Chapitre VII : Génétique Extra-chromosomique. Origine des gènes extra-nucléaires (mitochondries et des chloroplastes)

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1 Chapitre VII : Génétique Extra-chromosomique La majeure partie du génome eucaryote est contenue dans les chromosomes du noyau Cependant, en plus de l ADN nucléaire, certains organites cellulaires : Mitochondries et Chloroplastes contiennent également un type de chromosome qui leur est «spécifique». Les chromosomes mitochondriaux et chloroplastiques sont des molécules d ADN double-brin. Les mitochondries et les chloroplastes contiennent de multiples copies de leurs chromosomes, et, dans chaque cellule, ces organites sont présents en nombre variable. On appelle le chromosome mitochondrial : ADNmt Et le chromosome chloroplastique : ADNcp Ces organites sont les principaux sites de formation de l ATP au cours de la phosphorylation oxydative (OXPHOS) dans les mitochondries, et, la photosynthèse dans les chloroplastes Origine des gènes extra-nucléaires (mitochondries et des chloroplastes) De nombreux éléments indiquent que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué à partir de bactéries ayant subi une endocytose dans les cellules eucaryotes ancestrales, formant des endosymbiotes (théorie d endosymbiose). Au cours de leur adaptation intracellulaire, ces bactéries ont perdu progressivement une grande partie de leurs gènes qui ont fusionnés avec le génome nucléaire Néanmoins, les mitochondries et les chloroplastes des eucaryotes actuels, conservent de l ADN codant des protéines essentielles à la fonction des organites ainsi que l ARN ribosomial et l ARN de transfert nécessaires à leur traduction. Par conséquent, les cellules eucaryotes possèdent de multiples systèmes génétiques : - un système nucléaire prédominant - des systèmes secondaires avec leur propre ADN dans les mitochondries et les chloroplastes 1

2 Figure 1 Origine des mitochondries et des chloroplastes Biogénèse des mitochondries Les mitochondries croissent et se divisent à partir de mitochondries parentales, Ces organites ont une division par fission binaire, autonome, dans le cytoplasme des cellules, indépendante de celle du noyau. Figure 2 division de la mitochondrie 2

3 Structure de la mitochondrie Les mitochondries ont une taille de 0,5 1µm Et sont délimitées par deux membranes : 1- Membrane externe 2- Membrane interne Séparées par un espace inter-membranaire 3- Matrice : espace entouré par la membrane interne. La matrice contient : - une centaine d enzymes, et - aussi plusieurs copies identiques d ADNmt, - Ribosomes mitochondriaux ARNr - ARNt et enzymes variées impliquées dans la transcription et la traduction des gènes mitochondriaux. Génome Mitochondrial Les chromosomes nucléaires sont présents soit en une copie (haploïde) soit en deux copies (diploide), mais les chromosomes d organites sont présents en de nombreux exemplaires par cellules, souvent par centaines, voire par milliers. Le nombre de mitochondrie par cellule varie d un type cellulaire à un autre : les fibroblastes humains contiennent plusieurs centaines d ADNmt tandis que les ovocytes humains en possèdent prés de ADNmt peut être circulaire ou linéaire (ADNmt linéaire a été trouvé chez certains ciliés, protozoaires, algues, champignons). Le nombre de gènes contenus dans ADNmt est faible comparé à celui ADNcp des chloroplastes dans les plantes vertes. Ce nombre varie de 5 à 94 dans dans l ADNmt et il est généralement supérieur à 100 dans l ADNcp L ADN mitochondrial des cellules humaines est une molécule d ADN circulaire, double-brin, ayant une longueur d environ pb. Il est constitué de 37 gènes ; Il code pour deux ARN ribosomiques mitochondriaux (12S et 16S), pour 22 ARN de transfert nécessaires pour tous les acides aminés et pour des ARN messagers de 13 protéines. La plupart des protéines des ribosomes mitochondriaux proviennent de l extérieur et sont codés par les gènes nucléaires 3

