Chapitre 1: Concepts de base PDF

l'UE Cytogénétique et Anatomie pathologique Code UE : LBTM/UEO410 ECUE N°1 : Cytogénétique Objectifs de l’ECUE La cytogénétique est l’union de la cytologie (science qui étudie les cellules) et de la génétique...

l'UE Cytogénétique et Anatomie pathologique Code UE : LBTM/UEO410 ECUE N°1 : Cytogénétique Objectifs de l’ECUE La cytogénétique est l’union de la cytologie (science qui étudie les cellules) et de la génétique (science qui étudie la transmission des caractères à travers les générations). Etant donné que la transmission des caractères au niveau cellulaire se fait via les gènes qui sont portés par les chromosomes, la cytogénétique permet ainsi d’étudier le matériel génétique au niveau cellulaire c’est-à-dire étudier les chromosomes. Cet enseignement vise donc à : ✓ Reconnaitre et classer les chromosomes en vue d’établir un caryotype ✓ Connaitre les anomalies chromosomiques ainsi que les mécanismes cytologique sou jacents ✓ Traduire le caryotype par la formule chromosomique correspondante ✓ Connaitre les progrès en cytogénétique moléculaire ainsi que les principales applications.  Chapitre 1 Concepts de base: Structure et fonction de l’ADN Le Genome Humain et Chromosomes Structure des Acides nucléiques  Structure de l’ADN ADN : L’acide désoxyribonuléique est constitué de : ▪ deux longs polymères d’unités simples appelées nucléotides (chaînes polynucléotidiques) ▪ ▪ Un nucléotide est composé de 3 composants 1) Sucre de carbone (pentose) 2) Base azotée 3) Groupe phosphate Sucre 2’-deoxy-D-ribose Ribose (5 carbone) Liaisons covalentes de la base avec 1' de carbone Liaisons covalentes du phosphate avec le carbone 5' Désoxyribose (H sur carbone 2') – ADN  Bases azotées Pyrimidines Purines To 1’ carbon of either sugar To 1’ carbon of either sugar To 1’ carbon of To 1’ carbon of either sugar either sugar Groupement phosphate http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c4/Phosphate_Group.PNG/170px-Phosphate_Group.PNG http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c4/Phosphate_Group.PNG/170px-Phosphate_Group.PNG - - Formule structurale du groupe fonctionnel acide phosphorique telle que trouvée dans une solution aqueuse faiblement acide. Dans les solutions aqueuses plus basiques, le groupe donne les deux atomes d’hydrogène et s’ionise en tant que groupe phosphate avec une charge négative qui donne à l’ADN sa charge négative Nucleotide : Nucleoside + Phosphate Nucleoside : Sucre monomère + base Liaison N-glycosidique : Relie la base azotée au pentose C1' Liaison ester : Relie le groupe phosphate au pentose C5' Un polynucléotide : est une série de nucléotides liés les uns aux autres. (dinucléotide = 2 nucléotides) Les nucléotides sont liés entre eux par des liaisons covalentes phosphodiester entre 5' et 3' carbones de sucres pentoses. Le polynucléotide ou brin d’ADN a une polarité ou une orientation : 5’ end Extrémités 5' et 3' 5' : correspond au carbone 5' non lié du désoxyribose à une extrémité 3' : correspond au carbone 3' non lié du désoxyribose à une extrémité Cette association nucléotidique détermine la séquence du brin lu par les bases correspondantes La séquence se lit de 5' à 3' : TCA......... 3’ end  Double hélice ◼ L’ADN est composé de 2 brins complémentaires et antiparallèles qui forment une forme de double hélice. ◼ Les brins s’enroulent les uns autour des autres dans une direction droite ◼ Les brins sont stabilisés par liaison hydrogène entre des bases complémentaires formant des paires de bases ◼ Les paires de bases sont ◼ A est complémentaire à T et forme 2 liaisons hydrogène ◼ G est complémentaire à C et forme 3 Liaisons hydrogène ◼ Les paires de bases sont à l’intérieur de l’Helice ◼ Structurellement, les purines (A et G) se marient mieux avec les pyrimidines (T et C) ◼ Ainsi, A s’apparie avec T et G avec C, expliquant également les rapports de Chargaff  Principales caractéristiques 20 Å GC Hélice double brin AT Anti-parallèle Appariement de base CG TA complémentaire Bases à l’intérieur Minor Groove 34 Å AT Diamètre uniforme GC TA Groove majeur et mineur Major 1A = 0.1nm = 10-10 TA Groove mètres 3.4 Å CG AT Strands are antiparallel GC CG GC ▪ Trois types de structure tridimensionnelle de l’ADN peuvent être observés: B, A et Z. ▪ La structure B est la plus observée: ADN-B ◼ Hélice droitière ◼ Largeur intermédiaire ◼ plans des paires de bases presque perpendiculaires à l’axe de l’hélice  Structure de l’ARN ARN: L’acide ribonuléique est similaire chimiquement à l’ADN avec quelques différences: Il ne s’agit généralement que d’un seul