génome humain, hérédité et information génétique
TRANSCRIPT
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.
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
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
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
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 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