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Module de biologie moléculaire
Suite de la transcription de l’ADN
Introduction
La transcription est le processus de copie du matériel génétique (ADN ou ARN) en ARN.
Chez les procaryotes une seule ARN polymérase-ADN dépendante effectue la transcription
pour tous les types d’ARN, tandis que chez les eucaryotes, trois ARN polymérases (ARNpol)
interviennent : l’ARNpol I ou A pour les ARN ribosomiques transcrits dans le nucléole (28S,
18S et 5,8S), l’ARNpol II ou B pour les ARNm, et l’ARNpol III ou C pour les petits ARN
(ARNt, ARNr 5S, ARNsn). Pour certains virus à ARN, enfin, l’ARN est transcrit par une
ARNpol-ARN dépendante appelée aussi réplicase.
Intéressons-nous plus particulièrement à la transcription des gènes codant pour les chaînes
polypeptidiques chez les eucaryotes. Leur transcription se déroule en deux étapes : formation
d’un ARN prémessager puis maturation de cet ARNprémessager pour former un ou plusieurs
ARN messagers.
2. La formation d’un ARN prémessager
2.1. L’initiation de la transcription Tout l’ADN n’est pas transcrit, seules les régions correspondant à des gènes le sont. Et
encore, cette expression peut être régulée selon le stadede développement, le type cellulaire,
l’environnement, etc. Dès lors, un acteur doit intervenir pour déterminer à quel endroit une
région d’ADN doit commencer à être transcrite : c’est le rôle du promoteur.
2.1.1. Le promoteur
Le promoteur correspond à une région non transcrite de l’ADN, généralement juste en amont
du début de la région transcrite, dont la séquence permet le recrutement de l’ARNpol II.
Certaines séquences du promoteur (surnommées “boites”) ont une importance particulière
dans ce processus, essentiellement parce que ces séquences sont reconnues spécifiquement
par différentes protéines appartenant au complexe d’initiation.
la « boite TATA » riche en thymine et adénine, la plus importante, est située vers -25 à -30
nucléotides du site de démarrage de la transcription (noté +1) ; des éléments proximaux :
la « boîte CAAT » (facultative), contenant de la cytosine, est située vers -120 à -80
nucléotides du site de démarrage de la transcription.
la « boîte GC » (facultative également), riche en guanine et cytosine, peut être présente entre
la boîte CAAT et la boîte TATA.
Signalons que si ces séquences sont souvent bien conservées, une variabilité non négligeable
peut également être observée. Ainsi, il existe des promoteurs sans « boîte TATA »
2.1.2. Le complexe d’initiation
Contrairement à ce qui se passe chez les procaryotes, l’ARNpol II des eucaryotes ne reconnaît
pas seul le promoteur proximal. Elle effectue ce travail en compagnie de nombreux co-
facteurs protéiques qui se recrutent les uns les autres et qui forment avec elle un complexe
d’initiation. Ces facteurs sont notés TFIIA, TFIIB, etc. pour Transcription Factor for RNA
polymerase II. Ils correspondent aux facteurs généraux de la transcription, car ils s’assemblent
sur tous les promoteurs utilisés par l’ARNpol II. La séquence d’assemblage du complexe
d’initiation est décrite sur la figure 1.
La TBP est la première protéine qui reconnaît une séquence spécifique de l'ADN initiatrice de
la transcription (la boite TATA). Le facteur TFIIB semble impliqué dans la sélection précise
du site d'initiation (nucléotide à partir duquel se déroule la transcription). Le facteur TFIIH
comporte plusieurs activités enzymatiques dont une activité hélicase permettant l'ouverture de
la double hélice d'ADN au niveau du promoteur, et une activité kinase responsable de la
phosphorylation de la queue C-terminale de l'ARN polymérase II. Cette phosphorylation
provoque une modification de la structure tridimensionnelle de l'ARN polymérase qui
entraîne la dissociation du complexe d'initiation et le début de la transcription.
TFII = Transcription Factor for RNApolymerase II (facteurs généraux de la transcription pour
l'ARN polymérase II).
TBP = TATA box-Binding Protein (protéine de liaison à la boite TATA).
La liaison du complexe de transcription au promoteur proximal provoque l’ouverture et le
déroulement des deux brins de son ADN, tout en indiquant le brin qui va être transcrit.
2.1.3. Intervention de facteurs spécifiques de la transcription
Le complexe d’initiation composé de l’ARNpol II et des différents TFII est suffisant pour
obtenir une activité transcriptionnelle in vitro mais à très faible taux. L’augmentation de cette
activité basale (ou sa répression) est sous la dépendance de facteurs spécifiques qui vont
interagir avec le complexe d’initiation. Ces protéines activatrices ou inhibitrices (éléments
trans-régulateurs) se lient à des promoteurs distaux spécifiques (séquences cis-régulatrices) de
l’ADN, appelées amplificateurs (enhancers) lorsqu’ils recrutent des cofacteurs activateurs, ou
silenceurs (silencers) lorsqu’ils recrutent des cofacteurs inhibiteurs. Ces promoteurs distaux
peuvent être situés à des milliers de nucléotides du promoteur proximal. Malgré la distance
qui sépare les promoteurs proximaux des promoteurs distaux, ces derniers agissent sur le
promoteur proximal par le jeu de courbures de l’ADN, des facteurs de transcription et du
médiateur qui maintient liés tous ces acteurs ( fig. 2).
