Fiche de Cours n°2 : Les Variations dans le Génome Humain (PDF)

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Révisions : Révisions : UNIVERSITÉ UNIVERSITE PARISDE PARIS LAS3 EST-CRETEIL 2023 2022 - 2024 - 2023 UE – Maladies génétiques et rares Fiche de cours n°2 Les Variations dans le Génome Humain ACTUALISATION PLAN I. Généralités II. L'ADN, ses altérations et ses réparations III. Mutations IV. Conséquence Légendes Notion nouvelle cette année Notion déjà tombée au concours  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence I. Généralités Introduction La séquence du génome humain donnée s'est largement appuyée sur les résultats du projet Génome humain du génome humain o Nous pouvons parler du génome humain, mais, en réalité, il existe des milliards de génomes humains différents → Variation génétique La variation génétique est principalement héritée, transmise entre les générations par les gamètes Les individus diffèrent les uns des autres principalement parce que nos séquences d'ADN diffèrent o Mais la variation génétique n'est pas la seule explication des différences dans le phénotype (Nos caractéristiques observables) La grande majorité des variations génétiques n'a aucun effet sur le phénotype (Mutations neutres) Un seul individu a été utilisé pour la séquence du schéma I. Généralités Introduction (suite) Dans une espèce, un gène ou un locus peut exister sous différentes formes appelées allèles Quand un gène subit une mutation, une nouvelle variante est créée = L’allèle Les variations génétiques donnent un phénotype changé Allèles et mutations o Mais toutes les variations ne jouent pas un rôle dans le phénotype de l’ADN Comme nous sommes diploïde, nous avons 2 gènes homologues : o Si une personne possède le même allèle sur les deux membres d'une paire de chromosomes, on dit qu'elle est homozygote o Si les allèles diffèrent dans la séquence d'ADN, il ou elle est hétérozygote La combinaison d'allèles qui présente à un locus donné est appelée génotype Mendel : Les effets d'un allèle à un locus peuvent masquer ceux d'un autre allèle au même locus o Un allèle peut être dominant (Donc se montrer dans les individus hétérozygotes) ou récessif § Il est conventionnel d'indiquer l'allèle dominant en majuscules (T) et l'allèle récessif (t) en minuscules Un allèle dominant exerce son effet à la fois chez l'homozygote (HH) que chez l'hétérozygote (Hh) o Tandis que la présence de l'allèle récessif n'est physiquement observable que lorsqu'il est se présente sous forme homozygote (hh) UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 2 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence I. Généralités Les mutations Les mutations ne sont transmises à la génération suivante d'organismes que si elles se produisent dans les cellules de la lignée germinale o Sont transmises lors de la reproduction sexuelle Les mutations qui se produisent dans les cellules somatiques ne seront transmises qu'aux descendants de ces cellules o →Mosaïcisme § Ex : Cancer que pour les cellules touchées L'ADN étant utilisé comme modèle dans la transcription : è Une mutation dans la séquence d'ADN sera transmise à la molécule d'ARN messager (ARNm), puis à la protéine lors de la traduction Mutations et o Les protéines défectueuses peuvent altérer la fonction de la cellule et donc causer phénotype une maladie Des erreurs peuvent également se produire pendant la transcription et la traduction, mais n'affectent pas l’ADN Il existe de nombreux types de mutation et la plupart n'ont que des effets mineurs Selon des estimations récentes du projet 1000 génomes, chaque personne contient en moyenne 75 à 100 allèles potentiellement nuisibles o Presque tous sont présents sur une seule des deux copies de chaque gène Chacun d'entre nous contient environ 20 000 modifications qui sont largement ou totalement inoffensifs I. Généralités Les mutations (suite) Les variations génétiques sont dues à des changements dans les séquences d’ADN L'ADN modifié peut contribuer à un phénotype normal (Comme la taille) ou à un phénotype maladie o La grande majorité des mutations, cependant, sont neutres : § Elles n'ont pas d'effet discernable sur le phénotype Pour cette raison aujourd’hui, on utilise le terme de « variante d'ADN » au lieu de mutation pour décrire le changement de la séquence d'ADN produit par une mutation o Les variantes de l’ADN sont le résultat de modifications de notre ADN qui n'ont pas été corrigées par les systèmes cellulaires de réparation de l’ADN (DDR) Origines La grande majorité provient de sources endogènes (Propre à la cellule) : o Erreurs spontanées dans les mécanismes cellulaires normaux régulant la ségrégation des chromosomes, la recombinaison, la réplication de l'ADN et la réparation de l'ADN, ainsi que des dommages chimiques spontanés Les mutations sont inévitables o Elles peuvent avoir des effets néfastes sur les organismes individuels, causant le vieillissement et provoquant de nombreuses maladies humaines o Elles sont indispensables pour fournir le matériel nécessaire pour l’évolution et l'origine de nouvelles espèces § Cela met en avant l’évolution UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 3 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence I. Généralités Les mutations (suite) Une mutation → Changement héréditaire du matériel génétique Les erreurs naturelles dans divers processus qui affectent la fonction des chromosomes et de l'ADN contribuent largement à la variation génétique : o Ségrégation des chromosomes, recombinaison et réplication de l'ADN L’intégrité de l’ADN est constamment menacée, par la rupture des liaisons covalentes au sein de l'ADN ou par la liaison inappropriée de produits chimiques à l’ADN La plupart des altérations ont une origine spontanée à l'intérieur des cellules o Et sont provoquées par certaines substances chimiques nocives produites par le métabolisme cellulaire. Causes Un mutagène → Tout agent physique ou chimique qui augmente le taux de mutation au- delà du taux spontané o Généralement des produits chimiques endogènes et exogènes et l'irradiation Les mutagènes chimiques peuvent être classés en : o Analogues de bases qui imitent les purines et les pyrimidines o Les agents intercalants qui qui modifient la structure de l'ADN, ce qui entraîne des insertions de nucléotides o Les agents qui modifient les bases , ce qui entraîne des propriétés propriétés différentes des bases o Les agents qui modifient la structure de l'ADN, entrainant l'apparition de régions non codantes, la liaison croisée des brins ou leur rupture Les radiations ionisantes endommagent les cellules par la production de radicaux libres d’eau o Qui vont se manifester par des mutations de bases, une liaison transversale de l'ADN et des cassures de l'ADN Les UV-B (290-320 nm) et les UV-C (190-290 nm) entrainent la formation de dimères de pyrimidine à partir de liaisons covalentes formées entre des pyrimidines adjacentes. Ces dimères bloquent la transcription et la réplication UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 4 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence II. L’ADN, ses altérations et ses Altérations de l’ADN réparations Les dommages chimiques à l’ADN peuvent impliquer le clivage des liaisons covalentes dans le squelette sucre-phosphate de l’ADN Principe Provoquant des ruptures simples ou double brin o Certains médicaments anticancéreux sont conçus pour cibler spécifiquement les bases d'ADN modifiées, ce qui illustre l'importance de comprendre ces processus pour le développement de traitements médicaux Une autre altération causée par des substances chimiques est la coupure de la liaison N- glycosidique reliant une base à un sucre : o La délétion de bases o Les modifications de bases o Les liaisons covalentes entre les bases De nombreuses modifications de bases impliquent le remplacement de certains groupes sur les bases Ou l’ajout de groupes méthyle ou de groupes alkyle. Parfois, des liaisons covalentes se forment entre deux bases o Base –crosslinking à Liaison croisée des bases § Le phénomène de base-crosslinking, ou liaison croisée des bases, peut provoquer des distorsions dans la structure de l'ADN Les bases chimiquement modifiées peuvent bloquer les polymérases de