4 L ADNmt est formé de deux brins : brin H(Heavy) ou brin lourd, riche en bases G (guanine), et, le brin L (Light) ou brin léger riche en bases C (cytosine). Le génome mitochondrial des mammifères est dépourvu d introns; la plupart des séquences sont uniques, non-rèpètitives. Par contre le génome mitochondrial de la levure est constitué d exons et d introns Le seul segment non-codant d ADNmt chez tous les vertébrés est «la boucle de déplacement» ou «D-loop» ou région de contrôle Elle contient une origine de réplication du brin H (Oh) et des sites de régulation pour la transcription du brin L et H La D-loop a une structure triple-brin, non-codante et c est une région qui est la plus variable, en séquence, chez différentes espèces. Elle contient deux séquences HV1 et HV2 (Hyper-Variable) donc un grand polymorphisme Figure 3 Génome mitochondrial humain 4

5 Structure de l ADN chloroplastique Les chloroplastes utilisent l énergie lumineuse pour synthétiser des hydrates de carbone à partir de CO2 et H2O de l atmophère. Ils ont leur propre génome. Le chloroplaste est une ancienne bactérie photosynthétique phagocytée par un eucaryote ancestral qui avait déjà phagocyté des mitochondries (symbiose). Figure 4 : origine des chloroplastes Le génome chloroplastique (ADNcp) se présente sous la forme de molécules circulaires tous comme les Génomes bactériens. Une cellule chlorophyllienne possède en moyenne une 100 de chloroplastes et, un chloroplaste renferme une 100 de copies d ADNcp Figure 5 : structure d un chloroplaste 5

6 Génome chloroplastique Le premier génome séquencé est le génome du tabac (1986). La taille des ADNcp est comprise en moyenne entre 120 et160 Kb. Chez la plupart des organismes, le génome chloroplastique comporte 2 régions répétées et inversées (IR, Inverted Repeat)encadrant une région longue (LSC) et une région courte (SSC). Les séquences IR chloroplastiques portent les gènes pour les ARNr. Le génome chloroplastique comporte 120 à 130 gènes. Le génome code des protéines ribosomiques (3 à 5) et aussi des ARNt (environ 30). Les gènes chloroplastiques sont souvent organisés en «Cluster» = groupes de gènes et sont cotranscrits en pré-arn polycistroniques qui sont ensuite maturés en ARN plus petits. Figure 6 Les gènes des chloroplastes sont souvent organisés en «cluster», et sont cotranscrits en pré-arn polycistroniques qui sont ensuite maturés en ARN plus petits. La transcription dépend de deux ARN polymérases d origine et de fonctionnement différent, ARN polymérase chloroplastique et ARN polymérase nucléaire. Le génome nucléaire contrôle la plupart des fonctions métaboliques des chloroplastes. Les deux tiers des protéines ribosomales sont d origine nucléaire. 6

7 Réplication de l ADN mitochondrial La réplication de l ADNmt indépendante du cycle cellulaire et de la réplication de l ADNn, a lieu tout au long de l interphase, contrairement à la réplication de l ADNn, qui a lieu lors de la division cellulaire En général, le nombre de molécules d ADNmt double à chaque cycle cellulaire, afin de maintenir la quantité de cet ADN par cellule à une valeur constante Contrairement à celle de l ADN nucléaire qui est bidirectionnelle, synchrone, à partir d une origine de réplication commune aux deux brins, la réplication de l ADNmt est bidirectionnelle mais à partir de deux origines de réplication différentes sur les deux brins : Oh et Ol et asynchrone 7

8 1) La réplication débute au niveau d une origine spécifique (Oh) de l un des deux brins, le brin H. La synthèse du nouveau brin L, déplace l autre brin L parental, sous la forme d une boucle dite «boucle de Déplacement» ou «D-loop» 2) Et au fur et à mesure que progresse la synthèse du nouveau brin L, complémentaire du brin H matriciel, la boucle D s agrandit 3) lorsqu aux 2/3 de son parcours, le long du cercle, la boucle D atteint l origine spécifique de l autre brin parental, le brin L (Ol), la synthèse d un nouveau brin H est initiée, et progresse le long du brin L de la boucle D, dans le sens opposé à celui de la synthèse du nouveau Brin L 8

