Modifications de l'organisation du génome

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1 Tutorat Santé Lyon Sud UE1 Modifications de l'organisation du génome Cours du Professeur J. SAMARUT L ensemble des cours du Professeur J. SAMARUT fait habituellement l objet de 4 QCMs au concours. Le présent support de cours fourni par le Tutorat Santé Lyon Sud est destiné à faciliter votre prise de notes mais ne constitue en aucun cas une référence pour le concours. Seuls les cours ayant été dispensés par les enseignants et les supports mis à disposition par leurs soins sont légitimes. Veuillez prendre note que seul les polycopiés directement téléchargés depuis Spiral Connect sont certifiés en provenance du tutorat, toute autre source est potentiellement compromise. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 1/10

2 SOMMAIRE I. SYSTEME DE RECOMBINAISON EXEMPLE 1 : recombinaison entre deux brins d ADN initiée par cassure simple brin EXEMPLE 2 : recombinaison entre deux brins d ADN initiée par cassure double brin... 3 II. PROCARYOTES ET PLASTICITÉ DU GÉNOME... 4 II.A. INSERTION D UN PLASMIDE DANS LE GENOME D UNE BACTÉRIE HFR... 4 II.B. RÔLE DES BACTÉRIOPHAGES DANS LA MODIFICATION DU GENOME BACTÉRIEN... 4 III. EUCARYOTES ET PLASTICITÉ DU GÉNOME... 5 III.A. INFECTION D'UNE CELLULE EUCARYOTE PAR UN RÉTROVIRUS Cycle infectieux des rétrovirus Les différents types de rétrovirus... 6 III.B. LES DIFFERENTES FORMES DE RÉARRANGEMENTSDU GÉNOME DANS LE DÉVELOPPEMENT ONCOGÈNE Exemples 1 : Translocations chromosomiques dans les leucémies aiguës promyélocytaires Exemple 2 : Activation oncogénique de la protéine Ras par mutation ponctuelle /10 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

3 Le génome est très plastique : il peut se modifier en permanence et subit donc des modifications naturelles minimes (quelques bases). Il est en remaniement perpétuel. Le génome est labile (non immuable) : ceci est visible lors de la transmission à la descendance et est la base de l évolution et de l adaptation de l organisme à son environnement. I. SYSTEME DE RECOMBINAISON 1. EXEMPLE 1 : recombinaison entre deux brins d ADN initiée par cassure simple brin C est une modification minime causée par des cassures. Il y a échange d information génétique entre 2 brins d ADN = échange mineur. La cassure simple brin subit une réparation anormale : mésappariement des deux brins au niveau des cassures crossing over : - Si le croisement est effectué au même niveau, il n y a pas de conséquence. - Si le croisement est effectué sur une région non homologue, il peut y avoir des conséquences graves 2. EXEMPLE 2 : recombinaison entre deux brins d ADN initiée par cassure double brin Dans ce cas il y a donc 2 brins à réparer : nécessité de 2 enzyme exonucléase + ADN pol. Utilisation d une autre molécule d ADN comme matrice pour la réparation. Echange d information génétique entre ces molécules maternelle et paternelle. Intégration d une région nucléotidique provenant d une autre molécule. Recombinaison entre deux brins d'adn suite à des cassures simple ou double brin : altérations, erreurs et atteinte à l'intégrité de l'information génétique. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 3/10

4 II. PROCARYOTES ET PLASTICITÉ DU GÉNOME II.A. INSERTION D UN PLASMIDE DANS LE GENOME D UNE BACTÉRIE HFR Certaines bactéries possèdent en dehors de leur génome circulaire des petites séquences appelées plasmides, présentes en grand nombre dans la bactérie (des 10aines à des milliers) et dont la reproduction est autonome. Les plasmides portent ce qu on appelle un génome parasites, c est-à-dire qui n a rien à voir avec celui de la bactérie. Les plasmides sont des molécules d ADN circulaires beaucoup plus petites que le chromosome bactérien. Les plasmides peuvent se recombiner avec l'adn bactérien sur des séquences d'insertion (appariement puis hybridation). En effet, le plasmide et le chromosome bactérien possèdent tous deux une séquence homologue spécifique appelée séquence IS qui facilite la recombinaison. L intégration du plasmide au génome bactérien se fait donc par hybridation des deux séquences IS. Le crossing over plasmide/chr bactérien entraine la formation d une molécule circulaire bicaténaire portant une nouvelle information génétique Les modifications ainsi apportées sont transmissibles à la descendance, ce qui assure une voie rapide d'évolution et d'adaptation à ces bactéries. Ex : gènes de résistance aux antibiotiques. II.B. RÔLE DES BACTÉRIOPHAGES DANS LA MODIFICATION DU GENOME BACTÉRIEN Les virus bactériophages (ou phage) peuvent s'intégrer et s'exciser dans le chromosome bactérien. Le bactériophage possède un génome linéaire constitué d ADN double brin avec à chaque extrémité une séquence cos. Ces deux séquences cos sont complémentaires l une de l autre, ce qui permet à la molécule de se circulariser en entrant dans une bactérie. Cet ADN possède également une séquence spécifique att qui reconnaît et s'apparie à une séquence complémentaire sur le chromosome bactérien, créant ainsi un crossing over. Le génome du phage intègre alors le génome bactérien : c'est le pro-phage. On a donc un nouveau génome avec une nouvelle 4/10 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

