Le support de l'info génétique et ses propriétés PDF

1- Le support de l'info génétique et ses propriétés -> Définition de la biologie moléculaire : Biologie moléculaire Discipline scientifique de la vie dont l'objet est la compréhension des mécanismes de fonctionnement de la cell au niv moléculaire et particulièrement au niv de la transmissi...

1- Le support de l'info génétique et ses propriétés -> Définition de la biologie moléculaire : Biologie moléculaire Discipline scientifique de la vie dont l'objet est la compréhension des mécanismes de fonctionnement de la cell au niv moléculaire et particulièrement au niv de la transmission du message génétique et de son expression Désigne également l'ensemble des techniques de la manipulation d'acides nucléiques ADN/ARN, appelées aussi techniques de génie génétique Utile en labo de recherche, industrie pharmaceutique, en médecine, en agronomie, en écologie, sécurité alimentaire, police scientifique A) L'ADN, support de l'information génétique 1- Découverte Découverte de l'ADN en 1869 par Johan Frierich Miescher Théorie de l’hérédité de Mendel quelques années plus tôt Mais pas encore de lien hérédité/ADN À la fin du 19ème il est admis que l’hérédité est portée par les chromosomes. Néanmoins on pense qu’elle est portée par les protéines et que l’ADN est trop simple Expérience de transformation de fred griffith en 1928 La nature de Facteur transformant découvert en 1944 par les travaux d'Oswald Avery Ce facteur = ADN Il faut attendre le début des années 50 et l’élucidation de la structure de l’ADN en double hélice (Watson et Crick) pour que la communauté scientifique admette que l’ADN est le support de l’hérédité 2- Structure de l'ADN cf prérequis MADOC 3- Quelques caractéristiques essentielles de l'information génétique L'information contenue dans le génome est portée par les GENES (exprimés via la transcription en ARN) ARN codant traduit en pz ARN non codants ARN ribosomique, ARN de transfert l'ADN est organisé en chromosomes conservation de l'information génétique : transmission de l'information génétique : la réplication altérée par recombinaison ou mutations évolution des espèces expression de l'info génétique transcription traduction  Conservation de l'info génétique Expression de l'info génétique B) Universalité de l'ADN en tant que support de l'information génétique -> Excepté chez certain virus, le support de l'info génétique = ADN double brin Cas particulier : les virus Le génome : une ou plusieurs molécules d'ADN virus à ADN ou d'ARN virus à ARN simple ou double brin linéaire ou circulaire protégé au sein d'un particule ou capside de nature protéique  ne remplissent pas tous les critères du vivant : ils sont acellulaires et ne se reproduisent qu'en infectant des cell vivantes cell hôtes dans lesquelles ils injectent leur génome. Ils utilisent donc la machinerie cellR de la cell hôte pour se reproduire le génome viral existe au moins dans une des phases de son cycle sous la forme dun ADN double brin procaryote : bactériophage eucaryote : virus des cell eucaryote -> Ce qui diffère d'une espèce à l'autre : localisation nb de molécules d'ADN longueur forme linéaire ou circulaire séquence ARCHITECTURE DIFF Zoom sur les procaryote : Bactéries vs Archées êtres vivants unicellR 2 groupes très diff possédant des caractéristiques génétiques et biochimiques diff Procaryote vs Eucaryote rappel Définitions nucléus = noyau, nucleolus = nucléole, mitochondrion = mitochondrie, ribosome = ribosome, nucleoid = nucléoïde, cell membrane = membrane cellR, cell wall = paroi cellR capsule = capsule 1- Localisation des génomes Pas de noyau : l’ ADN est libre dans le cytoplasme (souvent ancré en un ou plusieurs points de la membrane plasmique). On appelle nucléoïde la région d'un cell procaryote qui contient l'ADN Attention On trouve parfois aussi pas tj des petites molécules d'ADN double-brin circulaires de qlq milliers de paire de bases : les plasmides présence de gènes supplémentaire non essentiels qui peuvent conférerun avantage