CM 2 BBH - Architecture génome PDF

CM 2 BBH Architecture génome I) Introduction Le génome désigne, par définition, le support des informations génétiques d’un être vivant. On peut dire que c’est le « Logiciel du vivant ». ensemble des info génétiques d’un être vivant = génome...

CM 2 BBH Architecture génome I) Introduction Le génome désigne, par définition, le support des informations génétiques d’un être vivant. On peut dire que c’est le « Logiciel du vivant ». ensemble des info génétiques d’un être vivant = génome Si reproduction à l’identique => on serait rester au stade de procaryote. Le vivant se caractérise par sa capacité de multiplication et de reproduction à l’identique (ou presque). Pendant longtemps, nous ne parvenions pas à découvrir la base biochimique de l’ADN. Gregor Mendel, grâce à l’observation et à l’expérimentation découvrit que quelque chose se transmettait de génération en génération sans pour autant en découvrir la nature. II) Architecture du génome et évolution A) ADN, ARN, gène et chromosome gène a été découvert par Mendel => vu que des choses se transmettent de génération en génération, mais Définitions: s’appelle pas tout de suite gêne => au début conception de transmission Thomas Morgan => expérience de -Le vivant : se multiplie et se reproduit à l’identique croisement sur les mouches => certains caractères ne ou presque. pouvais pas se séparer => liaison physique entre certains gênes = K -Le génome : ensemble des informations génétiques d’un être vivant. C’est le logiciel du vivant. -Le gène : partie du génome qui code pour des protéines. L’Homme en possède un peu moins de 20 000. Un gène est constitué de régions codantes, les exons (ne représentent que 1 à 2 %) et de régions non codantes (=transcrites, mais non traduites) les introns. Structure en double hélice de l’ADN -L’ADN (acide désoxyribonucléique) : Le 25 avril 1953, James Watson et Francis Crick décrivent la structure hélicoïdale de l’ADN, molécule constituant la base biochimique de l’information génétique. (=> ce ne sont pas les premiers à avoir fait cette découverte : Rosalind Franklin, physicochimiste ayant déjà travaillé sur l’ADN et sa structure en 1951) De quoi est constitué l’ADN ? -Les acides nucléiques (ADN, ARN), sont constitués de nucléotides. Ces nucléotides sont constitués d’un sucre (désoxyribose pour l’ADN et ribose pour l’ARN) , un acide phosphorique et enfin d’une base. - Il existe 4 bases : l’adénine, la thymine (uracile pour l’ARN), la cytosine et la guanine, qui peuvent s’associées par des liaisons d’hydrogènes faibles (=non covalente). Ces liaisons se séparent facilement en condition dénaturante (pH, température…). se renature tres precis +++ - En clair, l’ADN est un double brin de polymère de nucléotides. Ces brins sont complémentaires ( A/T avec 2 liaisons et G/C avec 3 liaisons) et antiparallèles => 5’-3’ et 3’-5’ De l’ADN aux protéines… Promotrice = région non-traduite : l’ARN polymérase s’y fixe L ’ARN polymérase reconnaît une séquence localisée en 5 ’ du gène : le promoteur, qui contient des motifs particuliers. La transcription se fait alors sur le brin anti-sens et la séquence du messager sera identique à celle du brin sens (5’-3’). Enhancer beaucoup plus éloignées que le promoteur car au niveau de ces régions se fixent des protéines appelées facteurs de transcription. Si ces régions n’existent pas, la transcription du gène Commenté [LE1]: Les enhancers attirent et fixent des se fait mal. facteurs de transcription spécifiques. Ces facteurs reconnaissent des motifs spécifiques de séquences nucléotidiques dans l'ADN de l'enhancer. Une fois les facteurs de transcription liés à l'enhancer, ils peuvent interagir avec le complexe de transcription situé au niveau du promoteur du gène cible, même si l'enhancer est situé loin du promoteur. Mécanisme d'action : 1.Les facteurs de transcription se lient aux enhancers. 2.Cela entraîne un repliement de l'ADN (création de boucles d'ADN => courbure) pour rapprocher l'enhancer du promoteur du gène cible. 