Première S - Cours 1

EXPRESSION, STABILITÉ ET VARIATION

DU PATRIMOINE GÉNÉTIQUE

I. La reproduction conforme des cellules :

1°) Rappels de génétique : Les chromosomes présents dans le noyau des cellules sont le

support de l’information génétique. Ils sont constitués d’ADN : acide désoxyribo-nucléique.

Cette molécule est constituée de deux chaines enroulées en spirale, les deux chaines sont complémentaires grâce aux nucléotides.

Le nucléotide A d’une chaine est associé au nucléotide T. Le nucléotide C est associé au nucléotide G. Chaque portion d’ADN donne une molécule qui intervient

dans la construction ou le fonctionnement de l’organisme. Ces portions sont appelées gènes.

Chaque chromosome contient donc de nombreux gènes. Ces gènes existent sous différentes versions : les allèles.

Toutes les cellules d’un organisme sont formées à partir d’une seule cellule initiale : la cellule œuf. Le nombre de chromosomes est identique dans toutes les cellules d’un organisme. De plus, un noyau prélevé sur n’importe quelle cellule de l’organisme (hormis les cellules sexuelles) contient toutes les informations génétiques de la cellule œuf initiale.

Il existe donc des mécanismes assurant le maintien du même caryotype dans toutes les cellules d’un individu.

2°) L’activité des cellules en division = la mitose. Chaque cellule produit, suite à sa division, deux nouvelles cellules (cellules-filles) qui possèdent le

même matériel nucléaire.

La division cellulaire ou mitose conduit à une prolifération des cellules.

Le cycle cellulaire d’une durée de quelques heures dans les méristèmes enchaîne une interphase,

une mitose, et une cytodiérèse.

Avant (comme après) chaque division, la cellule est en interphase.

La mitose est donc le processus selon lequel est assurée la transmission totale du programme

génétique contenu initialement dans la cellule-œuf.

Bien qu’étant un phénomène continu (30 minutes à 3 heures) on peut distinguer 4 phases :

La prophase : (15 min - 1h) condensation de la chromatine formant des chromosomes constitués

de 2 chromatides réunies par le centromère. Disparition progressive de l’enveloppe nucléaire.

Apparition d’un fuseau de fibres entre les deux pôles cellulaires (= fuseau mitotique ou

achromatique).

La métaphase : (quelques minutes) période où on observe un regroupement des centromères

dans le plan équatorial du fuseau.

L’anaphase : (2 à 3 minutes) il existe 2 sortes de fibres (fibres fixes qui guident et fibres de

traction ou de propulsion). Séparation des 2 chromatides de chaque chromosome par rupture du

centromère. Migration des chromosomes à une chromatide en 2 lots identiques vers chacun des

2 pôles cellulaires.

La télophase : (15 à 60 minutes) décondensation des chromosomes à chaque pôle, disparition du

fuseau, reformation de l’enveloppe nucléaire et division du cytoplasme en 2 cellules filles

(cytocinèse).

Remarque : les asters proviennent du centrosome dupliqué pendant l’interphase (en 2 centrioles). Ceux-ci

n’existent que dans la cellule animale. De plus, la cytocinèse se fait par constriction annulaire pour la cellule

animale et par formation d’une paroi pour la cellule végétale.

3°) La réplication de l’ADN . À la fin de la division cellulaire, chaque nouvelle cellule hérite d'un nombre de chromosomes identique à celui de

la cellule initiale. Cette conservation du nombre de chromosomes, de cycle cellulaire en cycle cellulaire, est

rendue possible par la réplication de l'ADN.

La réplication de l'ADN est donc un mécanisme moléculaire qui permet le doublement de la

quantité d'ADN avant toute division. C’est un mécanisme universel commun aux cellules

eucaryotes et procaryotes (bactéries).

a- Etude de la variation du taux d’ADN au cours d’un cycle cellulaire

La mitose est précédée d’un doublement de la quantité d’ADN : phase S

La phase G1 correspond à la période de la vie cellulaire pendant laquelle la cellule possède Q ADN

La phase G1 correspond à la période de la vie cellulaire pendant laquelle la cellule possède 2Q ADN

b- Etude d’une expérience historique (Meselson et Stahl)

Voir livre page 28 exercice 1

Bilan :

La réplication de l'ADN s'effectue

suivant un mode semi-conservatif; la

séquence des bases azotées et donc

l'information génétique du brin modèle

sont conservées dans la nouvelle molécule

d'ADN produite après replication.

Les chromatides d'un même

chromosome, résultat de cette

replication, sont identiques entre elles.

