Bases moléculaires de la génétique eucaryotes PDF

Bases moléculaires de la génétique eucaryotes I- Introduction générale à la génétique des eucaryotes 3 types de génome : - Génome chloroplastique : circulaire - Génome nucléaire : linéaire - Génome mitochondrial : circulaire Génétique : Etude de l\'hérédité, de la transmission des caractèr...

Bases moléculaires de la génétique eucaryotes I- Introduction générale à la génétique des eucaryotes 3 types de génome : - Génome chloroplastique : circulaire - Génome nucléaire : linéaire - Génome mitochondrial : circulaire Génétique : Etude de l\'hérédité, de la transmission des caractère Génétique moléculaire : Etude des gènes et de leur régulation Tout est lié : - Une cellule œuf se divise → toute les cellules de l\'organisme. Toutes identiques génétiquement et différentes phénotypiquement. Régulation de l\'expression génotypique. - Au cours de la vie chaque cellule occupe au moins deux « états » : Division cellulaire (croissance et régénération des tissus, mort cellulaire) Quiescence (fonctionnement des organes et tissus. Régulation du cycle cellulaire. - Les cellules subissent des dommages (lésions de l\'ADN), réparés ou non. Réparation de l\'ADN/Mutations/Maladies génétiques - Un type particulier de cellules (lignée germinale) subit un « cycle » spécial → gamètes/méiose. Transmission des caractères. II- Organisation du génome des eucaryotes Génome nucléaire : sur totalité de l'ADN du noyau il y a seulement 25-30% de l\'ADN est couvert par les gènes =\> 1-3 % ADN du génome est codant (exons). L\'ADN qui est dans le noyau est porté par les chromosomes, il est linéaire. Les gènes ne sont pas répartis de façon uniforme et continue sur le chromosome, la répartition n\'est pas homogène. Entre les gène il y a des régions intergéniques. 1. Les gènes Un gène est la totalité d'un segment de chromosome nécessaire pour fabriquer un produit fonctionnel (protéine ou ARN). Certains gènes ne sont pas en copie unique mais appartiennent à des familles dites « multigéniques ». Ils sont classés en 3 catégories : - Gène codant les ARN des ribosomes ( sauf 5s) - Gènes codant les ARN messagers des protéines - Gènes codant les ARN de transfert et 5s Famille multigénique : - Issu de la duplication d\'un gène ancestral - Les gènes « modernes »assurent les mêmes fonctions, mais dans des contextes cellulaires différents. Ex : les gènes de globine (présent dans l\'hémoglobine), d\'opsines (récepteur permettant de voir les couleurs) 2. Les régions intergéniques On peut y trouver des séquences uniques non codantes et des séquences répétées (codantes ou non. Les séquences répétées : 2 Types : - Hautement répété → ADN Satellite - Moyennement répété - Répétition en tandem - Micro-Satellites (2-5 nucléotides) - Mini-Satellites (VNTRs) - Gènes à copies multiples (Gène ARNr) - Répétition dispersées - Elements transposables - Rétro transposons - Transposons ADN Séquences hautement répétées = ADN satellite non codantes servent à former l\'hétérochromatine ; 5-10 % génome humain. Séquences moyennement répétées : Codantes & non codantes ; 25 à 40 %génome humain. Plus hétérogènes... L\'ADN Satellite est retrouvée au niveau des centromères. Les centromères sont constitués de 171 pb en tandem en milliers de copies soit une structure globale de 300 à 5000 milliers de pb. identiques sur tous les chromosomes d'1 cellule mais variable d'1 espèce à l'autre. La cohésive colle les deux centromères des chromosome l\'un avec l\'autre.