3.Les facteurs de transcription activent alors d'autres protéines, comme le complexe médiateur et d'autres co- activateurs, qui recrutent ou stabilisent l'ARN polymérase sur le promoteur, déclenchant la transcription. - Capping : nucléotide (guanosine méthylée ) modifié que l'on trouve à l'extrémité 5' des ARN messagers dans les cellules eucaryotes. Protège des ribonucléase et permet la fixation au ribosome. Obtention ARNm puis formation queue polyA Code génétique : mutation d’un gène peut n’avoir aucune conséquence si code pour le même acide aminé Grâce à AATAAA : queue polyA qui facilite reconnaissance par ribosome - ARNm fixé au ribosome par le biais du cap  Le ribosome vient ensuite lire la séquence d’ARN transcrite, et assembler les acides aminés: c’est l’étape de la traduction qui se déroule dans le cytoplasme. = ARN => protéines ARN de transfert : chaque séquence de 3 nucléotides appelle ARN de transfert rattaché à un A.A qui a anticodon complémentaire. L’ARN s’installe sur site de liaison du ribosome. Supposons que l'ARNm ait le codon AUG. Commenté [LE2]: L'ARNt avec l'anticodon UAC reconnaît ce codon. - 5’ UTR partie non traduites placée en amont du codon d’initiation. Cet ARNt est chargé avec l'acide aminé méthionine (correspondant au codon AUG). - AUG correspond au codon d’initiation. Le ribosome attache la méthionine à la chaîne polypeptidique en cours de formation => forcément c’est la EXON: partie du gène qui persiste lors de la maturation (épissage) du transcrit primaire en ARNm. séquence des codons de l’ARNm qui détermine la Les exons ne sont pas tous codants. L’ensemble des exons des Humains ne constitue que 1%- 2% du séquence des AA Protéine va très vite prendre une forme secondaire, puis génome. va etre mature dans le RE, dans le Golgi puis va sortir et remplir ses fonctions dans la Cellule INTRON : partie du gène située entre deux exons et qui est excisée lors de la maturation (épissage) du transcrit primaire en ARNm. Rq : Ils sont présents à l’intR des gènes codants mais ne correspondent pas à des séq codantes UTR (UnTranslated Region) : régions transcrites non traduites (5’UTR et 3’UTR). PROMOTEUR : région de l’ADN située habituellement en amont (en 5’) d’un gène et indispensable à sa transcription en ARN. Il comporte le site d’initiation de la transcription (+1) et les sites de fixation de facteurs de transcription et de l’ARN polymérase. ENHANCERS : régions de l'ADN sur lesquelles se fixent des facteurs de transcription pour activer la transcription de gène(s). Ils agissent en cis et peuvent être situés jusqu'à 1 million de paires de bases (en amont ou en aval) des gènes régulés. Remarque : l’ADN est double brin, s’il y a un message à préserver c’est lui qui peut le faire Un ADN compacté… L’ADN est toujours complexé à des protéines : les histones. Il existe 5 types de ces protéines (H2A, H2B, H3, H4 et H1) et elles sont composées d’une partie globulaire et d’une partie N-terminale (queue). Tétramère d’histones relié à H1 qui stabilise -Un nucléosome est composé d'ADN enroulé autour de huit histones de 4 types : H2A, H2B, H3 et H4. =>compaction systèmes de régulation de la transcription, et système (x 350) = fibre de chromatine (H1 permet enzymatique de coupures qui existent. Chacun est codé par un la stabilisation de cette structure.) Partie gène et ces gènes peuvent subir des régulations linéaire indispensable à la compaction de et à toutes les étapes on peut avoir des maladies génétiques l’ADN. - diamètre hélice d’ADN= 2 nm, mais 10 nm avec les histones Fibre chromatinienne = 30 nm, puis se replie jusqu’a 700 nm pour la  moitié d’un K (K = 2 chromatides) De la chromatine au chromosome: - La chromatine se condense en chromosome. L' homme possède 23 paires de chromosomes soit, 46 chromosomes en tout. On parle de gonosomes pour les chromosomes X et Y (reste = autosomes). Ces chromosomes sont classés en fonction de leur taille. tous la même forme de K => DGN Paris japonicus = plante qui à le plus grand génome sur terre Valeur modifiée c’est 45 Mb la taille du chromosome 21 K circulaire = procaryote. Matériel génétique n’est pas séparé par du cytoplasme par une mb K lineaire = eucaryote. Hommes = métazoaires (=êtres à multiples cellules) - Il est possible de mettre en évidence ces chromosomes par fluorescence. SRY : détermine le sexe Dystrophine : gène sur le K X. Si mutation => myopathie de Duchenne chez les garçons Au moment de la transcription, le