l’ADN ou de l’ARN o Provoquant des erreurs d’appariement des bases et, si elles ne sont pas réparées, des mutations § Elles peuvent être responsables de la susceptibilité accrue à certaines maladies ou de l'apparition de maladies héréditaires UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 5 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence II. L’ADN, ses altérations et ses Altérations de l’ADN (suite) réparations Hydrolyse Chaque jour, dans des conditions normales, de 20 000 à 100 000 lésions sont générées dans l’ADN de chacune de nos cellules nucléées L’hydrolyse est inévitable dans l’environnement aqueux des cellules : elle peut rompre les liaisons qui maintiennent les bases aux sucres (Site abasique) L’hydrolyse cause la déamination de certaines bases o La déamination est le processus par lequel une base azotée perd un groupe amine (NH2) et se transforme en une base modifiée Laissant un groupe carbonyle (C=O) -> C-> U, A-> Hypoxanthine qui va s’apparier avec la cytosine au lieu de la thymine o Par exemple, la déamination de la cytosine peut entraîner la formation d'uracile (C -> U), tandis que la déamination de l'adénine peut produire de l'hypoxanthine (A -> Hypoxanthine è Ces bases modifiées ont la particularité de s’apparier avec d’autres bases lors de la réplication de l’ADN. Par exemple, l’uracile s’apparie avec la cytosine au lieu de la thymine, ce qui peut entraîner des mutations génétiques si ces erreurs ne sont pas corrigées L'hydrolyse de l'ADN est un processus inévitable qui peut contribuer à la génération de variations génétiques o Heureusement, les mécanismes de réparation de l'ADN dans nos cellules sont capables de détecter et de corriger bon nombre de ces dommages, contribuant ainsi à préserver l'intégrité de notre génome § Cependant, des erreurs de réparation ou une accumulation excessive de lésions peuvent encore conduire à des mutations et jouer un rôle dans le développement de maladies génétiques UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 6 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence II. L’ADN, ses altérations et ses Altérations de l’ADN (suite) réparations Le métabolisme cellulaire normal génère certaines molécules ou ions fortement électrophiles (Et donc très réactifs) Les plus importantes sont les espèces réactives de l’oxygène (ROS) Formées par la réduction incomplète de l’oxygène par un électron Y compris les anions superoxydes (O2-), le peroxyde d’hydrogène (H2O2) et les radicaux hydroxyles (OH-) Les ROS endogènes , produits dans nos propres cellules, sont connus pour attaquer les liaisons covalentes dans les sucres qui composent le squelette sucre-phosphate de l'ADN o Ce type de dommage peut compromettre l'intégrité de la molécule d'ADN et Dommages oxydatifs perturber sa structure Ils attaquent également les bases de l’ADN, en particulier les purines et de nombreux dérivés sont produits à partir de chaque base o Certains des dérivés de base sont hautement mutagènes § Comme la 7,8-dihydro-8- oxoguanine (également appelée 8- oxoguanine ou 8-hydroxyguanine), qui s’apparie en base avec l’adénine – Certains de ces dérivés de base sont hautement mutagènes et peuvent induire des mutations génétiques UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 7 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence II. L’ADN, ses altérations et ses Réparation réparations Chaque fois que l'ADN humain est transmis d'une génération à l'autre, il accumule 100 à 200 nouvelles mutations o Peuvent avoir des conséquences significatives sur la santé et le développement de l'individu, pouvant contribuer à des maladies génétiques et des cancers Il y a vraiment peu de nouvelles mutations pour une molécule qui compte 3.2X109 nucléotides !! Afin de maintenir l'intégrité du génome, les cellules ont une machinerie composée de complexes multiprotéiques o Qui sont capables de détecter et signaler la présence de lésions de l’ADN Ces complexes sont appelés DNA damage response (DDR) et peuvent retarder la progression du cycle cellulaire afin de favoriser la réparation de l’ADN o Les complexes DDR (DNA Damage