Cours 1: L’unité du vivant 2023 (PDF)

1. L’unité du vivant 4 Chapitres 1.1. ADN et Génome 1.2. La cellule, unité fonctionnelle de base du vivant 1.3. Reproduction, conformité et variation 1.4. Classification et évolution du vivant 1.5. Conclusion : Qu’est-ce que le vivant ?...

1. L’unité du vivant 4 Chapitres 1.1. ADN et Génome 1.2. La cellule, unité fonctionnelle de base du vivant 1.3. Reproduction, conformité et variation 1.4. Classification et évolution du vivant 1.5. Conclusion : Qu’est-ce que le vivant ? 1  1. Unité du vivant 1.1. ADN et génome 1.1.1. Introduction 1.1.2. Les acides nucléiques 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire 1.1.4. Gène 1.1.5. Génomes 1.2. La cellule, unité fonctionnelle de base du vivant 1.3. Reproduction, conformité et variation 1.4. Classification et évolution du vivant 1.5. Conclusion : Qu’est-ce que le vivant ? 2 1.1.1. Introduction Unité chimique du vivant L’ADN est le support de l’information génétique chez tous les êtres vivants actuels Les acides nucléiques (ADN, ARN), et les protéines sont : − des hétéropolymères orientés formant des séquences, A B A≠B Séquence = suite ordonnée de monomères capable de porter une information, une fonction. − présents et synthétisés par tous les êtres vivants, − reliés entre eux par le code génétique (la correspondance entre les séquences nucléotidiques des ADN et des ARN, et celles, en acides aminés, des protéines). Les virus échappent à certaines de ces règles, ce qui alimente le questionnement quant à leur place dans le Vivant 3 1.1.2. Les Acides Nucléiques Représentation simplifiée d’un nucléotide = unité de base des acides nucléiques Base azotée Liaison phosphoester Phosphate Sucre Exemple de nucléotide, l’AMP (adénosine monophosphate) : 7 6 5 1 8 2 Extrémité 5’-P 4 9 3 Extrémité 3’-OH 4 1.1.2. Les Acides Nucléiques Polymérisation des nucléotides par liaison phosphoester entre C-5’-P et C-3’-OH 7 5 6 Extrémité 5’ - P 1 7 6 8 5 1 4 2 8 9 3 2 4 9 3 Nucléotide 1 Formation d’une seconde O 7 6 5 7 5 6 1 liaison phosphoester 8 1 2 8 4 2 9 3 4 9 3 Nucléotide 2 Extrémité 3’ - OH Polymère de nucléotides liés par des liaisons diester : Séquence nucléotidique orientée 5’à 3’ 5 Liaison phosphoester 1.1.2. Les Acides Nucléiques Les cinq bases azotées Pyrimidine Cytosine (C) Uracile (U) Thymine (T) Purine Adénine (A) Guanine (G) Noter que les pyrimidines présentent de fortes similitudes, ainsi: l’uracile est une cytosine désaminée l’uracile est une thymine déméthylée 6 1.1.2. Les Acides Nucléiques Les sucres (pentoses cycliques) Carbone 5’ Carbone 5’ 2’ 2’ Carbone 3’ Carbone 3’ 2-Désoxyribose (àADN) Ribose (àARN) 7 1.1.2. Les Acides Nucléiques Les séquences Convention d’écriture: la séquence s’écrit de 5’à 3’ Notation abrégée: TGCAT 8 1.1.2. Les Acides Nucléiques Notion de séquences complémentaires 1. Complémentarité des deux brins de la molécule d’ADN …….. Liaisons Hydrogène ADN brin 1 5’ ATGCTTTAGGCTT 3’ Guanine - Cytosine Association stable des 2 ADN brin 2 3’ TACGAAATCCGAA 5’ brins 2. Complémentarité des séquences ADN - ARN ADN: 5’ ATGCTTTAGGCTT 3’ Adénine - Thymine Transcription ARN 3’ UACGAAAUCCGAA 5’ 3. Complémentarité de fragments des séquences ARN Adénine - Uracile ARN1 5’ AUGCUUUAGGCUU3’ Repliement en tête ARN1 3’ UACGAAAUCCGAA 5’ d’épingle 9  Structure de l’ADN Prix Nobel