Les amplificateurs (enhancers) sont des séquences situées parfois à plusieurs milliers de
nucléotides d'un promoteur et qui, par un jeu d'interactions protéiques, stabilisent le complexe
d'initiation, favorisant ainsi la transcription. Ces interactions sont rendues possibles par la
courbure de l'ADN qui rapproche des éléments situés à de grandes distances les uns de autres.
Cette activation est spécifique du gène et utilise une multitude de facteurs de transcription
spécifiques (les protéines activatrices) qui agissent généralement sous forme dimérique.
Une répression spécifique peut agir selon le même type de modalité.
2.2. L’élongation
L’ARN pol II est équipée de facteurs protéiques d’élongation qui facilitent sa progression au
travers d’une chromatine dont ils relâchent la structure (c’est l’un d’entre eux qui est mis hors
d’état d’agir par le poison de l’amanite phalloïde…). Un ARNpré-messager complémentaire
du brin matrice de l’ADN (brin antisens), donc identique au brin codant de l’ADN (brin sens),
aux riboses et uraciles près, commence à être synthétisé selon la direction 5'-3' (voir fig. 3).
L'ARN polymérase lit le brin patron (ou brin anti-sens), qui est complémentaire du brin
codant (ou brin sens), depuis son extrémité 3' vers son extrémité 5'. Le brin d'ARN néo-
synthétisé est donc identique au brin codant d'ADN, aux uraciles et riboses près.
2.3. La terminaison
L’ARN pol II est également équipée de facteurs protéiques de terminaison. Elle reconnaît
ainsi un ou plusieurs signaux de terminaison portés par le brin progressivement parcouru et
qui annoncent la fin de la transcription sur le brin d’ADN matrice (TTATTT par exemple,
parfois aussi plus en aval ATACAAC…). Elle arrête bientôt son travail de transcription et
libère l’ARNpm qu’elle vient d’assembler.
3. La formation d’un ou plusieurs ARNmessager(s)
Le transcrit primaire n’est pas utilisé tel quel pour la synthèse protéique (la traduction). Il doit
subir des modifications qui répondent à plusieurs impératifs (augmentation de la demi-vie,
modification de la séquence). Toutes ces modifications sont réalisées au fur et à mesure de la
progression de la synthèse du préARNm dans le nucléoplasme. Il existe trois grands types de
modification, catalysées chacune par des enzymes de nature protéique ou ribonucléique.
3.1. L’addition d’une coiffe en 5'
Elle a lieu dès le début de la transcription avant que la chaîne ne compte plus de 30
nucléotides. Elle consiste en l’ajout d’un nucléotide à guanine sur l’extrémité 5' de l’ARN
suivi de sa méthylation sur l’azote 7 de la base, ainsi que de la méthylation en 2' du ribose du
premier ou des deux premiers nucléotides du transcrit primaire. La particularité de cet ajout
consiste dans le type de liaison mis en jeu (voir fig. 4). Il en résulte que l’extrémité 5' de
l’ARNm n’est pas porteuse des trois acides phosphoriques libres habituels, mais d’un GMP,
ce qui limite la réactivité de cette extrémité et sa reconnaissance par les exonucléases
(protection contre la dégradation). Cet ensemble sert de coiffe protectrice à l’extrémité 5' de
l’ARNm. Elle est également nécessaire à l’exportation de l’ARNm vers le cytoplasme et à la
liaison de ce dernier avec la petite sous-unité du ribosome, lors de l’étape d’initiation de la
traduction.
La coiffe se caractérise par l'ajout d'un nucléotide à guanine à l'extrémité 5' du brin d'ARN.
Ce nucléotide à guanine est relié à la chaîne nucléotidique par une liaison inhabituelle : au
lieu d'être reliés par une liaison ester-phosphorique entre le groupement OH porté par le
carbone 3' du ribose du nucléotide à guanine et l'acide phosphorique alpha du premier
nucléotide de l'ARN natif, les deux nucléotides sont reliés par une liaison anhydride d'acide
entre les acides phosphoriques des deux nucléotides.
Par la suite, le cycle imidazole de la guanine terminale est méthylé sur son azote 7.
Par ailleurs, le ribose du premier nucléotide de l'ARN natif est méthylé sur l'oxygène porté par
le carbone 2'. Ce peut également être le cas du nucléotide suivant.
