Chapitre 1 La révolution des sciences de la vie par la génétique Variation génétique de la couleur des grains de maïs. Chaque grain représente un individu de constitution génétique distincte.
La sélection et l amélioration génétique: un concept ancien!
Historique de la génétique Découverte d éléments biologiques que nous appelons désormais gènes. Gregor Mendel (1822-1884)
Quelques définitions Génétique: La génétique est l étude des gènes et de l hérédité. Gène: Fraction d une molécule filiforme organisée en double hélice, appelée acide désoxyribonucléique, abrégé en ADN. ADN (acide désoxyribonucléique): Une double chaîne de nucléotides liés les uns aux autres; la substance fondamentale dont sont composés les gènes. Allèle: L une des différentes formes d un gène qui peuvent exister au niveau d un même locus. Chromosome: Un arrangement linéaire (ou circulaire) de gènes et d autres types d ADN, parfois associé à des protéines et de l ARN. Génome: Ensemble du matériel génétique contenu dans un jeu de chromosomes.
De l organisme au matériel génétique ADN Variations alléliques
Gènes et ploïdie n n n 2n 2n Jeux de chromosomes diploïdes humain Chez les organismes diploïdes, deux chromosomes possédant le même ensemble de gènes sont dits homologues.
Les propriétés qui caractérisent l information génétique 1- La diversité de structure 2- La capacité de se répliquer 3- La capacité de muter 4- La traduction en forme et en fonction
1) La diversité de structure Bien qu il n existe seulement que quatre types de nucléotides dans un brin d ADN, ces nucléotides peuvent être associés dans n importe quel ordre et le fragment d ADN correspondant à un gène donné peut être de n importe quelle longueur.
L acide désoxyribonucléique (ADN) La double hélice d ADN est composée de deux chaînes entrelacées de nucléotides. Représentation en ruban de la double hélice d ADN
L appariement des nucléotides Les chaînes nucléotidiques sont antiparallèles.
2) La capacité de se répliquer L ADN est répliqué grâce au déroulement des deux brins de la double hélice et la synthèse d un nouveau brin complémentaire de chacun des brins séparés constituant la double hélice originelle.
La réplication de l ADN La réplication de l ADN a lieu grâce au déroulement et à l ouverture des chaînes nucléotidiques (molécules mères d ADN) qui deviennent ainsi chacune des matrices. La polymérisation en de nouveaux brins (molécules filles d ADN) est catalysée par l enzyme ADN polymérase. La réplication est dite semi-conservative car chaque molécule fille est en fait composé à 50% d une molécule mère.
La réplication de l ADN Les ADN polymérases peuvent allonger une chaîne existante mais sont incapables d en débuter une. Une amorce est donc essentielle pour débuter ce processus. Il s agit d un court fragment de 8 à 12 nucléotides complémentaires à une région spécifique du chromosome. Les amorces sont synthétisées par une enzyme nommée primase. Les ADN polymérases ne synthétisent de nouvelles chaînes que dans le sens 5 vers 3 et, étant donné la nature antiparallèle de la molécule d ADN, se déplacent dans le sens 3 vers 5 le long du brin matrice. La conséquence de cette polarité est que tandis qu un brin, le brin précoce, est synthétisé de manière continue, l autre, le brin tardif, doit être synthétisé par courts fragments discontinus.
La réplication de l ADN La réplication de l ADN procède grâce à la création d une fourche de réplication et l action d enzymes.
Les origines de réplication Chez les procaryotes (a), l origine de la réplication est souvent unique et la réplication procède dans les deux orientations à partir de ce point. Chez les eucaryotes (b), la réplication a lieu à partir d origines multiples. Des expériences récentes ont démontrées que chez la levure on retrouve environ 400 origines de réplications réparties parmi les 16 chromosomes de cet organisme. Chez l humain, on estime à plus de 10 000 le nombre de fourches de réplications simultanées.
3) La capacité de muter Au cours de la réplication, une base incorrecte peut être insérée ou bien des bases peuvent être perdues ou dupliquées. Si un tel événement se produit, la nouvelle copie de l ADN et toutes les copies qui en découleront seront différentes de la molécule ancestrale. Il y aura alors apparition d une mutation héréditaire.
Exemples de mutation chez la drosophile
4) La traduction en forme et en fonction D une façon ou d une autre, une séquence donnée de A, T, G et C, doit être utilisée par la cellule pour créer des protéines ayant des séquences particulières d acides aminés. De plus, une partie de l ADN doit servir de signal pour prévenir la machinerie cellulaire que la traduction d un gène donné en une séquence d acides aminées doit se dérouler dans certaines cellules, dans des tissus particuliers et à des moments précis du développement et de la vie d un organisme.
La transcription et la traduction ADN ARN Protéine (détermine la forme au niveau cellulaire)
Transcription de l ADN en ARN Le transcrit Même séquence que le brin non matrice d ADN Un gène peut être défini comme un fragment d ADN spécifiant un ARN fonctionnel. ARN: 1) Composé de nucléotides comme l ADN mais le sucre est le ribose. 2) À la place de la thymine (T), l ARN contient l uracile (U). 3) Addition de nucléotides de 5 vers 3 (comme avec la réplication d ADN).
