines ➔ snRNP = snARN + protéine Les snARN sont riches en uridine : les snRNP sont alors nommés de U1 à U6 Les snRNP vont former le splicéosome. Splicéosome = complexe essentiel à l’épissage. Il reconnaît les séquences à épisser et rapproche les 2 extrémités des 2 exons à suturer. Un intron : commence par la séquence GU qui est le site donneur d’épissage se termine par la séquence AG qui est le site accepteur possède un site de branchement A (20 à 40 nucléotides avant AG), contient toujours un nucléotide à adénine 1- Reconnaissance du site donneur d’épissage (GU) par U1 2- Reconnaissance du site de branchement (A) par U2 3- Formation du spliceosome après le recrutement de U4, U5 et U6 (il rapproche les 2 exons à suturer) - 18 - CARPENTIER Emeline Cours n°1 du 12/09/24 GUNS Margot G.Collin 6.3 Mécanisme Le 2’OH du nucléotide à adénine du site de branchement attaque le phosphate 5’terminal de l’intron (coupure du squelette sucre-phosphate). Liaison 2’-5’ phosphodiester entre ce résidu A et le premier nucléotide de l’intron : formation d’un intermédiaire en lasso. Attaque de 3’OH de l’exon 1 sur la liaison phosphodiester entre l’intron et l’exon 2. ➔ Liaison exon1-exon2 et départ de l’intron sous forme de lasso. 6.4 Notion d’épissage alternatif Partie abordée rapidement, et qui sera surement vu avec plus de précision au prochain CM : Gène = exons (séquences codantes) + introns (séquences non codantes) 2 formes d’épissage dans lesquels sont éliminés tous les introns Épissage constitutif : lorsque chaque exon est conservé dans l’ARNm mature Épissage alternatif : lorsque certains exons sont excisés au cours de la maturation des transcrits primaires (ARN pré-messager) - 19 -