L'information génétique Chapitre 4 Gilles Bourbonnais Cours compensateurs Université Laval

L'information génétique

Chapitre 4Chapitre 4

Gilles BourbonnaisCours compensateursUniversité Laval

1. Information génétique

50% du poids sec de la plupart des cellules = protéines

Protéine = polymère (chaîne) d'acides aminés

Insuline

Chaque protéine est caractérisée par sa séquence d'acides aminés.

Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Try-Gly-Lys-Val-Asp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-Tyr-Pro-Try-Thr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-Ser-Thr-Pro-Asp-Ala-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-Gly-Ala-Phé-Ser-Asp-Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phé-Ala-Thr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-Val-Asp-Pro-Glu-Asp-Phé-Arg-Leu-Leu-Gly-Asp-Val-Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-Lys-Glu-Phé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-Val-Val-Ala-Gly-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-His

Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA)

Ex. le lysozyme (130 AA)LYS VAL PHE GLU ARG CYS GLU LEU ALA ARG THR LEU LYS ARG LEU GLY MET ASP GLY TYR ARG GLY ILE SER LEU ALA ASN TRP MET CYS LEU ALA LYS TRP GLU SER GLY TYR ASN THR ARG ALA THR ASN TYR ASN ALA GLY ASP ARG SER THR ASP TYR GLY ILE PHE GLN ILE ASN SER ARG TYR TRP CYS ASN ASP GLY LYS THR PRO GLY ALA VAL ASN ALA CYS HIS LEU SER CYS SER ALA LEU LEU GLN ASP ASN ILE ALA ASP ALA VAL ALA CYS ALA LYS ARG VAL VAL ARG ASP PRO GLN GLY ILE ARG ALA TRP VAL ALA TRP ARG ASN ARG CYS GLN ASN ARG ASP VAL ARG GLN TYR VAL GLN GLY CYS GLY VAL

• On connaît actuellement ~ 10 000 protéines différentes.

• On en découvre une centaine de nouvelles par mois.

• Nombre total de protéines que peut fabriquer l'organisme humain = ??? (quelque chose entre 30 000 et 150 000).

2. Structure de l’ADN

• Chaque cellule fabrique les protéines dont elle a besoin.

• Pour fabriquer une protéine, il faut deux choses:

• Des acides aminés.

• La recette: quels acides aminés il faut assembler et dans quel ordre.

Où sont les recettes ???

"Recettes" contenues dans le noyau

Noyau contient une matière appelée chromatine

Chromatine = mélange de protéines appelées histones et d'ADN (environ moitié-moitié)

ADN = recettes des protéines

Crick et Watson, 1953

Découverte de la structure de la molécule d'ADN

ADN = polymère de nucléotides

Il y a quatre sortes de nucléotides : A, T, C et G

Acide DésoxyriboNucléique

NUCLÉOTIDE (4-5)

Base azotée

Sucre : désoxyribose

Groupement phosphate

Base azotée

Désoxyribose

Phosphate

Il y a quatre sortes de bases azotées: A, T, C et G

DONC quatre sortes de nucléotides: A, T, C et G

Les nucléotides peuvent se lier les uns aux autres par leur sucre (désoxyribose) et leur groupement phosphate.

Erwinn Chargaff (1947)

Si on sépare une molécule d'ADN en nucléotides, on obtient toujours:

Il peut y avoir plus de AT que de CG ou l'inverse (ça varie selon les espèces), mais il y a toujours autant de A que de T et de C que de G.

A = T

et

C = G

Pourquoi ?

Hypothèse de Crick et Watson:

A peut s'apparier avec T et C avec G:

A avec T : deux liaisons hydrogène (liaisons faibles).

C avec G : trois liaisons hydrogène

DONC

Deux chaînes de nucléotides peuvent s'unir l'une à l'autre si leurs bases sont complémentaires (A face à T et C face à G).

CE QUI EST LE CAS POUR L'ADN

L'orientation entre les liaisons donne une structure en forme de double hélice:

Dans une bactérie: 1 seule molécule d'ADN

5 millions de paires de base.