3.2. L’excision-épissage
Chez les eucaryotes, les archéobactéries et les cyanobactéries, les gènes sont morcelés :
constitués d’une alternance d’exons (parties codantes du gène) et d’introns (parties non
codantes, bornées par des séquences de bases spécifiques : 5'GU et 3'AG), ils sont d’abord
intégralement recopiés dans l’ARNpm, puis subissent une opération d’excision des introns
(ainsi que celle parfois de petits morceaux d’exons) suivie d’un épissage (splicing), c’est-à-
dire la réunion bout à bout des exons restants qui constituent l’ARNm. Ce remaniement se
déroule au fur et à mesure de la progression de la transcription.
L’excision des introns s’opère par l’entremise d’une formation dite « en lasso » (fig. 5 et 6).
L'excision-épissage est réalisée par réaction d'un nucléotide à adénine (A) situé dans l'intron
avec un nucléotide à guanine situé en 5' de l'intron. Cela entraîne la séparation de l'intron
d'avec l'exon 1 (situé en amont) et la formation d'une structure en lasso interne à l'intron.
Ensuite, l'extrémité 3' de l'exon 1 réagit avec l'extrémité 5' de l'exon 2 permettant l'épissage
des deux exons et la libération du lasso qui sera dégradé par des ribonucléase
Le splicéosome fait appel à des facteurs spécifiques : ribonucléoprotéines contenant des petits
ARN (snRNP), ribozymes (ARN ayant des propriétés catalytiques), des enzymes spécifiques
(maturases)... La structure secondaire du transcrit met en contact trois séquences de l'intron :
la séquence du début de l'intron (extrémité 5'-GU ou site donneur), la séquence de la fin de
l'intron (extrémité 3'-AG ou site accepteur) et un nucléotide à adénine (A du branchement)
situé 40 nucléotides avant le site receveur.
Mais l’épissage n’est pas seulement constitutif : il existe également des épissages alternatifs,
dans lesquels l’élimination des introns (ou des portions d’exons) peut faire se lier entre eux
des exons différents. C’est ce mécanisme qui démultiplie les capacités codantes d’un gène
(voir un exemple d’épissage alternatif dans la fig. 7)
À partir du même préARNm peuvent être obtenus deux ARNm matures différents codant
pour deux isoformes de la troponine, une molécule impliquée dans la structure des
myofibrilles (voir l'article La contraction musculaire).
3.3. L’addition d’une queue polyA en 3' Le site de polyadénylation est codé au niveau du gène. Le site de clivage déterminé par le
dinucléotide CA est entouré par une séquence AAUAAA très conservée, située 10 à 30
nucléotides en amont du site de clivage, et par une séquence DSE (DownStream Element)
riche en U ou en GU, situé une trentaine de nucléotides en aval du site de clivage. La
séquence AAUAAA est reconnue spécifiquement par un complexe protéique appelé CPSF
(Cleavage and Polyadenylation Specific Factor), et la séquence DSE par un complexe CstF
(Cleavage Stimulation Factor). Ces deux complexes et d’autres composants, comme l’ARN
polymérase II et la poly(A) polymérase (PAP), vont interagit en formant le complexe de
clivage qui va cliver la molécule de préARN au niveau du site de clivage ( fig. 8).
CPSF = Cleavage and Polyadenylation Specific Factor
CstF = Cleavage Stimulation Factor
PAP = Poly(A) Polymerase
CF = Cleavage Factor
DSE = Downstream Element
La PAP va alors ajouter environ 200 nucléotides, une poly(A) binding protein II (PABP2) qui
interagit avec la PAP se chargeant d’activer l’enzyme et de contrôler la longueur de cette
queue poly(A). Il est intéressant de noter que cette polymérase n’utilise pas de matrice ADN
pour créer cette séquence poly(A). La queue Poly(A) n’est donc pas codée par le génome.
Notons que ce n’est pas un exemple isolé, d’autres mécanismes comme l’éditing ou la
modification enzymatique de certaines bases (cytosine en uracile par exemple) étant encore
beaucoup plus intrigants. Cette queue poly(A) confère de la stabilité au futur ARNm et se
perd au fur et à mesure qu’il est traduit.
Traduction de l’ARNm Le code génétique
L'information génétique impose les caractéristiques des protéines constitutives de chaque
organisme vivant, elles-mêmes responsables des différents phénotypes.
Un cheval construit son corps à partir des matériaux qu'il trouve dans l'herbe ou dans les
grains de céréales ; pourtant il ne ressemble ni aux végétaux qu'il a mangés, ni aux autres
animaux qui consomment des végétaux.
Quelle est la relation entre l'ordre d'enchaînement des nucléotides des gènes contenus dans
l'ADN et l'ordre d'association des acides aminés dans les chaînes polypeptidiques ? Pourquoi
le code génétique souligne-t-il l'unité du monde vivant ?