\> A partir des centromères viennent s\'organiser les microtubules. Un chromosome possède deux kinétochores, un par chromatide. Kinétochore possède 3 plaques de protéines associées à certaines portions d\'ADN du centromère. Les télomères sont aussi riche en ADN Satellite, ils possède 6pb très conservées et forme un tandem en milliers de copies de 3 à 20 milliers de pb. Tandem se situe dans des région sub-télomérique Séquence variable d'1 espèce à l'autre et possède un rôle inconnu. Les télomères sont des structures qui empêchent la fusion des chromosomes au moment de la mitose. Les séquences moyennement répétées sont présentes dans : - Les gènes codants les ARN des ribosomes → chez l\'homme 5 clusters, et 200 copies de gènes. Transcription d\'un ARN de grande taille qui sera coupé en trois morceaux un qui produit le 18s, un le 28 et 5,8s et un le 5s - Séquences utilisées pour faire les empreintes génétiques : Les VNTR. Dans les régions VNTR, le nombre de répétitions est variable - - D\'un chromosome homologue à l\'autre dans une même cellule - Entre tous les chromosomes « identiques » d\'une population. Cluster : endroit où sont présents les gènes codants les ribosomes VNTR : Participe au polymorphisme Éléments transposables (dits éléments génétiques mobiles) : Elles constituent 45% du génome humain qui codent des enzymes qui assurent leur mobilité (=transposition) au sein d\'un génome. Responsable des phénotypes de variégation. Ce sont des séquences qui participent à la plasticité des génome et donc à leu stabilité afin de permettre la survie des espèces. Les éléments génétiques peuvent changer de place à l\'intérieur des noyaux par 2 processus : - Copier / Coller → Processus des rétrotransposants, séquences inséré puis transcrits pour donner l\'ARNm, puis reverse transcription pour donner l\'ADN double brin avant d\'etre intégré. - Couper / Coller --W Processus des transposons à ADN. Il code pour l\'enzyme transposase qui vient se fixer aux extrémités du transposons. Cette enzyme à la capacité d\'exciser le gène. La copie exciser du transposons va aller d\'insérer ailleurs. Bilan : Génome nucléaire : totalité de l'ADN du noyau → 25-30% gènes =\> 1-3 % ADN codant (exons) → 5-10% séquences hautement répétées (hétérochromatine = ADN non codant). Télomères & Centromères → 25-40% séquences moyennement répétées codantes et non-codantes.Gènes codants les petits ARN (ARNt, ARNr,... éléments génétiques mobiles) 3. Les mitochondries : Le génome des bactéries est un génome circulaire. Les mitochondries et les chloroplastes sont issus d\'une symbiose stable avec une bactérie intra cellulaire. Le système génétique est proche de celui des bactéries, elles se divisent comme les bactéries. La fonction de la mitochondries est production d\'ATP suite à a chaîne respiratoire et les chloroplastes fabriquent les protéines nécessaire à la photosynthèse. On a pas forcément la majorité de l\'ADN dans le noyau, la répartition dépend des espèces. L\'ADN mitochondrial humain porte 37 gènes. Et forment des protéines spécifiques du métabolismes mitochondrial ARN R et ARNT. Particularités génétiques des mitochondries : - Pas de ségrégation mendélienne des gènes mitochondriaux et chloroplastiques - Chez la levure → rond verts, mitochondries porteuses d\'un gène de résistance au chloramphénicol. Ronds roses, mitochondries sauvages. - Chez l\'homme → le zygote (et l\'enfant qui en est issus) n\'hérite que des mitochondries maternelles. C\'est ce que l\'on appel l\'hérédité maternelle. Si cet ADN est muté (certaines maladies génétiques) : transmission obligatoire de la mère à ses enfants - Code génétique légèrement différent → Change en fonction des espèces ! - ADN sans histone - Gènes sans intron III- La transcription et sa régulation Toutes les cellules d\'un organisme ont le même patrimoine génétique. La transcription à principalement lieu dans les cellule quiescente. En G0 : Expression des gènes de spécialisation cellulaire et gènes de structure. Quand une cellule par en sénescence on a la mort cellulaire. En G1 et G2 : Peu d\'expression des gènes de spécialisation mais une forte expression des gènes liés à la division