brin. Désoxyribose remplacé par le ribose La thymine (T) est remplacée par l’uracile (U) Comparaison de la structure de l’ADN et de l’ARN  Acide nucléique : Porteur d’informations génétiques De nombreuses expériences et travaux de recherche ont démontré une structure différente du matériel génétique Genetic Bacteria Viruses Eukaryotes Material ADN double circulaire Circulaire Linéaire brin Linéaire AND simple - Circulaire - brin Linéaire ARN double - Circulaire - brin Linéaire ARN simple - Circulaire - brin Linéaire Genome: Toute l’information génétique et le matériel héréditaire possédés par un organisme. Les humains et de nombreux autres animaux supérieurs ont en fait deux génomes, qui constituent l’ensemble du génome total: - Un génome nucléaire: à l’intérieur du noyau de la cellule sous la forme familière des chromosomes; et - Un génome mitochondrial: à l’extérieur du noyau dans le cytoplasme de la cellule, généralement sous la forme d’un chromosome rond (le chromosome mitochondrial).  GÉNOME NUCLÉAIRE HUMAIN Génome nucléaire 3200 Mo ≈25000 gènes 25% 70% 75% Gènes et gènes Extragénique Séquences connexes ADN 80% 20% 10% 90% Unique ou Modéré à ADN NONCODANT faible hautement ADN CODANT nombre de copie répétitif Pseudogènes fragments Introns, Séquences Séquences répétées de gène Séquences non répétées en dispersées traduites, etc. tandem Gène: Séquence d’ADN responsable d’une fonction ADN extragénique: Séquence d’ADN en dehors des gènes ADN codant: Séquence d’ADN qui peut être traduite en une protéine. ( responsable des fonctions) ADN non codant: Séquence d’ADN sans fonction connue Pseudogène: Copie non fonctionnelle d’un gène Intron: Séquence non traduite d’un gène De l’ADN à l’ADN La réplication de l’ADN suit le modèle semi-conservateur File:DNA replication en.svg De l’ADN aux protéines De l’ADN au chromosome Chromosome: Est une structure au niveau du noyau de la cellule qui porte toute ou une partie de l’information génétique (la molécule d’ADN) Haploide (n) : une cellule ou un organisme qui n’a qu’un seul jeu de chromosomes Diploide(2n) : une cellule ou un organisme qui a deux copies de chaque chromosome (cellule humaine)  Le problème de l’empaquetage ▪1 pb a une taille de 3,4 A = 0,34 nm ▪1 Mb a une taille de 106 x 0,34 nm = 0,34 mm 1. Plus grand chromosome humain : ~ 300 Mb 300Mb a une taille de 300x 0.34 mm = 102 mm = 10.2cm 2. Une cellule typique = 10 μm = 10 x 10-6 m Par conséquent, l’ADN doit être compacté ~104 fois 3. Bactérie E. coli : Environ 0,2 micron de longueur 4 Mb = 1,36 mm d’ADN Par conséquent, l’ADN doit être compacté ~ 6800 fois Chromosomes eucaryotes Chez les eucaryotes, l’empaquetage de l’ADN est très complexe l’ADN est organisé en : - Nucléosome - Nucléosomes emballés, - Boucles d’ADN - Chromatides - Chromosome entier Chromosomes eucaryotes Situé dans le noyau Chaque chromosome est constitué d’une seule molécule d’ADN et de ses protéines associées. Le complexe ADN et protéine présent dans les chromosomes eucaryotes est appelé chromatine La chromatine est constituée de 1/3 d’ADN et 2/3 de protéine Les interactions complexes entre les protéines et les acides nucléiques dans les chromosomes régulent la fonction chromosomique Niveaux d’empaquetage de l’ADN chez les eucaryotes Micrographies électroniques de la chromatine 1. Forme de perles sur corde 2. fibre 30-nm Structure de la chromatine: est une fibre d’ADN sous forme de perle sur une corde : La sous-unité (une perle) correspond à un chromatosome formé par une unité basique : le nucléosome Chromatosome : correspondent à un nucléosome + Histone H1 Nucléosomes: - a un diamètre de fibre de 11 nm - correspondent à une hélice d’ADN de 147 pb enroulée sur le noyau d’histones - Noyau d’histone formé par 2 de chaque H3, H4, H2A, H2B Histone H1: (linker) lie et compacte les nucléosomes Espace internucleosome -Correspond à environ 60 pb d’ADN double hélice  Structure des nucléosomes : Noyau d’histone formé par 2 de chaque H3, H4, H2A, H2B sur lequel l’ADN s’est enroulé. Histone H1 : compacte les nucléosomes Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.  