GENETIQUE. Notion de gène, expression, mutation, réparation La fonction du gèneRelation un...

GENETIQUEGENETIQUE

Notion de gène, expression, mutation, réparationLa fonction du gèneRelation un gène/une fonction: Beadle et TatumLa fonction dominante ou récessiveLa complémentation de deux gènes

Génétique Fondamentale

Génétique Mendélienne

Génétique moléculaire

Ségrégation Un gène, deux gènesLiaison génétiqueEpistasie et synergie

Transformation bactérienne, recombinaisonTransductions localisées et généraliséesConjugaison: facteur FOpérons

Génétique

La transcription

Information : dans le noyau (sous forme d'ADN)

Synthèse des protéines : dans le cytoplasme (au niveau des ribosomes du reticulum endoplasmique)

L'ADN ne sort pas du noyau. L'information passe au cytoplasme sous forme d'une copie : l'ARN.

ARN = Acide RiboNucléique

ARN diffère de l'ADN:

Sucre des nucléotides = ribose et non désoxyribose comme dans l’ADN d’où le nom ARN, acide ribonucléique.

Désoxyribose Ribose

• La base azotée thymine (T) remplacée par Uracyl (U) (U peut s'apparier à A)

• Une seule chaîne de nucléotides

• Molécules plus courtes et plus instables que l'ADN

Certains segments de l’ARN peuvent s’apparier s’ils sont complémentaires

Synthèse de l'ARNm se fait par l'enzyme ARN polymérase

L’enzyme assemble le brin d’ARN dans la direction 5’ – 3’ (comme l’ADN polymérase)

Vitesse de la synthèse ~ 60 nct/s

Plusieurs ARN polymérases II peuvent « travailler » en même temps, les unes derrières les autres, sur le même brin d’ADN.

Il peut donc se former plusieurs copies d'ARN en même temps

ARN polymérase se fixe à l’ADN au niveau d’une courte séquence d'ADN placée juste avant le début du gène.

c’est le promoteur

Le promoteur indique:

• Le début du gène à transcrire en ARNm (où l’ARN polymérase doit se fixer sur l’ADN)

• Quel brin d’ADN doit être transcrit

Le promoteur transcriptionnel des séquences eucaryotes contient une séquence de nucléotides faite uniquement des bases A et T.

TATA(A ou T)A(A ou T)A

Le plus souvent c’est la séquence TATAAATA

Cette séquence est appelée TATA box (elle est située sur le brin 5’-3’ à environ 25 nucléotides avant le début du gène).

Une protéine, appelée facteur de transcription, reconnaît la TATA box et s’y fixe. Il se forme alors un complexe protéique par l’ajout d’autres protéines dont l’ARN polymérase II qui peut alors commencer son travail de transcription du brin 3’-5’

TYPE OF POLYMERASE GENES TRANSCRIBED

RNA polymerase I 5.8S, 18S, and 28S rRNA genes

RNA polymerase II all protein-coding genes, plus snoRNA genes and some snRNA genes

RNA polymerase IIItRNA genes, 5S rRNA genes, some

snRNA genes and genes for other small RNAs

Les ARN Polymerases des Eucaryotes

La traduction

La synthèse de la protéine (assemblage des acides aminés) se fait au niveau des ribosomes chez les Eucaryotes

Les ribosomes

Formés de deux sous-unités: une petite et une grande(40 S et 60 S chez eucaryotes, 30 S et 50 S chez procaryotes).

Plus petites structures cellulaires : visibles au microscope électronique seulement.

Chaque unité formée d'un mélange d'ARN (= ARNr) et de protéines (~ 60% ARNr et 40% protéines).

Les sous-unités sont synthétisées dans le ou les nucléole(s) du noyau (les nucléoles sont des points plus sombres visibles au microscope dans le noyau) .

ARNr en brun; protéines en bleu

30S 50 S

Unité 50S. Les protéines sont en jaune.

ARNr synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux (ADN). Ces gènes existent en des centaines de copies dans le génome.

