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Chapitre III : Les mutations et les agents mutagènes. Une mutation est une modification ou un changement dans l’information génétique. Le changement génotypique est souvent accompagné d’un changement phénotypique. Les mutations spontanées sont généralement dues à des erreurs lors de la réplication....

Chapitre III : Les mutations et les agents mutagènes. Une mutation est une modification ou un changement dans l’information génétique. Le changement génotypique est souvent accompagné d’un changement phénotypique. Les mutations spontanées sont généralement dues à des erreurs lors de la réplication. Les mutations induites par opposition aux mutations spontanées sont dues à l’action d’agents mutagènes physiques ou chimiques. Caractéristiques des mutations : Spontanéité. Rareté (10-7 à 10-11). Spécificité (spécifique à un ou plusieurs caractères). Hérédité. Mutations ponctuelles : Substitution Transversion : remplacement d’une base purique par une base pyrimidique. Délétion (délétion/µdélétion) Insertion (insertion/µinsertion) Transition : Replacement d’une base purique par une base de la même catégorie. Les délétions et les insertions sont souvent impliquées dans l’apparition de mutations. Une µ-délétion consiste en la perte d’une séquence nucléotidique très courte. Une µ-insertion une introduction d’une courte séquence nucléotidique dans un gène. Les insertions/délétions de séquences plus ou moins importantes produisent le plus souvent des mutations de grande ampleur. Ces dernières provoquent des altérations pouvant conduire à des pertes plus ou moins longues (qui pourrait être le gène complet). Les réarrangements génétiques engendrent des mutations qui sont souvent dues à des échanges mutuels de portions (séquences) dans une molécule d’ADN. 1 Expression des mutations : Forme Résistance (aux antibactériens par exemple) Auxotrophie Mutations cataboliques Thermo-résistance Les mutations peuvent avoir plusieurs expressions au niveau des caractères phénotypiques de la bactérie. Les mutants de la température rendent les bactéries thermorésistantes (ou thermotolérantes) à des températures largement supérieures à leurs températures optimum de croissance. Sur la forme, les mutations morphologiques peuvent avoir des effets sur les flagelles, les rendant de petite taille par exemple, en changent leur ondulation ou en le faisant carrément disparaitre rendant les bactéries mobiles immobiles. Mutation par réversion : Réversion vraie. 2  Réversion équivalente. Les mutations sont difficilement lisibles. Elles ne le sont que lorsque l’altération est détectable. Le passage du type sauvage vers la forme mutante peut être direct. Une seconde mutation inverse restaure le phénotype sauvage. Une mutation revers donne une séquence nucléotidique du mutant en la séquençant. Les agents mutagènes : Les agents mutagènes peuvent êtres de plusieurs origines. Ils sont soit de nature physique ou chimique. Ils sont tous capables d’engendrer des mutations selon des mécanismes différents. Les agents mutagènes sont de deux types : Physiques. Chimiques. L’automérisation : La première réplication n’est pas un mutant car c’est l’analogue de la base. La seconde réplication donnera un mutant. La glycosylation : Répare la dimérisation par rupture des liaisons covalentes. A / Les agents chimiques : Les agents chimiques peuvent soit être incorporés, causer des mésappariements ou s’intercaler. Les analogues de bases : Ressemblent du point de vue structurel aux bases normales (puriques/pyrimidiques) et peuvent par conséquent être incorporés lors de la réplication. Cependant après incorporation ces composés montrent des appariements différents de ceux des bases normales. Ce qui conduit à des mutations stables relevées dans la descendance. Les agents méthylant et alkylant : Sont capables de modifier la structure d’une base et par conséquent ses propriétés d’appariement en se greffant sur une position donnée. La conséquence de ce type de modifications est un mésappariement. Les agents intercalaires : Comme le ‘BET’ et ‘l’acridine orange’ qui s’intercalent entre les bases azotées. Les agents nitreux : Peuvent êtres des agents qui provoquent des transitions. Les A.N de type HNO2 provoquent des désaminations oxydatives des bases. La guanine par exemple lorsqu’elle est désaminée donne ‘la xanthine’ qui s’apparie avec une autre base. L’adénine 3  donne ‘l’hypoxanthine’ qui se lie à la cytosine et la cytosine donne ‘l’uracile’ qui se lie à l’adénine. B / Les agents physiques : Les agents physiques entraient le plus souvent des dimers (thymine/cytosine). Deux types de radiations : Ionisantes (les plus mutagènes) / Non ionisantes. Les agents physiques sont constitués majoritairement de radiations ionisantes et on ionisantes. 