1. Un système de correspondance entre gène et polypeptide
a. Gène et polypeptide sont des molécules ordonnées
L'ordre dans lequel sont placés les nucléotides du gène dans l'ADN détermine l'ordre dans
lequel les acides aminés s'enchaînent dans la molécule polypeptidique correspondante.
Chaque acide aminé est codé par un ensemble précis de nucléotides.
Il existe seulement 4 nucléotides différents : A, T, C, G dans l'ADN (A, U, C, G dans l'ARN),
mais on trouve 20 acides aminés distincts dans le monde vivant.
b. La notion de codon
Si chaque nucléotide désignait un acide aminé précis, il n'y aurait que 4 acides aminés
identifiés par le système de codage.
Si une association de deux nucléotides désignait un acide aminé, il n'y aurait que 4 fois 4, soit
16 combinaisons possibles.
Des expériences utilisant des polynucléotides artificiels (ARN) de composition connue ont
montré que le code génétique était fondé sur la correspondance entre une succession de trois
nucléotides et un acide aminé. Chaque triplet de nucléotide codant pour un acide aminé précis
est appelé codon. Il existe 4 fois 4 fois 4, c'est-à-dire 64 codons différents.
2. Les particularités du code génétique
Le code génétique est universel : la signification des codons est la même dans toutes les
cellules de tous les organismes du monde vivant.
Le code génétique n'est pas ambigu : un codon ne peut coder qu'un seul acide aminé bien
précis parmi les vingt qui existent.
Le code génétique est dégénéré (ou redondant) : cela signifie qu'il peut exister plusieurs
codons pour désigner un même acide aminé. Il y a trois codons « non sens » ou « codons
stop » qui signalent l'arrêt de la synthèse protéique. Il reste 61 codons qui désignent
seulement 20 acides aminés. Cela permet de limiter les effets des mutations et des erreurs de
transcription de l'ARN-polymérase.
L'essentiel
Le code génétique permet de traduire un message à quatre caractères (les quatre nucléotides
de l'ADN ou de l'ARN) en un message à vingt caractères (les vingt acides aminés constitutifs
des protéines). Il est universel et non ambigu. Il est dégénéré, ce qui limite l'effet des
mutations.
Il ne faut pas confondre le code génétique et l'information génétique. Tous les êtres
vivants ont le même code génétique, mais chacun possède une information génétique
différente.
Traduction de l’ARNm
Introduction
La traduction permet de convertir l'information génétique contenue dans une séquence
nucléotidique d'un ARNm en une séquence d'Acides Aminés qui formera un
polypeptide. A la suite de cette traduction, le polypeptide néosynthétisé subira un certain
nombre de modifications qui conduiront à la formation d'une protéine fonctionnelle
.ARNm ----traduction----> polypeptide ----maturation----> protéine fonctionnelle
pour ne pas confondre :
un polypeptide est la molécule non fonctionnelle
une protéine est la molécule fonctionnelle
La traduction nécessite énormément d'énergie pour la cellule. Par exemple, E.coli utilise
90% de son énergie pour la traduction !
II) Les composants du système de traduction.
La traduction d'un ARNm en protéine nécessite 3 composants principaux :
l'ARNm : matrice, c'est lui qui porte l'information génétique
les ribosomes : lecteur de l'information
les ARNt : font la relation entre les codons et les acides aminés correspondants.
1) La matrice (l'ARNm)
Un ARNm peut être décomposé en X régions :
une région leader en 5' (appelée "capping" chez les eucaryotes) : elle est non
codante, donc non traduite.
un codon initiateur AUG : c'est le premier acide aminé (donc toujours
Methionine)
une région codante (suite de codons)
un codon non-sens (ou codon STOP) : détermine la fin de la traduction
une queue en 3' (polyadénylée chez les eucaryotes) : elle est non codante, donc
non traduite
2) Les lecteurs (les ribosomes)
Représentent les éléments centraux du système traductionnel :
ils sont indispensables à la reconnaissance entre l'ARNm et les ARNt
en se positionnant sur la matrice, ils permettent la reconnaissance du codon AUG
et donc la mise en place et le maintien du bon cadre de lecture du codon AUG
jusqu'à un codon non-sens
ils vont catalyser la formation de la liaison peptidique (liaison entre les acides
aminés).
Quelque soit leur origine, ce sont des édifices formés de deux sous-unités capables de
s'assembler et de se désassembler.
