Fiche de cours n°1 Génétique et Hérédité PDF 2023-2024

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Révisions : Révisions : UNIVERSITÉ UNIVERSITÉ PARISDE ESTPARIS CRETEIL LAS 3 2023 2022 - 2024 - 2023 UE Maladies génétiques Fiche de cours n°1 Génétique et Hérédité ACTUALISATION PLAN I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE Légendes Notion nouvelle cette année Notion déjà tombée au concours  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE I. Génétique et hérédité Génétique et hérédité Caractère = Caractéristiques distinctives ou uniques qui rendent un organisme différent des autres organismes o On observe que certains caractères peuvent être transmit d’une génération à l’autre à Des Définitions parents à la progéniture Hérédité = La transmission des caractères o Les caractères qui sont transmis sont dits héréditaires Branche de la biologie qui s’intéresse à l’étude de l’hérédité des caractères et des variations qu’ils entraînent Considère la transmission de l’information à plusieurs niveaux o Par le niveau moléculaire o Et s’élargit en passant par cellules, tissus et organes, individus, familles et enfin aux populations et l’évolutions des espèces Qu’est-ce que la Permet de mieux comprendre comment nous pouvons déterminer l’héritage de certains traits et les modèles impliqués génétique ? dans leur héritage Comprends : o L’étude des gènes o De leurs fonctionnements o De leur interaction o De la production des caractéristiques, que nous observons chez les individus et les populations d’espèces lorsqu’ils évoluent d’une génération à l’autre, au fil du temps, et dans différents environnement A commencé tôt dans l’histoire humaine Depuis des siècles, les gens savent que certaines caractéristiques physiques sont transmises d’une génération à l’autre Grâce à ces notions, ils ont appris La sélection des o À produire des plantes et du bétail caractères présentant les caractéristiques souhaitées héréditaires Des gravures réalisées en Chaldée, en Babylonie (Irak actuel) datant d’au moins 6000 ans, montrent des pedigrees illustrant la transmission de certaines caractéristiques de la crinière du cheval UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 2 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE I. Génétique et hérédité Génétique et hérédité Johann Gregor Mendel publie en 1865 : o « Recherches sur des hybrides végétaux » dans les « Comptes rendus des travaux de la Société d'histoire naturelle de Bruno» Mendel réalisera une série d’expérience d’hybridation de variété de pois portant sur sept caractères différents : o Couleur des graines : § Mendel a observé la couleur des graines, qui pouvait être jaune ou verte o Forme des graines : § Il a également étudié la forme des graines, qui Modèles et la pouvait être lisse ou ridée o Couleur des fleurs : naissance de la § Mendel a observé la couleur des fleurs, qui pouvait être violette ou génétique moderne blanche o Position des fleurs : § Il a étudié la position des fleurs sur les tiges, qui pouvait être axiale (sur la tige principale) ou terminale (à l'extrémité des branches latérales) o Couleur des gousses : § Mendel a noté la couleur des gousses, qui pouvait être jaune ou verte o Forme des gousses : § Il a également étudié la forme des gousses, qui pouvait être lisse ou bosselée o Longueur des tiges : § Enfin, il a observé la longueur des tiges, qui pouvait être courte ou longue. Mendel va se concentrer sur des caractères discrets et bien définis plutôt que de mesurer des propriétés continuellement variables, comme la taille ou le poids è Caractère Mendélien Expérience réalisée Croisement de deux population stables et homogènes divergeant pour la forme d’un caractère o En croisant les hybrides de première génération et en étudiant la distribution des deux par Mendel formes du caractère dans la descendance de deuxième génération 1.loi de dominance : o Loi d’uniformité des hybrides de première génération Trois lois d’héritage proposées par 2.Loi de ségrégation : o Loi de disjonction des allèles Mendel 3.Loi de l’assortiment indépendant : o Loi d’indépendance de la transmission des caractère Walther Flemming (1843-1905) o Biologiste allemand o Utilise pour la première fois le terme de la chromatine § Du grec « khrôma » : Couleur § Pour désigner une substance acide colorable à La théorie l’aniline et contenue dans le noyau des cellules chromosomique de o Appelle mitose : l’hérédité § Du grec « mitos » : filaments § La division cellulaire en référence à l’aspect de la chromatine au cours de ce processus o Les filaments de chromatine seront dénommés chromosomes par Wilhelms Von Waldeyer-Hartz en 1888 § Du grec « sôma » : Le corps UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 3 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE I. Génétique et hérédité Génétique et hérédité Du mot chromosome sera dérivé le mot chromatide : o Le suffixe = « id » en latin à Renvoie à l’idée de descendance § Désignant chaque copie d’un même chromosome, généralement reliée par le La théorie centromère et issue de la