Génome humain, hérédité et information génétique

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1 Diplôme d État Infirmier - Cycle de la vie et grandes fonctions UE 2.2 Génome humain, hérédité et information génétique Service de Biochimie & Génétique Moléculaire Jean-Pierre Rabès 23 septembre 2011

2 PLA I Structure des acides nucléiques II rganisation du génome III Division cellulaire : réplication et mitose IV Expression des gènes : transcription et traduction V- Mutations de l AD VI Hérédité

3 I Structure des acides nucléiques Les acides nucléiques Existent sous deux formes : L AD : Acide Désoxyriboucléique L AR : Acide Riboucléique 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.

4 Base Phosphate Pentose (sucre) ucléoside ucléotide

5 Les acides nucléiques : polymères de nucléotides AD AR Sucre 2 désoxyribose ribose Bases A T G C A U G C Phosphate = = = = adénine thymine guanine cytosine = = = = adénine uracile guanine cytosine

6 Pour illustrer Pentoses Acide phosphorique Bases azotées 6 puriques 5 HCH P H 8 H H H H2 H Adénine (2-amino-6-oxypurine) 3 pyrimidiques 5 H2 1 3 H H Cytosine (2-oxy-4-amino pyrimidine) 5 1 CH3 H 2 β-d-2 -désoxyribofuranose Désoxyribose 4 2 H 4 H Guanine (6-aminopurine) H HCH2 7 5 H2 Ribose β-d-ribofuranose H 2 H 4 H 1 H Thymine (2,4-dioxy-5-méthyl pyrimidine) 6 H H Uracile (2,4-dioxy pyrimidine)

7 Structure Iaire d une portion de chaîne d acide nucléique 5 P P Extrémité 5 P libre CH2 5 Adénine H P 5 liaison 3 5 phosphodiester CH2 P CH2 5 Cytosine Adénine H P 5 CH2 H P H P CH2 Guanine Cytosine CH2 P H CH 2 3 H P Thymine 3 AD H H Guanine H CH2 Uracile 3 Extrémité 3 H libre H H AR

8 Pour illustrer! La double hélice de WATS et CRICK (1954)

9 Complémentarité des bases +++ C A T G H H H H CH3 A désoxyribose désoxyribose T : liaison hydrogène H H désoxyribose H H désoxyribose G C

10 Structure secondaire de l AD

11 Double hélice d AD Désoxyribose (D) Phosphate (P) -Bases : A, T, G, C -Sucre : désoxyribose -Association par complémentarité -Structure hélicoïdale -Liaisons H en plateau pas de l hélice -Double brin antiparalèlle Petit sillon Grand sillon

12 L AD Molécule en double hélice (bicaténaire) Les 2 brins sont orientés (une extrémité 5 et une extrémité 3 chacun) Les 2 brins sont dits "antiparallèles" (parallèles mais en sens inverse) 5' 3' 3' 5' 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 AD (duplication).

13 II rganisation du génome 1/ Définitions Génome : tout l AD d une cellule = ensemble de l information génétique (gènes et séquences d AD non codantes) contenue sous forme d AD 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)» Chromosome : une seule grande molécule d AD et ses protéines associées, apparaissant sous la forme d 1 bâtonnet lors de la mitose et contenant de nombreux gènes.

14 Génome VIRUS : 1 molécule d'ad ou 1 molécule d'ar ~ 0,2 µm PRCARYTES (bactéries) : 1 unique chromosome (4,6 millions de paires de bases ou pb) constitué d une molécule d'ad circulaire (+ plasmides) EUCARYTES : 2n chromosomes situés dans le noyau + génome mitochondrial (AD circulaire) ~ 2 µm ~ 20 µm

15 2/ Le génome humain En 2 partie : génome nucléaire ~ gènes - 2 x 3,2 milliards de pb Déroulé ~ 2 x 1 m de long! génome mitochondrial 37 gènes - AD circulaire de pb transmis par la mère

16 rganisation générale du génome nucléaire humain oyau Chromosome en métaphase 23 paires de chromosomes 22 paires d autosome 1 paire de chr.sexuel (XX ou XY) Cellule Paire de bases Histones AD Double hélice d AD 2 nm Caryotype humain normal

17 Pour illustrer Différents états de compaction de l AD Chromosome en métaphase, donc dupliqué Fibre de chromatine = nucléosomes tassés 30 nm (interphase) Fibre de chromatine = Structure en chapelet 10 nm Une chromatide 700 nm Double hélice d AD 2 nm