cellulaire. En S et L : peu ou pas de transcription. Cellule sont occupées à répliquer son ADN ou à se multiplier. Certaines cellules sont des cellules souches, des progénireurs et quelques cellules différenciées. On a besoin de la spécialisation cellulaire pour que toutes les cellules ne fabriquent pas les mêmes protéines. Les cellules utilisent de façon différente leur patrimoine génétique pour pouvoir répondre aux variations de l\'environnement. C\'est une réponse dite adaptative. Dans un même noyau il est donc nécessaire que certains gènes soit actifs et d\'autres non. La régulation des gènes peut se faire à plusieurs niveaux : - Au niveau transcriptionnel - Au niveau de la formation de l\'ARNr - Au niveau du transport de l\'ARN - Au niveau de la dégradation - Au niveau de la traduction. - Au niveau de l\'activité de la protéine Contrôle transcriptionnel : Définir quel gène est transcrit donc quel ARN est produit dans chaque cellule, à chaque moment de la vie de la cellule 2 mécanismes : - Organisation de la chromatine = épigénétique - Activité induite du promoteur = transcription Notion d\'épigénétique : Définition L'épigénétique est l'ensemble des modifications de l'expression génique non codées dans l'ADN, et sans modification de la séquence ADN. - Modification de l'expression génique =\> modification phénotypique - Modifications stables et héritables =\> mitose. Peuvent être réversibles sous l'action de facteurs externes. - Reprogrammation complète lors de la méiose. Ils sont transmis à la mitose et effacés à la méiose. Ils sont le plus essentiels au moment de la spécialisation des cellule souches lors du développement embryonnaire. Chez un individu adulte les variations épigénétique sont beaucoup plus complexes/ Mécanismes d\'action des mécanismes épigénétiques : - Au niveau de la structure de la chromatine (ouverte → Fermée) - Modification des histones - Méthylation de l'ADN - Au niveau de la stabilité des ARN messagers - ARN interférence (petits ARN ou RNAi) Structure de la chromatine veut dire la même chose que l\'organisation chromatinienne c\'est à dire l\'organisation dans l\'espace de l\'ADN nucléaire. Compaction croissante au cours du cycle cellulaire où les histones jouent un rôle très important. Le niveau de compaction de l'ADN à un endroit donné du génome définit si la transcription est possible ou pas à cet endroit Hétérochromatine : compacte ou fermée pas de transcription dans cette chromatine Euchromatine :  ouverte ou relâchée, transcription possible dans cette chromatine Notion de tissu-spécificité : gènes transcrits dans un seul type de cellules (tissu). A l\'intérieur de leur noyau les cellule de foie et de pancréas ont le même génotype, simplement elles ne sont pas capable de produire les même protéines, elles n\'ont pas non plus le même phénotype. Dans une cellule de foie, le gène codant l'albumine sera dans une boucle chromatinienne relâchée =\> transcription. Dans une cellule de pancréas, ce même gène sera dans une région fermée =\> pas de transcription. Le génome utilisé différemment est conditionné par la structure de la chromatine. Définition moderne de l\'épigénétique : Processus qui contrôle les changements d'activité génique sans changement de la séquence de l'ADN et qui est héritable lors de la division cellulaire. Marque épigénétique : La plus connue est la méthylation de l\'ADN → c\'est la première marque épigénétique à avoir été découverte. Elle intervient pour le contrôle de compaction. L\'enzyme qui intervient se nomme DNMT c\'est une méthyltransferase. Elle intervient sur les cytosine qui sont proche des dinucléotide CpG. Si les cytosine sont méthylé les facteurs de transcriptions ne peuvent plus venir se lier aux récepteur de la transcription et donc ne peuvent plus transcrire l\'ADN en ARN. Les facteurs de transcriptions sont riche en dinucléotide CpG Paire de base : liaisons hydrogène : AT et CG Dinucléotide : 2 base sur le même brin d\'ADN reliés par un pont phosphodiester 16 possibilités/ 5\'-ApG-3\' **/!