Response), composés de protéines spécialisées, détectent les dommages et les lésions dans l'ADN, tels que les bris de brins, les modifications chimiques et les altérations structurelles Principe § Lorsque les complexes DDR repère une lésion de l'ADN, ils déclenchent une cascade de réactions cellulaires, notamment la régulation de la progression du cycle cellulaire Pour réparer l’ADN, les cellules utilisent des voies biochimiquement distinctes spécifiques de la lésion de l’ADN o Qui sont intégrés avec les systèmes de signalisation appropriés pour retarder la division cellulaire jusqu'à l'achèvement de la réparation § Chaque voie de réparation est équipée de protéines spécialisées et de mécanismes spécifiques pour traiter efficacement le type de dommage en question → Selon le dommage, il y a des systèmes spécifiques de réparation UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 8 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence II. L’ADN, ses altérations et Réparation (suite) ses réparations BER - modification d'une seule base, délétion de la base o Le BER est un mécanisme de réparation ciblant des lésions ponctuelles telles que des bases endommagées ou modifiées § Il commence par l'excision de la base altérée, suivie de la synthèse d'une nouvelle base pour remplacer celle retirée. NER - lésions de l'ADN déformant l'hélice (base –crosslinking) o Le NER intervient lorsque des lésions de l'ADN, comme des dimères de thymine induits par les UV, affectent un segment plus long de la molécule d'ADN § Il excise et répare la région endommagée en éliminant une portion d'ADN contenant la lésion et en la remplaçant par une nouvelle séquence Exemples MMR (MisMatch Repair) – erreurs dans la réplication o Le MMR (Mismatch Repair - Réparation des Appariements Incorrects) est un mécanisme de réparation de l'ADN qui corrige les erreurs d'appariement de bases qui se produisent lors de la réplication de l'ADN Description de son fonctionnement, y compris les complexes protéiques impliqués § Étape 1 : Détection de l'Erreur – Lors de la réplication de l'ADN, il peut arriver qu'une mauvaise paire de bases se forme, par exemple, une paire G-T au lieu de la paire correcte G-C. – Cette erreur crée un bourrelet ou une bosse dans la structure de l'ADN au site de l'erreur § Étape 2 : Reconnaissance de l'Erreur – Le premier complexe protéique impliqué dans le MMR est appelé le complexe MutS – MutS se lie spécifiquement à la région de l'erreur, reconnaissant la distorsion de l'ADN provoquée par l'erreur d'appariement § Étape 3 : Recrutement du Complex MutL – Une fois que MutS a reconnu l'erreur, il recrute un autre complexe appelé MutL – Le complexe MutL s'attache à l'ADN à proximité de l'erreur § Étape 4 : Élimination de la Section Erronée – Le complexe MutH est ensuite recruté – MutH reconnaît la région nouvellement synthétisée de l'ADN, qui est souvent méthylé – Il coupe l'ADN au niveau de la base incorrecte ou du site d'appariement incorrect UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 9 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence II. L’ADN, ses altérations et ses Réparation (suite) réparations § Étape 5 : Excision de l'ADN Erroné – Le complexe MutU (également appelé UvrD) enlève la portion d'ADN contenant l'erreur d'appariement – Cette excision crée un espace vacant dans la séquence d'ADN § Étape 6 : Réparation de l'ADN – La polymérase d'ADN est recrutée pour remplir l'espace vacant avec la séquence correcte en se basant sur le brin d'ADN parent non endommagé comme modèle – Cette étape est réalisée avec une grande précision pour restaurer la séquence d'ADN correcte § Étape 7 : Finalisation – Enfin, les complexes protéiques assurent que la réparation a été effectuée correctement et que la nouvelle séquence est correctement appariée – Une fois la réparation vérifiée, les complexes MutS et MutL peuvent se détacher de l'ADN Exemples UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 10 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence III. Mutations Les différentes mutations Mutations de protéines responsables de plusieurs maladies rares