Introduction à la biologie moléculaire

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1 Tutorat Santé Lyon Sud UE1 Introduction à la biologie moléculaire Cours du Professeur C. RODRIGUEZ L ensemble des cours du Professeur C. RODRIGUEZ fait habituellement l objet de 5 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 ( ) 1/7

2 SOMMAIRE I. DEFINITION... 3 II. GRANDES ETAPES... 3 III. IMPACT MEDICAL Les maladies monogéniques à hérédité mendélienne : Les maladies polygéniques Le cancer Autres domaines d utilisation de la biologie moléculaire Impacts sur la thérapeutique...5 IV. LE GENOME HUMAIN... 5 V. L INFORMATION GENETIQUE /7 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

3 I. DEFINITION La connaissance des gènes et du génome sert pour le diagnostic, le traitement, et la prévention. La biologie moléculaire est la compréhension des mécanismes de la cellule au niveau moléculaire. C est l étude des molécules porteuses du message héréditaire (ADN, ARN), de leur structure, leur synthèse, leur altération et du contrôle de l expression des gènes. II. GRANDES ETAPES Les Révolutions en biologie moléculaire sont des évènements récents. En 1869 Miescher découvre la «nucléine» En 1977 Avery découvre que l ADN est le support de l information génétique En 1953, Watson, Crick et Wilkins découvrent la structure en double hélice de l ADN (même si cette découverte a initialement été faite par Rosalind Franklin). Années 70 = révolution méthodologique : - Les endonucléases servent à découper l ADN - Les ligases servent à intégrer l ADN - La transcriptase inverse sert à la transcription de l ARN en ADN - Les sondes et l hybridation servent à «voir» l ADN - Le séquençage sert à «lire» l ADN Années 80 = commercialisation de réactifs prêt à l emploi En 1978, premier gène cloné et identifié : l hémoglobine, puis premier diagnostic prénatal (drépanocytose), puis première localisation de la chromatine Première banque d ADN génomique Années 80-90, clonage positionnel (génétique inverse : découverte de gènes impliqués dans des pathologies comme la myopathie de Duchenne, la mucoviscidose ou la chorée de Huntington) Années 2000, changement d échelle : augmentation du nombre de techniques pour étudier les gènes : - Micro-arrays (chips ou puces) : analyse du niveau d expression des gènes (transcrits) - Séquenceur haut débit : cartographie du génome humain. En 2004, 99% du génome humain a été séquencé, gènes (au lieu de 50 à supposés) - Séquenceurs très haut débit (NGS ou Next Generation sequencing) : ils permettent de séquencer plusieurs gigabases en quelques jours pour faire la carte d identité des tumeurs, de l exome ou d un génome complet. - En 2003, projet ENCODE (Encyclopedia of DNA elements) visait à étudier les fonctions des gènes humains. En 2007, ADN intergénique (ou junk ou poubelle) = 75% du génome, importance fonctionnelle. En 2012, > 80% du génome humain fonctionnel. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 3/7

4 III. IMPACT MEDICAL On s intéresse aux maladies génétiques. 1. Les maladies monogéniques à hérédité mendélienne : Ce sont des maladies à transmission (autosomique dominante ou récessive, ou liée au chromosome X) conforme à la ségrégation prévue par les lois de Mandel. Hétérogénéité allélique : multiplicité des mutations possibles dans un même gène, extrêmement fréquent. Hétérogénéité génétique (ou convergence phénotypique) : multiplicité de gènes possibles pour une même maladie (c est-à-dire que la maladie est apparemment homogène sur le plan clinique, anapath ou bio mais est due à des mutations siégeant dans plusieurs gènes). Ex : maladie de San Filippo (Mucopolysaccharidose de type 3, maladie lysosomale parce qu elle est liée au déficit d enzymes présentes dans les lysosomes. Cette maladie est caractérisé par une accumulation d héparane sulfate due au déficit d une des 4 enzymes de son catabolisme). Hétérogénéité phénotypique ou clinique (ou divergence phénotypique) : diversité des maladies provoquées par les anomalies d un même gène. Ex : myopathie de Duchenne et de Becker (2 entités cliniques distinctes mais qui ont une mutation sur un gène commun, le gène DMD, qui code la dystrophine présente dans les fibres musculaires.) Facteurs ajoutés : Modifications épistatiques : interaction génétique qui se manifeste par le fait que l allèle d un gène dit épistatique masque le phénotype conféré par un autre gène. Modifications épigénétiques : modifications de l expression des gènes transmissibles lors de la mitose ou de la méiose mais non inscrites dans la séquence nucléotidique primaire. Elles concernent des phénomènes comme la méthylation ou l acétylation et modifient l expression des gènes. C est un mpyen de régulation. 2. Les maladies polygéniques Les maladies polygéniques (diabète, hypertension artérielle, athérosclérose, maladie neurodégénératives ) sont multifactorielles. Elles impliques différents facteurs environnementaux et génétiques et sont donc difficiles à étudier. 3. Le cancer Le cancer est une pathologie de l ADN. Plusieurs dizaines de gènes (appelés proto-oncogènes) essentiels pour la régulation de la croissance et de la multiplication cellulaires subissent des mutations dominantes, ce qui aboutit à un processus de cancérisation. 4/7 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