5 information génétique, stable et transmissible. Le système est en général réversible, le pro-phage peut s'individualiser pour sortir de la bactérie : l'adn bactérien se recombine ou alors le pro-phage emporte de l'adn bactérien avec lui, entraînant de lourdes modifications. III. EUCARYOTES ET PLASTICITÉ DU GÉNOME III.A. INFECTION D'UNE CELLULE EUCARYOTE PAR UN RÉTROVIRUS Les rétrovirus ont un génome composé d'un ARN monocaténaire, comportant 3 séquences essentielles à sa reproduction (l'altération de l'une ou l'autre empêche la reproduction du virus) : - Gag : code pour la capside du virus - Pol : code pour une rétro-transcriptase (permet la synthèse d ADN à partir d ARN) et une intégrase - Env : code pour l'enveloppe du virus (responsable de la reconnaissance du récepteur) 1. Cycle infectieux des rétrovirus Cycle infectieux : - Le virus se fixe sur la membrane cytoplasmique de la cellule et la digère. - Injection de l ARN viral et des enzymes dans le cytoplasme. - Copie du génome viral sous forme d ADN double brin par la reverse transcriptase. - L ADN formé pénètre le noyau et se circularise : les séquences répétées complémentaires des extrémités s associent. - Cet ADN circulaire s intègre de manière aléatoire dans l ADN génomique grâce à une intégrase. L intégration est stable et définitive : IRREVERSIBLE - Transcription du provirus en ARN (séquence indépendante avec son propre promoteur). L ARN produit est semblable à l ARN injecté par le premier rétrovirus. - Il est ensuite traduit : production de protéines constituant l enveloppe protéique du virus. - Bourgeonnement : émission de nouvelles protéines virales. Ces virus intègrent donc une nouvelle information de manière irréversible. Les protéines codées par ces virus sont seulement nécessaire au cycle viral. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 5/10

6 2. Les différents types de rétrovirus Le génome du rétrovirus comporte des séquences R, U5 et U3, redistribuées de part et d'autre de l'adn double brin proviral qui constituent les zones LTR contenant un puissant promoteur. Des mutations possibles peuvent affecter le provirus et mener à la production de différents rétrovirus : Les rétrovirus compétents pour la reproduction, aussi appelés «virus helper» : ils possèdent les 3 séquences gag, pol et env. Les rétrovirus défectifs : ils arrêtent le cycle rétroviral, sauf si la cellule hôte comporte un autre provirus. Il y en a deux types : - Ceux ayant un génome tronqué et non compétent : ils doivent être associés dans une cellule à un virus compétent. - Ceux ayant perdu de l IG mais ayant récupéré une IG nouvelle correspondant à un gène que le virus a capté dans le génome de la cellule (= transduction). 6/10 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

