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La chromatine
La taille des génomes eucaryotes est beaucoup plus grande que celle desgénomes procaryotes (environ 25.000 à 30.000 gènes). Des protéines selient à l’ADN pour le condenser en chromatine, de structure très bienorganisée.Le premier niveau d’organisation (fibre de 10 nm) est assuré par desprotéines appelées histones. Ces protéines contiennent une forte proportiond’acides aminés chargés positivement, qui peuvent se lier solidement àl’ADN qui est chargé négativement. Ces histones forment un octamère (2H2A, 2 H2B, 2 H3 et 2 H4) autour duquel l’ADN s’enroule deux fois pourformer un nucléosome. L’extrémité amino-terminale de chaque histone (laqueue) pointe vers l’extérieur du nucléosome. Une histone H1 terminel’assemblage et engage le niveau suivant de condensation.Grâce à l’histone H1, les nucléosomes et l’ADN internucléosomique serapprochent pour former des fibres de 30 nm. Celles-ci forment à leur tourdes boucles, les domaines en boucles, qui sont associés à la charpente duchromosome. D’autres protéines que les histones sont impliquées à ceniveau. Finalement, au cours de la prophase, ces domaines en bouclents’enroulent pour former les chromosomes condensés, observables pendantla mitose.Au cours de l’interphase, la chromatine est moins condensée (=euchromatine) sauf au niveau des centromères et des télomères (=hétérochromatine, très condensée et non transcrite).
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La régulation de l’expression génique
On estime qu’une cellule n’exprime environ 20 % de ces gènes à unmoment donné. De plus, au cours du développement, les cellules sedifférencient pour donner un des 200 types cellulaires qu’on retrouve chezl’homme = différenciation cellulaire (ex en neurone ou en cellulemusculaire).La régulation de l’expression des gènes est très complexe et peut s’exerceraux différentes étapes conduisant à la synthèse d’une protéine. Latranscription est une étape-clé dans cette régulation.
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La régulation de l’expression des gènes : régulation de la structure dela chromatine
La structure de la chromatine permet de condenser l’ADN mais elle permetaussi de réguler l’accessibilité de l’ADN pour la transcription : les gènessitués dans l’hétérochromatine ne sont pas transcrits.En plus, des modifications chimiques des histones régulent aussi latranscription : les queues des histones peuvent être acétylées par desenzymes spécifiques, sur des acides aminés lysines. Lorsque les histonessont acétylées, elles perdent leurs charges positives et interagissent moinsavec l’ADN et les nucléosomes voisins --> la chromatine a une structureplus lâche et l’ADN est plus accessible aux facteurs de transcription.
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La régulation de l’expression des gènes : régulation de l’initiation dela transcription
La transcription est initiée quand un complexe d’initiation de latranscription s’assemble au niveau du promoteur du gène. Ce complexecomprend l’ARN polymérase qui va synthétiser l’ARN pré-messager maisaussi différents facteurs de transcription généraux nécessaires à latranscription de tous les gènes. Pour assurer un niveau de transcriptionélevé de certains gènes (par ex à un moment donné ou dans une celluleprécise), d’autres facteurs de transcription appelés alors spécifiques sontnécessaires.
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La régulation de l’expression des gènes : régulation de l’initiation de latranscription
Des éléments de contrôle proximaux et plus distaux sont présents dans lepromoteur des gènes, ils sont appelés amplificateurs. Ces éléments sontreconnus par des facteurs de transcription spécifiques (activateurs ourépresseurs) qui vont augmenter ou diminuer le taux de transcription dugène.
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La régulation de l’expression des gènes : régulation de l’initiation de latranscription
On estime qu’il existe en moyenne dix éléments de régulation dans lepromoteur de chaque gène et environ une douzaine de séquences derégulation différentes. C’est la combinaison particulière des éléments derégulation dans un promoteur donné qui déterminera le taux detranscription du gène en fonction du type cellulaire et des signaux queperçoit la cellule.
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La régulation de l’expression des gènes au niveau post-transcriptionnel
Au niveau de la maturation de l’ARN : l’épissage alternatif (ou épissagedifférentiel) est un processus par lequel différents ARNm peuvent êtreproduits à partir du même ARN pré-messager selon que les différentssegments sont considérés comme des exons ou des introns. Chaque ARNmdifférent produira une protéine différente.
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La régulation de l’expression des gènes au niveau post-transcriptionnel
Au niveau de la stabilité de l’ARNm : la durée de vie d’un ARNm dansune cellule eucaryote varie entre quelques heures et quelques jours.Chaque molécule d’ARNm sera donc traduite un grand nombre de fois. Lacoiffe, la queue polyA et des séquences particulières dans la 3’UTRrégulent la stabilité de l’ARNm.Récemment un nouveau mécanisme de régulation de la stabilité des ARNma été découvert : il s’agit des microRNA (miRNA). Il s’agit d’ARNtranscrits à partir du génome sous forme d’épingle à cheveux. Ces ARnsont ensuite coupés en segments simple-brin plus courts qui peuvent se lierà des séquences complémentaires sur les ARNm (dits cibles) dont ilsinitient la dégradation.
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La régulation de l’expression des gènes au niveau post-transcriptionnel
Au niveau de la traduction : l’initiation de la traduction peut être suspenduepar des protéines régulatrices particulières qui se lient à la 5’UTR desARNm et empêchent les ribosomes de se fixer.
