Génome humain, héréditéet information génétique

Jean-Pierre Rabès 23 septembre 2011

Diplôme d’État Infirmier - Cycle de la vie et grandes fonctions UE 2.2

Service de Biochimie & Génétique Moléculaire

I – Structure des acides nucléiques

II – Organisation du génome

III – Division cellulaire : réplication et mitose

IV – Expression des gènes : transcription et traduction

V- Mutations de l’ADN

VI – Hérédité

PLAN

I – Structure des acides nucléiques

Les acides nucléiques

Existent sous deux formes :

• L’ADNL’ADN : : Acide DésoxyriboNucléique• L’ARNL’ARN : : Acide RiboNucléique

Macromolécules (ou polymères) construites à partir d’un petit nombre de composés simples (ou sous unités monomériques) en l’occurrence:

des nucléotides Biologie Moléculaire = biochimie des acides

nucléiques + technique d’étude de ces acides nucléiques.

Nucléotide

Base

Phosphate

Nucléoside

Pentose(sucre)

Les acides nucléiques : polymères de nucléotides

ADNADN ARNARN

Sucre 2’ désoxyribose ribose

Bases A = adénineT = thymineG = guanineC = cytosine

A = adénineU = uracileG = guanineC = cytosine

Phosphate

Acidephosphorique Pentoses Bases azotées

P OHO

OH

OH β-D-ribofuranose

HOCH2O

OH OH

OH1’

2’3’

4’

5’

Adénine

(6-aminopurine)

N

N

NH2

N H

N HN

NH2N N H

N

O

Guanine(2-amino-6-oxypurine)

β-D-2’-désoxyribofuranose

HOCH2O

OH

OH1’

2’3’

4’

5’

puriques 1

3

5 7

9

N

N NH

N

24

6

8

pyrimidiques N

N1

2

34

5

6

N

NHO

NH2

Cytosine(2-oxy-4-amino

pyrimidine)

Thymine(2,4-dioxy-5-méthyl

pyrimidine)

CH3HN

NHO

O

HN

NH

Uracile(2,4-dioxypyrimidine)

O

O

Ribose

Désoxyribose

Pour illustrer

O

HO

Adénine

Cytosine

Guanine

Thymine

PO

O

HOH Extrémité 3’ OH libre ADN ARN

Extrémité 5’ P libre

OH

Adénine

Cytosine

Guanine

Uracile

OH

CH2OP

PO

O

PO

O

PO

O

PO

O

PO

O

O

O

CH2O

OCH2

O

OCH2

O

OCH 2O

OCH2O

OCH2O

O

O

O

O

OCH2O

OH

OH

OH

P

H

H

3’

5’

liaison 3’ – 5’phosphodiester

3’

5’

5 ’P

3’ OH

5’ 5’

Structure Iaire d’une portion de chaîne d’acide nucléique

La double hélice de WATSON et CRICK (1954)Pour illustrer!

Complémentarité des bases +++

A T C G

N

N

N

N

N N

N NN

N

O

N

NO

NCH3N

NO

O

HH

H

désoxyribose désoxyribose

TA

désoxyribosedésoxyribose

H

H

H

HH

G C

: liaison hydrogène

Structure secondaire de l’ADN

pas

de l’

hélic

e

Double hélice d’ADN

-Bases : A, T, G, C

-Sucre : désoxyribose

-Double brin antiparalèlle

-Association par complémentarité

-Structure hélicoïdale

-Liaisons H en plateau

Désoxyribose (D)Phosphate (P)

Petit sillon

Grand sillon

Molécule en double hélice (bicaténaire)

L’ADN

5'5'3'

3'

Les 2 brins sont orientés (une extrémité 5‘ et une extrémité 3‘ chacun)

Les 2 brins sont dits "antiparallèles" (parallèles mais en sens inverse)

La structure en double hélice permet d'envisager la pérennité du matériel génétique d’une génération à l'autre, c’est la réplication de l’ADN (duplication).