de Physiologie ou Médecine (1962) 1.1.2. Les Acides Nucléiques Bilan ADN vs ARN Rosalind Franklin (1920-1958) ADN Francis CRICK James WATSON Maurice WILKINS ARN 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ Bicaténaire Monocaténaire 10 (Double hélice) 1.1.2. Les Acides Nucléiques Les séquences d’acides nucléiques sont notamment affectées par: 1. Autohydrolyse de la liaison 2. Désamination spontanée de phosphoester (ARN seulement) la cytosine Détectable et corrigible dans l’ADN ATCTT ð ATUTT TAGAA TAGAA Indétectable et donc non corrigible dans l’ARN : AUCUU ð AUUUU La séquence d’ADN est plus stable que celle de l’ARN car: l’ADN est bicaténaire l’ADN est constitué de désoxyribose la thymine remplace l’uracile dans la séquence d’ADN L’ADN constitue donc un meilleur support de l’information génétique 11  1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire ADN ARN PROTEINE support de l’information forme fonctionnelle de "acteur" des fonctions génétique = génome l’information génétique biologiques 5’ 3’ 5’ NH2 Réplication Transcription Traduction (ADN polymérase) (ARN polymérase) (Ribosomes) ADN → ADN ADN → ARN ARN → PROTEINE COOH 3’ 5’ 3’ En vidéo, sur Khan académie, en français: https://youtu.be/6GUymNVbhgc 12 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire Analogie illustrative Disque dur (ROM) Barrette de mémoire vive (RAM) Imprimante accès rapide et stockage pérenne produit issu de provisoire à une de l’information l’exploitation de information modifiable l’information stockée ADN ARN Protéine Stable, conservé, Labile, transitoire, non corrigé Maitresse du corrigé Transmetteur d’informations fonctionnement du Support de l’hérédité modulables vivant Amplificateur de diversité Actrice et régulatrice 13 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire Vocabulaire Réplication Synthèse d’ADN à partir d’ADN (copie) catalysée par l’enzyme ADN polymérase Transcription Synthèse d’ARN à partir d’ADN catalysée par l’enzyme ARN polymérase Traduction Synthèse d’un peptide à partir d’ARN messager grâce aux ribosomes (ARNr et protéines ribosomiques) et aux ARNs de transfert (ARNt) Ces trois mécanismes concernent des polymères orientés formant des séquences liées entre elles par complémentarité de séquence ou par le code génétique L’universalité du "dogme" (F. Crick, 1958) apparente toutes les espèces vivantes et permet l’expression de gènes de végétaux ou d’animaux dans des bactéries ou des champignons et vice-versa. 14 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire Protéines macromolécules biologiques les plus abondantes elles sont constituées d’un ou plusieurs polymères (= polypeptides) d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (= liaisons amides) les séquences protéiques sont orientées et caractéristiques du gène à partir duquel elles sont traduites. elles ont de nombreux rôles dans : ü Métabolisme: Enzymes (catalyseurs) ü Transport cellulaire (ex: T. transmembranaire / compartimentation cellulaire) ü Organisation structurale et mécanique de la cellule (ex: cytosquelette) ü Communication (ex: perception et réponse aux signaux endogènes et environnementaux (récepteurs, transduction des signaux, facteurs de transcription) ü Stockage (ex: Réserves nutritives) ü Défense (ex: immunité) ü Etc.