Organisation du génome nucléaire humain

Transcription

1 Tutorat Santé Lyon Sud UE1 Organisation du génome nucléaire humain 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 ( ) 1/9

2 SOMMAIRE I. DU GENOME HUMAIN A CELUI D'UN HOMME... 3 II. GENES... 3 II.A. DISTRIBUTION... 3 II.B. TYPOLOGIE Gènes transcrits en ARN Monoblocs ou morcelés Uniques ou répétés Souvent regroupés par familles Chevauchants ou nichés... 5 II.C. PSEUDOGENES... 5 III. ADN INTERGENIQUE... 6 III.A. DEFINITION ET PROPORTIONS... 6 III.B. REPARTITION ET DIVERSITE DES SEQUENCES REPETEES Séquences répétées dispersées (ADN moyennement répétitif) Séquences en tandem (ADN hautement répétitif)... 8 III.C. SEQUENCES UNIQUES /9 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

3 I. DU GENOME HUMAIN A CELUI D'UN HOMME Organisation du génome nucléaire humain Biologie moléculaire UE1 Le génome humain est l'ensemble de l'information génétique contenue sous forme d'adn dans les cellules (ADN nucléaire + mitochondrial). La séquence du génome humain a été établi pour plus de 99 % à partir de 2 pools d'adn de quelques humains (pools HUGO et CELERA). Le génome de chaque individu est cependant unique, et comporte quelques différences : Les SNP (single nucleotid polymorphism). Ce sont des polymorphismes qui ne concernent qu une seule base (mutations ponctuelles isolées ou polymorphismes nucléotidiques). Ils sont souvent sans implication fonctionnelle, sauf ceux dans les régions codantes ou régulatrices de gènes. Elles concernent 1nt/2kb, soit 1,5 millions sur tout un génome haploïde. Ils sont répartis dans tout le génome, avec une densité variable. Ils présentent un intérêt analytique avec la possibilité d'établir une cartographie génomique, propre à chaque individu. Les CNV (copy number variation) Implique la présence de plusieurs copies d'un ou plusieurs gènes dues à des duplications, insertions ou délétions locales. Ils concernent plus de 12 % du génome humain, avec des polymorphismes propres à chaque individu. Les CNV ont une implication potentielle en pathologie (autisme, schizophrénie, cancers...) et dans le contrôle des gènes adjacents. Le nombre de copies peut également être soumis à la sélection au cours de l'évolution, en modifiant la quantité de protéine produite. Exemple : le gène AMY1 de l amylase salivaire est plus présent chez les individus consommant régulièrement de l'amidon. II. GENES Les gènes sont des séquences d'adn localisées de façon précise sur un chromosome (locus). C'est un fragment continu d'adn dont un seul brin est transcrit en ARN (codant ou non codant). Leur message est à l'origine de l'expression du phénotype cellulaire. Leur nombre est relativement petit (26000 gènes codent pour + de protéines) et leur taille peut varier de 1kb à 2Mb. II.A. DISTRIBUTION La fraction du génome nucléaire occupé par les gènes est relativement faible : 25 % (pseudo-gènes inclus) répartis dans la majorité du génome, dont 2 % codent pour des protéines. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 3/9

4 Leur répartition est hétérogène (faible densité de gènes dans les centromères. La densité moyenne en gène est inférieure à celles d'autres espèces : 12 gènes/mb contre 76 pour la drosophile, 479 pour la levure... II.B. TYPOLOGIE 1. Gènes transcrits en ARN Transcrits en : - ARN codants ARNm traduits en protéines - ARN non codant, non traduits (ARNr, ARNt...) 2. Monoblocs ou morcelés Un gène peut avoir une séquence : Monobloc Très rare. Ex : Histone H4 Morcelée en exons/introns Fréquent. Un exon est un segment transcrit en segment d'arn exporté, présent dans l'arnm mature (en moyenne, 122 pb). Un intron est un segment transcrit mais éliminé à l'intérieur du noyau (jusqu'à 800kb). Il y a 2 à 200 exons/gène (en moyenne il y en a 9). La partie codante d'un gène ne représente qu'environ 2 % de sa taille. 3. Uniques ou répétés Les gènes sont en majorité uniques ou potentiellement dupliqués. Ils peuvent également être répétés (production de grandes quantités de matériel). C est le cas des histones et d environ 3000 gènes d'arn non codant : - ARN sn et sno : 100 à 200 gènes - ARNt : 1300 gènes dispersés - ARNr : 200 groupes de 3 gènes en tandem Remarque : Les gènes peuvent être à fonction connu ou non (50 %). 4. Souvent regroupés par familles Plusieurs cas : - Homologie de séquence et fonction protéique identique. Ex : histones. - Faible homologie de séquence mais fonctions similaires et protéine de structure conservée. Ex : superfamille des gènes des immunoglobulines. - Homologie de séquence mais fonction différente. Ex : ovalbumine et angiotensinogène. 4/9 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