Longueur totale ~ 1,5 mm

Bactérie E. coli "éclatée".

L'ADN s'est répandu autour de la bactérie.

~ 5000 paires de bases

Dans une cellule humaine : 46 molécules d'ADN

Chaque molécule d'ADN s'enroule sur des protéines (histones) et forme un chromosome.

ADN

Histones

L'ensemble des chromosomes forme la chromatine

Un chromosome = une molécule d'ADN et les protéines sur lesquelles elle s'enroule.

50 000 X 150 000 X

Petite portion d'un chromosome humain

Portion du chromosome 4

L'ADN a été séparé des protéines qui y sont normalement associées (4nm DNA).

3. Le code génétique (4-9)

ADN = information sous forme CODÉE = code génétique

Code = faire correspondre un symbole ou un groupe de symboles à quelque chose d'autre.

Ex.

Code binaire des ordinateurs

Code du français écrit

Codes secrets des espions

Etc.

Exemple: supposons qu'on veuille écrire des mots en formant des colliers avec des perles de quatre couleurs différentes.

Problème : on ne peut pas désigner plus de 4 lettres sur 26.

On pourrait attribuer une lettre à chaque couleur:

Regroupons les billes deux à deux:

Problème : on ne peut désigner que 16 lettres (42)

Regroupons les billes trois à trois:

Combine y a-t-il de combinaisons possibles ? 64 (43)

On pourrait donc écrire ce qu'on veut avec 4 billes différentes si on les regroupe 3 à 3.

Pourrait-on utiliser ce code de 3 billes pour représenter des acides aminés (il y en a 20 différents) plutôt que des lettres ?

On peut miniaturiser le code en remplaçant les billes par quelque chose de beaucoup plus petit: des nucléotides.

On obtient alors un message de dimension moléculaire.

Dans la cellule, chaque groupe de trois nucléotides désigne un acide aminé:

Le message, la "recette" peut être porté par l'un des deux brins (le brin du bas dans ce cas).

Ce brin d'ADN correspond à la "recette" de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu

Le code génétique (déchiffré entre 1960 et 1964)

AAA Phénylalanine AGA Sérine ATA Tyrosine ACA CystéineAAG Phénylalanine AGG Sérine ATG Tyrosine ACG CystéineAAT Leucine AGT Sérine ATT STOP ACT STOPAAC Leucine AGC Sérine ATC STOP ACC TryptophaneGAA Leucine GCA Proline GTA Histidine GCA ArginineGAG Leucine GCG Proline GTG Histidine GCG ArginineGAT Leucine GCT Proline GTT Glutamine GCT ArginineGAC Leucine GCC Proline GTC Glutamine GCC ArginineTAA Isoleucine TGA Thréonine TTA Asparagine TCA SérineTAT Isoleucine TGG Thréonine TTG Asparagine TCG SérineTAG Isoleucine TGT Thréonine TTT Lysine TCT ArginineTAC Méthionine TGC Thréonine TTC Lysine TCC ArginineCAA Valine CGA Alanine CTA Asparagine CCA GlycineCAT Valine CGG Alanine CTG Asparagine CCG GlycineCAG Valine CGT Alanine CTT Ac. glutamique CCT GlycineCAC Valine CGC Alanine CTC Ac. glutamique CCC Glycine

N.B. 64 combinaisons pour 20 acides aminés.

Code redondant (il est dit dégénéré): plusieurs triplets différents peuvent coder pour le même acide aminé.

Trois triplets signifient la fin de la recette : triplets STOP

Un segment d'ADN portant toute l'information nécessaire pour la synthèse d'une protéine = gène

Ex.

gène du lysozyme

gène de l'anhydrase carbonique

gène du collagène

Gène de de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu

4. Gènes et chromosomes

Génome humain (toute l'information nécessaire pour fabriquer un humain) : 30 000 à 40 000 gènes

Combien y aurait-il de nucléotides dans le gène d'une protéine de 100 AA ?

