VI- Les variations de l ADN

VI- Les variations de l ADN

! Concernent aussi bien les cellules somatiques que germinales! Permettent l évolution du contenu des chromosomes

VI- Les variations de l ADN A- Les mutations : modifications non systématisées

! Les systèmes de réparation peuvent : défaillir et laisser passer une mutation être impuissants quand par exemple certaines modifications de bases ne sont reconnues par aucune enzyme La mutation ne sera pas réparée et va se transmettre

VI- Les variations de l ADN B- La recombinaison

! La recombinaison implique l échange physique de régions correspondantes dans des molécules d ADN! Aboutit à la formation d ADN double brin contenant des régions provenant de duplex parentaux différents reliés par un segment hybride dans lequel un brin provient de chaque parent

! Permet : le brassage des gènes et donc de garder les allèles favorables et d éliminer un allèle défavorable! A lieu entre des séquences correspondantes è touche plusieurs paires de bases

! Trois types de recombinaison: Recombinaison homologue : réaction entre des séquences homologues d ADN : recombinaison homologue ou généralisée Eucaryotes : méïose Recombinaison site-spécifique : réactions impliquent des séquences spécifiques Transposition (voir plus loin)

Etapes! La recombinaison débute par une coupure double brin par une endonucléase dans la molécule d ADN dite receveuse

Etapes (2)! Puis élargissement de la brèche par une exonucléase è extrémités 3 OH simple brin 5 3 5 3 3 5 3 5

Etapes (3)! L extrémité 3 de l ADN receveur migre jusqu à l autre duplex (donneur) 3 Boucle D

Etapes (4)! La synthèse réparatrice réalisée à partir de l extrémité 3 libre déplace un brin dans la région de la brèche

Etapes (5)! Le brin déplacé migre jusqu à l autre duplex

Etapes (6)! La synthèse réparatrice d ADN débute à partir de l autre extrémité 3 La brèche est remplacée par une séquence provenant du donneur

Etapes (7)! La migration réciproque produit un double crossing-over

! Un ADN hybride est formé à chaque extrémité de la région impliquée dans l échange! Entre les segments hybrides, région correspondant à la brèche qui contient à présent la séquence de l ADN du donneur dans les deux molécules

! L ADN, dans lequel a lieu la coupure, incorpore la séquence du chromosome qu il envahit;! d où sa dénomination de receveur

a) Chez E. coli! Existence de points chauds qui stimulent la recombinaison! Ces sites ont une structure asymétrique de 8pb 5 GCTGGTGG 3 3 CGACCACC 5 Séquence chi

! Présence de séquence chi toutes les 5 à 10 kb! Stimule la recombinaison dans son voisinage jusqu à 10 kb de son site! Activée par une coupure double brin du côté droit de la séquence

! Les sites chi sont la cible d une enzyme codée par les gènes RecBCD! Le complexe RecBCD se fixe sur l ADN du côté droit de chi è se déplace le long de l ADN en le déroulant (activité hélicase)è dégradation du simple brin qui possède l extrémité 3

! Quand atteint la séquence Chi, marque une pause è dissociation ou inactivation de l activité nucléasique (RecD)! Rec A s empare de l extrémité 3 simple brin libérée et empêche sa réassociation avec le brin complémentaire

! Puis Rec A permet la reconnaissance de la séquence homologue ainsi que sa déstabilisation è formation des hétéroduplexes entre deux séquences homologues! Puis libération RecA! Mécanismes d achèvement inconnus

b) Chez l homme! Recombinaison générale mal connue! Seules données concernent la recombinaison méïotique

b) Chez l homme (2)! Les chromosomes homologues s approchent l un de l autre! Ils s apparient en une ou plusieurs régions jusqu à un contact sur toute leur longueur

b) Chez l homme (3)! Le complexe synaptonémal (chromosomes appariés) serait la conséquence de l initiation de la recombinaison par des coupures double brin et de leur conversion en intermédiaires pour des étapes ultérieures de recombinaison! Echanges à ce niveau

b) Chez l homme (4)! Recombinaisons indispensables pour le bon déroulement de la méïose : une soixantaine par méïose è large brassage d information génétique è modification des assortiments d allèles

VI- Les variations de l ADN C- La conversion génique

! Recombinaison homologue : Formation d hétéroduplex entre des séquences qui se recombinent! Risque de mauvais appariemment ou de non appariemment entre des séquences proches ou entre séquences alléliques (mismatch)