Graphe montrant l’évolution de la

quantité et de

l’aspect d’ADN au

cours d’un cycle

cellulaire

c- Observation de l’ADN en phase S :

On observe des yeux de

réplication (plusieurs yeux sur

la même molécule d’ADN).

À chaque coin de l’œil (fourche

de réplication) se trouve un

complexe enzymatique.

d- Mécanismes moléculaires de la réplication :

La réplication s'effectue en plusieurs étapes pendant la période de l’interphase qui précède la mitose

(phase S). Elle dure environ 8 heures chez les cellules eucaryotes.

- les deux brins d'une molécule d'ADN (les deux chaînes polynucléotidiques) sont séparés au niveau de

leurs bases azotées complémentaires adénine-thymine et guanine-cytosine sous l'action d'un

complexe enzymatique spécifique.

La double hélice « s'ouvre », formant une « fourche de réplication » ;

- deux brins, complémentaires de chaque brin séparé (brin modèle), sont synthétisés grâce à l'action de

l'ADN polymérase, suivant la loi de complémentarité des bases azotées A-T et C-G.

- A la fin de l'interphase, chaque filament chromosomique est dupliqué (phase G2). Le matériel génétique

est alors présent sous la forme de paires de filaments, réunis entre eux par un centromère.

Chaque paire de filaments se condense peu à peu en chromosome à deux chromatides, et l'enveloppe

nucléaire disparaît : c'est la prophase, première étape de la mitose…

Les deux nouvelles cellules issues de la mitose héritent ainsi du même nombre de chromosomes que

la cellule initiale. Chaque chromosome, constitué d'une seule chromatide, se décondense peu à peu ;

le retour en interphase (phase G1) permet d'amorcer un nouveau cycle cellulaire.

La réplication de l'ADN assure ainsi, aux mutations près, une stabilité qualitative de l'information

génétique, de génération en génération de cellules.

La réplication et la mitose qui lui succède assurent la conservation de la quantité d'ADN et de son

contenu informatif (les gènes et leurs allèles, donc le génotype) entre toute cellule qui se divise et les

cellules qu'elle produit. Ces processus permettent le maintien du génotype au cours d'un cycle

cellulaire et expliquent l'existence de clones.

II. L’expression du patrimoine génétique :

1°) Relation entre ADN et protéine. Le phénotype d’un individu est sous la dépendance des protéines. Ces molécules sont très nombreuses et

variées, elles constituent la « boite à outils » permettant d’assurer toutes les fonctions ainsi que

participer à la fabrication de des constituants de l’organisme.

Les protéines sont des macromolécules formées par l’assemblage d’acides aminés. Il existe 20 acides

aminés différents, possédant des propriétés chimiques propres (acide, basique, hydrophobe, hydrophile,

etc. ..). Ainsi une chaine polypeptidique (enchainement d'acides aminés) va adopter une forme

caractéristique sous l'influence des acides aminés qui la constitue

Des expériences de transgénèse montrent qu’il existe une relation entre une portion d’ADN (=un gène) et

l’expression d’une protéine donnée.

Le phénotype d’un individu dépend donc de son génotype dont l’expression se traduit par la synthèse de

protéines.

2°) Intermédiaire entre ADN et protéine.

a- Faits expérimentaux :

- L’ADN n’est présent que dans le noyau des cellules eucaryotes et ne peut en sortir.

- La synthèse des protéines se réalise dans le réticulum endoplasmique situé dans le cytoplasme.

- Le marquage radioactif de constituants de l’ADN et l’observation de pores dans l’enveloppe

nucléaire montrent qu’il existe un intermédiaire constitué de nucléotides qui est fabriqué dans

le noyau à partir de l’ADN et qui sort du noyau par les pores nucléaires pour permettre la

synthèse des protéines.

Cette molécule est appelée ARN.

b- La molécule d’ARN

L’ARN est constitué d’une seule chaîne linéaire.

La chaîne est un long polymère de 4 structures différentes : les acides ribonucléiques.

Les acides ribonucléiques résultent de l’assemblage :

- d’un acide phosphorique

- d’un ribose

- d’une base azotée : Adénine, Guanine, Cytosine, Uracile.

La comparaison des séquences d’ADN et d’ARN codant pour la même protéine montre que l’ARN est

une copie d’un des deux brins de l’ADN (le nucléotide uracile remplaçant la thymine)

On parle alors de brin transcrit de l’ADN qui est complémentaire de l’ARN.

Le mécanisme de copie se fait dans le noyau : c’est la transcription.

3°) La transcription. L'ARN est fabriqué grâce à un complexe

enzymatique : l'ARN polymérase.