5 5. Chevauchants ou nichés Chevauchants Les régions 5'UTR de deux gènes peuvent être chevauchantes : l'un est transcrit à partir du brin sens, l'autre à partir du brin anti-sens. Exemple : gène du complexe HLA. Nichés Ce sont des gènes de taille modérée situés dans l intron ou exon d un grand gène. Exemple : gènes NF1 contient 3 gènes espacés de 2 à 10 kb dans l exon 26. II.C. PSEUDOGENES Ce sont des copies non fonctionnelles d'un gène, dont la séquence a été partiellement ou fortement tronquée (perte de région 5' ou 3'UTR ou d'un ou plusieurs exons). Ils pourraient provenir de l'intégration (sur le même chromosome ou non) dans le génome d'un ADN rétrotranscrit depuis un ARNm transcrit depuis un autre gène : Ces pseudogènes sont souvent observés au sein de familles de gènes (par exemple, ceux de la globine) et peuvent potentiellement être transcrits et traduits en protéines aberrantes s ils ne possèdent pas de codon stop prématuré. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 5/9

6 III. ADN INTERGENIQUE III.A. DEFINITION ET PROPORTIONS Aussi appelé ADN junk, il constitue les régions majoritaires dans le génome, et est composé de segments de longueurs très diverses (de quelques nucléotides à quelques milliers). Il constitue 75 % du génome humain (alors qu'il est minoritaire chez les procaryotes et eucaryotes inférieurs). Il présente un rôle important dans les modifications du génome humain en termes de variation, de plasticité et d évolution. = ADN junk Ere post génomique, analyse fonctionnelle de la chromatine : - Projet ENCODE (Encyclopedia of DNA elements) : annotation fonctionnelle de la totalité du génome - 35 équipes Attribution de fonctions ou propriétés propres à chaque région ADN, ou chromatine. III.B. REPARTITION ET DIVERSITE DES SEQUENCES REPETEES Il y a deux groupes de séquences répétées : l ADN répété dispersé et l ADN répété en tandem. 1. Séquences répétées dispersées (ADN moyennement répétitif) Elles représentent 45% du génome. Ce sont des séquences répétées de 100 à 6 000pb, dispersées dans tout le génome. Elles dérivent d'éléments mobiles du génome, capables de se déplacer d'une région à l'autre, expliquant la plasticité du génome. Cependant, très peu d'entre elles ont conservé leur capacité de mobilité. On les appelle éléments mobiles ou transposables, ou encore gènes sauteurs (jumping genes). 6/9 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