23 molécules d'ADN

~ 1 m de longueur si on les met bout à bout

~ 3 milliards de paires de bases

Tous ces gènes sont répartis en 23 molécules d'ADN (chaque molécule comporte plus d'un millier de gènes "bout à bout").

Si chaque paire de bases est représentée par une lettre il faudrait l'équivalent de 800 bibles pour écrire le génome humain.

Chaque cellule (sauf gamètes reproducteurs) contient deux exemplaires du génome humain (un qui vient du père et l'autre de la mère).

DONC chaque cellule contient 46 chromosomes

Le nombre de chromosomes est variable selon l'espèce:

Chien………………….78

Chat………………...…38

Rat………..……………42

Les individus diffèrent les uns des autres par leur ADN.

Il n'y a pas deux personnes (sauf jumeaux identiques) qui ont le même ADN.

Une erreur dans l'ADN peut entraîner une erreur dans la protéine codée.

Cette erreur peut changer un ou plusieurs acides aminés de la protéine et la rendre non fonctionnelle.

Erreur dans l'ADN = mutation

Les mutations peuvent être causées par:

• Des erreurs lors de la reproduction des cellules

• Des substances chimiques toxiques (substances mutagènes)

• Des radiations nocives (rayons X, UV)

Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Try-Gly-Lys-Val-Asp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-Tyr-Pro-Try-Thr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-Ser-Thr-Pro-Asp-Ala-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-Gly-Ala-Phé-Ser-Asp-Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phé-Ala-Thr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-Val-Asp-Pro-Glu-Asp-Phé-Arg-Leu-Leu-Gly-Asp-Val-Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-Lys-Glu-Phé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-Val-Val-Ala-Gly-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-His

Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA)

Anémie falciforme = maladie génétique caractérisée par une hémoglobine anormale.

Anomalie dans la chaîne ß de l'hémoglobine : 6e acide aminé = VAL alors qu'il devrait être GLU

AAA Phénylalanine AGA Sérine ATA Tyrosine ACA CystéineAAG Phénylalanine AGG Sérine ATG Tyrosine ACG CystéineAAT Leucine AGT Sérine ATT STOP ACT STOPAAC Leucine AGC Sérine ATC STOP ACC TryptophaneGAA Leucine GCA Proline GTA Histidine GCA ArginineGAG Leucine GCG Proline GTG Histidine GCG ArginineGAT Leucine GCT Proline GTT Glutamine GCT ArginineGAC Leucine GCC Proline GTC Glutamine GCC ArginineTAA Isoleucine TGA Thréonine TTA Asparagine TCA SérineTAT Isoleucine TGG Thréonine TTG Asparagine TCG SérineTAG Isoleucine TGT Thréonine TTT Lysine TCT ArginineTAC Méthionine TGC Thréonine TTC Lysine TCC ArginineCAA Valine CGA Alanine CTA Asparagine CCA GlycineCAT Valine CGG Alanine CTG Asparagine CCG GlycineCAG Valine CGT Alanine CTT Ac. glutamique CCT GlycineCAC Valine CGC Alanine CTC Ac. glutamique CCC Glycine

CAC code pour VAL CTC code pour GLU

5. La division cellulaire

Lorsqu'une cellule se divise en deux cellules identiques, tout l'ADN doit aussi être reproduit.

Chaque fois qu'une cellule se reproduit, elle commence par reproduire en deux exemplaires identiques chacun de ses chromosomes.

L'ADN est séparé en deux brins

Des nucléotides libres dans le noyau (pièces de constructions toujours présentes) viennent sapparier à chacun des deux brins (A avec T et C avec G)

Au cours de la mitose:

• Chaque chromosome est répliqué en deux copies identiques : les chromatides sœurs.

• Les copies se séparent.

• Chaque copie migre dans une cellule

Chromatides sœurs

• Les chromatides demeurent liées par le centromère.

Centromère

Mitose d'une cellule à 4 chromosomes.

Les chromosomes se dédoublent

Les chromosomes se spiralisent

Les copies se séparent

On obtient deux cellules identiques

6. Les manipulations génétiques

Le code génétique est le même pour tous les êtres vivants.