Génome : tout l’ADN d’une cellule = ensemble de l’information génétique (gènes et séquences d’ADN non codantes) contenue sous forme d’ADN dans les cellules

« patrimoine héréditaire de l’individu » « toutes les cellules nucléées de l’organisme possèdent le même génome (sauf les cellules germinales : ovules et spermatozoïdes; et les lymphocytes : B et T) »

II – Organisation du génome

1/ Définitions

Chromosome : une seule grande molécule d’ADN et ses protéines associées, apparaissant sous la forme d’1 bâtonnet lors de la mitose et contenant de nombreux gènes.

VIRUSVIRUS : 1 molécule d'ADN ou 1 molécule d'ARN

PROCARYOTESPROCARYOTES (bactéries) : 1 unique chromosome(4,6 millions de paires de bases ou pb)constitué d’une moléculed'ADN circulaire (+ plasmides)

EUCARYOTES : 2n chromosomessitués dans le noyau+ génome mitochondrial (ADN circulaire)

~ 0,2 µm

~ 2 µm

Génome

~ 20 µm

En 2 partie :

génome nucléaire ~ 25 000 gènes - 2 x 3,2 milliards de pb

Déroulé ~ 2 x 1 m de long!

génome mitochondrial 37 gènes - ADN circulaire de 16 000 pb transmis par la mère

2/ Le génome humain

Organisation générale du génome nucléaire humain

Caryotype humain normal

ADN

Noyau

Cellule

Paire de bases Histones

23 paires de chromosomes• 22 paires d’autosome• 1 paire de chr.sexuel (XX ou XY)

Chromosomeen métaphase

Double hélice d’ADN∅ 2 nm

Différents états de compaction de l’ADN

Chromosomeen métaphase,donc dupliqué

Une chromatide∅700 nm

Fibre de chromatine = nucléosomes tassés

∅30 nm(interphase)

Fibre de chromatine = Structure en

chapelet∅10 nm

Double hélice d’ADN∅ 2 nm

Pour illustrer

Morphologie des chromosomesen métaphase

Campbell – Fig. 12..3

Centromère

Chromatides soeurs

Télomères

Télomères

Campbell – Fig. 13.3

Chromosomepaternel

Chromosomematernel

Chromosomessexuels

Autosomes(tous sauf chromosomes sexuels)

3/ Le caryotypeEnsemble des chromosomes d’une cellule,rangés en fonction de la taille, de la forme et du nombre

Applications médicales

La cytogénétique : étude des chromosomes des cellulesOutils : établissement du caryotype, FISH...

But : - étude des anomalies chromosomiques constitutionnelles (constitutionnel = présent dès la conception) chez des enfants atteints de malformations, retard mental- Couple présentant des avortements multiples- dépistage anténatal d’aberrations chromosomiques

Applications médicales (suite)

Ex. d’anomalies de nombre : - Trisomie 21 : 47, XY, +21

- Syndrome de Turner : 45, X0- Syndrome de Klinefelter : 47, XXY- 47, XYY

Anomalies chromosomiques : 2 types- de nombre (non disjonction méïotique)- de structure (cassures chromosomiques)

Caryotype normal : 46, XX ou 46, XY

III – Division cellulaire : réplication et mitose

1/ Rappels sur le cycle cellulaire et la méïose

Le cycle cellulaire

Phase S:Phase S:duplication del'ADN (6-8 h)ADN: 2 à 4 N

GG00:: cellules ne se divisant pas (quiescentes)

Phase GPhase G11:: croissance ou récupération après une mitose(6-12 h)ADN: 2 N

Phase GPhase G22::préparation à lamitose (3-4 h)ADN: 4 N

Phase M:Phase M:séparation des 2 cellules

filles (1 h)ADN: retour à 2 N

La mitoseElle est subdivisée en quatre étapesen quatre étapes : :

A. Prophase Condensation de la chromatine. En fin deprophase, la membrane nucléaire disparaît

A. MétaphaseLes chromosomes dupliqués s’alignent au niveaude la plaque équatoriale

A. AnaphaseSéparation des chromatides de chaque chromosome qui migrent vers le pôle cellulaire

A. TélophaseConstitution des deux cellules filles

Interphase I : Duplication des chromosomes

Prophase :Condensation de l’ADN

Disparition de la mb nucléaireFormation du fuseau

mitotique

Métaphase :Formation de la plaque

équatoriale

Anaphase :Migration des chromatides

Télophase (cytodiérèse) :Décondensation de l’ADN

Reformation du noyauInterphase II

MITOSE

La division cellulaire

2 formes de division cellulaire :

• La mitoseMode universel de division de la cellule eucaryotiquequi permet la formation de deux cellules filles degénotypes identiques à partir d'une cellule mère.