chromosome ne se déroule pas complètement (existence de domaine interphasique). Des études ont permis la découverte de territoires chromosomiques séparés par des frontières. Au sein de ces territoires, la fibre de chromatine conserve une organisation permettant d'identifier des sous-domaines correspondant aux bras ou aux bandes chromosomiques (TAD :régions d'interactions chromatinienne préférentielles, là où se fait les régulations de l’ expression des gènes). à l’intérieur des TAD, il existe des interactions et les gènes se trouvant dans ces domaines ont une régulation relativement coordonnées de leur expression. Domaines sont séparé par des frontières : isolateurs. L’organisation de la structure, de l’architecture d’un génome = important. Si les interactions entre domaines sont perturbées => maladies. Etoiles = frontières qui isolent les TAD (gène + enhancer) les uns des autres Systèmes de régulations liés à l’existence d’ARN non codant en nb important dans les régions inter-géniques, dans les introns + les séquences de types enhancer ou silencer qui se trouvent aussi dans les régions inconnu ou non codantes qui sont déterminantes dans la transcription et dans la régulation de la transcription.  Trisomie = viable que pour les K de moins de 400gènes car peu de déséquilibre génique III)Notion d’Architecture: évolution et diversité humaine Notre ADN varie constamment : (logiciel qui varie constamment= diversité) - La terre est apparue, il y a environ 4,6 milliards d’années, elle a d’abord vu l’apparition des procaryotes (il y a 3,5 millards d’années), puis des eucaryotes (2,7 milliards) et des homos sapiens (250 000 ans). Après le cambrien, 5 extinctions massives d’espèces ont eu lieu, dont une qui a entraîné la perte de 85% de la population terrestre (ex: extinction des dinosaures qui a été bénéfique puisqu’elle a permise le développement des mammifères). Il y a 500 millions d’années, apparition des différents embranchements dont les Chordés Il y a 100 millions d’années, radiation des mammifères suite à extinction dinosaures 550 M d’années => explosions de formes => multiples formes anatomiques 1M d’années à 100 000 ans est apparue une diversité des mammifères -Qu’est-ce qui définie l’architecture du chromosome? Formes très différentes mais reflètent l’histoire de l’évolution L’architecture du génome présente une spécificité par paire et une spécificité d’espèce. Le contenu du génome est identique, mais l’architecture est différente (=témoin de l’évolution des espèces.) - Taille différente, possible augm taille  Qu’observons-nous? 1ère observation : Passage d’un chromosome circulaire à un chromosomes linéaire (= passage du procaryote à l’eucaryote ) => modif considérables Normalement télomères se raccourcissent un peu à chaque division cellulaire => horloge de la vie, montre que nous ne sommes pas immortels Télomères trop courts => sénescence, apoptose Cancer : télomérase réactivée par C cancéreuses rallongent les télomères, permettant aux C cancéreuses de se rediviser indéfiniment. - Les télomères: séquences répétées GGGTTAG x N permettant la formation d’une boucle à la fin des K qui évitent de se retrouver avec des bouts nus d’ADN et ainsi empêcher qu’ils se recombinent pour former des K géants. Répétition, l’ADN se replie et forme des boucles. Boucle = adn n’est pas libre => protection contre les recombinaison entre les molécules d’adn Les centromères sont spécialisés pour la mitose et la méiose : ADN répété (séquences de 300 pb x n). Fixation d’une structure protéique, le KINÉTOCHORE, sur lequel se fixent les fibres du fuseau mitotique. Région péricentromérique : ADN répété (séquences de 60 pb x n). sans télomères et sans centromères il ne peut pas y avoir de fonctionnement correcte de protéines et de molécule linéaire. K ont plusieurs origines de réplication Centromères et télomères sont des structures apparus lors du passage des chromosomes circulaires à des chromosomes linéaires. Télomère ne peut pas rester nu car c’est comme s’il y avait une cassure, il serait réparé avec un autre K => personnes âgées  2ème observation: Augmentation de la taille - La taille fait-elle l’animal ? Non. Paradoxe C. La valeur C représente la taille d'un génome qui peut