… 15 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire Acide aminé Formule générale d’un acide aminé R = chaîne latérale Fonction Fonction acide: basique: groupe carboxyle groupe amine ou ou C-terminal N-terminal Forme non-ionisée Forme ionisée 16 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire Les 20 acides aminés (AA) universels diffèrent par leur AA acides chaine latérale (ionisables) AA basiques AA polaires (ionisables) (non ionisables) AA non polaires (hydrophobes) Selon le type d’acide aminé (AA ionisables, AA hydrophobes) constituant la séquence, le peptide aura des propriétés fonctionnelles différentes 17 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire => Polymérisation des acides aminés par une liaison peptidique entre les groupements –COO- et –NH3+. Une protéine possède de quelques dizaines à quelques milliers d’acides aminés. extrémité C- extrémité N- terminale terminale Liaison peptidique Convention d’écriture : Les polypeptides sont orientés de l’acide aminé N-terminal à l’acide aminé C-terminal. Les propriétés fonctionnelles des protéines découlent de leur structure spatiale et de leurs interactions avec les molécules de leur environnement. 18 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire Le code génétique: traduire un ARNm donné en une protéine spécifique et fonctionnelle Il permet la conversion (= la traduction) d’une séquence donnée de nucléotides en une séquence donnée d’acides aminés Une séquence de trois nucléotides successifs forme un codon qui porte l’information pour un acide aminé donné Le code génétique est dit « dégénéré » (ou « redondant »), car un acide aminé donné peut être codé par plusieurs codons (il y a 43 = 64 codons mais seulement 20 acides aminés). 19 1.1.3. Le "dogme" central de la biologie moléculaire Le code génétique: traduire un ARNm donné en une protéine spécifique et fonctionnelle L’ARNm est lu par des ribosomes codon après codon. Cette lecture se fait dans le sens 5’ à 3’ à partir du site d’initiation de la traduction (codon AUG). Ce codon définit un cadre de lecture pour former une protéine spécifique et fonctionnelle. CAGUGGAGUGCGGUU = (Campbell) 20 1.1.4. Gène Gène - Définition séquence (fragment) d’ADN génomique produisant un ARN fonctionnel unité de base de l’information génétique Gène – Structure et expression Promoteur Unité de transcription Terminateur ADN Fixation de Libération de Transcription l’ARN polymérase l’ARN polymérase Initiation de la Fin de la transcription transcription ARN ARN non codant ARN messager 5’ 3’ Non traduit Séquence codante Non traduit Nombreuses fonctions (ARN ribosomiques, ARN de transfert, micro ARN, etc…) Traduction Protéine 21 1.1.5. Génome Génome: ensemble du matériel génétique d'un organisme, support de l’hérédité (ADN, voire ARN chez certains virus). → séquences codantes (transcrites en ARN messagers et traduites en protéines) et non-codantes (non transcrites, ou transcrites en ARN, mais non traduites). Composition du génome humain Séquences codantes (introns compris) 59% Séquences 15% non codantes uniques 26% Séquences non codantes répétées 22 1.1.5. Génome Génome: ensemble du matériel génétique d'un organisme, support de l’hérédité (ADN, voire ARN chez certains virus). Archées / Bactéries Champignons / Algues Animaux (Métazoaires) Plantes 106 107 108 109 1010 1011 Méga