• La meïose: reproduction sexuéeLa méiose est un mode de division qui fait passer une

cellule de l'état diploïde (2N paires de chromosomes)à des cellules haploïdeshaploïdes (N chromosomes) : les gamètes.

La fécondation

The McGraw-Hill Companies Inc.

23

23 46

Gamètes

Cellule-œuf

Pour illustrer

La méïoseLa méiose se fait en deux étapes:La méiose se fait en deux étapes:

• La méiose ILa méiose I qui est la phase réductionnelle– Les chromosomes homologues sont séparés pour

produire deux cellules filles ayant la moitié des chromosomes.

• La méiose IILa méiose II qui est une phase équationnelle. – Les chromatides soeurs se séparent pour

produire 4 cellules filles haploïdes.

Méïose I

Méïose II

4 cellule 4 cellule haploïdes haploïdes

N chromosomesN chromosomes

réductionnelle

équationnelle

Mitose Méïose

4 cellules haploïdes (N [= 23] chromosomes)

2 cellules diploïdes (2N [= 46] chromosomes)

2N [= 46] chromosomes

Pour illustrer

• processus de processus de duplication à l’identique d’une molécule à l’identique d’une molécule d’ADN (double brin) en 2 molécules filles d’ADN d’ADN (double brin) en 2 molécules filles d’ADN (double brin)(double brin).

• Ceci conduit à la duplication des molécules d'ADN de tout le génome.

• Cette étape participe à la division de la cellule.

2/ Définition de la réplication

La réplication est semi-conservative :Chaque molécule fille d'ADN est constituée d'un brin « mère » et d’un brin néosynthétisé.

Ce mécanisme repose sur la complémentarité des bases.

Le brin d’ADN « mère » va servir de matrice à la synthèse de l’autre brin

3/ Caractéristiques de la réplication

Brin néosynthétisé

Brin ancien

ADN mère

ADN mère

ADN fille

ADN fille

REPLICATION : semi-conservative

La réplication :

- se fait au cours de la phase S (pendant l’interphase) du cycle cellulaire eucaryote

- se fait toujours dans le sens 5' 3'

- la réplication chez les procaryotes est peu différente de celle des eucaryotes

L' Initiation- Reconnaissance de la zone de début de réplication: "origine" - Fixation d'une hélicase (ouverture des 2 brins)- Fixation de protéines stabilisatrices- Fixation d'une Primase et synthèse d'amorces ARNL'ElongationL'Elongation- Fixation d'une ADN Polymérase- Synthèse du brin direct- Synthèse des brins retardés (fragments d’Okazaki)La TerminaisonLa Terminaison- Remplacement des amorces d’ARN par de l’ADN - Ligation des fragments entre eux (ADN ligase)

4/ Les 3 étapes de la réplicationPour illustrer

HelicaseRupture des liaisons H

Topoisomérase II (gyrase)

PrimaseAmorce d’ARN +++

Amorced’ARN

SSBP ⇒ stabilisation de l’ADNsimple brin

Single-strand binding proteins

ADN polymerase III5’ 3’

ADN polymerase Iremplace l’amorce ARN ADN

ADN ligase

Brin retardé avec les fragments d’okazaki

5’

5’

5’3’

3’

3’

REPLICATIONREPLICATION

Sens de la réplication

PROCARYOTES

Pour illustrer

5/ La réparation

Des enzymes effectuent une « vérification » du matériel génétique. Elles réparent les erreurs et les dommages subis par l’ADN.