Chapitre 2 :Les acides nucléiques et

génomesProfesseur Joël LUNARDI

Année universitaire 2011/2012Université Joseph Fourier de Grenoble - Tous droits réservés.

UE1 : Biochimie – Biologie moléculaire

Chapitre 2

I. ADNII. ARNIII. Propriétés physico-chimiques des acides

nucléiques IV. BiosynthèseV. Conditionnement cellulaire VI. Organisation génomique

1. Structure élémentaire

- polymère linéaire de désoxyribonucléotidesreliés par des liaisons phosphodiesters

- nucléotide = base + pentose + groupe phosphate

I. ADN

Structure de l’ADN

1.3. Groupe phosphate

monophosphate triphosphate

P O PP

O

O

O OO

OO ORP O PP

O

O

O OO

OO OR P O PP

O

O

O OO

OO OR

diphosphate

1.2. Glucide

pentose : désoxyribose

HOCH2 O

H

HO

HO

H

H

HH

1’

5’

3’

4’

2’

1.1. Bases

Adénine Guanine Cytosinebases puriques bases pyrimidiques

Thymine

1

23

4

56 7

89

1

23

4

56 7

89 1

2

34

56

12

34

56

Nucléosides, nucléotides, désoxynucléotides

1.4. Nucléosides, nucléotides, désoxynucléotides

Base nucléoside nucléotide (mono, di ou tri phosphate)

adénine d-adénosine d-AMP / ADP / ATP ( A )guanine d-guanosine d-GMP / GDP / GTP ( G ) thymine d-thymidine d-TMP / TDP / TTP ( T ) cytosine d-cytidine d-CMP / CDP / CTP ( C )

d-nucléotide = base + pentose + groupe Pi

liaison ester

d-nucléoside = base + pentose= d-adénosine = d-adénosine triphosphate

liaison N- osidiqueH H

Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

1.5. Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

3’ 5’

simple brin en cours d’extension ( 5’ 3’ )

extrémité 5’ phosphate

extrémité 3’ hydroxyle

Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

1.5. Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

5’

3’ 5’

+ désoxynucléotide triphosphate

Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

1.5. Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

5’

3’ 5’

+ désoxynucléotide triphosphate

Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

1.5. Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

5’

3’ 5’

5’3’

Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

1.5. Chaîne polynucléotidique et liaison phosphodiester

5’

3’ 5’

5’3’ simple brin n + 1

liaison phosphodiester

Structure de l’ADN2. L ’ADN est une double hélice formée de 2 brins

polarité 5 ’ - 3 ’ : séquence = 5 ’ ACGT---

5 ’

3 ’ 5 ’

3 ’

2 brins antiparallèles

les bases sont complémentaires et forment des paires (pb) : A / T et G / C

les bases sont associées par des liaisons hydrogène

liaisons hydrophobes, Van der Waals, cations... A+T / G+C = constante d ’espèce

Topologie de l ’ADN3. Conformation de l’ADN

3.1. Les constituants de la molécule d’ADN possèdent une structure spatiale

conformation « syn »conformation « anti »

Propriétés physico-chimiquesbases

d-ribose+

phosphate

d-ribose+

phosphate

Interaction de moléculesL’interaction de certaines molécules peut modifier la structure de l’ADNet altérer sa fonction. Ainsi le cis-platine, molécule utilisée dans le traitement de certains cancers inhibe la réplication de l’ADN des cellules tumorales en modifiant la structure de la double hélice

+

Pt

Propriétés physico-chimiques

ADN A : apparaît si hygrométrie < 75%, ≈11 bases/tour, diamètre ≈ 2,6 nm

A

ADN Z : hélice à pas gauche, pas de sillons, ≈ 12 bases/ tour, diamètre ≈ 1,8 nm

Z

3.2. ADN B, ADN A et ADN Z

- double hélice à pas droit- bases à l ’intérieur- petit et grand sillon

- ≈ 10 bases / tour d’hélice- pas de l ’hélice = 3,4 nm- diamètre de l ’hélice ≈ 2 nm

ADN B

B

Propriétés physico-chimiques3.3. ADN linéaire et ADN circulaire

3.4. Superhélicité

un ADN linéaire peut également être le lieude formation de supertours (ou superhélices) lorsque des contraintes lui sont imposées

Exemple : l’avancement de la fourche de réplication génère devant-elle des supers tourspositifs qui bloquent ensuite l’ouverture de l’hélice

Propriétés physico-chimiques3.5. Topo-isomérases

type I : modifient l’enroulement en coupant 1 brin

type II : modifient l’enroulement en coupant les 2 brins

Les topo-isomérases sont des cibles pour molécules thérapeutiques à propriétés anti-tumorales (étoposide, podophyllotoxines) ou antibiotiques (acide nalidixique,ciproflaxine)