Giga Taille des génomes (pb) Mycoplasma genitalium: 0,6 Mpb Escherichia coli: 4,7 Mpb Saccharomyces cerevisiae (levure): 14 Mpb Drosophila melanogaster (drosophile): 144 Mpb Homo sapiens (homme): 3 200 Mpb Picea glauca (épinette blanche): 25 000 Mpb 23  1.1.5. Génome Coût moyen du séquençage d’un génome humain 100 M$ ɪ 2002 ɪ 2004 2006 ɪ 10 M$ 2008 ɪ Méthodes 1 M$ NGS 100 000 $ Pennisi (2014) DNA Sequencers Still Waiting for the Nanopore Revolution. Science 2010 ɪ La Plateforme Génome Transcriptome de Bordeaux, un laboratoire spécialisé sur les 10 000 $ applications du séquençage et du génotypage 2012 ɪ ɪ 2014 _ Méthode nanopore E. Hayden (2014) The $1,000 genome. Nature 1000 $ 24 1.1.5. Génome GGAAGGAGCCATAGCCCAGGCAGGAGGGCTGAGGACCTCTGGTGGCGGCCCAGGGCTTCCAGCATGTGCCCTAGGGGAAGCAGGGGCCAGCTGG CAAGAGCAGGGGGTGGGCAGAAAGCTGGCACGCCGCCTGCTGGCAGCTAGGGACATTGCAGGGTCCTCTTGCTCAAGGTGTAGTGGCAGCACGC CCACCTGCTGGCAGCTGGGGACACTGCCGGGCCCTCTTGCTCCAACAGTACTGGCGGATTATAGGGAAACACCCGGAGCATATGCTGTTTGGTC TCAGTAGACTCCTAAATATGGGATTCCTGGGTTTAAAAGTAAAAAATAAATATGTTTAATTTGTGAACTGATTACCATCAGAATTGTACTGTTC TGTATCCCACCAGCAATGTCTAGGAATGCCTGTTTCTCCACAAAGTGTTTACTTTTGGATTTTTGCCAGTCTAACAGGTGAAGCCCTGGAGATT CTTATTAGTGATTTGGGCTGGGGCCTGGCCATGTGTATTTTTTTAAATTTCCACTGATGATTTTGCTGCATGGCCGGTGTTGAGAATGACTGCG CAAATTTGCCGGATTTCCTTTGCTGTTCCTGCATGTAGTTTAAACGAGATTGCCAGCACCGGGTATCATTCACCATTTTTCTTTTCGTTAACTT GCCGTCAGCCTTTTCTTTGACCTCTTCTTTCTGTTCATGTGTATTTGCTGTCTCTTAGCCCAGACTTCCCGTGTCCTTTCCACCGGGCCTTTGA GAGGTCACAGGGTCTTGATGCTGTGGTCTTCATCTGCAGGTGTCTGACTTCCAGCAACTGCTGGCCTGTGCCAGGGTGCAAGCTGAGCACTGGA GTGGAGTTTTCCTGTGGAGAGGAGCCATGCCTAGAGTGGGATGGGCCATTGTTCATCTTCTGGCCCCTGTTGTCTGCATGTAACTTAATACCAC AACCAGGCATAGGGGAAAGATTGGAGGAAAGATGAGTGAGAGCATCAACTTCTCTCACAACCTAGGCCAGTAAGTAGTGCTTGTGCTCATCTCC TTGGCTGTGATACGTGGCCGGCCCTCGCTCCAGCAGCTGGACCCCTACCTGCCGTCTGCTGCCATCGGAGCCCAAAGCCGGGCTGTGACTGCTC AGACCAGCCGGCTGGAGGGAGGGGCTCAGCAGGTCTGGCTTTGGCCCTGGGAGAGCAGGTGGAAGATCAGGCAGGCCATCGCTGCCACAGAACC CAGTGGATTGGCCTAGGTGGGATCTCTGAGCTCAACAAGCCCTCTCTGGGTGGTAGGTGCAGAGACGGGAGGGGCAGAGCCGCAGGCACAGCCA AGAGGGCTGAAGAAATGGTAGAACGGAGCAGCTGGTGATGTGTGGGCCCACCGGCCCCAGGCTCCTGTCTCCCCCCAGGTGTGTGGTGATGCCA GGCATGCCCTTCCCCAGCATCAGGTCTCCAGAGCTGCAGAAGACGACGGCCGACTTGGATCACACTCTTGTGAGTGTCCCCAGTGTTGCAGAGG TGAGAGGAGAGTAGACAGTGAGTGGGAGTGGCGTCGCCCCTAGGGCTCTACGGGGCCGGCGTCTCCTGTCTCCTGGAGAGGCTTCGATGCCCCT CCACACCCTCTTGATCTTCCCTGTGATGTCATCTGGAGCCCTGCTGCTTGCGGTGGCCTATAAAGCCTCCTAGTCTGGCTCCAAGGCCTGGCAG AGTCTTTCCCAGGGAAAGCTACAAGCAGCAAACAGTCTGCATGGGTCATCCCCTTCACTCCCAGCTCAGAGCCCAGGCCAGGGGCCCCCAAGAA AGGCTCTGGTGGAGAACCTGTGCATGAAGGCTGTCAACCAGTCCATAGGCAAGCCTGGCTGCCTCCAGCTGGGTCGACAGACAGGGGCTGGAGA AGGGGAGAAGAGGAAAGTGAGGTTGCCTGCCCTGTCTCCTACCTGAGGCTGAGGAAGGAGAAGGGGATGCACTGTTGGGGAGGCAGCTGTAACT CAAAGCCTTAGCCTCTGTTCCCACGAAGGCAGGGCCATCAGGCACCAAAGGGATTCTGCCAGCATAGTGCTCCTGGACCAGTGATACACCCGGC ACCCTGTCCTGGACACGCTGTTGGCCTGGATCTGAGCCCTGGTGGAGGTCAAAGCCACCTTTGGTTCTGCCATTGCTGCTGTGTGGAAGTTCAC TCCTGCCTTTTCCTTTCCCTAGAGCCTCCACCACCCCGAGATCACATTTCTCACTGCCTTTTGTCTGCCCAGTTTCACCAGAAGTAGGCCTCTT CCTGACAGGCAGCTGCACCACTGCCTGGCGCTGTGCCCTTCCTTTGCTCTGCCCGCTGGAGACGGTGTTTGTCATGGGCCTGGTCTGCAGGGA (2395 b) annotation du génome à Besoin de la bioinformatique 25 1.1.5. Génome La connaissance du génome d’une espèce donnée se fait par le séquençage progressif d’un grand nombre d’individus de la même espèce Exemple chez les microorganismes: 26