réplication avant division cellulaire chromosomique de Le belge Edouard Van Beneden (1846-1910) décrit la méiose : l’hérédité (Suite) o Du grec « meiôsis » = Diminution § D’un point de vue cytologique dès 1887 mais le parallèle entre les lois de Mendel et celle-ci ne sera fait que progressivement, aboutissant à la théorie chromosomique de l’hérédité par Boveri et Sutton (1902) Sutton et Boveri o Vont s’apercevoir que le comportement du chromosome était parallèle au comportement des gènes § Ont utilisé le mouvement des chromosomes pour expliquer les lois de Mendel Les lois de Mendel et Les gènes : l’explication o Sont situés sur les chromosomes § Ainsi que les chromosomes se présentent par paires chromosomique o Les deux allèles d’une paire de gènes sont situés sur des sites homologues sur le chromosome homologue Au cours de la méiose, en raison de l’appariement et de la ségrégation subséquente des chromosome homologues, les gènes se séparent également Les gènes sont dans une séquence linéaire sur les chromosomes L’assortiment indépendant de Mendel prévoit que pour un test-cross dihybride : o 50% de la progéniture aura les phénotypes similaires aux parents (Parentaux) Expérience de o 50% seront recombinés Morgan (1920) Morgan et Sturtevant utilisant la Drosophilia melanogaster ont découvert des caractères qui ne suivent pas la loi de l’assortiment indépendant o Voir la couleur du corps et la forme des ailes de la Drosophile Sturtevant réalise alors que ces gènes (b,vg) sont liés en groupes sur le même chromosome o Ces gènes liés, situés sur le même chromosome, sont transmis ensemble UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 4 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE II. Les gènes et chromosomes Les gènes et chromosomes Les observations de la diversité phénotypique des organismes vivants font qu’il est logique de supposer qu’il y a beaucoup plus de gènes que de chromosomes o Chaque homologue doit porter l’information génétique pour plus d’un caractère Chaque chromosome est composé d’un grand nombre de gènes ordonnées linéairement et ces gènes contiennent les informations Les gènes pour un caractère/trait Les facteurs unitaires par paires de Mendel constituent en fait une paire de gènes situées sur une paire de chromosomes homologue o L’emplacement sur un chromosome donnée où se trouve un gène particulier est appelé son locus (= Loci) Sont transmis du parent à la progéniture Sont considérés comme l’unité de base de l’héritage Physiquement, composés d’acide désoxyribonucléique (ADN) Génome humain contient environ 3,2 X 𝟏𝟎𝟗 paires de bases (pb), réparties sur 22 chromosomes plus un chromosomes X chez la femme et Y chez les hommes 22 paires o Appelées AUTOSOMES 1 paire o Appelées CHROMOSOMES SEXUELS o Désigné comme X et Y Variables en taille o Chez l’humain, le chromosome 1 est environ 3 à 4 fois plus grand que le chromosome 21 La forme o Apparaissent avec un « étranglement » Chromosomes § Au niveau de la région centromérique par rapport au centromère qui est propre à chaque chromosome « n » est le nombre de chromosomes dans un ensemble génomique élémentaire o C’est le nombre haploïde § Spécifique à chaque espèce o Permet de constituer le caryotype § « Carte d’identité » de l’espèce étudiée Un seul jeu de chromosomes o Cellules haploïdes o Gamètes Deux jeux de chromosomes o Paires de chromosomes o Cellules diploïdes (2n) o Cellules somatiques UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 5 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE II. Les gènes et chromosomes Les gènes et chromosomes La chromatine o Représente l’ensemble des matériaux qui constituent un chromosome Hétérochromatine o ADN est compacté o Fortement enroulé Euchromatine o ADN est plus lâche Chromosomes (Suite) ) Taille o C’est le moyen le plus simple de distinguer les chromosomes 2) Motif de bande o La taille et l’emplacement des bandes de Giemsa rendent chaque chromosome unique Comment lire 3) Positions du centromère les o Les centromères apparaissent comme une constriction chromosomes o Ils jouent un rôle dans la séparation des chromosomes en cellules filles lors de la divisons cellulaires § Mitose § Méiose UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 6 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE II. Les gènes et chromosomes Les gènes et chromosomes Contenu dans chaque noyau de cellule L’ADN compacté o Doit être très compacté pour accueillir le génome dans un espace très restreint dans les o Sous forme de double hélice à Environ 2 nm de diamètre chromosomes § Est complexé avec un ensemble de protéines riches en lysines et en arginine = Histones Deux molécules de chacun des quatre principaux types d’histones : o H2A,H2B,H3 et H4 § Associées à environ 146 paires de bases environ L’assemblage en nucléosomes résulte en une fibre de 11nm d’épaisseur (= Chromatine) o Conformation de la chromatine activement transcrite Pendant les périodes d’inactivité, certaines régions du génome sont plus fortement compactées Nucléosome L’histones H1 et d’autres protéines