Les concepts-clés de la biologie contemporaine

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1 Les concepts-clés de la biologie contemporaine Nombreuses notions vues au cours de biologie de l école secondaire Perspective historique 1

2 Evolution biologique, évolution de la biologie Théorie de l évolution C. Darwin: Descendance avec modifications Mécanisme principal: la sélection naturelle Génétique Mendel: transmission héréditaire des caractères, caractère ponctuel de ceux-ci De Vries: mutations: des variations apparaissent dans les populations Boveri, Sutton, Morgan: théorie chromosomique de l hérédité, recombinaison homologue Théorie synthétique de l évolution Evolution = variation de la fréquence des allèles présents dans une population Synthèse de la théorie de Darwin et des apports de la génétique, de la paléontologie, de la systématique, (Huxley, Dobzhansky, Mayr ) Une nouvelle synthèse: Biologie moléculaire Génomique, Evo-Devo ADN support matériel de l hérédité Universalité du code génétique Stabilité et variabilité de l expression des gènes chez les organismes multicellulaires Développement embryonnaire Pathologie: cancer Evolution des EV implique évolution des processus développementaux 2

3 Evolution biologique: théorie unificatrice de la biologie Spécificité de la biologie: les êtres vivants sont des objets historiques

4 Bases moléculaires de l hérédité 4

5 L organisation des cellules vivantes - rappel L information génétique est portée par les chromosomes (T. H. Morgan 1910) Chez les procaryotes (bactéries et archées), le matériel génétique se présente généralement sous la forme d un seul chromosome circulaire. Il existe cependant des bactéries qui ont plusieurs chromosomes. Dans les cellules eucaryotes, les chromosomes sont localisés dans le noyau. Les cellules eucaryotes comportent généralement plusieurs chromosomes. Cellule procaryote Cellule eucaryote 5 Source des images: wikipedia

6 Les chromosomes humains - rappel Les cellules somatiques sont diploïdes: chaque cellule comporte 2 copies de chaque chromosome (1 maternelle et 1 paternelle). Chez l'humain, les noyaux des cellules somatiques comportent 23 paires de chromosomes. 6

7 Structure de la chromatine Protéines ADN Les chromosomes eucaryotes sont composés de chromatine: ADN (acide désoxyribonucléique) et protéines (histones). La chromatine permet, entre autres, la condensation (le compactage) de l ADN. Si les chromosomes sont constitués de chromatine quel est le support matériel de l hérédité? Les protéines ou l ADN?

8 L ADN, support matériel de l hérédité Support de l hérédité: protéines ou ADN? 1. Expérience de F. Griffith (1928): Transformation des pneumocoques 1918: épidémie de grippe millions de morts; 50% de la population mondiale contaminée! Investissement massif des gouvernements pour la recherche sur les vaccins ( impact de la demande sociale, des bailleurs de fonds sur la recherche). F. Griffith: recherche sur les pneumocoques (bactéries). Streptococcus pneumoniae Souche R (rough): non virulente Streptococcus pneumoniae Souche S (smooth) virulente Conclusion de l expérience: Une substance chimique contenue dans les bactéries S est capable de «transformer» les bactéries R en bactéries S Quelle est cette substance? 8

9 L ADN, support matériel de l hérédité 2. Expérience de Avery (1944): l ADN «principe» de transformation des bactéries Question posée: quel composant chimique des bactéries S confère la virulence aux bactéries R? Méthode: Traitements détruisant spécifiquement différents composants des bactéries S Résultat: La destruction des protéines ou de l ARN par des enzymes n empêche pas la transformation des bactéries R en S. Par contre, la transformation n a pas lieu si l ADN est détruit. Conclusion de l expérience: l information permettant la transformation des bactéries R en S est médiée par l ADN. Proposition d Avery: L ADN est le support matériel de l hérédité! Découverte mal reçue pas acceptée par la communauté des chercheurs 1952: Alfred Hershey & Martha Chase: expériences sur des bactériophages confirmation des résultats d Avery Avery, O. T., MacLeod, C. M. & McCarty, M. Studies of the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus Type III. J. Exp. Med. 79, (1944) 9

10 Structure de l'adn - la double hélice 1953: Watson et Crick proposent un modèle pour la structure de l'adn Watson & Crick, «Molecular structure of nucleic acids» Nature 4356: «We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features that are of considerable biological interest» «So far as we can tell, it is roughly compatible with the experimental data, but it must be regarded as unproved until it has been checked against more exact results.» R.E. Franklin 10 Source: Watson & Crick (1953). Nature 4356:

11 Structure de l'adn - la double hélice Source. Nature Education Chaque chromosome contient une chaîne extrêmement longue d acide désoxyribonucléique (ADN). L ADN est composé d une double hélice, qui porte 4 types de bases azotées (ou nucléotides). A : Adénine C: Cytosine G: Guanine T: Thymine L information génétique réside dans la succession de ces bases azotées: séquence ADN. Par analogie, l ADN = texte écrit dans un alphabet de 4 lettres. 11

12 Structure de l'adn la complémentarité des bases La propriété essentielle de l ADN est la complémentarité des bases (ou nucléotides): Adénine -- Thymine Cytosine Guanine La complémentarité repose sur la structure chimique des bases (nombre de liaisons hydrogène). Source. Nature Education 12

13 Réplication de l ADN «It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanim for the genetic material». Watson & Crick, 1953 Réplication semi-conservative Source Mécanisme postulé par Watson & Crick et démontré expérimentalement par Meselson et Stahl (1958) Une implication directe de la propriété de complémentarité des bases est que chaque brin d ADN contient l'information complète Durant la réplication, les brins se séparent et chaque brin sert de modèle pour la synthèse d'un brin complémentaire. La réplication assure donc le transfert de l information génétique d une cellule à ses descendantes. 13