\\** ApG ≠ GpA Ex : Inactivation du Chromosomes X (mammifère) Compensation de dosage par inactivation d'un chromosome X chez la femme =\> compaction totale Ce mécanisme se produit au cours du développement embryonnaire, très rapidement au cours de la segmentation, méthylation du chromosome X paternel ou du X maternel. Toute les cellules d\'embryon issu d\'une même cellule auront le même chromosome X compacté. Modification des histones : - Acétylation → Lys, Arg (K,R) =\> Ajout d'un COCH3 sur la chaîne latérale - Méthylation → : Lys, Arg (K,R)=\> Ajout d'1, 2 ou 3 CH3 sur la chaîne latérale (me1, me2, me3) - Phosphorylation : Sérine - Ubiquitination Le code histone permet de déterminer quelles sont les modifications pour chaque histones. Elles ne sont pas aléatoires. L\'Acétylation d\'une histone conduit à l\'activation de la transcription des gènes. Pour la méthylation : les conséquences les plus fortes sont la répression même si il y a certaines activation. Dans l\'ensemble répression de la transcription. Modification des histones : Se spécialise parce que certains gènes sont activés et d\'autres éteints. Les enzymes responsable de la première marque sur la chromatine soit pour l\'ouvrir soit pour la fermer sont les Writers → Elles écrivent le code histone Les enzymes qui permettent la perpétuation de ce code histone sont les Readers, elles recopient sur les nouvelles histones les marques épigénétiques présentes dans la cellule mère. Les enzymes qui éliminent les marques épigénétiques se nomment les Erasers. Les variants d\'histone : Le nucléosome est constitué de 4 types d\'histones : - H2A - H2B - H3 - H4 Les variants des histones ont des propriétés différentes : Variant veut dire mutant. H2A-Z : nucléosome moins stable H2A-X : réparation de l'ADN H2A-W : chromatine inactive Les complexes de remodelage de la chromatine servent à faire changer les cellules d\'état. Ils permettent de remplacer un histone par un de ses variants, de désassembler ou déplacer les nucléosomes afin de pouvoir accéder à la boite TATA pour réaliser la transcription. Remodelage de la chromatine ; - Activation/répression de la transcription - Remplacement de l\'histone par un de ses variants - Réparation de l'ADN - Réplication - Élimination du varient retour de l\'histone d\'origine - Progression du cycle cellulaire Le schéma de l'organisation chromatinienne se met en place au cours du développement embryonnaire. Il est « fixé » pour chaque cellule adulte différenciée = mémoire / identité cellulaire. Il peut varier localement, lorsque la cellule doit répondre à des stimuli extérieurs (gènes inductibles) ou en contexte pathologique (maladies infectieuses / mutations). Il faut également contrôler la quantité d'ARN produit pour chaque gène transcrit. Un gène : est la totalité d'un segment de chromosome nécessaire pour fabriquer un produit fonctionnel (protéine ou ARN) Gène codant les ARN messagers des protéines : Les ARN messagers sont codés par les gènes de classe 2. Transcription : polymérisation de ribonucléosides triphosphates (NTP) catalysée par une ARN polymérase A chaque type d'ARN correspond une ARN polymérase ARN polymérase : - Pol 1 :ARNr (5.8S, 18S et 28S) - Pol 2 : ARNm et petit ARN - Pol 3 : ARNt, ARNr 5S et petit ARN - Organites : ARNmit et ARNchl La transcription (quelle que soit la Pol) se fait en trois étapes : initiation -- élongation -- terminaison 1/ initiation : Positionnement de la Pol au bon endroit sur l'ADN (+1) 2/ élongation : Ouverture de la double hélice d'ADN pour la transcription et progression de la Pol 3/ terminaison : arrêt de la transcription par décrochage de la Pol