! Reconnaissance par des systèmes de réparation Réparation Le brin modèle sera choisi par hasard Modification des séquences sur l ensemble des brins: selon le brin, il y aura conversion ou pas

VII- Les variations de l ADN D- La recombinaison inégale

! Un gène répété sur un chromosome! Appariemment possible au niveau de n importe quelle copie sur chaque chromosome! Conséquence : recombinaison inégale

! Un des chromosomes aura un nombre supérieur de copies! L autre un nombre plus faible

Conséquence! Si l augmentation du nombre de copies confère un avantage sélectif aux cellules è elles seront sélectionnées et le nombre de copies va augmenter avec les générations

VII- Les variations de l ADN E- Les transposons

! Les éléments transposables ou transposons sont des séquences mobiles du génome = elles sont capables de se transporter elle-même à d autres endroits du génome

Caractéristiques! Possèdent des répétitions inversées au niveau de leurs extrémités et créent des répétitions directes d une courte séquence dans leurs sites d insertion! Chez procaryotes et eucaryotes

Caractéristiques (2)! Possèdent dans leur structure les gènes codant pour les protéines nécessaires à leur insertion! Dans certains cas, nécessité de protéines cellulaires! Evénement rare! Ne sont jamais libres et individualisés dans la cellule

Exemple : les séquences d insertion (IS) de E. coli! Forme la plus simple! Une séquence centrale qui définit le type de séquence IS! Longueur variable : proche de 1 kpb

Exemple : les séquences d insertion (IS) de E. coli (2)! Extrémités:! Séquence identique de 15 à 25 kb dont les orientations sont inverses : répétitions terminales inversées

Exemple : les séquences d insertion (IS) de E. coli (3)! Lors de l insertion de l IS, 1 petite fraction de l ADN cible est dupliquée et l IS est insérée entre les deux copies qui portent le noms de répétitions directes (courtes : 4 à 10 pb)

ADN cible de l insertion 5 CGCTC GCGAG Eléménts IS Voir Schéma

Mécanisme chez les bactéries! ADN cible coupé sur chaque brin aux extrémités de la séquence cible è bouts cohésifs entre lesquels le transposon est positionné! Catalysé par la transposase

Mécanisme chez les bactéries (2)! Transposition avec réplication du transposon Le transposé positionné est répliqué La nouvelle copie s insère au niveau de l ADN cible L ancienne reste sur place Rôle de la résolvase

Mécanisme chez les bactéries (2)! Transposition conservative Le transposé transféré dans l ADN cible Le site donneur est délété la résolvase achève le travail

eucaryotes! Mal connu chez l homme! Drosophile

VII- Les variations de l ADN F- Les rétrotransposons

! N existe que chez les eucaryotes! Certaines séquences ont des caractéristiques proches de celles des transposons + caractéristiques des rétrovirus! Proviennent vraisemblablement de la rétrotranscription des rétrovirus : rétrotransposons

! Transcrit en un ARN de structure proche de celle de rétrovirus! Rétrotranscription par la transcriptase inverse è ADN complémentaire è intégration! Semblent contenir les gènes nécessaires à la transcription inverse

VIII- Classification des gènes A- En fonction de leur nombre de copies

VIII- Classification des gènes A- En fonction de leur nombre de copies 1) Gènes uniques ou quasi uniques

Gènes uniques! Grande majorité des gènes! Séquences CAAT souvent absentes

Gènes uniques (2)! Certains ont été dupliqués è deux copies 2 copies interchangeables : gènes α-globine Les 2 copies ont divergé è 2 protéines différentes aux propriétés proches (expression de l une ou de l autre en fonction de l ontogenèse ou de l organe)

VIII- Classification des gènes A- En fonction de leur nombre de copies 2) Familles de gènes

! Famille de gènes = présence de séquences apparentées dans les exons de chacun des gènes de la famille

Famille de gènes! Les familles de gènes évoluent par duplication d un ou de plusieurs gènes suivie d une divergence entre les exemplaires au cours de l évolution! Conséquence : série de gènes codant pour des protéines analogues

Famille de gènes (2)! L expression de chaque copie dépend du type et de l état cellulaire! Exemples : Famille des gènes globines Famille des gènes actine

! Certains exemplaires deviennent des pseudogènes du fait de mutations inactivantes