Attention : ce ne sont pas des organites, ils ne sont pas délimités par une membrane, ce
sont des particules/assemblages ribo nucléoprotéiques. Quand le ribosome se déplace sur
l'ARNm, il se déplace dans le sens 5' vers 3'. Lorsqu'il est fixé sur l'ARNm, il recouvre
au moins 2 codons (donc 6 acides aminés) qui sont positionnés au niveau de 2 sites
particuliers :
A (aminoacyle) : position où le nouvel acide aminé prend place
P (peptidyle) : position où le peptide s'allonge
Structure des ribosomes procaryotes Structure des ribosomes eucaryotes
3) Les adaptateurs (les ARNt)
1. Structure des ARNt
Rôle : assurer le relai entre les codons de l'ARNm et les acides aminés spécifiés par ces
codons. Un ARNt doit donc avoir une double fonction de reconnaissance : pour le codon
d'une part, et de l'acide aminé correspondant à ce codon d'autre part. Ils possèdent une
organisation structurale très particulière : il en existe une 50aine différents, certains
reconnaissant plusieurs codons. Leur structure en feuille de trèfle est dûe à des
autoappareillements au sein de la molécule .Ils sont constitués de plusieurs parties :
le bras AA : formé par l'auto appareillement des deux extrémités de la molécule.
C'est à ce niveau que sera fixé l'Acide Aminé correspondant (sur l'extrémité 3').
Se termine donc toujours par CCA.
le bras DHU : caractérisé par la présence de bases particulières : les di-hydro-
uridyles (DHU)
le bras T : présence de ribothymidine et de pseudo-uridyle
le bras complémentaire : optionnel
le bras anticodon : va porter une séquence de 3 nucléotides complémentaires des
codons de l'ARNm.
2. Charge des ARNt par les acides aminés
Les ARNt existent sous 2 formes dans une cellule :
forme non chargée = pas d'acide aminé fixé
forme chargée : un acide aminé fixé
Par convention, les différents types d'ARNt sont nommés en faisant référence à l'acide
aminé qu'ils reconnaissent.
Exemple :
Non chargés
o Leucine = ARNtLeu
o Asparagine = ARNtAsp
Chargés
o Leu - ARNtLeu
o Asp - ARNtAsp
III) Les étapes de la traduction
La traduction se divise en 3 étapes :
l'initiation
l'élongation
la terminaison
1) L'initiation de la traduction
3 étapes nécessitant 3 facteurs d'initiation (IF = Initiation Factor), du GTP et du MG2+.
1. Fixation de la petite sous unité ribosomique sur la région leader 5' de l'ARNm
Chez les procaryotes, la petite sous unité se place sur une séquence particulière : la
séquence de Shine et Dalgarno (séquence 16S et séquence S et D sont
complémentaires).Chez les eucaryotes, il n'y a pas de séquence comparable. On pense
que c'est la séquence de la coiffe qui est responsable de l'initiation.
2. Positionnement du 1er ARNt sur la petite sous unité ribosomique
3. Déplacement du complexe sur le codon AUG. Fixation de la grosse sous unité et
positionnement de l'ARNt au site P. Relargage des IF.
2) La phase d'élongation
Nécessite 3 facteurs d'élongation (EF = Elongation Factor), du GTP et du MG2+.
1. Fixation de l'ARNt chargé sur le site A du ribosome
2. Formation de la liaison peptidique et libération du site P
3) La phase de terminaison
Nécessite un codon STOP (UAA; ou UAG; ou UGA), des facteurs de terminaison =
Facteur R (Release Factor).1. Blocage de la translocation2. Relargage de la chaine
polypeptidique3. Séparation des sous unités ribosomiques Ainsi se termine la
traduction !
1
Mutation
Une mutation est une modification rare, accidentelle ou provoquée, de l'information
génétique (séquence d’ADN ou d’ARN) dans le génome.
Selon la partie du génome touchée, les conséquences d'une mutation peuvent varier. Une
mutation est dite héréditaire si la séquence génétique mutée est transmise à la génération
suivante (voir mutations germinales). Elle est l’un des éléments de la biodiversité et l’un des
nombreux facteurs pouvant éventuellement participer dans l'évolution de l'espèce
Types de mutation
On peut distinguer plusieurs types de mutations :
Une mutation est dite sexuelle lorsqu'elle concerne un chromosome sexuel, par
exemple X/Y chez les mammifères.
Une mutation est dite autosomique lorsqu'elle touche un autre chromosome que
les chromosomes sexuels.
N.B : Ces deux types de mutations peuvent être ponctuels ou chromosomiques.
Mutations ponctuelles
Définition : Une mutation est dite ponctuelle quand elle touche un ou plusieurs
nucléotides d'un même gène.
1. Mutations par substitution
Mutations faux sens : Cette mutation ponctuelle se traduit par le
remplacement d'un nucléotide par un autre. Dans certains cas, cette
modification entraîne une modification de l'acide aminé codé, laquelle peut avoir ou
non une répercussion sur la fonction de la protéine produite par le gène, dans le cas
d'un gène codant, ou sur l'affinité pour un facteur de transcription, dans le cas d'une
zone promotrice de l'ADN.
Transition : On parle de mutation de transition lorsqu’il y a substitution
d’une base purique à une autre base purique (ou d’une base pyrimidique à une
autre base pyrimidique).