Il y a une susceptibilité majeure au cancer et une vieillesse/mort cellulaire prématurée La séquence d'une molécule d'ADN peut être modifiée de nombreuses manières différentes o SNP (Single Nucleotide Polymorphism) § Un SNP est une variation génétique courante qui se produit lorsqu'une seule paire de bases d'ADN à un emplacement spécifique du génome diffère entre les individus d'une population § Les SNP sont généralement présents chez au moins 1 % de la population § Ils peuvent être responsables de différences génétiques entre les individus, mais la plupart du temps, ils n'ont pas d'effet notable sur la Types des mutations santé ou les caractéristiques physiques de l’ADN § Les SNP sont souvent utilisés dans la recherche génétique pour étudier les associations entre des variations génétiques spécifiques et des maladies, des traits ou des réponses à des médicaments o SNV (Single Nucleotide Variant) : § Un SNV est également une variation d'une seule paire de bases d'ADN, mais ce terme est généralement utilisé de manière plus large et peut inclure des variations rares ou moins courantes par rapport au génome de référence § Les SNV peuvent être des mutations rares, des substitutions ponctuelles, ou d'autres types de changements d'un seul nucléotide dans l'ADN § Contrairement aux SNP, les SNV peuvent avoir des effets plus significatifs sur la santé et être associés à des maladies génétiques ou à des caractéristiques héréditaires spécifiques § Les SNV sont d'une grande importance dans le diagnostic génétique et la recherche médicale, car ils peuvent être impliqués dans des maladies génétiques rares ou des prédispositions héréditaires à des conditions médicales UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 11 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence III. Mutations Les différentes mutations (suite) Les résultats dépendent en partie de la nature du changement et en partie du rôle de la séquence d'ADN qui a été modifiée : o Translocation : § Un segment d'ADN est transfèré de son emplacement d'origine à une autre position – Soit sur la même molécule d'ADN, soit sur une autre molécule d'ADN o Inversion : § Un segment d'ADN est inversé – Mais reste au même endroit global Types des mutations o Duplication : de l’ADN § Un segment d'ADN est dupliqué – La deuxième copie reste généralement près du même endroit que l'original o Délétion : § Une ou plusieurs bases sont supprimées de la séquence d'ADN o Insertion : § Une ou plusieurs bases sont insérées dans la séquence d'ADN o Substitution de base : § Une base est remplacée par une autre base III. Mutations Les réarrangements Les variations structurelles du génome humain se caractérisent par un certain nombre de types différents de réarrangements importants o Notamment des délétions-des duplications-des insertions § Les “variants structuraux” ou “variation du nombre de copies” (copy number variants, CNV) o Ainsi que les inversions, et les translocations Mécanismes de Les CNV ont été définis de manière opérationnelle comme des acquisitions et des pertes réarrangement génomiques de 1 kpb (1000 pb) ou plus génomique : NAHR o On pense que les CNV héritables proviennent de réarrangements génomiques germinaux (ou, dans certains cas, d'évènements somatiques très précoces) Quatre mécanismes mutationnels majeurs expliquent ces VS : o La recombinaison homologue non-allélique (NAHR) o La jonction d'extrémité non-homologue (NHEJ) o Les mécanismes basés sur la réplication de l’ADN o La rétrotransposition L1 Recombinaison homologue non allélique (NAHR) - où la recombinaison homologue- se produit entre des séquences hautement identiques dans le génome Recombinaison o Telles que des duplications homologue non- segmentaires ou des allélique (NAHR) éléments répétitifs interspersés Les séquences d'ADN situées entre les séquences qui se recombinent seront soit dupliquées, soit supprimées UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 12 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence III. Mutations Les réarrangements (suite) La jonction d'extrémité non-homologue (NHEJ) est un mécanisme de réparation