4 Les bases puriques et pyrimidiques absorbent les radiations. Les UV par exemple sont absorbés à 260nm (longueur d’onde). Les UV une fois absorbés provoquent l’apparition de dimers. Ainsi deux bases pyrimidiques adjacentes sur un même brin forment deux liaisons covalentes ce qui induit une erreur de lecture de l’ADN Pol à cet endroit. Dans ce cas elle laissera une brèche. Les radiations ionisantes qui sont des radiations de courtes longueurs d’ondes mais très riches en énergie (Rayons X par exemple). Les rayons cosmiques et les rayons gamma font partie des rayons ionisants également. Les rayons ionisants ont un pouvoir mutagène beaucoup plus important que les rayons non ionisants. Ils agissent en faisant perdre des électrons ou des atomes ce qui rend les bases ionisées et donc instables. Effets des mutations : Les mutations silencieuses : provoquent un changement génotypique mais pas de changement phénotypique. Les mutation faux-sens : Changements génotypiques et phénotypiques. Les mutation non-sens : changement génotypique. Aucun phénotype. Quand un codon est muté on obtient : La même protéine / Une protéine incomplète (non fonctionnelle) / Une nouvelle protéine. 5  Chapitre IV : Réparation des mutations. La réparation des mutations ou des lésions de l’ADN est à la base du maintien de l’intégrité de l’information génétique. La constance d’une molécule d’ADN est alors obtenue aussi bien grâce à la réplication qu’a la réparation des mutations. L’information génétique doit être stable. Cependant deux molécules sont capables d’altérer le contenu informationnel de la molécule. Une réplication non fidèle ou une agression physique/chimique. Les mutations ponctuelles n’affectent pas la réplication ni la transcription. Il y a par contre un changement de séquence. Lors des divisions ce type de mutations devient stable (héréditaires) et on a donc l’apparition de mutants à l’origine de nouveaux clones. Les lésions subies par l’ADN constituent des inducteurs de gènes de réparation. 6  I- La restauration de la zone endommagée ( la plus simple) II- La suppression de la zone endommagée ( concerne des basses ou des nucléotides incorrects) III- La tolérance de la zone endommagée A. La restauration de la zone endommagée Réparation par réversions des lésions 1. Photo-réactivation : les photolyases sont des enzymes activées par l’énergie lumineuse et qui participent à la réparation de l’ADN par coupure des liaisons covalentes au niveau des dimères de thymine. 1. Photo-réactivation (Photo-réaction) : Les réparations sont généralement fidèles. Ce type de réparation fidèle est enzymatique. Il est souvent utilisé par les bactéries lorsque ces dernières ont subi des mutations par les UV. L’exposition aux UV provoque l’apparition de dimères notamment de thymine et de cytosine. Ce type d’altérations est réparé grâce à la lumière visible en présence d’une enzyme appelée LA PHOTOLYASE. Cette enzyme est lumière dépendante (ne fonctionne pas sans la lumière). 7 Elle intervient en coupant les liaisons hydrogènes entre les deux bases formant le dimer. Ainsi la molécule d’ADN initiale est complètement restaurée. C’est donc un mécanisme de réparation fidèle. 2. Réversion de dépurination par une purine insertase : restaure la liaison osidique 3. Réparation des ruptures simples brins: grâce aux ligases 4. Désalkylation: Mécanisme faisant intervenir les alkyltransférases Les alkyltransférases vont avoir pour rôle de réparer les liaisons induites par les agents alkylants. La formation de la O 6 -méthylguanine est une mutation qui peut se transmettre. La réparation se fait grâce à l’enzyme O 6 -méthylguanine méthyltransférase. Elle se lie et transporte le groupement méthyle au niveau d’une cystéine interne à cette enzyme, où est localisé le site actif de l’enzyme. On a donc un retour à la guanine, et une dégradation du groupement méthyle. B. Suppression de la zone endommagée Ce mécanisme est présent chez les procaryotes et les eucaryotes. C’est un mécanisme de réparation simple brin ( Mécanisme agit sur les lésions présentes sur un seul brin). C’est un mécanisme multi-étapes: 1-Reconnaissance de la lésion 8  2-Excisionde la partie altérée. 3-Réparation par réplication pour combler la lacune (ADN Pol et ligase). L’ADN glycosylase coupe la liaison N-glycosidique entre la base anormale et le désoxyribose, entraînant l’apparition d’un site AP. Il y a uniquement extraction de la base sans coupure de liaison phosphodiester. Il existe de nombreuses glycosylases dans la cellule, chacune reconnaît une (plusieurs) base(s) modifiées différentes (ex: Uracile ADN-glycosylase). Réparation par excision de nucléotides (NER) : Elle fait intervenir une succession d’étapes de type copier/coller. La distorsion ou l’erreur présente sur l’un des deux brins est reconnue. Elle est ensuite excisée par une nucléase. Cette excision inclut en général plusieurs nucléotides adjacents au site de l’erreur ou de la mutation. Cette excision laisse alors une brèche sur un des deux brins de l’hélice. Une ADN Pol va intervenir pour combler le vide. Les nucléotides ainsi insérés par l’ADN Pol sont complémentaires de ceux du brin intact. L’enzyme ajoute les nucléotides à l’extrémité 3’—OH de l’ADN excisé. 