+

Propriétés physico-chimiques3.6. Autres structures de l’ADN

structures II : ADN cruciforme

présence de séquences répétées inversées

appariement entre séquences complémentaires présentes sur un brin

ADN triplex: ADN H

région d’ADN triplex

ARNs

OH

H

bases = A, G, C, Uuracile

sucre = ribose

II. Les acides ribonucléiques (ARN ou RNA)1. Structure : polymère linéaire de ribonucléotides

liés par des liaisons phosphodiesters

5 ’

3 ’

Propriétés

Présence de bases modifiées : dihydrouracile, pseudouridine…

OH en 2 ’ pas de duplex de type hélice Bréactivité chimiquesensibilité au traitement alcalin

Hybrides ADN/ARN

2. Propriétés 1 seul brin : 5’ AUGCGGCAUUCA--- : séquence = structure primaire ( I )

Formation de structures secondaires ( II) et tertiaires ( III ) :

ARNr ARNtboucle

tige

Sensibilité aux nucléases : Rnase A, H

Durée de vie variable des ARNm

Types d’ARN3. Types d’ARN

ARNc ARNnc

ARNm ARNr

ARNt

ARNf 100 à 20 000 nt < 5 % de l’ARN

28s ≈ 4000 nt 18s ≈ 2500 nt5 & 5,8s ≈ 100-200nt≈ 80% de l’ARN

20 à 200 nt≈ 1% de l’ARN

≈ 70-110 nt≈ 15 % de l’ARN

4. ARN fonctionnels (ARNf) snRNA : petits ARN nucléaires, 100 à 200 bases, rôles dans la maturation des

ARNm (épissage) et des ARNr

snoRNA : petits ARN nucléolaires, ≈100 bases, impliqués dans la maturation des ARNr

siRNA, miRNA : petits ARN (≈ 20 bases ) capables pouvant interférer avec les ARNm et moduler l’expression des gènes

- miRNA : micro ARN intervenant dans la régulation post transcriptionnelle- siRNA : petits ARN interférants (small interfering RNA) produits après exposition

à un ARN étranger, complémentaires à 100% des ARNm cibles

III. Propriétés physico-chimiques

2. Densité : fonction de la nature des nucléotides

1. Taille et masse :

taille masse longueur

adénovirus ≈ 35 103 pb ≈ 107 Da ≈ 1,1 10-6 mE. coli ≈ 3,5 106 pb ≈ 109 Da ≈ 1,3 10-3 mhomme ≈ 2 x 3 109 pb ≈ 1012 Da ≈ 2 m

1 kpb = 1000 pb, 1 Mpb = 1 000 000 pb…

ADN d’une cellule ADN

ARN : de 15-20 nucléotides à quelques milliers de nucléotides

3. Charge électrique : l’ADN et l’ARN sont chargés négativement en raison des groupes phosphates. Placées dans un champ électrique (électrophorèse), ces molécules migreront vers le pôle + (anode).

Absorption4. Absorption : les bases A, T, G, C, U ont une absorption maximale à ≈ 260 nm

DO à 260 nm concentration en ADN

240 260 280 longueur d’onde (nm)

D.O.

240 260 280 longueur d’onde (nm)

D.O. DO à 260 nm concentration en ADNDO260/280 : si protéines présentes

60 température °C 40

% dénaturation

50

100

ADN double brin

ADN 100% double brin

ADN simple brin

Tm

« Temperature of melting »

ADN 100% simple brin

- effet hyperchrome, température de fusion

5. Dénaturation - renaturation Dénaturation : - température, pH, agents chaotropes

- modulée par taille du fragment, % GC, force ionique du milieu

260 longueur d’onde (nm)

D.O.

Renaturation : réappariement spontané des 2 brins complémentaires d ’ADN

COT (concentration over time) paramètre définissant la renaturation

Dégradation de l’ADN

exonucléases 5 ’> 3 ’ exonucléases 3 ’ > 5 ’

6. Dégradation de l ’ADN :

6.1. Clivage chimique

6.2. Coupures enzymatiques

5 ’ - A - T - G - C - A - C - G - T - 3 ’

endonucléasesspécifiques de séquences

non spécifiques (DNAse I; II …)

Biosynthèse des acides nucléiquesIV. Biosynthèse des acides nucléiques

5’

3’

A, T, G, C

A, U, G, C

désoxyribose ou ribose

+(désoxy) nucléotide triphosphate

ADN : dATP, dGTP, dCTP, dTTP ARN : ATP, GTP, CTP, UTP

Biosynthèse des acides nucléiques

(désoxy) nucléotide triphosphate

synthèse de novo desbases puriques et pyrimidiques

recyclage métabolique desbases puriques et pyrimidiques

interconversion des nucléotides

IV. Conditionnement cellulaire des acides nucléiques

V. Conditionnement cellulaire des acides nucléiques1. Organisation du matériel génétique des virus

2. Organisation de l’ADN des bactéries

La molécule d ’ADN ou d’ARN constituant le matériel génétique des virus peut être double ou simple brin, elle est généralement de petite taille. Ce matériel génétique est souvent associé à des protéines qui forment une capside par exemple.