par lequel : o Les cassures double brin qui se produisent dans le génome sont ligaturées ensemble § Avec l'aide de complexes protéiques spécifiques qui se forment aux sites des cassures Mécanismes de double brin réarrangement Le taux de NHEJ est probablement influencé de manière significative par des facteurs génomique : NHEJ environnementaux et des conformations localisées de l’ADN On estime que le NHEJ se produit à un taux inférieur à 10-7 par génération o Similaire au taux de mutation estimé à 10-8 par génération des mutations à nucléotides unique Une inversion = Segment d'ADN inverse La transcription d'un morceau d'ADN inversé modifie complètement la séquence codante o Les inversions à l'intérieur des gènes sont généralement très dommageables § Si les extrémités d'une inversion se situent dans l'ADN intergénique, l'inversion d'un segment d'ADN portant un ou plusieurs gènes intacts, Les réarrangements ainsi que leurs promoteurs, peut n'avoir que de faibles effets de l’ADN sans perte Une translocation = Suppression d'une section d'ADN de sa position d'origine et son ni gain comprennent insertion à un autre endroit les inversions et les o Soit sur le même chromosome, soit sur un chromosome complètement diffèrent translocations Si un gène intact est simplement déplacé d'un endroit à l'autre, il peut encore fonctionner et peu de dommages peuvent en résulter o En revanche, si, par exemple, la moitié d'un gène est déplacée et insérée au milieu d'un autre gène, le résultat sera doublement chaotique UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 13 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence III. Mutations Les substitutions-délétions-insertions Mécanisme par Une mutation qui ne concerne qu'une seule base est appelée mutation ponctuelle Substitution de Base o Si une base en remplace une autre, il s'agit d'une mutation par substitution de base Les mutations par substitution de base sont divisées en transitions et transversions o Transition : Une pyrimidine est remplacée par une autre pyrimidine : TßàC, ou une purine est remplacée par une autre purine (AßàG) (Flèches bleue) o Transversion : Se produit lorsqu'une base remplace une autre d'un type diffèrent § C'est-à-dire qu'une pyrimidine remplace une purine ou vice versa (Flèches rouges schéma) Dans le génome nucléaire humain, cependant, les transitions sont deux fois plus fréquentes que les transversions , et dans notre génome mitochondrial o Le rapport est encore plus favorable aux transitions UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 14 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence III. Mutations Les substitutions-délétions-insertions (suite) Substitutions d’un seul nucléotide C’est la variation la plus fréquente dans notre génome La plupart de ces altérations se produisent au cours de la réplication de l’ADN Les transitions sont beaucoup plus fréquentes que les transversions Les dinucléotides 5’-CG-3’ mutent en 5’-TG-3’ à une fréquence environ cinq fois supérieure à celle des mutations de tous les autres dinucléotides o La substitution de C par T peut se produire par déamination, un processus chimique dans lequel un groupe amino (NH2) est retiré de la cytosine, transformant ainsi la cytosine en uracile (U), qui est ensuite reconnue comme une thymine (T) par les mécanismes cellulaires de réparation de l'ADN Cette substitution, qui lorsqu'elle se produit sur un brin d'ADN génère TG, et sur l'autre, CA (La "règle CG à TG ou CA") o Représente une cause majeure des maladies génétiques humaines Dans les génomes eucaryotes, le 5 mC se trouve principalement dans les dinucléotides 5’- CG-3’, dont la plupart semblent être méthylés La 5 mC subit ensuite une désamination spontanée non enzymatique pour former de la thymine UNIVERSITE PARIS EST-CRETEIL 2023 - 2024 15 /29  I. Généralités / II. L'ADN / III. Mutations / IV. Conséquence III. Mutations Les substitutions-délétions-insertions (suite) Les délétions ou les insertions de quelques nucléotides sont également assez courantes comme cause de maladies héréditaires humaines La majorité des micro-délétions : o Impliquent