VIII- Classification des gènes A- En fonction de leur nombre de copies 3) Les superfamilles de gènes

Superfamille de gènes! Analogue au précédent mais plus précoce au cours de l évolution è divergence +++ des différentes copies du gène á â difficile de mettre en évidence la relation entre les gènes! Ce qui est conservé c est la structure tertiaire de l unité de base

Superfamille de gènes (2)! Exemples Superfamille des immunoglobulines Gènes codant pour les immunoglobulines Gènes codant pour les récepteurs T Gènes codant pour les protéines d histocompatibilité Dérivent du même motif ancestral

VIII- Classification des gènes B- Les gènes domestiques (House keeping genes)

Les gènes domestiques! Codent pour des protéines ubiquitaires indispensables à la survie de chaque cellule! Exemple Gènes des enzymes de la glycolyse Gènes des enzymes de la respiration

Les gènes domestiques (2)! Caractérisés par : Un taux de transcription en général faible et continu Absence de TATA box Grande richesse en doublets CG hypométhylées La présence dans les régions 5 non codantes d une ou plusieurs boîtes GC = sites potentiels de fixation pour le facteur de transcription sp1

Les gènes domestiques (3)! Ces particularités ne sont pas obligatoires

VIII- Classification des gènes C- Les pseudogènes

Les pseudogènes! Ces séquences possèdent une grande homologie de séquence avec des gènes fonctionnels! Mais ne sont pas fonctionnels (ni transcrits, ni traduits)

Les pseudogènes (2)! Non fonctionnalité liée à : L absence de cadre de lecture ouvert (excès de codons stop) Absence de codon d initiation Ou à l absence de régions promotrices

Les pseudogènes (3)! 2 types de pseudogènes en fonction de leur mode de création : Création par duplication de gènes ayant perdu leur fonctionnalité è pseudogènes avec intron Création par introduction dans le génome d un rétrotranscrit è pas de promoteur, pseudogènes sans intron

! Taux élevé de mutations Les pseudogènes (4)

IX- Les pathologies de l ADN A- L ADN peut subir une grande variété de lésions

! Macrolésions ou réarrangements : touche des régions étendues! Lésions minimes : microlésions

IX- Les pathologies de l ADN A- L ADN peut subir une grande variété de lésions 1) Les macrolésions

a) Types de lésions! Délétions : excision d un segment d ADN avec rétablissement de la continuité de la molécule d ADN Perte de matériel de taille variable Intérêt +++ pour la cartographie des gènes! Duplication d un segment plus ou moins long d ADN.

a) Types de lésions (2)! Amplification : multiplication soit en tandem, de séquences normalement uniques. Peut è l expansion +++ d une même séquence è mini chromosomes surnuméraires au caryotype! Fusion de gènes : cas particulier de réarrangements

a) Types de lésions (3)! Fusion de gènes : cas particulier de réarrangements Double cassure dans deux gènes è transposition de l un dans l autre sur le même chromosome ou sur deux chromosomes différents Si concerne 2 chromosomes différents : translocation détectable par cytogénétique (caryotype) Les 2 gènes ont soit la même orientation, soit une orientation opposée

a) Types de lésions (4)! Inversion de gènes : changement d orientation tête bêche d un segment plus ou moins long d ADN! Insertion : introduction dans un gène d une séquence soit mobile, soit virale

b) Déterminisme des lésions! Accident de recombinaison méïotique! Recombinaison inégale : - è délétions et duplications - è Explique en grande partie l évolution des gènes (familles et superfamilles de gènes à partir d un gène ancestral - è Changements quantitatifs - Conversion génique è changements qualitatifs

IX- Les pathologies de l ADN A- L ADN peut subir une grande variété de lésions 2) Les microlésions

Microlésions! Dues à l action de facteurs physiques ou chimiques, endogènes ou exogènes! Les lésions sont le plus souvent réparées! Sinon retrouvées dans la réplication suivante

Microlésions (2)! Responsables de mutations ponctuelles (cause la plus fréquente de maladies génétiques), de substitutions, de suppressions, d addition de bases

Déterminismes des microlésions! Erreur de réplication! Erreur de réparation! Dépurination spontanée! Désamination spontanée

IX- Les pathologies de l ADN A- L ADN peut subir une grande variété de lésions 3) Les insertions d éléments mobiles