résistance aux antibiotiques ou capacité d'utiliser des composés complexes tels que les toluène comme source de carbone peuvent être transmis d'une bactérie à une autre être vivants unicell levure ou pluricellR - génome nucléaire : l'ADN est situé dans le noyau et forme avec des pz basiques qui lui sont associées les histones les chromosomes = 1 seule molécule linéaire d'ADN par chromosome il existe des formes diff prises par cette molécule : repliements, enroulements NB : La chromatine : ex chez l'homme NB : pas d'histone chez les bactéries mais présence de pz structurantes => présence chez les Archées 2- Nb et formes des génomes E. Coli - plusieurs chromosomes - 1 seule chromosome pas de lien entre le nb de chrom et la complexité - circulaire de l'organisme -> 46 pour H -> 48 pour chimpanzé -> 16 pour levure  -> 1200 pour fougère - Linéaire - La plupart sont diploïdes 2 copies de chaque chro 3- Tailles de génomes corrélation taille/complexité de l'organisme imparfaite : des organismes avec des complexité équivalente peuvent avoir des tailles de génome très diff *ex : le genome de la drosophile est 35x + petit que celui de la sauterelle le nb de gènes mais surtout la densité génique sont mieux corrélés à la complexité des organismes 4- Comparaison de 50kb de diff génomes gènes eucaryotes morcelés C) Le génome procaryote ex : E. Coli taille 4,6E10^6 pb 4400 gènes identifiés compacte contient très peu d'ADN non codant peu d'espace entre les gènes = 11% gènes non morcelés pas d'introns présence d'opéron exprimé comme une seule unité (600 chez E. Coli) La grade majorité de cet ADN code pour des pz ou des ARN non codants essentiels la majorité des séquences non codantes sont impliquées dans la régulation transcriptionnelle contient qlq séquence répétées ex : séquences d'insertion IS Elements transportables transposons : gènes sauteurs Identifiées dans les années 1940 par Barbara McClintock (Prix Nobel en 1983). Travaux sur Mais : couleurs différentes ? Motif aléatoire dans un épi de maïs ? Séquences d’ADN capables de se déplacer de manière autonome (transposition) Rôle fondamental dans l’évolution et la plasticité des génomes (taille structure fonction) / variabilité génétique inter-individuelle = "semence de l'évolution", ils accroissent les potentiels évolutifs des organismes effet mutagène possible insertion dans séquence codant d'un gène une centaine de maladies génétiques associées à l'activité de transposons chez l'H équilibre complexe établi au cours de l'évolution entre les éléments transposables et leur hôte origine incertaine de ces éléments. Proximité phylogénétique avec le monde des virus : deux hypothèses séquences très anciennes qui ont pu précéder les premiers organismes ou séquences qui « ont pris leur autonomie» et émergées des génomes. Focus sur le génome bactérien ex : E. Coli Génome E. Coli > 20 IS diff - chaque élément IS est répété plusieurs fois - nb et la position varient entre 2 clones d'E. Coli Ces séquences répétées sont en fait des éléments mobiles ou transposons 2 mécanismes de transposition utilisé par les transposons ADN Ex d'élements mobiles procaryotes = transposon ADN Séquence d'insertion Transposon composite Transposon type Tn3 gènes codant la 1 paire l’élément IS autour pas d’IS Transposase + transposase = enzyme d’une région contenant un résolvase responsable de la ou plusieurs gène transposition D- Génome Eucaryotes génome humain 📈 de la taille des gènes 📈 des séquences d'ADN entre les gènes = séquences intergéniques gènes morcelés ie entrecoupés d'introns les gènes ne représentent qu'une petite proportion des chromosomes 1- Les chromosomes/ les caryotypes Lors de la division cellulaire, le chromosome en métaphase présente une forme très condensée de chromatine et on peut les visualiser de façon individuelle: dessin X: chromosome en métaphase= après réplication et avant séparation = 2 futures chromosomes attachés par le centromère Les chromosomes classés en fonction de la taille et de l’index centromérique (rapport entre la