L’ADN est lié par des « queues » d’histones: Les histones contiennent une forte proportion d’acides aminés basiques chargés positivement (arginine et lysine) qui facilitent la liaison de la molécule d’ADN chargée négativement. Acétylation des protéines histones permet l’accès à l’ADN Chromatine superenroulée: Les nucléosomes sont emballés dans une chromatine de fibre de 30 nm La fibre de chromatine de 30 nm est disposée en domaines en boucle de 300 nm attaché à protéine non-histone 300 nm Micrographie électronique du chromosome Boucles d’ADN Structure chromosomique: correspondent à une chromatine condensée de 700 nm qui peut être visualisée en métaphase et correspondent à une Chromatide Le chromosome en métaphase est composé de deux chromatides contenant deux caractéristiques essentielles : – Télomères - Centromères  Centromères et Télomères ◼ Les centromères et les télomères sont deux caractéristiques essentielles de tous les chromosomes eucaryotes. ◼ Chacun offre une fonction unique absolument nécessaire pour la stabilité du chromosome. ◼ Les centromères sont nécessaires pour la ségrégation de l’information génétique pendant la méiose et la mitose. ◼ Les téléomères fournissent la stabilité des regions terminale au chromosome et assurer sa réplication Un chromosome en métaphase correspond à deux chromatides sœurs (identiques) Une chromatide correspond à une hélice d’ADN condensée Chaque chromatide a deux extrémités de télomères Les deux chromatides sœurs sont reliées en métaphase par la région centromère Dans la région du centromère, la plupart des espèces ont plusieurs endroits où les fibres fusiformes s’attachent appelées kinetochore , composé à la fois d’ADN et de protéines. Le kinétochore est une protéine énorme et complexe avec plusieurs couches. La couche externe fournit des sites de fixation pour les microtubules. Les séquences de télomères correspondent à une séquence répétée Sa fonction est de préserver la longueur des « extrémités » La longueur des télomères diminue progressivement avec le processus de vieillissement  Niveaux de structure de la chromatine Les domaines des chromatines peuvent montrer différents niveaux de compactage Euchromatine: moins condensés où les gènes sont actifs Hétérochromatine: plus condensés, gènes réduits au silence  Niveaux de structure de la chromatine ( conti.) Hétérochromatine constitutive consiste en des séquences de répétitions simples qui sont généralement situées autour des centromères de tous les chromosomes et à l’extrémité distale du chromosome Y. Hétérochromatine facultative Un chromosome X de chaque cellule féminine est inactivé au hasard. Le X inactivé est condensé pendant l’interphase et se réplique tard au cours de la phase de synthèse du cycle cellulaire. On parle d’hétérochromatine facultative. Cycle de division cellulaire (cellule humaine) 1-2hr 2-4hr 5-8hr 9-12hr  Mitose Interphase: Réplication de l’ADN Prophase :Condensation progressive du chromosome, formation du fuseau mitotique et des centrosomes. Prometaphase : Courte période entre la prophase et la métaphase pendant laquelle la membrane nucléaire disparaît et les fibres du fuseau commencent à apparaître. Les chromosomes se fixent aux fibres du fuseau à leurs kinétochores. Métaphase :Les chromosomes homologues s’alignent à la plaque équatoriale. Anaphase : Les centromères se divisent et les chromatides sœurs migrent séparément vers chaque pôle. Télophase : La division cellulaire est complète (cytokinèse). Deux cellules filles sont obtenues avec le même nombre de chromosomes de la cellule mère. https://www.youtube.com/watch?v=C6hn3sA0ip0&t=1s  Meiose Interphase: Avant le début de la méiose, le matériel génétique est dupliqué. Première division de la méiose Prophase 1: La chromatine dupliquée se condense. Chaque chromosome est constitué de deux chromatides sœurs étroitement associées. La prophase I est une étape complexe qui est subdivisée en leptotène, zygotène, pachytène, diplotène et diakinésie. Crossing-over peut survenir au cours de la dernière partie de cette étape. Métaphase 1: Les chromosomes homologues s’alignent à la plaque équatoriale. Anaphase 1: Les paires homologues se séparent avec les chromatides sœurs restant ensemble. Télophase 1: Deux cellules filles sont formées avec chaque fille contenant un seul chromosome de la paire homologue. Deuxième division de la méiose: formation de gamètes Prophase 2: L’ADN ne se réplique pas. Il passe directement de la télophase I à la métaphase 2 Métaphase 2: Les chromosomes s’alignent à la plaque équatoriale. Anaphase 2: Les centromères se divisent et les chromatides sœurs migrent séparément vers chaque pôle. Télophase 2: La division cellulaire est terminée. Quatre cellules haploïdes (n)filles sont obtenues. https://www.youtube.com/watch?v=nMEyeKQClqI&t=1s  2n 2n 2n 2n n n 2n 2n n n n n L’oogenèse commence avant la naissance et est arrêtée dans la méiose I jusqu’à la vie post pubère des femmes. Chaque cycle donne un seul œuf La spermatogenèse commence avec la puberté masculine et est continue. Chaque cycle donne quatre gamètes