7 Ils sont répartis en 2 catégories selon la modalité de leur mobilité et selon leur quantité : les rétrotransposons et les transposons Rétrotransposons / rétroposons (42%) Ils utilisent un mécanisme de recopiage spécifique avec des intermédiaires ARN (rétrotranscription grâce à une transcriptase inverse). C'est un des mécanismes les plus efficaces pour faire évoluer le génome : brassage d'exons. Plusieurs catégories selon la modalité : Séquences LINE Taille d'environ 6kb. Ce sont les plus abondantes. Ce sont des séquences autonomes : elles sont aptes à «sauter» grâce à des protéines qu'elles codent ellesmêmes : une rétrotranscriptase (=transcriptase inverse) et une endonucléase, ce qui permet la formation de copies intermédiaires d ADNc (complémentaire). Ces copies d ADNc sont capables d être transposées et intégrées à d autres régions du génome riches en séquences AT. Certaines séquences sont encore mobiles. Exemple en pathologie : Hémophilie A : insertion de séquences LINE dans le gène du facteur VII de la coagulation. Séquences SINE Séquences plus courtes (100 à 400 pb). Ce sont des séquences non-autonomes, faisant appel à des protéines synthétisées par d'autres gènes. Exemple : Famille Alu : séquences de 300pb dispersées dans tout le génome. Contiennent un site de restriction (AG/CT) reconnu par l enzyme de restriction Alu. LTR-rétroposons Eléments peu actifs représentant environ 7% du génome. Il s'agit de rétrovirus endogènes (provirus) intégrés dans le génome au cours du temps (30% sont transcrits sans identification d activités). Ces séquences sont de longueurs variables (1,5 à 11 kb) dont : - Provirus entiers avec extrémités portant des séquences LTR (long terminal repeats) et contenant des séquences rétrovirales classiques (gag (glycoprotéine de capside), pol (transcriptase inverse, endonucléase, protéase et Rnase H) et env (protéine d enveloppe)) nécessaires à leur transposition. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 7/9

8 Ils sont non infectieux mais présence de particules et protéines qui peuven transduire un signal (pouvoir oncogénique, ex : famille HERV-K responsable de certains cas de cancer testicule, prostate). - Provirus partiels avec délétions dans les LTR, ou dans gag, pol, env (potentiellement actifs) - LTR isolés 1.2. Transposons (3%) Ce sont des séquences répétitives qui peuvent se déplacer d'un site à l autre de l ADN sans besoin d'un intermédiaire ARN (grâce à une activité «transposase» de type «copier -coller»). Elles s'insèrent en réalisant une incision de l'adn cible, au niveau d'un gène (inactivation) ou dans une zone régulatrice (activation). Exemple : MER-1 et MER-2 chez l homme. Aucun transposon actif chez l homme = vestige du passé (ADN fossile). On ne connait pas leur rôle. 2. Séquences en tandem (ADN hautement répétitif) Elles représentent 10% du génome. Ce sont des séquences hautement répétées de quelques bases à quelques centaines de bases qui se suivent en tandem (l extrémité 3 d une séquence esr suivie par l extrémité 5 d une même autre séquence). Elles sont dispersés dans le génome humain (en particulier l'hétérochromatine), mais localisées (toujours positionnées aux mêmes endroits du génome) Satellites Chez l'homme, on trouve les α-satellites, β-satellites et satellites 1, 2, 3. Ils sont principalement localisés dans l ADN centromérique Mini-satellites Les mini-satellites ou VNTR (Variable Number of Tandem Repeats) sont constitués de pb répétées de 1000 à 2000 fois. Ils sont principalement localisés dans les télomères et sont à la base des premières empreintes génétiques Micro-satellites Les micro-satellites ou STR (Short Tandem Repeats) sont constitués de 1 à 8 nucléotides répétés 5 à 50 fois. Ils sont répétés un grand nombre de fois dans tout le génome d un individu (toutes les 25 à 100 kb). Ils sont utilisés comme marqueurs génétiques lors de l'analyse de liaison entre une pathologie et un gène, permettant ainsi de localiser la région qui contient le gène responsable. Les micro-satellites peuvent être à l origine de pathologie comme les maladies à répétition de triplet, avec une répétition anormalement augmentée d une séquence trinucléotidique (plusieurs dizaines à centaines de répétitions) à l origine d anomalies qualitatives et quantitatives de la protéine codée par le gène à proximité de la séquence répétée. Cela entraine des maladies neurodégénératives comme la maladie de Steinert, Huntington III.C. SEQUENCES UNIQUES 8/9 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

9 Ce sont des séquences très conservées, non codantes, réparties sur tout le génome. Le taux de conservation chez les mammifères est très élevé (96 %). Elles sont souvent situées près des régions régulatrices de gènes des fonctions essentielles de la cellule (gènes du développement, ARNr...). Elles ont un rôle sans la régulation de l expression des gènes et dans l appariement correct des chromatides lors de la division cellulaire. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 9/9