Un même gène donnera toujours la même protéine, peu importe l'espèce de l'individu.

On peut introduire un gène d'une espèce dans une autre espèce = génie génétique

Ex. production d'insuline humaine par une bactérie :

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

On extrait les plasmides de bactéries

Une enzyme ouvre les plasmides

On extrait ou on synthétise le gène à greffer

On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme 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

ETC.

On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires:

Végétaux:

Le gène est introduit dans une cellule isolée.

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

Animaux:

Le gène est introduit dans un ovule fécondé.

L'ovule fécondé 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.

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.

DANGERS ?????

Pour la santé?

Pour l'environnement ?

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???

7. Le cancer

Une cellule peut perdre le contrôle de sa division. Elle peut alors former une tumeur.

Tumeur bénigne :

• Les cellules demeurent regroupées et ne se séparent pas.

• La tumeur demeure bien circonscrite.

Tumeur maligne:

• Des cellules se détachent de la tumeur principale et vont former d'autres tumeurs dans le corps = cancer

Principales anomalies des cellules cancéreuses:

• Division anarchique (sans contrôle) et perpétuelle (cellules immortelles).

• Perte d'inhibition de contact.

• Perte de spécialisation.

• Absence de cohésion entre les cellules : formation de métastases.

Tumeur au cerveau

Tumeur au sein Tumeur à la prostate

8. Les virus

Maladies causées par des virus

Poliomyélite

Rougeole

Rubéole

Grippe (influenza)

Rhume

Fièvre aphteuse

Sida

Mononucléose

Hépatites (A, B, C)

Condylomes

Herpes (type I et II)

Rage

Oreillons

Rubéole

Gastroentérites

Verrues

Variole

Varicelle

Infections respiratoires

Fièvre jaune

Dengue

Fièvres hémorragiques

Infections de la gorge

ETC...

Structure des virus

Capside

Matériel génétique

Enveloppe

Virus HIV (sida)

Papillomavirus (virus des condylomes)

Virus de l'influenza (grippe)

Capside du virus de l'herpes

Taille des virus

Mode de reproduction

• Le virus se fixe à la membrane de la cellule:

Le virus pénètre dans la cellule.

Le virus est digéré par la cellule

La cellule reproduit le matériel génétique du virus et synthétise les protéines du virus.

De nouveaux virus s'assemblent dans la cellule.

Les virus quittent la cellule par exocytose (ou la cellule se brise et libère ses virus).

Reproduction du HIV

Chez un malade atteint du sida (virus HIV), chaque jour :

• 1,8 milliards de lymphocytes T4 sont détruits (~ 5% du total)

• 10 milliards de virus sont produits (parfois 100 à 1000 fois plus)

• Survie des virus dans l’organisme ~ 6 heures

• ~ 1 virus sur 1000 parvient à infecter une nouvelle cellule

Adultes et enfants infectés par le virus du sida (2003)

Environ 3 millions d’enfants de moins de 15 ans

Chiffres et carte provenant de UNAIDS (ONUSIDA), le programme de lutte contre le sida des Nations Unies

Nombre d’adultes et d’enfants qui ont été infectés dans l’année 2003

Environ 800 000 enfants de moins de 15 ans

Nombre de décès causés par le sida en 2003

Environ 500 000 enfants de moins de 15 ans

Les antibiotiques n’ont AUCUN EFFET sur les

virus

Les rares médicaments antiviraux disponibles agissent sur des enzymes nécessaires à la reproduction du matériel génétique du virus ou à l’assemblage de ses protéines.

On extrait une cellule ordinaire de la brebis A.

A B

C

Clone de A

On extrait un ovule de la brebis B.

Le noyau de l'ovule est détruit et remplacé par le noyau de la cellule de la brebis A.

L'ovule avec son nouveau noyau est implanté dans une brebis C.

Qui donne alors naissance à un jumeau identique (clone) de A.

9. Le clonage

Dolly 1997-2003

N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais avant de réussir.

Peut-être un jour ???

FIN

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