7 L'intégration du provirus n'aboutit pas en général à des pathologies aiguës, mais parfois les réarrangements de l'adn et du provirus peuvent créer des débordements du provirus sur l'adn cellulaire : l'arn viral «empaquette» un morceau de génome de l'hôte, ce qui donne le phénomène de transduction rétrovirale, parfois délétère, parfois causant une surexpression du gène X (si il présente une fonction physiologique) entraînant des dérèglements et des pathologies (souvent des tumeurs car le gène X est souvent muté et la présence d'un promoteur induit une surexpression). III.B. LES DIFFERENTES FORMES DE RÉARRANGEMENTSDU GÉNOME DANS LE DÉVELOPPEMENT ONCOGÈNE Il y a 5 mécanismes majeurs où le génome est modifié et engendre des processus oncogènes : Mutations dans la séquence codante Elles sont parfois silencieuses (pas de modification de l AA). Dans d autre cas, la mutation entraine un changement d AA. Si elle est dans un exon, il y a modification de la nature de la protéine. Dans le cas d une protéine impliquée dans la division cellulaire, cela peut entrainer une tumeur. Il n y a pas d altération de la régulation transcriptionnelle du gène mais il y a altération de la fonction biochimique de la protéine. Exemples : H-ras, K-ras, N-ras carcinomes divers ; c-src cancers du côlon. Translocation chromosomique Formation d un chromosome hybride à cause d un crossing-over entre deux chromosomes. Si ça a lieu à l intérieur d un gène, il y a création d un gène hybride. Les conséquences sont souvent graves et délétères. Il peut y avoir une altération de la régulation transcriptionnelle du gène (si la translocation a lieu au niveau d un promoteur) ou non. Il y a altération de la fonction biochimique de la protéine. Exemples : Bcl2 lymph. folliculaire, t(14-18) ; Bcr-Abl LMC, t(9-12) ; PML-RARα LAP, t(15-17) ; c-myc lymph. Burkitt, t(8-14). Amplification génique Dysfonctionnement lors de la réplication de l ADN : réplication un grand nombre de fois du même gène. Il y a altération de la régulation transcriptionnelle du gène (risque de surproduction et d accumulation de protéines), mais pas d altération de la fonction biochimique de la protéine. Exemple : ErbB-2 carcinome mammaire. Insertion d un élément de génome viral Certains virus (ex : hépatite B) sont capables d insérer leur génome ou une partie dans le génome cellulaire de l hôte. En général, le virus insère son propre promoteur. Cette transduction entraine une rupture de la continuité du génome, ce qui entraine un dérèglement de l expression. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 7/10

8 Il y a altération de la régulation transcriptionnelle du gène et il peut y avoir altération de la fonction biochimique de la protéine ou non. Exemples : ALV-c-myc lymphomes aviaires ; HBV-RARβ hépatocarc. Humain ; HBV-cycline A hépatoc. Humain. Transduction rétrovirale Cf. partie d avant. La transduction rétrovirale entraine une IG erronée. Il y a altération de la régulation transcriptionnelle du gène et de la fonction biochimique de la protéine. Exemples : Leucémies aiguës rétrovirales animales ; sarcomes rétroviraux animaux. 1. Exemples 1 : Translocations chromosomiques dans les leucémies aiguës promyélocytaires Translocation chromosomique (cas le plus fréquent) Sur le chromosome 15 se trouve le gène PML et sur le chromosome 17 le gène codant pour RARα. RARα est un récepteur nucléaire de groupe 2 fixant l'acide rétinoïque. La fixation de cette hormone permet entre autre de lever la restriction transcriptionnelle sur des gènes permettant la différenciation cellulaire complète dans certaines cellules. PML a un rôle dans l organisation dans le noyau. Fusion du gène PML avec le gène RARα : formation d un gène hybride par cassure et raboutage, codant une protéine hybride PML-RAR. Mécanisme d action de l oncoprotéine PML-RAR : PML-RAR donnera une protéine hybride, dont l'affinité pour l'acide rétinoïque est faible : il restera en configuration de répresseur transcriptionnel à dose physiologique. Cela bloque la transcription et donc la différenciation cellulaire et entraine la formation de cellules leucémiques. Le traitement nécessite donc de donner de l'acide rétinoïque à des doses pharmacologiques fortes : - Fixation sur le récepteur hybride - Libération de la HDAC et apparition des acétyl transférases - Transcription 8/10 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

9 - Patient en rémission Translocation chromosomique Par le même processus on se retrouve avec une protéine hybride PLZF-RAR. Mécanisme d action de l oncoprotéine PLZF-RAR : PLZF-RAR fixe de manière permanente l'hdac, et ce même lorsque le récepteur fixe l'acide rétinoïque (affinité réduite) : il y a donc répression de la transcription. Le traitement à des doses pharmacologiques d acide rétinoïque n est pas utile car l association de l HDAC à PLZ est irréversible, ne permettant pas la rémission. On applique donc un traitement supplémentaire qui doit donc se faire par inhibition de l'hdac, ce qui comporte de nombreux effets secondaires Exemple 2 : Activation oncogénique de la protéine Ras par mutation ponctuelle La protéine Ras joue un rôle important dans la transmission d un signal mitotique. Elle est associée au GTP sous sa forme active (rôle signalétique dans la cellule) et au GDP sous forme inactive. La protéine Ras-GTP induit un signal auprès des MAP-kinases qui vont activer un signal mitogène dans la cellule. Dans certaines formes de cancer, la mutation ponctuelle de Ras peut donner naissance à une protéine maintenue préférentiellement sous Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 9/10

10 forme GTP : hyperactivation des voies de signalisation et donc des facteurs de transcription associés. 10/10 Tutorat Santé Lyon Sud ( )