L’enzyme écarte es deux brins de l'ADN

au niveau du gène à exprimer.

Le brin transcrit servira de matrice à la

molécule d'ARN. L’enzyme permet la

fixation des nucléotides libres qui

formeront l'ARN.

La transcription est rapide et plusieurs molécules d'ARN sont

synthétisées simultanément, constituant autant de copies

identiques d'un même gène qui pourront gagner le cytoplasme

servant ainsi de messager entre le noyau et le lieu de synthèse

des protéines.

On observe ainsi des « figures en sapin » interprétées comme un

gène parcouru en même temps par plusieurs ARN-polymérases.

Différences avec l’ADN

4°) Les modifications de l'ARN après la transcription.

Une expérience d'hybridation entre de l'ADN et de

l'ARN d'un gène montrent que l'ARN est plus court que

le fragment d'ADN du gène qui a été transcrit.

À l'issue de la transcription, les ARN ont une

séquence complémentaire du gène dont ils sont

issus : ce sont des ARN pré-messagers. Ils

subissent ensuite un épissage : certains

fragments (introns) sont éliminés et les

fragments conservés (exons) sont « recollés ».

Les ARN messagers (ARNm) ainsi obtenus sont

exportés dans le cytoplasme. Selon le contexte cellulaire, un même ARN pré-

messager peut subir des épissages différents.

Cet épissage alternatif permet à un même gène

de coder pour plusieurs protéines différentes

selon les exons retenus pour la constitution de

l'ARN messager.

5°) La traduction. La traduction est la transformation d’un triplet de nucléotides (= codon) sur une molécule d’ARN

messager, dont la séquence permettra l’assemblage d’un acide aminé donné. Cette

correspondance est appelé code génétique.

La traduction débute par la fixation d’un ribosome (sorte d’«outil moléculaire » fabriqué à partir

d’ARN particuliers) au niveau d’un codon

d’initiation (AUG = méthionine) de la molécule

d’ARNm.

Le ribosome se déplace alors par

translation de long de la chaîne d’ARNm et

à chaque codon fait correspondre l’acide

aminé correspondant. Une liaison peptidique

va lier chaque acide aminé avec celui qui le

précède (formation d’un polypeptide). La

traduction prend fin lorsque que le

ribosome rencontre un codon-stop ne

correspondant à aucun acide aminé. Il se

détache et le polypeptide est libéré. Remarque : la fixation de l’acide aminé sur le codon se fait par l’intermédiaire d’un autre « outil

moléculaire » : les ARN de transfert (ARNt) qui possèdent un anti-codon complémentaire d’un codon et fournissent l’acide aminé correspondant au codon selon le code génétique.

EXERCICE : Transcription et traduction d’un fragment d’ADN À partir de la séquence de bases ci-dessous portées sur une portion de molécule d’ADN et en supposant que la

lecture de l’information se fasse de la gauche vers la droite :

Ecrire la molécule d’ARNm obtenue par transcription.

Prédire la séquence d’acides aminés de la chaîne peptidique formée. (utiliser le tableau du code

génétique fourni.) Brin transcrit

C C C T A C C G T C A A A A C C A C G T T G A G G C C A A A G C G A T T G G G

G G G A T G G C A G T T T T G G T G C A A C T C C G G T T T C G C T A A C C C

G G G A U G G C A G UU UU G G U G C A A C U C C G G UUU C G C U A A C C C ARNm

MET –-- ALA –-- VAL --- LEU ---VAL---GLN --- LEU --- ARG --- PHE---ARG

Remarque : Les phénomènes de transcriptions multiples (figures en sapin) produisent une grande quantités

d’ARN à partir d’un gène. Les phénomènes de traductions multiples (plusieurs ribosomes se succèdent sur

le même ARN messager) produisent une grande quantité de protéines à partir une seule molécule d’ARN

Ces deux mécanismes dits d’amplification montrent comment une cellule peut produire en très grande

quantité une protéine donnée alors qu’elle ne possède qu’un gène pour cela.

Conclusion :

Comment les protéines interviennent-elles dans le phénotype de l’individu ?

Brin transcrit

Les protéines jouent un

rôle fondamental dans la

cellule. Leur synthèse se

déroule en deux grandes

étapes :

- Une transcription qui

produit une série de

copies éphémères d'un

gène, les ARN pré-

messager. Ces ARN

peuvent subir en

fonction du contexte

cellulaire un épissage

variable pour donner des

ARN messager

différents qui gagneront

ensuite le cytoplasme.

- Une traduction qui grâce

à un code de

correspondance traduit

l'information portée par

l'ARN m en un

enchaînement d'acides

aminés (= protéine)