non-histones o Sont responsables d’un enroulement de nucléosomes dans une fibre de chromatine de 30 nm d’épaisseur La chromatine est ensuite compactée dans les structures hautement condensées o La condensation maximale se produise au cours de la phase métaphasique de la mitose III. Génome humain Génome humain Projet d’une durée de 13 ans Financé par des fonds publics A été lancé en 1990 But : o Déterminer la séquence d’ADN de l’ensemble du génome humain euchromatique dans un délai de 15 The human genome ans project La première séquence (2003) : o Apparue 50 ans après la publication de la structure hélicoïdale double brin de l’ADN par Crick et Watson (1953) En 2001, les versions préliminaires de la séquence du génome humain ont été rapportées séparément par le Consortium international de séquençage du génome humain (IHGSC) et par Celera genomics UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 7 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE III. Génome humain Génome humain Les vecteurs BAC ont été physiquement cartographiés sur les chromosomes par hybridation in situ fluorescente (FISH) En plus, les BACs étaient positionnés grâce à une carte physique générée dès la fin de 1995 à partir de 52 000 sites de marquage de séquence (STS) à des intervalles d’environs 60kb STS : Positionnement des = Courtes séquences d’ADN d’une longueur comprise entre 200 et 500 paires de bases, vecteurs BAC- facilement reconnaissables et n’apparaissant qu’une seule fois dans le génome Stratégie du Pour l’assemblage des BACs dans un « « tiling path » séquençage o Ensemble de clones qui forment une séquence contiguë couvrant un chromosome entier hiérarchique Les BACs ont également été digérés avec l’enzyme de restriction HindIII, et la taille des fragments d’ADN obtenus a été déterminé par électrophorèse sur gel d’agarose o Chaque clone de la bibliothèque présente une « empreinte » de fragment d’ADN, qui peut être comparée à celle de tous les autres clones de la bibliothèque o Afin d’identifier les clones qui se chevauchent Avant l’achèvement de la première phase du projet du génome humain, l’entreprise privée Celera s’est également lancée dans la course au séquençage Craig Venter a proclamé qu’il séquencerait l’intégralité du Shotgun genomic génome humain en trois ans sequencing-Celera Celera a utilisé deux ensembles de données indépendants ainsi que deux approches informatiques distinctes pour déterminer la séquence du génome humain Le premier ensemble de données a été généré par Celera et consistait en 27,27 millions de séquençage, provenant de cinq individus différents Le deuxième ensemble de données provient de génome humain fiancé par des fonds publics et est dérivé des contigs BAC UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 8 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE III. Génome humain Génome humain Une estimation révisée suggère qu’il y avait environ 22 000 gènes codant pour des protéines o Nombres similaires à des organismes beaucoup plus simples Le protéome chez l’homme présente une plus grande complexité pour le traitement des transcriptions d’ARNm par épissage alternatif Plus de 98% du génome humain n’est pas constitué d’exons qui codent pour les gènes Une grande partie de ce paysage génomique est occupée par des éléments d’ADN répétitifs tels que : o Les LINEs (20%) o Les SINEs (13%) o Des rétrotransposons à répétition terminales longue (LTR) (8%) o Des transposons d’ADN (3%) Les duplications segmentaires sont fréquentes dans le génome humain, en particulier dans les régions péricentromériques et subtélomériques o Il existe plusieurs centaines de milliers de répétitions Alu dans le génome humain Conclusion du projet Fournit une image monomorphe de notre génome car la séquence est obtenue des librairies dérivées de 8 (IHGSC) et 5 individus ( Celera) du génome humain Dans les deux librairies finales, il y a un seul individu qui représente la plupart de la séquence UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 9 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE III. Génome humain Génome humain Analyse informatique avec deux méthodes : o 1) Approche comparative (= Méthode extrinsèque) à Alignement de séquences nucléotidiques § De nombreux organismes modèles non humains, tels que les bactéries, les levures, Caenorhabditis elegans (Un nématode non pathogène vivant librement) la drosophile (La mouche du vinaigre), les plantes (Riz et Arabidopsis), etc - Ont également été séquencés o 2) Création d’une banque des ARNm Comment trouver les partiellement séquencés (300-500nt à chaque extrémité) gènes dans le - Le projet EST génome à EST = Expressed sequence tag Des algorithmes basés sur les modèles de Markov cachés (HMMs) ont été développés pour rechercher les signaux associés aux gènes Ces analyses ont permis d’estimer que le génome humain contient 22 000 gènes codant pour des protéines 1000 génomes pour identifier les variations génétiques dans les populations humaines Après l’achèvement des premières séquences du génome humain, l’attention s’est portée sur