14 Comment l information génétique (encodée par l ADN) est-elle utilisée par la cellule? 1941: Expérience de Beadle et Tatum: étude de mutations chez Neurospora crassa Moisissure normale Mutant* 1 Mutant* 2 Mutant* 3 Proposition de Beadle et Tatum: les gènes commandent la formation des protéines

15 Composition des protéines Les acides aminés entrant dans la composition des protéines sont au nombre de 20. La succession des acides aminés la séquence protéique - détermine sa structure. La structure tri-dimensionnelle de la protéine détermine sa fonction. Retinol binding protein PDB 1RBP 15

16 La synthèse des protéines 1941: Beadle et Tatum: les gènes commandent la formation des protéines 1958: F. Crick «On protein synthesis»: L information permettant la synthèse des protéines est portée par l ADN Implique la colinéarité des séquences nucléique (4 «lettres») et protéique (20 «lettres») Mecanisme? CODE?? 16

17 La synthèse des protéines 1941: Beadle et Tatum: les gènes commandent la formation des protéines 1958: F. Crick «On protein synthesis»: L information permettant la synthèse des protéines est portée par l ADN Décrit le flux d information dans les cellules Implique la colinéarité des séquences nucléique (4 «lettres») et protéique (20 «lettres») CODE? Les protéines sont constituées d un enchaînement d acides aminés. Il existe 20 A.A. différents The Central Dogma This states that once information has passed into protein it cannot get out again. In more detail, the transfer of information from nucleic acid to nucleic acid, or from nucleic acid to protein may be possible, but transfer from protein to protein, or from protein to nucleic acid is impossible. Information means here the precise determination of sequence, either of bases in the nucleic acid or of amino acid residues in the protein. Francis H. Crick (1958) Colinéarité des séquences nucléique et protéique Figures tirées de Tavernier & Lizeaux SVT 1 re S programme

18 L ARN messager L ADN est localisé dans le noyau La synthèse des protéines est effectuée par les ribosomes, des organelles présentes dans le cytoplasme Un intermédiaire transporte l info du noyau vers le cytoplasme = ARN messager Jean Brachet ( ) Image: francquifoundation.be ARN: acide ribonucléique 1 seule chaîne portant 4 bases azotées: C, G, A, U (uracile) Respecte la complémentarité: A U C G TRANSCRIPTION: «copie» ARN de l information portée par l ADN (même langue) Source: Dragon. F. et al. Nature 417, 969. Source. Nature Education 18

19 Le code génétique Le code génétique a été élucidé en Les protéines sont synthétisées à partir de l'arn. TRADUCTION de l'arn (séquence de 4 nucléotides distincts :A, U, C, G) en protéines (séquence de 20 acides aminés distincts) 2 langues différentes : Chaque acide aminé est spécifié par une succession de 3 nucléotides (un codon). Il y a 64 triplets de nucléotides possibles. Plusieurs codons spécifient le même acide aminé (redondance). Certains codons font office de «signes de ponctuation»: codons «START» et «STOP» 19

20 Le dogme de la biologie moléculaire Le «dogme» de la biologie moléculaire «DNA makes RNA makes protein» Francis Crick (1958): DNA makes RNA makes protein (l ADN fait l ARN qui fait les protéines) Réplication Décrit le transfert de l information entre les macromolécules (ADN, ARN, protéines) ADN Transcription ARN Crick, F. H. (1958). On protein synthesis. Symp Soc Exp Biol 12, Discussion ultérieure du concept de «dogme»: Crick, F. (1970). Central dogma of molecular biology. Nature 227, Traduction Protéine La réalité est plus compliquée! Les gènes morcelés pas de colinéarité stricte La transcription inverse 20

21 Structure fonction des protéines Carboxypeptidase (bleu) et son substrat (rouge) La structure tridimensionnelle des enzymes assure la spécificité de leur fonction reconnaissance d un substrat spécifique. Les facteurs transcriptionnels ou facteurs de transcription sont des protéines indispensables à l expression correcte du matériel génétique. Leur capacité à lier des régions spécifiques de l ADN dépend de leur structure tridimensionnelle. Protéine GAL4 (levure) liée à l ADN La structure tridimensionnelle de la grande majorité des protéines est indispensable à leur fonction 21

22 Structure fonction des protéines: les mutations de l hémoglobine L hémoglobine est une protéine qui transporte l oxygène dans le sang. On a recensé plus de 500 formes mutantes de l hémoglobine, dont plus de 95 contiennent une mutation ponctuelle (substitution d un seul acide aminé). La drépanocytose ou l anémie à cellules falciformes =1GZX Source: INSERM Source: La substitution de la glutamine en position 6 en valine modifie la structure de l hémoglobine (HbS) et entraîne la formation de fibres. Ces fibres déforment les globules rouges en leur donnant une forme de faucille (d où provient le nom de la maladie). Les globules rouges déformés gênent la circulation sanguine en bloquant les vaisseaux capillaires. 22

23 Conclusion Biologie moléculaire: une des grandes aventures scientifiques du XX ème siècle Biologie moléculaire: une science moribonde? (Michel Morange) Disparaît en tant que telle du vocabulaire Mais ses concepts et ses méthodes sont présents dans tous les domaines de la biologie! L au-delà de la biologie moléculaire: la génomique et l Evo-dévo. Source: Michel Morange Histoire de la biologie moléculaire La Découverte/Poche 23