9  L’ADN ligase va souder les deux extrémités de la séquence. Correction des mésappariements 1. Réparation par les Topoisomérases (ADN Pol I et III) (correction d’épreuves) L’ADN Pol I grâce à son activité exonucléasique dans le sens 3’—5’ corrige les erreurs de mésappariement des bases durant la réplication. Une ADN Pol va intervenir pour combler le vide. Les nucléotides ainsi insérés par l’ADN Pol sont complémentaires de ceux du brin intact. L’enzyme ajoute les nucléotides à l’extrémité 3’—OH de l’ADN excisé. L’ADN ligase va souder les deux extrémités de la séquence. 2. Système de réparation guidée par les CH3 : système MMR (Methyl Mismatch Repair) Chez les procaryotes, le système de réparation repère la méthylation des adénines des séquences GATC et fait intervenir les enzymes MUT. Le système enzymatique de réparation est multi-protéique. Il est capable de reconnaitre un mésappariement et une séquence GATC située dans l’environnement du mésappariement (jusqu’à 1000 pb), afin de vérifier le brin méthylé. La reconnaissance du brin matrice par rapport au brin nouvellement synthétisé est basée sur la présence de méthylations spécifiques dans le premier, ce qui permet à la cellule de reconnaître la copie de l'original et d'éviter de modifier ce dernier. 10  Ce complexe multienzymatique est codé par les gènes MUT et constitué des enzymes MUT. Il peut se positionner sur le mésappariement et détecter le brin méthylé. Il a une activité endonucléasique : il peut cliver les liaisons phosphodiester à l’intérieur d’une chaine. Ce complexe excise le fragment d’ADN simple brin qui contient le mésappariement (donc sur le brin non méthylé). Cela entraine la formation d’une lacune qui doit être comblée. L’ADN POL III se positionne alors en 3’OH en synthétise l’ADN complémentaire et antiparallèle. La dernière liaison phosphodiester est effectuée par l’ADN ligase. C. La tolérance de la zone endommagée Réparation par recombinaison homologue : Recombinaison : 2 molécules / Rec + C’est une réparation qui intervient sur le brin néosynthétisé lors de la réplication. La molécule qui servira de matrice est le 2 résultant de la réplication du 2 brin néosynthétisé. nd nd C’est un système de réparation constitutif, basé sur la recombinaison homologue, qui intervient quand les systèmes précédents n’ont pas pu réparer les lésions, soit car ils étaient défectueux, soit parce qu’ils étaient débordés. S’il n’y a pas de réparation avant réplication, une lacune (ou brèche post-réplicative)est laissée par l’ADN polymérase, lorsqu’elle rencontre une lésion. Cette lacune va être réparée par recombinaison homologue. Déroulement du mécanisme. Lors de la réplication, une lacune est laissée sur le brin fils en face du dimère. 11  2. Cette lacune est remplie par laséquence du brin parental opposé identique à ce brin fils qui est prélevée par la protéine Rec A. 3. Cela va fournir la séquence correcte et créer une deuxième lacune sur le brin parental opposé. 4. Puis le dimère est excisé par des enzymes d’excision. 5. Les deux lacunes (à la place du dimère de thymines et sur le brin parental opposé) sont ensuite corrigées grâce à l’ADN polymérase qui synthétise la séquence complémentaire et antiparallèle de chaque brin parental 6.Réparation par le système SOS : Lex A : Répresseur des gènes de réparation Lésion =˃ Activation de Rec A =˃ Lyse de Lex A =˃ Expression des enzymes de réparation. Si les dommages dans l’ADN sont trop importants : le système SOS se met en place. C’est le dernier système pour tenter de réparer les dommages de l’ADN. C’est un système de réparation par recombinaison homologue, sauf qu’il est inductible. Le système SOS se met en place. Il active la deuxième fonction de la protéine Rec A : son activité protéolytique Cette activité aboutit à la dégradation de son propre répresseur Lex A. Il y a alors synthèse de protéines REC A et d’une vingtaine d’autres protéines issues des gènes SOS. Cela permet de stimuler le système de recombinaison homologue 12 La protéine RecA: enzyme bifonctionnelle activité d’échange de brins d’AN d’où son rôle dans la recombinaison activité protéolytique intervenant dans le mécanisme de réparation par le système SOS Quand les lésions sont suffisamment graves ( arrêt de synthèse de l’ADN, elles déclenchent un ensemble de gènes appelés « gènes SOS » L’arrêt de la réplication provoque l’apparition d’ADN monocaténaire reconnu par les enzymes de réparation RecA , celle-ci agit alors: en assurant des recombinaisons en détruisant la protéine LexA qui est le répresseur des gènes SOS Elle induit l’expression de plus d’une vaintaine de gènes ayant tous un rôle important dans la réparation de l’ADN 13 14