Transversion : une mutation de transversion est une mutation causée par le
remplacement d’une base purique par une base pyrimidique (ou d’une base
pyrimidique par une base purique).
Mutations non-sens : Le changement d'un nucléotide provoque le remplacement
d'un codon spécifiant un acide aminé par un codon-stop.
Cela entraîne la production d'une protéine tronquée.
Mutations silencieuses : Ce sont des mutations qui ne modifient pas la séquence
d'une protéine, à cause de la redondance du code génétique (le nouveau triplet code le
même acide aminé que le triplet original), ou parce qu'elle touche une région non codante
de l'ADN, ou un intron. Mais cette mutation peut néanmoins avoir de graves
conséquences sur le phénotype. En effet, le changement d'un seul nucléotide peut changer
le site donneur d'épissage, sans pour autant changer la séquence en acides aminés. Cela
peut donc se traduire par une délétion entière d'un exon de la séquence peptidique, l'exon
n'étant pas reconnu car le site d'épissage a été muté. Une mutation synonyme désigne une
mutation silencieuse qui touche un exon, sans changer la séquence de la protéine.
Mutation faible : cette mutation donne une protéine qui conserve au moins une
partie de son activité.
Mutations hypothétique bénéfique : le remplacement d’un acide aminé par
un autre, produit une protéine avec une activité biologique augmentée.
N.B : Il n’est pas possible de prévoir quels sont les remplacements des acides aminés
qui sont avantageux.
2. Insertions et délétions
Les insertions et les délétions sont des mutations décalantes, et sont les deux types
de mutations dites indel ou frame-shift. Une addition ou une suppression de
nucléotides non multiple de 3 provoquera un changement de cadre de lecture
du code génétique.
Au moment de la traduction, cela générera le plus souvent une protéine tronquée par
l'apparition d'un codon-stop prématuré.
N.B : Indel est utilisé en génétique et en bio-informatique pour désigner une
insertion ou une délétion dans une séquence biologique (acide nucléique ou
protéine) par rapport à une séquence de référence
Mutations chromosomiques
Cela concerne un grand nombre de nucléotides dans l'ADN de telle sorte que la
mutation est observable lorsqu'on fait un caryotype : duplication, translocation,
inversion, délétion, insertion.
Il peut s'agir aussi d'une perte ou d'un gain de
chromosomes: trisomie, monosomie, aneuploïdie.
Définition : Le caryotype est l'arrangement standard de l'ensemble
des chromosomes d'une cellule, à partir d'une prise de vue
microscopique. Les chromosomes sont photographiés et disposés selon
un format standard : par paire et classés par taille, et par position
du centromère
La monosomie est un cas particulier d'aneuploïdie.
Le caryotype d'une cellule montre le nombre normal
de chromosomes pour l'espèce moins un.
L'aneuploïdie caractérise une cellule qui — à la suite
d'une mutation — ne possède pas le nombre normal de chromosomes.
Cette anomalie génétique est une mutation qui peut être viable ou non.
Elle l'est généralement chez les plantes, rarement chez les mammifères
(la recherche d'une aneuploïdie fœtale peut faire partie du dépistage
prénatal).
Mutations dynamiques
Ces mutations évoluent d'une génération à l'autre, elles correspondent à des
répétitions importantes de certains triplets au niveau de l'ADN (CAG et GGG).
Elles sont rencontrées dans certaines maladies génétiques.
Mutations somatiques ou germinales
On parle de mutation germinale ou mutation de novo, quand la mutation porte
sur l'ADN des cellules souches d'un gamète. Dans ce cas, l'embryon sera
porteur de la mutation alors qu'aucun de ses parents ne la possédait dans
son patrimoine génétique.
Ce type de mutation survient lors de la formation ou de la vie des gamètes d'un des deux
parents (ovule ou spermatozoïde).
Dans ce cas, il semblerait que les mutations apportées par le spermatozoïde prédominent ;
selon une étude, environ 80 % des aberrations chromosomiques des chromosomes des
descendants proviendraient du matériel chromosomique apporté par le spermatozoïde et la
proportion de spermatozoïdes anormaux serait corrélée à l'âge du parent mâle2. Toutefois,
les anomalies apportées par la mère restent fréquentes et tendent également à augmenter
avec l'âge.
Les mutations somatiques ne touchent pas les cellules destinées à la
reproduction, elles ne sont donc jamais héréditaires :
Les mutations post-zygotiques sont les mutations qui apparaissent dans l'œuf après sa
fécondation. Elles sont plus rares et s'expriment sous forme de mosaïque chez
l'individu concerné.
Des mutations peuvent apparaître tout au long de la vie sur l'ADN de n'importe quelle
cellule ; elles sont alors transmises à la lignée des cellules filles. Ces dernières
peuvent, dans certains cas, devenir des cellules tumorales puis former un cancer.