9 Lorsque la synthèse du nouveau brin L S achève, la première molécule fille est libérée, tandis que se poursuit la synthèse du nouveau brin H qui n a alors parcouru qu 1/3 du cercle La synthèse du nouveau brin H se poursuit jusqu à la formation de la deuxième molécule fille. La réplication est assurée par une enzyme : l ADNmt polymérase gamma δ Transcription ADN mitochondrial L ARN polymérase qui transcrit ADNmt est codée dans l ADN nucléaire. Les deux brins sont transcrits intégralement. La D-loop contient un promoteur pour chaque brin, les longs transcrits primaires subissent une maturation en ARNm, ARNr et ARNt. L ARN est clivé ensuite en des ARNs individuels pour chaque gène. Les protéines nécessaires à la réplication de l ADNmt ne sont pas toutes codées par le génome mitochondrial. Les gènes codant ces protéines appartiennent au noyau. Les protéines codées par ces gènes naissent sur des ribosomes libres dans le cytosol et sont importées aux mitochondries sous forme de chaine polypeptidique achevée. Ainsi, les cinq complexes protéiques de la chaine respiratoire, ont une double origine génétique (synthétisés par le génome nucléaire et le génome mitochondrial) (voir tableau 1) 9

10 Tableau 1 - Double origine génétique de la chaine respiratoire Modifications du code génétique standard dans les mitochondries : Notion d Hétéroplasmie et d Homoplasmie Parfois un individu a plus d un type de mitochondrie, mutante et normale ; c est ce qu on appelle : HETEROPLASMIE Lorsqu il a un seul type de mitochondries, soit normales soit mutantes, on parle de : HOMOPLASMIE 10

11 Parce-que les mitochondries se divisent aléatoirement au cours de la division cellulaire, différentes cellules auront des proportions différentes des deux types de mitochondries. Si un type de mitochondries est mutant et l autre types normal, la sévérité des symptômes variera dans les tissus dépendant des proportions des deux types : donc l expression d un caractère mutant, dépend de la quantité de mitochondrie mutante. Durant l oogénèse, la ségrégation aléatoire des deux types de mitochondries peut donner une progéniture avec des Maladies mitochondriales et une progéniture normale. Homoplasmie Homoplasmie Hétéroplasmie Figure 5 Homoplasmie et Hétéroplasmie Mutations ponctuelles Comme ADNmt humain est dépourvu d introns, la plupart des mutations ont lieu dans les séquences codantes, et sont donc susceptibles d avoir des conséquences biologiques Plus de 300 mutations ponctuelles de ADNmt Ont été identifiées : la plupart sont des Transitions Les mutations ponctuelles peuvent affecter n importe quel gène de l ADNmt Elles sont toujours héritées maternellement et affectent le system nerveux et le muscle Squelettique 11

12 Les plus importantes mutations ponctuelles Pathogéniques dans ADNmt qui code les sous unités OXPHOS sont liées à 5 maladies : - Neuropathie optique héréditaire de Leber (LHON) - Hérédité maternelle du Syndrome de leigh (MILS) - Encéphalopathie mitochondrial - Acidose lactique et MELAS - Epilepsie myoclonique avec fibres rouges (MERRF) et Neuropathie, rétinite pigmentaire(narp) Figure 6- Mutations de l ADNmt dans les maladies génétiques humaine Des expériences ont montré que des mutations au niveau de D-loop, des gènes OXPHOS, et de l ARNt mitochondrial, sont caractéristiques de formation de cellules cancéreuses. Des mutations dans un seul génome ADNmt sont silencieuses, mais dés que la proportion d ADNmt mutant dépasse un seuil critique de concentration, il en résulte : 12

13 - Défaut dans système OXPHOS - fuite d électrons - membrane interne mitochondriale touchée Caractéristiques du matériel génétique mitochondrial : Hérédité cytoplasmique - Non-Mendélienne : elle n est pas basée sur la méiose - extranucléaire : information génétique en dehors du noyau - Maternelle : uniparentale Transmission du Matériel génétique chloroplastiques : Les gènes des chloroplastes peuvent aussi être transmis uniparentalement Mais certaines espèces peuvent avoir une transmission biparentale ou paternelle. 13