être exprimée en millions de paires de bases (Mb) ou en pico-gramme (10-12 g) : 1 pg correspond à 978 Mb. La valeur C est très variable en fonction des espèces: VIRUS : quelques milliers BACTERIES : quelques millions MAMMIFERES : quelques milliards Paris Japonica a taille de l’ordre de 10^11 alors qu’elle est de 10^9 pour un humain. Pour autant – complexe que l’homme. La taille des génomes ne corrèle pas avec la complexité des organismes. Plus génome augmente plus qté d’ADN codant pour protéine est petite. Plus génome augmente plus la part intergénique. C'est le paradoxe de la valeur C. L’essentiel de notre génome est composé de séquences non codantes pour des protéines - Forte augmentation des portions non codantes pour des protéines. La taille du génome ne s’explique pas par les régions codantes mais par les régions non-codantes. Les régions codantes ne représentent que 1 à 2 % du génome!!! (dont 80% actif). - Il n’existe pas d’ADN poubelle, il y a un envahissement des régions codantes par du non codant. Commenté [LE3]: Par ex introns se trouvent à l’intR des gènes codants mais permet splicing alternatif, rétrotransposons s’insère dans partie codante ce qui - Par ailleurs, les régions intergéniques (= non-codantes) ne sont pas sans importance. Les enhancers provoque des modulations, et silencers, par exemple, éléments de régulation se trouvant dans ces régions sont essentiels. - Augmentation de la diversité des protéines grâce à l’épissage alternatif ( « on coupe les introns et lie les exons ») qui est controlé par des séquences situées dans les introns ( sites donneurs/ accepteur d’épissage ) et promoteur alternatif. intron => splicing alternatif = 1 gène, plusieurs formes codées. - Certains introns ne codent pas pour des protéines mais pour des petits ARN qui vont jouer un rôle dans la formation des protéines (splicing alternatif) => modulation des ARNm pour empêcher qu’ils ne soient splicés et aillent dans le cytoplasme ARN non codant pour des protéine => interviennent dans le splicing alternatif (transcrits) mais Commenté [LE4]: Peut être introns mais aussi exons Gène HOTAIR : aussi dans la régulation de l’expression des gènes codant pour des protéines HOTAIR est un exemple de lncRNA qui joue un rôle dans L’expression des petits ARNm => complexifie le DGN, bcp plus importants que le nb d’ARN la régulation de la chromatine. Bien qu'il soit transcrit à partir d'un gène contenant des exons et des introns, les codant (80% non codants) exons de HOTAIR ne codent pas pour des protéines. Au lieu de cela, HOTAIR interagit avec des complexes protéiques pour réguler l'expression d'autres gènes. Gènes de miRNA : Les gènes qui produisent des microARN peuvent également contenir des exons qui ne codent pas pour des protéines. Par exemple, un gène peut contenir des exons qui, une fois transcrits, donnent naissance à des miRNA enhancer et silence = régulateur de l’expression dans l’espace et dans le temps. qui régulent l'expression de gènes cibles, mais ces exons ne codent pas directement pour des protéines.  Portions non codantes ne sont pas les seuls éléments responsables de l’aug du génome => Duplications, polyploïdie etc IV) Technique de génétique humaine Au quotidien, notre génome subit des attaques qui entraînent des cassures (stress génotoxique, oxydatif, réplicatif) mais nos mécanismes de réparation permettent une réparation fidèle ou non = Remaniement chromosomique. Pourquoi et comment la taille des génomes a-t-elle augmenté ? Gènes dupliqués => expériences évolutives sans perdre fonction gène de départ => évolution des espèces Par gains de segments génomiques liés à : Duplications (remaniement de structures) => moteur de l’évolution -Ces duplications jouent un rôle déterminant dans l’évolution, en effet ils expliquent l’apparition progressive des différentes espèces. La duplication permet au vivant d’expérimenter Par survenue de polyploïdies = non division Cr - Phénomène par lequel les cellules ne procèdent pas à la cytodiérèse. Cela a donc pour conséquence, une duplication de tout le génome. Càd que pendant la phase S on a réplication du génome et séparation des K mais il n’y a pas la séparation du cytoplasme en 2 C distinctes. Donc juste une cellule avec double matériel génétique. A permis de créer certains organismes Exemple: poisson double amplification de génome il y’a 360 millions d’années. Diff vertébrés / invertébrés : double amplification du génome qui a permis ce passage de l’un à l’autre Par l’envahissement par des rétrotransposons Commenté [LE5]: Le mécanisme fonctionne ainsi : Il y’a 150 millions d’années, le génome de certains mammifères a été envahie par des rétrotransposons. 