- le plus souvent 1 chromosome formé par une molécule d ’ADN double brin généralement circulaire organisé en super hélices et associé à des protéines pour former le nucléoïde.

- éventuellement présence additionnelle de plasmides (ADN double brin circulaire de petite taille et présent en un nombre variable de copies)

3. Organisation de l ’ADN nucléaire des eucaryotes

chromatine

3.1. La chromatine

3. Organisation de l ’ADN nucléaire des eucaryotes

Chromatine à l’interphase

Partie d’un noyau observé en microscopieélectronique. L’hétérochromatine apparaîtsous forme de régions sombres, denses aux électrons.

1 m

nombre variable de chromosomes 1 chromosome = 1 molécule d ’ADN double brin chromatine = 1/3 ADN + 2/3 protéines (histones 50% , autres 50%) condensation chromosomique hétérochromatine et euchromatine

Chromosome en métaphase

chromatides

1400 nm700 nm

300 nm

30 nm

11 nm

2 nmhistone H1

nucléosome

interphase

condensation chromosomique

Fibre « 30 nm » (A) et nucléosomes (B) visualisés en microscopie électronique

3.2. Nucléosomes et histones3.2. Nucléosomes et histones

« cœur » = octamère2 x [ H2A, H2B, H3, H4 ]

ADN (2 tours ) = 146 pb

Liaison: H1

30 nm

tétramère (H3H4)2

dimère (H2A,H2B)dimère(H2A,H2B)

histones : protéines de petite taille (MM 11 à 22 kDa, 100 à 200 aa)

protéines riches en acides aminés basiques (charge +): arginine, lysine, histidine

séquence primaire en acides aminés conservée au cours de l’évolution

modifications post-traductionnelles: acétylations, phosphorylations ...« code histones »

tiré de Georgopoulos K, 2002

Répression de la transcription

Activation de la transcription

HAT : histones acétyltransférases

HDAC : histones déacétylases

HMT : histones méthyltransférases

+ histones kinases

Organisation de l’ADN des mitochondries et des chloroplastes

4. Organisation de l’ADN des mitochondries

46 chr

Dans chaque cellule humaine : - 1 noyau contenant 46 chromosomes- ≈ 100 à 1000 mitochondries avec ≈ 5-10 molécules d ’ADN / mitochondrie

La molécule d ’ADN mitochondrial :- ADN double brin et circulaire- 16 569 pb chez l ’homme- organisé en nucléoïde et non associé à des histones- 1 à 2% de la masse totale d ’ADN de la cellule

5. Organisation de l’ADN des chloroplastes

6. Conditionnement de l’ARN dans les cellulesmRNA, tRNAt, rRNA, snRNA …

6. Conditionnement de l’ARN dans les cellules

ARNt ARNr

association avec des protéines : ribosomes, snRNPs (small nuclear Ribonucleoproteins)…

boucle

ARNr 18s + protéines ribosomales

pseudohélice

snRNP

ARN

protéine

V. Organisation génomiqueVI. Organisation du génome humain

génome diploïde (46 chr) vs génome haploïde (22 autosomes + X ou Y )

télomère

télomère

centromère = =

5 ’ 3 ’

=

5 ’ 3 ’

p

q

chr 1a chr 1b

locus 1q2.1 allèle n° 2allèle n° 1

5 ’ 3 ’5 ’ 3 ’

5 ’3 ’

1. Génomes et allèles

Génomes et allèlesGénomes et allèles

Chr …

5’C GA TT AG CA TG CC GA T

5’

5’C GA TT AT AA TG CC GA T

5’

allèle n°1

variations bi-allèliques

allèle n°2

présence possible de 2 allèles dans la population

Chr …

5A TA TC GA TG CC GA TG CC GA TG CC GA TG CT AT A

5’A TA TC GA TG CC GA TG CC GA TG CT AT A

5’A TA TC GA TG CC GA TG CT AT A

variations poly-allèliques

présence possible de n allèles dans une populationmais avec seulement 2 allèles au plus par individu…

allèle n°1 allèle n°2 allèle n° 3 …4 motifs CAG 3 motifs CAG 2 motifs CAG

2. ADN génomique et gènes

densité génique variable

entre espèces : - ≈ 11 gènes /100 000 pb chez l’homme- ≈ 479 gènes /100 000 pb chez la levure

au sein d’un chromosome : peu de gènes vers les centromères

2. ADN génomique et gènes

5 ’5 ’

gène A gène B

gène : unité d’information génétique qui peut être transmise par un individu à sa descendance et qui correspond à une séquence d’acide nucléique permettant de spécifier la synthèse d’un ARN(ARNt, ARNr, ARNsn…) ou d’une chaîne polypeptidique par traduction d’un ARNm