Chez les animaux pluricellulaires, les mutations de la lignée germinale peuvent être
transmises à la descendance, contrairement aux mutations somatiques.
Origines ou causes de mutations
Les mutations naturelles sont aléatoires, mais leur fréquence d'apparition peut être augmentée
par des mutagènes, parfois qualifiés d’agents ou de facteurs mutagènes. Ces agents peuvent
être physiques (rayonnements ionisants) ou chimiques
Les agents biologiques
Les agents biologiques sont principalement des virus ou des toxines
Tabagisme, Alcoolisme
Agents mutagènes Détails Exemples
B
I
O
L
O
G
I
Q
U
E
Les analogues des
bases
Leur structure chimique rappelle les
purines et pyrimidines. Ils peuvent être
incorporés à l’ADN lors de la
réplication.
Le bromo-uracile (BU), semblable à T
(Br remplace CH3), s’apparie à A. Il a
une forte tendance à se tautomériser en
« enol ». Elle s'apparie alors à G.
L’aminopurine, analogue de A
s’apparie avec T et cause des transitions
de A-T en G-C ou l’inverse.
Les agents qui
altèrent la structure
de l’ADN
Certaines grosses molécules se
lient aux bases et qui deviennent
ainsi « non codantes »
D'autres agents causent des liaisons
intra et inter brins.
Des produits chimiques causent des
ruptures dans l’ADN.
Ces agents n’induisent sans doute pas
directement les mutations mais
induisent des processus de réparation
qui sont mutagéniques.
NAAAF ; le psoralène trouvé dans les
végétaux et utilisé dans les traitements
de la peau ; peroxydes
Les agents chimiques
Le DNA peut être également lésé par des produits chimiques réactifs introduits dans notre
environnement comme les produits d’origine industrielle. Ces produits ne sont pas
nécessairement dangereux en eux même mais peuvent etre métabolisés par des cellules en des
formes chimiques qui le sont. Il existe 3 principales catégories de tels agents :
Précurseurs de l’acide nitreux, ex :les nitrites, nitrate de sodium et les nitrosamines.
Agents alkylation, ex :diméthylsulfate et diméthylnitrosamine
Analogues des bases, ex : bromouracile et aminopurine
Les agents physiques
Les agents physiques sont le principal agent mutagène et sont
essentiellement des rayonnements ionisants ou non ionisants (ex : Champs
électromagnétiques Rayonnements optiques rayonnements ultraviolets (UV)).
Agents mutagènes Détails Exemples
P
H
Y
S
I
Q
U
E
Le spectre
électromagnétique :
La lumière visible et les autres formes
de radiations sont des radiations
électromagnétiques. Leur longueur
d'onde varie et est inversement
proportionnelle à leur énergie.
Parmi les courtes longueurs
d’onde, l'énergie est croissante
dans cet ordre : ondes FM, TV,
micro-ondes, Infrarouge, visible,
La fraction biologiquement
active est constituée par les UV,
rayons X et gamma.
Les radiations ionisantes
:
Les rayons X et gamma sont assez
énergétiques pour produire des ions
réactifs (atomes chargés ou molécules)
quand ils interagissent avec les
molécules biologiques. On parle ainsi
de radiations ionisantes. On regroupe
également sous ce terme les radiations
corpusculaires, flux de particules
atomiques et subatomiques émises par
les éléments radioactifs.
Elles sont de deux types : les
particules alpha (noyau de
l'hélium 2H+ + 2 neutrons) et les
particules bêta (des électrons).
Conséquences des mutations
Les mutations peuvent être classées selon leurs conséquences phénotypiques :
Les mutations peuvent avoir de plus ou moins importantes conséquences phénotypiques
(certaines d'entre elles peuvent avoir des conséquences graves comme le cancer ou
des maladies génétiques, car la modification d'un seul acide aminé dans la chaîne
constituant une protéine peut modifier complètement sa structure spatiale, qui conditionne
son fonctionnement) ; elles peuvent modifier le plan d'organisation et l'anatomie de
l'organisme.
Les mutations conditionnelles, ne s'expriment que dans certaines conditions particulières
(élévation de la température, niveau d'hydratation, etc.)
les mutations silencieuses n'ont aucun effet sur l'organisme, car elles n'entraînent aucun
changement dans la séquence d'acides aminés de la protéine codée, ce qui est dû aux
nombreuses redondances dans le code génétique. En effet, la troisième base d'un codon
n'est en général pas codante (de fait, plusieurs codons différents codent le même acide
aminé). Cette propriété est appelée redondance (ou dégénérescence) du codage.
les mutations neutres ne modifient pas la capacité à se reproduire, et n'ont donc aucun
effet sur la sélection naturelle. C'est le cas des mutations qui ont abouti à l'apparition
des caractères neutres, comme les groupes sanguins, qui n'ont a priori aucune incidence
sur la capacité à se reproduire.