Donc, certains gènes ne codent pas pour des protéines. C’est le cas de ces gènes qui servent à produire les ARNr

Pour synthétiser la protéine, il faut:

• ARNm = information (la recette)

• Ribosome = machine à assembler les acides aminés

• Acides aminés = pièces de construction

• ARNt (ARN de transfert) = molécules qui transportent les acides aminés du cytoplasme au ribosome où ils sont assemblés en protéine.

L'ARN de transfert (ARNt)

ARNt = brin d'ARN qui se replie sur lui-même pour former une structure en 3D

Deux zones importantes sur l'ARNt :

Extrémité 3' (se termine par CCA) : peut se lier à un acide aminé

Anticodon = zone formée de trois nucléotides pouvant se lier à l'ARNm

N.B. certains nucléotides sont exotiques (différents des 4 habituels). I, par exemple = "inosine" un dérivé de l'adénine. I peut s'apparier avec U, C ou A.

Chaque ARNt est caractérisé par son anticodon.

Un ARNt ne transporte pas n'importe quel acide aminé: ça dépend de l'anticodon

Ex.

ARNt AAA transporte toujours l'acide aminé PHE

ARNt GAU transporte toujours l'acide aminé LEU

L'acide aminé est attaché au bon ARNt par l'enzyme aminoacyl-ARNt synthétase

Il existe plusieurs sortes d’aminoacyl-ARNt synthétase. Chacune peut attacher un acide aminé particulier à un ARNt particulier.

Le site actif de l’enzyme reconnaît:

un acide aminé particulierET un anticodon particulier.

L’enzyme unit l’acide aminé à l’ARNt

Translational factorsFactor FunctionInitiation factors

IF-1Unclear; X-ray crystallography studies show that binding of IF-1 blocks the A site (see page 329), so its function may be to prevent premature entry of tRNAs into the A site. AlternativelyIF-1 may cause conformational changes that prepare the small subunit for attachment to the large subunit

IF-2 Directs the initiator tRNAiMet to its correct position in the initiation complex

IF-3 Prevents premature reassociation of the large and small subunits of the ribosome

Elongation factorsEF-Tu Directs the next tRNA to its correct position in the ribosome

EF-Ts Regenerates EF-Tu after the latter has yielded the energy contained in its attached GTP molecule

EF-G Mediates translocationRelease factorsRF-1 Recognizes the termination codons 5 -UAA-3 and 5 -UAG-3′ ′ ′ ′RF-2 Recognizes 5 -UAA-3 and 5 -UGA-3′ ′ ′ ′

RF-3 Stimulates dissociation of RF1 and RF2 from the ribosome after termination

Ribosome recycling factor

RRF Responsible for disassociating the ribosome subunits after translation has terminated

N.B.

• Un gène peut coder pour la synthèse d'une protéine

• Un gène peut coder pour la synthèse d'un ARNr ou ARNt (ces gènes existent en des milliers de copies dans le génome)

DONC, gène = brin d'ADN qui est copié en ARN

Mécanisme de la traduction

Le brin d'ARNm s'attache au ribosome. En fait, il s’attache d’abord à la petite unité. C’est à ce moment que la grosse unité vient se fixer. Donc, les deux unités ne s’assemblent que lorsque l’ARNm se fixe à la petite unité.

Deux ARNt peuvent se fixer par leur anticodon sur l’ARNr au niveau du ribosome (un sur la zone appelée site P et l’autre sur la zone appelée site A).

Ribosome

ARNm

Polypeptide

Translation initiation

The ribosome binding site for bacterial translation

In Escherichia coli, the ribosome binding site has the consensus sequence 5 -′AGGAGGU-3 (called Shine-Dalgarno ′consensus sequence) and is located between 3 and 10 nucleotides upstream of the initiation codon.

Liaison codon-anticodon de deux ARNt (il y a deux sites de liaison sur le ribosome).

Chaque ARNt se fixe par son anticodon sur trois nucléotides de l’ARNm. Ces trois nucléotides de l’ARNm constituent ce qu’on appelle un codon.

Après leur fixation, les acides aminés qu’ils transportent sont reliés entre eux (le catalyseur est constitué d’une partie de l’ARN du ribosome et non d’une enzyme protéique).