Eléments mobiles à l intérieur d un gène! Certains cas d hémophilie : insertion de séquences LINE dans l exon 14 du gène codant pour le facteur VIII! Rétrotransposition

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 1) Sur les régions non codantes

Sur les régions non codantes! Rares è perturbation de l expression! Peu d exemples

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 2) Dans les régions codantes

a) Mutations faux-sens! Modification signification d un codon è possibilité de modification d un acide aminé de la protéine è conséquences variables selon la nature et l emplacement

a) Mutations faux-sens (2)! Mutations sur codon stop è poursuite de la traduction jusqu au prochain stop è élongation chaîne polypeptidique

b) Mutations non-sens! Formation d un codon stop è interruption de la traduction +/- tôt è souvent non expression de la protéine finale

c) Mutations iso-sémantique! Modification de la séquence sans modification de la signification d un codon è mutations silencieuses

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 3) Mutations perturbant le cadre de lecture

! Insertion ou délétion d une taille non multiple de trois dans un exon è modification du cadre de lecture è souvent codon non-sens prématuré Si en région 3 è allongement jusqu à un stop

! Si multiple de trois è pas de décalage du cadre de lecture : Exemple : mutation ΔF508 de la mucoviscidose è suppression d une Phe

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 4) Mutations perturbant l épissage

! Si touche une région consensus d épissage : è exon en amont du site donneur muté ou région en aval du site accepteur muté est éliminé! Possibilité de modification du cadre de lecture è interruption prématurée de la traduction si les exons restant ne sont pas en phase

! è protéine tronquée Valeur fonctionnelle fonction de la nature du domaine manquant Instabilité ARNm et/ou Protéine

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 5) Fusion de gènes par translocation

! Si fusion respecte le cadre de lecture è gène chimère è protéine chimère! Niveau d expression et la spécificité dépendent des séquences restées en 5! Fréquent en pathologie oncologique (cancérologie)

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 6) Mutations à effet quantitatif

Mutations dans les sites de polyadénylation! Mutations perturbant quantitativement l expression du transcrit primaire et sa maturation! Pathologies des gènes de l hémoglobine (thalassémies) Mutations dans le promoteur Mutations du codon d initiation Mutations dans les sites d épissage

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 7) Mutations perturbant la longévité des ARNm

! Touchent la stabilité de l ARNm Augmentation stabilité Ou diminution

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 8) Beaucoup de mutations sont silencieuses

! La plupart des mutations introniques si ne perturbent pas l épissage! Mutations hors des gènes et des séquences régulatrices! Entraînent des polymorphismes

IX- Les pathologies de l ADN B- Les conséquences 9) Transmission des mutations

! Macrolésions non réparées! Mutations ponctuelles fixées è transmission à la descendance cellulaire è Si cellule somatique : touche un clone cellulaire : 1 cellule et sa descendance cellulaire somatique

! Cellule somatique : Si la mutation est défavorable (amoindrissement fonctionnel de la cellule) è le clone va s éteindre spontanément Si sans effet è le clone se dilue et passe inaperçu Si effet favorable sur croissance et prolifération è avantage sélectif è peut s amplifier : un des évènements à l origine des cancers

! Cellule germinale Se retrouve dans gamète Si utilisé pour fécondation è transmission à la descendanceè Hétérozygote (autosome) Lié à l X Hétérozygote : sexe féminin Hémizygote : sexe masculin

! Mutation de novo:néomutation Non retrouvées dans les générations antérieures

IX- Les pathologies de l ADN C- La fréquence des mutations

! Procaryotes : Moyenne : 10-5 à 10-6 :taux de mutations spontanées par locus et par génération! Eucaryotes Pas d indications N est pas le même pour tous les gènes Fonction de leurs structures

IX- Les pathologies de l ADN D- Conséquences pathologiques des mutations

Maladies monogéniques : monoallélisme! Un gène è 1 allèle è 1 maladie! Monomorphisme moléculaire! Diagnostic spécifique! Exemple: la drépanocytose

Polyallélisme! Diversité moléculaire des mutations à l origine d une pathologie Myopathies β-thalassémies

Non allélisme! Plusieurs gènes candidats :! Atteinte alternative d un seul gène parmi plusieurs candidats

Maladies polygéniques! Diabète sucré! Hypertension artérielle! Maladies multifactorielles! Notion de terrain, de prédisposition, de formes familiales, d environnement! Défi pour la biologie moléculaire