Effets des UV sur l'ADN ET Réparation de
l'ADN
Effets des UV sur l'ADN
Les radiations ultraviolettes (UV) peuvent affecter
l'ADN des cellules en entraînant, par exemple, la
formation d'une liaison entre 2 thymines successives.
Deux thymines liées par une liaison covalente
forment alors un dimère thymine.
Au niveau d'un dimère Thymine, la disparition des
liaisons Hydrogène provoque un défaut
d'appariement des deux brins et ainsi la déformation
de l'ADN.
Réparation de l'ADN
Il existe un système de réparation de l'ADN qui corrige les défauts
d'appariement.
Ce système est constitué de plusieurs protéines (une trentaine chez
l'Homme) qui sont des enzymes.
Ces protéines ont une forme 3D qui leur permet de se fixer à
l'ADN.
La réparation se déroule en 5 étapes.
Mutations
Si la réparation de l'ADN n'est pas effectuée, le défaut d'appariement entraînera la mise en place d'une autre base azotée,
ce qui créera une mutation.
Au niveau d'un dimère Thymine, l'ADN est déformé.
La déformation est la conséquence de la disparition des liaisons Hydrogène entre une Thymine et une Adénine.
Le système de réparation permet d'éliminer les dimères Thymine.
Si une des protéines codées par les différents gènes xp est inactive, la réparation de l'ADN ne pourra s'effectuer.
Si la forme 3D d'une des protéines codées par les gènes xp change, la réparation ne pourra s'effectuer.
Xeroderma pigmentosum
Décrit en 1870 par Moritz Kaposi, le xeroderma pigmentosum est une maladie
d'origine génétique rare. Elle se caractérise par une sensibilité excessive de
la peau au soleil, des troubles oculaires et un risque très fortement multiplié de
développer un cancer de la peau ou des yeux. Concrètement, les mécanismes
de réparation de l'ADN sont inopérants et n'arrivent pas à réparer notamment
les dimères de thymine. Plus précisément, ces patients sont déficients dans l'un des
gènes codant les protéines participant au mécanisme de réparation par excision de
nucléotides. Les mutations dues à l'environnement (surtout les ultraviolets)
s'accumulent donc au cours des mitoses successives.
Le xeroderma pigmentosum (XP) touche les deux sexes. En fonction de sa forme et de
l'âge auquel il se déclare, il réduit significativement l'espérance de vie du malade.
Il n'existe à l'heure actuelle aucun traitement. On ne peut que limiter les symptômes en
appliquant des mesures préventives drastiques et très onéreuses.
Les UV et l’ADN
Les lésions de l'ADN sous l'action des UV
Figure 1
Figure 2
La figure 1 renseigne sur les radiations absorbées par L’ADN. La figure 2 renseigne
sur les radiations qui causent des lésions dans la molécule d'ADN.
Les principales cibles sont les bases thymine et cytosine. Lorsqu’elles sont adjacentes
dans la double hélice, les photons absorbés créent une liaison covalente entre deux
thymines, deux cytosines ou entre une thymine et une cytosine. La formation de ces
dimères rompt les liaisons entre bases complémentaires des deux brins de la molécule
d’ADN ce qui crée une distorsion dans la molécule.
Cela perturbe le fonctionnement cellulaire, notamment en bloquant la progression de
l’ADN polymérase lors de la réplication, et celle de l’ARN polymérase lors de la
transcription. Des systèmes de réparation de ces liaisons photo induites existent dans
les cellules mais les enzymes de « réparation » peuvent faire des erreurs. Ainsi les
lésionsinduites par les photons absorbés peuvent être à l’origine de mutations. Si ces
mutations touchent des gènes impliqués dans le contrôle du cycle cellulaire, elles
contribuent à la formation de cellules cancéreuses.
Les UVA n’affectent pas directement l’ADN, mais ils provoquent la formation dans
les cellules de radicaux oxygénés comme H2O2 qui sont agressifs vis-à-vis de l’ADN
provoquant des ruptures dans les brins d’ADN et aussi la formation de dimères.
Pigmentation de la peau et dommage à l'ADN
La teneur en mélanine de la peau des personnes noires est 5 à 6 fois supérieure à celle de la
peau des personnes blanches. La figure suivante illustre le spectre d'absorption de la
mélanine. L’intensité des rayons ultraviolets (UVA+UVB) atteignant la partie
supérieure du derme est 5 fois plus faible chez les personnes à peau noire que chez les
personnes à peau claire.
Figure 4
Source : En outre, des études ont montré qu’à la suite d’une exposition aux UV, les
dommages causés à l’ADN (formation de dimères de thymine) étaient présents dans
toutes les couches cellulaires de l’épiderme et dans des cellules du derme chez les
personnes à peau blanche. Chez les personnes à peau noire, elles sont restreintes aux
couches supérieures de l’épiderme.