taille du bras court et la taille totale du chromosome) métacentriques : 2 bras de tailles équivalente (Chrl) submétacentriques : bras court + petit (Chr4) acrocentriques : bras court très court (Chr 13) Hétérochromatine constitutive : très compacte pas ou peu de gènes transcrits. Rôle structure ? rDNA une unité de transcription pour 28S, 18S et 5,8S. répétée en tandem 250 fois: 5x50 sur les bras courts des chromosomes 13,14,15,21 et 22. - 5S : 2000 copies en 3 clusters sur le chromosome 13, 14, 15, 21 et 22 5S : 2000 copies en 3 clusters sur le chromosome 1 centromère ; nécessaires à la ségrégation des chromosomes (guide formation kinetochore) contiennent des séquences répétées (taille 171pb chez l'homme), peu de gènes Télomère marquent l’extrémité des chromosomes :centaines de répétitions de TTAGGG Example Le centromère sépare le bras court (noté p) du bras long (noté q) colorations : bande + sous bandes Locus : région précise d'un chromosome : ex : gène x se trouve en 4q21.3 = locus d'un gène N° chromosome : 4 bras : q (long) position par rapport au centromère : 21.3 Premier chiffre ex : 21 : région définit par des repère structuraux Deuxième chiffre ex : 3 : nombre de bandes visualisés par coloration La numérotation se fait du centromère vers le télomère et permet de nommer des position précises sur le chromosome 2- Organisation du génome nucléaire Eucaryotes -> Le génome eucaryote est composé de : Gènes (présence de séquences codantes ou ARN essentiels): les gènes uniques, les familles de gènes, les gènes répétés en tandem. séquences non codantes : Pseudogènes et autres reliquats de l'évolution, Séquences répétées : répétitions dispersées et répétitions en tandem. A) Les gènes Dans les organismes pluricellulaires, 25 à 50% des gènes ne sont représentés qu'une seule fois (en deux exemplaires pour un organisme diploïde comme l'homme) : Gènes uniques Example Gène unique : lysozyme de la poule Région de 50-60Kb : 1 seul gène de 15 kb (4 exons, 3 introns) ARNm mature (sans les introns) : 0,6kb Pas d'autres séquences Alu, qui est une séquence répétée non codante d'environ 300pb qui l'on retrouve abondamment dans le génome humain. Elles font partie des répétitions dispersées dont on reparlera plus tard -> gènes uniques (25-50%) -> gènes répétés - en cluster IE regroupés et répétés en tndem à la suite - dispersés beaucoup plus rare : non regroupés et dispersés dans le génome - gènes peuvent appartenir à une même famille comrpotant 2 ou plusieurs gènes similaires Gènes répétés : famille de gènes Un ensemble de gènes dupliqués codant pour des pz similaires mais non identiques forment une famille de gène gènes dupliqué : 50% des gènes chez les vertébrés autour d'un gène donné (5-10Kb) : séquence qui sont similaires mais pas identiques =>Apparues par duplication d'un gène ancestral Example Hémoglobine adulte α2 β2 (2 chaines de types α, 2 chaines de types β) chaine type α /// chaine de types β ϟ zeta /// ɛ espilone α /// γ (γAγB gamma) /// δ delta /// β Structure des gènes globines chez l'homme def chaine Chaque chaîne est codée par un gène Cluster des α- globines chrom 16 Cluster des β- globines chrom 11 Pseudogènes  séquences ressemblant aux gènes ϟ, α ou β, mais gènes non fonctionnels, ne codent pas de protéines globines Origine des diff variants de gènes : Duplication/Divergence Ces multiples gènes globines se sont formés au cours de l'évolution à partir d'un gène ancestral unique via des duplications et divergences Conséquence de mutations ponctuelles touchant la séqueence codante Gènes répétés en tandem : Exemple des gènes codant pour les histones Example Histone : besoin en grande quantité dans les cell encaryotes Organisation caractéristique : gènes regroupés pour former un cluster ce cluster se répète plusieurs fois c'est le cas pour tous les gènes répétés en tandem  Example Gènes répétés dispersés Gènes codant pour les ARN ribosomique (ARNr) Unité transcription ADNr 13Kb 250 copies réparties sur 5 chromosomes (5x50) homme chromosomes acrocentriques = 13, 14, 