18 Morphologie des chromosomes en métaphase Télomères Centromère Chromatides soeurs Télomères Campbell Fig

19 3/ Le caryotype Ensemble des chromosomes d une cellule, rangés en fonction de la taille, de la forme et du nombre Chromosome maternel Autosomes (tous sauf chromosomes sexuels) Chromosome paternel Chromosomes sexuels Campbell Fig. 13.3

20 Applications médicales La cytogénétique : étude des chromosomes des cellules utils : 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

21 Applications médicales (suite) Caryotype normal : 46, XX ou 46, XY Anomalies chromosomiques : 2 types - de nombre (non disjonction méïotique) - de structure (cassures chromosomiques) Ex. d anomalies de nombre : - Trisomie 21 : 47, XY, Syndrome de Turner : 45, X0 - Syndrome de Klinefelter : 47, XXY - 47, XYY

22 III Division cellulaire : réplication et mitose 1/ Rappels sur le cycle cellulaire et la méïose

23 Le cycle cellulaire Phase G2: préparation à la mitose (3-4 h) AD: 4 Phase S: duplication de l'ad (6-8 h) AD: 2 à 4 Phase M: séparation des 2 cellules filles (1 h) AD: retour à 2 G0: cellules ne se divisant pas (quiescentes) Phase G1: croissance ou récupération après une mitose(6-12 h) AD: 2

24 La mitose Elle est subdivisée en quatre étapes : A. Prophase Condensation de la chromatine. En fin de prophase, la membrane nucléaire disparaît A. Métaphase Les chromosomes dupliqués s alignent au niveau de la plaque équatoriale A. Anaphase Séparation des chromatides de chaque chromosome qui migrent vers le pôle cellulaire A. Télophase Constitution des deux cellules filles

25 MITSE Interphase I : Duplication des chromosomes Anaphase : Migration des chromatides Prophase : Métaphase : Condensation de l AD Formation de la plaque Disparition de la mb nucléaire équatoriale Formation du fuseau mitotique Télophase (cytodiérèse) : Décondensation de l AD Reformation du noyau Interphase II

26 La division cellulaire 2 formes de division cellulaire : La mitose Mode universel de division de la cellule eucaryotique qui permet la formation de deux cellules filles de génotypes identiques à partir d'une cellule mère. La meïose: reproduction sexuée La méiose est un mode de division qui fait passer une cellule de l'état diploïde (2 paires de chromosomes) à des cellules haploïdes ( chromosomes) : les gamètes.

27 Pour illustrer La fécondation Gamètes Cellule-œuf 46 The McGraw-Hill Companies Inc.

28 La méïose La méiose se fait en deux étapes: La méiose I qui est la phase réductionnelle Les chromosomes homologues sont séparés pour produire deux cellules filles ayant la moitié des chromosomes. La méiose II qui est une phase équationnelle. Les chromatides soeurs se séparent pour produire 4 cellules filles haploïdes.

29 Méïose I réductionnelle 4 cellule haploïdes chromosomes Méïose II équationnelle

30 Pour illustrer 2 [= 46] chromosomes Mitose 2 cellules diploïdes (2 [= 46] chromosomes) Méïose 4 cellules haploïdes ( [= 23] chromosomes)

31 2/ Définition de la réplication processus de duplication à l identique d une molécule d AD (double brin) en 2 molécules filles d AD (double brin). brin) Ceci conduit à la duplication des molécules d'ad de tout le génome. Cette étape participe à la division de la cellule.

32 3/ Caractéristiques de la réplication La réplication est semi-conservative : Chaque molécule fille d'ad est constituée d'un brin «mère» et d un brin néosynthétisé. Ce mécanisme repose sur la complémentarité des bases. Le brin d AD «mère» va servir de matrice à la synthèse de l autre brin

33 REPLICATI : semi-conservative AD mère Brin ancien Brin néosynthétisé AD fille AD mère AD fille

34 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

35 Pour illustrer 4/ Les 3 étapes de la réplication 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 AR L'Elongation - Fixation d'une AD Polymérase - Synthèse du brin direct - Synthèse des brins retardés (fragments d kazaki) La Terminaison - Remplacement des amorces d AR par de l AD - Ligation des fragments entre eux (AD ligase)

36 Pour illustrer REPLICATI PRCARYTES 3 5 Topoisomérase II (gyrase) Sens de la réplication Rupture des liaisons H SSBP stabilisation de l AD simple brin Helicase Single-strand binding proteins Amorce d AR + Primase ++ AD polymerase I remplace l amorce AR AD AD ligase AD polymerase III 5 3 Amorce d AR 5 3 Brin retardé avec les fragments d okazaki 3 5

37 5/ La réparation Des enzymes effectuent une «vérification» du matériel génétique. Elles réparent les erreurs et les dommages subis par l AD.