1.Transcription : Le rétrotransposon est transcrit en ARN. 2.Reverse transcription : L'ARN est ensuite reconverti en ADN par une enzyme appelée transcriptase inverse. Le génome est composé de 45% de séquences répétées : transposons, rétrotransposons et autres 3.Intégration : Cet ADN nouvellement formé est intégré Le génome de certains mammifères a été envahi par les rétrotransposons : Alu (300 pb) et Line 1 dans une nouvelle région du génome. Non codant car les protéines produites servent à faire la (5000 pb) il y a plus de 120 000 ans. Les rétrotransposons sont des séquences d’ADN qui ont été rétrotranscription pour la mobilité génétique mais pas au rétro transcrites qui vont se déplacer et se multiplier dans le génome de l’hôte donnant naissance métabolisme d’1 C à des séquences répétées dispersées. Réintégration dans le génome. Phénomène cyclique qui augm de façon considérable taille de notre génome. 30% de notre génome composé d’Alu. -Des bandes chromosomiques : ORDONNANCEMENT SPÉCIFIQUE À CHAQUE PAIRE CHROMOSOMIQUE INTRA - ESPÈCES ET INTER-ESPÈCES - L’ADN chromosomique est une mosaïque d’isochores L1, L2, H1, H2, H3. ---------------------- polyploïdie 3ème observation : les bandes chromosomiques ORDONNANCEMENT SPÉCIFIQUE À CHAQUE PAIRE CHROMOSOMIQUE INTRA - ESPÈCES ET INTER-ESPÈCES - L’ADN chromosomique est une mosaïque d’isochores L1, L2, H1, H2, H3.  GC riche en gènes de ménages = transcrit dans TOUTES les cellules AT Riches en gènes spécifiques de tissus ADN satellite régions riches en bases AT, séquences répétées et situées au niveau des séquences 4ème observation : Les chromosomes ont des formes différentes. - La spéciation des hominidés entraîne des différences architecturales plus subtiles : fusions chromosomiques, inversions, duplications segmentaires Les différences sont de plus en plus grandes que les espèces sont éloignées (comparaison de chromosomes de plusieurs espèces grâce au painting). -L’architecture différente constitue une barrière inter-espèce, car en méiose, il faut avoir un appariement des chromosomes. Si il n’y a pas d’appariements alors nous n’avons pas de recombinaison => pas de métaphase => pas de méiose => pas de reproduction. -La reproduction avec d’autres espèces n’est pas possible car nous n’avons pas la même forme de chromosomes = cloisonnement des espèces 1500 inversions entre les humains et les chimpanzés contre 9 visibles en cytogénétique. Ces inversions entraînent des changements dans l’expression des gènes. Duplications segmentaires DS ou Low Copy Repeats LCR : 10 kb – 400 kb 97% d’identité Gènes, cluster de gènes, pseudo-gènes, séquences rétro-virales, autres Près de centromères et de télomères. - Il existe une spécificité architecturale spécifique aux primates (surtout aux Hominidés). C’est ce qu’on appelle les duplications segmentaires. - Chez l’humain on observe, une augmentation de ces duplications segmentaires. Le taux d’expression augmente sur les duplications segmentaires - Le chimpanzé possède avec l’homme un nombre de duplications segmentaires en commun, plus importantes qu’avec l’orang-outang. 45% de séquences répétées dispersées dans le génome 1% de régions (exons) codant les protéines Architecture complexe, témoin de l’évolution - Plus on s’approche des homo sapiens et moins les changements sont importants. LE TAUX D’EXPRESSION DES GÈNES DANS LES DUPLICATIONS SEGMENTAIRES EST TRÈS DIFFÉRENT. Pas les copies des mêmes gênes dupliqués donc différences architecturales à l’origine d’une grande diversité de phénotypes. Les conséquences de ces duplications: -Modification du taux d’expression des gènes Spéciation des primates et chez les hominidés. Les chimpanzés et les hommes ont un nb important de LCR qu’ils partagent entre eux, le nb de copies chez les humains est plus important.