15, 21, 22 ADNr 5S : 2000 copies sur le Chr 1 - 3 cluster homme Autres ex : ARN de transfert (ARNt) Chez l'homme environ 20 copies de gène de chaque tRNA plys de 60 tRNA Famille de gènes dispersés Une trentaine de gènes chez les vertébrés supérieurs Ex : Actines, Tubulines B) Pseudogènes & Fragments de gènes Pseudogène conventionnel /modifié Conventionnel Modifié -> En plus de ces pseudogènes, les génomes contiennent également d'autres vestiges de l'évolution sous la forme de : - gènes tronqués auquel il manque un fragment +/- long une des extrémité - fragment de gènes provenant de l'intérieur d'un gène Ils proviennent de dupliction et/ou translocation d'un gène C) Les séquences intergéniques Gènes et séquences associés -> Séquences en dehors des gènes = séquences intergéniques = séquence non codantes Séquences répétées -> les séquences répétées se retrouvent dans tous les organismes et peuvent occuper une place importante du génome : 40% chez l'homme -> 2 types de répétitions - répétitions dispersées - répétitions en tandem Séquences répétées en tandem = ADN satellite Infos image ADN génomique fractionné par centrifugation sur un Gradient de densité Cesium : Bande principale vers 1,701 3 bandes satellites au dessus contenu en GC atypique Composée essentiellement de séquences répétées  Nom Images Nb NB loci répétitions Satellite 103-106 1à2/ chrom Minisatellite (VNTR) 10 à 1 000 des Variable number of milliers Tandem Reapeat Microsatellite (STR) 10 à 100 > 105 Short Tandem Repeat Empreintes génétiques : Utilisation des mini- et micro- satellites Les mini et microsatellites sont toujours localisés au même endroit pour tous les individus. Le nombre de répétitions, donc la longueur de ces satellites, varie d'un individu à l'autre. Si on regarde plusieurs satellites, on peut donc déterminer un profil pour un individu donné = empreinte génétique 2 chiffes à chaque fois car l'homme est diploïde : un satellite sur chaque chromosome homologue -> Ce sont des éléments mobiles - transposons - rétrotransposons Eléments transposable de classe II ou transposons Les transposons existent chez les procaryotes et les eucaryotes. Déjà vu pour les procaryotes. Il existe chez les eucaryotes des séquences mobile ayant des comportement similaires aux transposons Ex : gène de la transposase avec promoteur eucaryote, gènes ave introns Ce sont des éléments à ADN. Ils sont dits éléments transposables de classe II ou transposons Rétrotransposons on les trouve que chez les eucaryotes ils sont + fréqents que les transposons ADN se transposent sous forme d'ARN De ce fait ils présentent des élements communs aux rétrovirus -> Les rétrovirus ce ne sont pas des transposons, ils sont étranger au génome virus des cell eucaryotes leur génome est constitué d'ARN ex : HIV s'intègrent sous forme d'ADN dans le génome de la cell hôte gag : code pour des pz virale env : code pour les pz de l'enveloppe LTR : Long Terminal Repeat séquences terminales répétées pol : code pour la réserve transcriptase et l'integrase 2 enzymes Rétrotransposons : Transposons de classe I -> Le déplacement d'un rétrotransposons nécessite : une transcriptions d'ADN en ARN  une réserve transcription d'ARN en ADNc On distingue les rétrotransposons de type I : élément avec LTR les rétrotransposons de type II : sans LTR : LINE et SINE -> Les rétrotransposons de type I ressemblent au rétrovirus LTR codent pour une Reverse Transcriptase -> Les rétrotransposons de type II ! PAS DE LTR LINE = Long Interspered Nuclear Element  gène proche d'un transcriptase réverse, probablement impliqué dans le processus de rétrotransposition SINE = Short Interspersed Nuclear Element pas de gènes de transcriptase réverse mais peuvent quand même se transposer, sans doute en empruntant la transcriptase réverse synthétisé par d'autres rétroéléments. Line-1 chez l'homme (6,1kb) - 516 000 copies Séquence Alu, 1 million de copies, 5% génome humain Parmi toutes ces copies d'éléments LINE et SINE, on pense que seule qlq rares copies sont capables de se transposer