Les projets HapMap l’analyse de la variation génétique humaine avec le projet HapMap (Divisé en 3 phases) et le projet 1000 génomes UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 10 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE III. Génome humain Projet ENCODE Pour la récolte d’information fonctionnelles sur la structure et l’expression des séquences du génome Objectif : Générer o Un catalogue complet de tous les éléments fonctionnels du génome humain o Des génomes d’organismes modèles tels que la Drosophilia, le Caenorhabditis et la souris Projet ENCODE Se concentre sur les éléments fonctionnels qui sont définis comme des segments génomiques codant pour un ARN, ou un produit protéique, ou une signature biochimique, telle qu’une modification de la chromatine Les résultats sont résumés par une liste de tous les éléments fonctionnels basés sur la séquence dans l’ADN humain : o 1) Gènes codant pour des protéines o 2) Gènes non codant pour les protéines o 3) Éléments régulateurs impliqués dans le contrôle de la transcription des gènes o 4) Les séquences d’ADN qui interviennent dans la structure et la dynamique des chromosomes Techniques de génétiques moléculaires utilisées Lignées cellulaires utilisées (TIER1) o HELA-Cervical epithelial carcinoma o HCT116-Colon epithelial carcinoma Techniques o IMR90-lung fibroblast o THP1-blood monocyte leukemia o GMO6990-lymphoblastoid o HL-60-promyelocytic leukemia cell line Utilisé pour le projet ENCODE Méthodes de séquençage de deuxième génération UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 11 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE III. Génome humain Projet ENCODE : Méthode Technique très ancienne adaptée au haut débit o Les enzymes de coupure de l’ADN peuvent accéder plus rapidement à la chromatine ouverte qu’à la chromatine fermée o Ce qui est hypersensible dans une lignée cellulaire particulière est assez reproductible DNAase-Seq FAIRE : o = Formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements o Isole les régions génomiques appauvries en nucléosomes en exploitant la différence d’efficacité de liaison entre le nucléosome (élevée) et les facteurs de FAIRE-Seq régulation spécifiques de la séquence (faible) Implique : o La fixation croisée o L’extraction au phénol o Le séquençage des fragments d’ADN dans la phase aqueuse = Chromatine immunoprecitation-seq Utilisé dans le projet ENCODE o Sur les génomes de différents types de cellules pour identifier les séquences d’ADN dans les nucléosomes qui portent des modifications spécifiques § Utilisation d’anticorps spécifiques pour différents histones modifiées o Identifier les sites de liaison à l’ADN pour les facteurs de transcription Utilisée pour séquencer les régions de l’ADN associées avec la CHIP-Seq transcription UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 12 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE III. Génome humain Projet ENCODE : Méthode Méthode permettant d’identifier des séquences d’ADN o Qui peuvent être très éloignées les unes des autres dans la séquence du génome § Mais qui sont physiquement proches les unes des autres dans le noyau cellulaire en interphase Capture de la conformation des Les fragments d’ADN obtenus ont été chromosomes : 3C, séquencés et cartographiés sur le 5C et ChIA-PET génome humain o Aujourd’hui, les données générées par ENCODE sont visibles sur les « génome browser » : USCS ENSEMBL Le génome humain est transcrit de manière généralisée o Des transcrits d’ARN sont générés à partir de 62% du génome Le 80% du génome humain est fonctionnellement actif o Il participe à au moins un évènement associé à l’ARN et/ou au remodelage de la chromatine dans au moins un type de cellule De nombreux nouveaux transcrit non codants ont été identifiés, chevauchant parfois des gènes codant un type de cellule Un ensemble de longs ARNs non codants a été caractérisé De nouveaux sites de démarrage transcriptionnel ont été identifiés et caractérisés en détails Les séquences régulatrices entourant les sites de début de transcription sont distribuées de manière symétrique et ne sont pas situées uniquement en amont d’un gène Projet ENCODE - Résultats principaux UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL 2023 - 2024 13 /14  PLAN : I. Génétique et hérédité II. Les gènes et chromosomes III. Génome humain IV. Projet ENCODE III. Génome humain Projet ENCODE : Méthode Grâce au projet ENCODE o Il y a des autres séquences qui font partie du gène à part les exons o Dans le gène, il n’y a pas seulement la séquence qui code pour la protéine ou l’ARN, mais aussi toutes les régions qui régulent la transcription de l’ADN § Enhancers, silencers, promoteur, introns… Un gène ne code pas forcément pour une protéine o Les non codants représentent près de la moitié de tous les gènes annotés Les gènes non codants peuvent être regroupés en deux grandes catégories en fonction de la longueur nucléotidique des transcrit d’ARN Définition d’un gène o Les longs ARN non codants (IncRNA>20 a changé nucléotides) o Les petits ARN non codants (