5 4. Autres domaines d utilisation de la biologie moléculaire La biologie moléculaire est également utilisée pour l identification des pathogènes en virologie, bactériologie, parasitologie, Elle a aussi un intérêt dans un certain nombre de domaines tels que la paléoanthropologie, la génétique des populations ou encore en médecine légale (pour avoir des empreintes génétiques). 5. Impacts sur la thérapeutique Permet de fabriquer par génie génétique un certain nombre de médicaments et de protéines comme l insuline, l hormone de croissance, l interféron, le facteur VIII anti-hémophilique Permet d avoir un gène médicament, ou thérapie génique, utilisé pour les maladies héréditaires. Ex : adrénoleucodystrophie liée à l X : protéine déficitaire, accumulation des acides gras à très longues chaines. Le gène médicament existe dans le cadre de cette maladie, on fait donc une autogreffe de cellule souche qui va conduire au gène sain. Pharmacogénétique : étude de la réponse thérapeutique en fonction du profil génétique du patient. Ex : toxicité du 5-FU. IV. LE GENOME HUMAIN La structure primaire de l ADN (séquence de l ADN) porte l information génétique et constitue le génome. Génome est le nom résultant de la combinaison des mots gène et chromosome. Le génome humain est constitué du génome nucléaire et mitochondrial. Le génome nucléaire humain haploïde a une taille de 3,2 milliard de paires de nucléotides (ou paires de bases pb) ou 3,2 Gb. Un cellule haploïde comprend 23 chromosomes et une cellule diploïde 46 chromosomes donc 6,4 Gb. La partie fonctionnelle du génome (l euchromatine) correspond à 3.0 Gb et la partie condensée inactive (l hétérochromatine) comprend 0.2 Gb. Remarque : Le terme haploïde désigne une cellule dont le noyau contient un seul génome, c est-à-dire un seul chromosome de chaque paire. Etymologie : Haplo=simple, oïde=qui ressemble. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 5/7

6 Le nombre de gènes codant est actuellement estimé à 26000, ce qui représente seulement 2% environ du génome nucléaire. La densité des gènes est très variable suivant les chromosomes. Le génome est compacté en 23 paires de chromosomes dont 22 paires d autosomes et 1 paire de gonosomes (chromosomes sexuels X et Y). Vocabulaire : Chromatine : ensemble des chromosomes (ensemble des doubles brins d ADN qui sont présents à l intérieur du noyau) Chromosomes : présents en 2 états : - En pré-phase S (synthèse) une molécule d ADN comporte 2 brins donc 1 chromatide - En post-phase S, une duplication de l ADN a eu lieu, les deux chromatides sont réunies par le centromère et vont former un chromosome à deux chromatides. Dans ce chromosome, il y a une brin p (pour petit) et un brin q. Entre les deux régions, il y a une zone appelée centromère qui est une zone de constriction qui permet aux chromosomes de se fixer aux microtubules de tubuline pendant la division cellulaire. Télomères : correspondent aux extrémités des chromosomes, ils sont indispensables pour préserver l intégrité du matériel génétique. 6/7 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

7 V. L INFORMATION GENETIQUE Dans une cellule, l ADN stocke information génétique. L information circule du gène pour arriver aux protéines. L expression d un gène est un phénomène qui débute lors de l activation de la transcription er se termine par la synthèse d une protéine fonctionnelle. Elle comprend donc la transcription, la traduction en protéine et se termine après modification post traductionnelle des protéines. Une partie de l information est stockée en dehors des gènes, c est le code épigénétique (ex : méthylation de l ADN, méthylation et acétylation des histones). Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 7/7