L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG. L’anticodon UGC se fixe sur le codon ACG

Un autre ARNt se met en place

Le ribosome avance de trois unités

Le premier ARNt est retiré.

La protéine synthétisée pénètre dans le reticulum endoplasmique où elle prendra sa forme finale.

Vitesse de la synthèse:

• Chez E. coli ~ 5 AA / s

• Chez eucaryotes ~ 16 AA / s

Tous les ARNm se terminent par le codon (triplet de bases) UAA, UAG ou UGA = codons STOP.

Lorsque le ribosome atteint un codon STOP, une enzyme (facteur de terminaison) s'y fixe et détache l'ARNm du ribosome.

==> le ribosome se sépare en deux

Les deux unités se réuniront à nouveau si un ARNm se fixe à la petite unité.

Chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un codon de l'ARNm.

Chaque codon de l'ARNm correspond à un anti-codon spécifique de l'ARNt.

Chaque anti-codon correspond à un acide aminé spécifique.

DONC: chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un acide aminé: il s’agit donc bien d’un langage

Découverte du code

Code déchiffré entre 1961 et 1964

Expériences de Nirenberg et Khorana (Nobel 68)

DONC: UUU = PHE

Le code génétique

Le codon AUG (code pour MET) = codon d'initiation. Tous les gènes commencent par ce codon. La MET est souvent enlevée à la fin de la synthèse.

Par convention, le code génétique est toujours représenté en faisant correspondre les codons de l’ARNm aux acides aminés auxquels ils correspondent.

Code = UNIVERSEL c'est le même pour tous les êtres vivants sauf quelques rares exceptions:

Cette caractéristique permet le transfert de gènes d'une espèce à l'autre = génie génétique

• Introduction de gènes dans une bactérie

• Introduction de gènes dans un organisme pluricellulaire

Certains protistes : un seul codon STOP (UGA); les autres codent pour un acide aminé.

Les mitochondries ont leur propre ADN et leurs propres ribosomes qui sont plus petits (ressemblent à ceux des procaryotes). Il peut y avoir jusqu'à 6 codons différents (5 chez humains).

On prélève le gène de l'insuline humaine et on l'introduit dans le plasmide d'une bactérie.

Ex. production d'insuline humaine par une bactérie :

On extrait les plasmides de bactéries

Une enzyme de restriction ouvre les plasmides

On extrait ou on synthétise le gène à greffer et on le multiplie en de nombreux exemplaires.

On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme (ligase) fusionne les brins d'ADN

Les plasmides sont réintroduits dans des bactéries

Le gène est reproduit quand la bactérie se reproduit

Exemples: bactéries qui synthétisent:

Insuline

Facteurs de coagulation

Hormone de croissance

Enzymes pouvant métaboliser certains polluants (pétrole par exemple)

Protéines synthétiques qui n'existent pas dans la nature

On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires:

Végétaux:

Le gène est introduit dans une cellule du parenchyme ou méristématique.

Cette cellule est multipliée en éprouvette pour former un nouvel individu (cloning).

Animaux:

Le gène est introduit dans un ovule fécondé ou une cellule embryonnaire.

L'ovule est implanté dans l'utérus d'une mère porteuse.

Plantes résistantes aux insectes.

Résistantes aux herbicides.

Résistantes au gel.

Fruits et légumes qui se conservent plus longtemps.

Nouvelles saveurs.

Plantes plus riches en certains éléments nutritifs (vitamines par exemple).

ETC.

Riz possédant des gènes lui permettant de synthétiser du bêta carotène, le précurseur de la vitamine A

Animaux à croissance plus rapide.

Animaux plus faibles en gras.

Animaux plus productifs (en lait, en viande, en œufs).

Production de protéines à usage pharmaceutique (insuline, par exemple).

ETC.

Ces saumons ont le même âge. Celui du bas est un OGM

Thérapie génique: corriger les gènes défectueux en introduisant dans les cellules le gène normal.

Problème : comment introduire le gène dans chacune des cellules à corriger???