ADN génomique et gènesles gènes ont des tailles variables :

- gène de l ’ARNttyr : 100 pb- gène de l ’insuline : 1 400 pb- gène CFTR : 250 000 pb- gène de la dystrophine : 2 400 000 pb

gènes uniques : 2 copies (allèles) / cellule

familles multigéniques « complexes »

- familles des gènes de l’-globine (4 gènes,chr 16) et de la globine (5 gènes, chr 11) - famille des gènes de l’aldolase : 5 gènes sur les chr 3, 9, 10, 16 & 17

- ≈ 2000 gènes ARNr 5s sur le chr 1- 280 copies des ARNr 28s, 5.8s, 18s en 5 groupes sur chr 13, 14, 15, 21, 22

gènes multicopies : ARNt, ARNr, gènes des histones…

Les gènes ont une structure « en mosaïque »

Le nombre d’exon varie suivant les gènes- gène de l ’interféron : 600 pb 1 exon- gène de la dystrophine : 2 400 000 pb 79 exons- gène du récepteur de la ryanodine 1: 161 000 pb 106 exons

3. Les gènes ont une structure « en mosaïque » ≈ 3,2 109 pb soit ≈ 25 000 gènes

exons = séquence exprimée

introns : séquence non exprimée

Génome nucléaire humain haploïdeGénome nucléaire humain haploïde4. génome nucléaire humain haploïde ≈ 3,2 109 pb et ≈ 25 000 gènes

- pseudo-gènes- introns

≈ 2% : exons des ≈ 25 000 gènes codant des protéines ≈ 3% : ARNr, ARNt, ARN sn, ARNsi, ARMmi

séquences 5’ et 3’ non traduites, séquences de régulation

≈ 30% ≈ 70%

gènes et séquences associées ≈ 1200 Mb ADN intergénique ≈ 2000 Mb

≈ 5 % ≈ 95 %

ADN exprimé ADN non codant

≈ 75%≈ 25%

séquences uniquesou peu répétées

ADN répétitif

répétitionsen tandem

répétitionsdispersées

≈ 50 % de l’ADN !!!

≈ 25% ≈ 75%

ADN répétéSINE (short interspersed nuclear elements)

> 500 000/génome haploïde ≈ 300 pb- séquences alu, MIR - rétrotransposons

ADN répété dispersé

LINE (long interspersed nuclear elements)> 100 000/génome haploïde - LINE-1 : ≈ 6-7 kpb - LINE-2, 3

- THE-1 : ≈ 2 kpb

Eléments LTR (long terminal repeat)≈ 400 000 copies

Transposons d’ADN≈ 300 000 copies

Minisatellites (0,1 à 20 kpb) - séquences tel- séquences variables VNTR (9-80pb)

minisatellites

Microsatellites (0,1 à 0,4 kpb)- répétitions de 2 à 10 pb

microsatellites

Satellite (100kpb à Mpb)- ADN satellite 1 (25-50 pb)

2,3 (5pb)- ADN alphoïde (CENP-B = 171pb)- ADN b (68 pb)

ADN répété en tandem

Que faut il retenir a : Structure et propriétés de l’ADN et des ARNs

- connaître les motifs formant l’ADN (bases puriques, bases pyrimidiques, les différences entre ribonucléotides et désoxyribonucléotides, savoir définir une liaison phospho-diester, savoir définirl’orientation, la polarité et l’extension 5’-3’d’un brin d’ADN

- connaître la complémentarité entre bases et les conséquences pour la stabilité de la double hélice- connaître les propriétés d’absorption des acides nucléiques, le principe de la dénaturation del’ADN, la signification du Tm

- connaître l’organisation spatiale des molécules d’ADN (sillons, sur et sous enroulement…) etd’ARN (structures II, III)

- savoir expliquer l’activité des endo et des exo nucléases- connaître les propriétés différentielles entre ADN et ARN

Organisation du génome

- connaître les différents types de conditionnement du matériel génétique- connaître les propriétés des histones (physico-chimiques, structuration…)- savoir définir les notions de locus, d’allèle- connaître la structure des gènes (notions d’exon et d’intron, …)- savoir définir les notions d’ADN codant et non codant, d’ADN répété (dispersé ou en tandem), savoir à quoi correspondent les grandes familles de répétitions(SINE, LINE, LTR, ADN satellite, minisatellite, microsatellite)

a : les exemples numériques et de pathologies sont destinés à illustrer le cours et à permettre unemeilleure intégration des connaissances, de même les détails des séquences ou des protéines ainsi que les noms des médicaments cités à titre d’exemples ne sont pas à apprendre systématiquement

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