Au niveau de la stabilité des protéines : la durée de vie d’une protéine variede quelques heures à quelques jours. Les protéines sont dégradées par uncomplexe multimérique appelé protéasome, après avoir été liées àplusieurs unités d’ubiquitine.
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Le cancer résulte d’altérations génétiques qui dérégulent le cyclecellulaire
Un cancer est formé à partir de cellules qui prolifèrent de manièreanarchique. Cette prolifération est due à la mutation de gènes qui codentpour des régulateurs du cycle cellulaire.
Ces mutations affectent deux types de gènes :- des proto-oncogènes qui sont des gènes normaux qui codent pour desprotéines stimulant la division normale des cellules. Lorsqu’ils sont mutés,ils deviennent des oncogènes car ils sont exprimés en plus grande quantitéou codent pour une protéine avec une plus grande activité = mutation gainde fonction.- des anti-oncogènes ou gènes suppresseurs de tumeur qui codent pourdes régulateurs négatifs de la division cellulaire. Une mutation entraîne unediminution de leur expression ou de l’activité de la protéine qu’ilsencodent = mutation perte de fonction.
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Le cancer résulte d’altérations génétiques qui dérégulent le cyclecellulaire
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Le cancer résulte d’altérations génétiques qui dérégulent le cyclecellulaire
Pour qu’un cancer se développe, il faut souvent plusieurs mutationsdifférentes affectant successivement différents proto-oncogènes et/ou anti-oncogènes.Certains cancers ont une composante héréditaire car l’individu a héréditéun allèle muté d’un des anti-oncogènes (ex gène BRCA1 ou BRCA2 pourle cancer du sein).
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Le génome des eucaryotes comprend une grande partie de séquencesnon codantes
La majeure partie du génome des eucaryotes n’est pas codante. Seul 1,5 %du génome code pour les ARNm qui serviront à traduire les protéines, pourles ARNr et les ARNt. Les séquences régulatrices (promoteurs) et lesintrons représentent 24 % du génome.Presque toutes les séquences inter-géniques sont formées d’ADN répétitifdont 44 % sont constitués d’éléments transposables.
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Les séquences transposables
Il existe deux types de séquences transposables chez les eucaryotes : lestransposons et les rétrotransposons.Les transposons se déplacent à l’intérieur d’un génome par l’intermédiaired’un ADN (couper-coller).Les rétrotransposons sont d’abord transcrits en ARN, puis rétrotranscrits enADN avant de se réinsérer dans le génome, à un endroit différent de sonorigine (copier-coller).
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L’ADN de simple séquence
L’ADN de simple séquence (ou ADN satellite) contient de nombreuxexemplaires de cours séquences (inférieures à 15 nucléotides) répétées entandem :
ex … GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC…= cinq nucléotides GTTAC répétés un grand nombre de fois, jusqu’à 500foisOn retrouve ces séquences principalement au niveau des centromères etdes télomères.
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Les familles multigéniques
Le génome des eucaryotes ne contient souvent qu’un exemplaire que laplupart des gènes par jeu haploïde de chromosomes. Cependant, il existeaussi des familles multigéniques, qui sont des ensembles de gènesidentiques ou très semblables.Certaines familles sont constituées d’un ensemble de gènes identiques,groupés en tandem (ex les ARNr) et regroupés une seule unité detranscription. La cellule peut ainsi synthétiser plus facilement les quantitésénormes d’ARNr nécessaires pour fabriquer les ribosomes.Certaines familles sont constituées de gènes non identiques (ex lesglobines). Ces gènes sont situés sur des chromosomes différents etencodent des formes légèrement différentes de l’hémoglobine quis’expriment à des moments différents. Cette famille contient aussi despseudogènes, qui ne codent pas pour une protéine.
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L’évolution du génome
Les mutations sont le moteur de l’évolution. Au cours de l’évolution, lataille des génomes a augmenté, favorisant l’apparition de nouveaux gènesencodant des protéines avec de nouvelles fonctions.Cette augmentation de taille peut être générée par duplication des jeux dechromosomes (polyploïdie), chaque exemplaire des gènes évoluant alorsdifféremment.Des erreurs au cours de la méiose peuvent également aboutir à laduplication de gènes, notamment par enjambement inégal. La présenced’éléments transposables, de même séquence, favorise ce mauvaisappariement. L’apparition des familles multigéniques est attribuable à ceprocessus.
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L’évolution du génome
On a pu retracer les événements de duplication qui ont amené à la situationactuelle de la famille multigénique des gènes de la globine.L’évolution de chacun des gènes séparément peut engendrer de nouvellespropriétés ou fonctions aux protéines qu’ils encodent.
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L’évolution du génome par brassage d’exons
Le réarrangement de séquences existantes a aussi contribué à l’évolutiondu génome. Un exon code souvent pour un domaine de la protéine, ayantune fonction donnée.Différents événements peuvent conduire au brassage des exons et à lacréation de nouvelles protéines :- duplication d’exons au sein du même gène (par enjambement inégal)- mélange occasionnel de différents exons de gènes différents parrecombinaison méiotique- déplacement d’exon(s) ou de gène entier via les éléments transposables
La présence d’éléments transposables homologues dispersées surl’entièreté des chromosomes permet la recombinaison entre leschromosomes. La plupart de ces altérations sont probablement nuisiblesmais au fil de l’évolution, certaines de ces modifications ont permisl’apparition de nouvelles fonctions, favorables à l’organisme.