La traduction de l ARNm en protéines La structure primaire d une protéine est composée d une chaîne linéaire d éléments appelés acides aminés. La synthèse protéique se déroule dans des organites cytoplasmiques appelés ribosomes. Les ribosomes se fixent à l extrémité 5 de l ARN.
Cheminement de l information génétique Triplet de nucléotides Complexe codon/anti-codon présentant les orientations 5-3 Anti-codon spécifique de l'arnt Acide aminé spécifique
Le code génétique 4 x 4 x 4 = 64 codons distincts, chacun correspondant à un acide aminé ou à un signal de terminaison.
Structure tridimensionnelle des chromosomes Chaque chromosome est une seule molécule d ADN fortement repliée. Chromosomes métaphasiques d abeille Les niveaux successifs d empaquetage des chromosomes: 1- L ADN s enroule autour des bobines d histones 2- La chaîne nucléosomale s enroule en un solénoïde 3- Le solénoïde forme des boucles et ces boucles se fixent à l armature centrale 4- L armature et les boucles s organisent en un super enroulement géant Histone: Un type de protéines basiques qui forme l unité autour de laquelle s enroule l ADN dans les nucléosomes des chromosomes eucaryotes. Nucléosome: Une boule constituée de huit molécules d histones autour de laquelle s enroulent deux tours d ADN. L unité élémentaire de structure d un chromosome eucaryote.
Degré d enroulement des chromosomes Solénoïde avec six nucléosomes par tour Structure avec armature (régions de fixation à l armature ou SAR)
Le nombre de chromosomes Des espèces différentes ont des nombres de chromosomes qui leur sont propres.
La taille des chromosomes Structure typique d un chromosome montrant la formation de deux chromatides soeurs
Les centromères Centromère: Région de chromosome à laquelle s attachent les fibres du fuseau. a)position à l extrémité b)position loin du centre c)position au milieu
Quelques définitions Les nucléoles sont des organites intranucléaires qui contiennent de l ARN ribosomal, un composant important des ribosomes. Le nombre de nucléoles (régions denses) varie fortement d un organisme à l autre, un jeu de chromosomes pouvant comporter un à un très grand nombre de nucléoles. Les nucléoles sont situés à proximité de constrictions secondaires des chromosomes appelées organisateurs nucléolaires qui occupent des positions bien définies dans le jeu de chromosomes. Les organisateurs nucléolaires contiennent les gènes qui codent pour l ARN ribosomal. Les nucléoles sont donc situés à proximité de ces derniers. La position des organisateurs nucléolaires, tout comme celle des centromères, constituent des repères pour l analyse cytogénétique.
D autres définitions Chromatine: Substance constituant les chromosomes; on sait maintenant qu elle est composée d ADN, de protéines chromosomiques et d ARN chromosomique. Basée sur la coloration, on distingue deux types de chromatines: l hétérochromatine (coloration dense) et l euchromatine (faiblement colorée). L hétérochromatine peut être constitutive (caractéristique permanente d une position chromosomique donnée, et en ce sens, un caractère héréditaire) ou facultative (se rencontre mais pas toujours en une position particulière des chromosomes). Les emplacements respectifs de l hétérochromatine et de l euchromatine le long d un chromosome sont de bons marqueurs cytogénétiques.
Les types de chromosomes Il existe deux catégories de chomosomes: A- chromosomes sexuels B- autosomes Exemple 1: Chez l humain: 22 paires homologues d autosomes plus 2 chromosomes sexuels (X et X ou Y) pour un total de 46 chromosomes. Exemple 2: La détermination chromosomique du sexe chez l homme et la drosophile.
La variation génétique Variation génétique=variation allélique Comme la plupart des organismes ne possèdent qu un ou deux jeux de chromosomes par cellule, un organisme donné ne peut que porter un ou deux allèles pour un même gène. Les allèles d un gène sont tous présents à la même position chromosomique. Un albinos. Le phénotype résulte de l homozygotie d un allèle récessif a/a.
Quelques conventions Par convention, les allèles d un gène sont souvent désignés par des lettres. Par exemple, l allèle codant pour la capacité de synthèse de la mélanine dans le cas de l albinisme est appelé A et l allèle codant l incapacité correspondante (qui aboutit à l albinisme) est désigné par a. La condition allélique d un organisme est son génotype, qui est le pendant héréditaire de son phénotype. Ainsi, dans cet exemple: A/A = peau pigmentée A/a = peau pigmentée a/a = peau non-pigmentée (albinisme)
L origine moléculaire de la variation allélique Gène Protéine -protéine de structure -enzyme Types de mutations courantes: -substitutions -délétions -insertions tyrosinase tyrosine (pas un pigment) mélanine (pigment)
Variation génétique discontinue et continue Variation discontinue Dans la variation discontinue, il y a une relation terme à terme prévisible entre génotype et phénotype. Variation continue Dans la variation continue, il y a une gamme ininterrompue de phénotypes dans la population. Les phénotypes intermédiaires sont généralement les plus courants.
Les méthodologies utilisées en génétique 1) L isolement des mutants affectant un processus en cours d étude. 2) L analyse des descendants d unions contrôlées («croisements») entre des mutants et des individus de type sauvage ou d autres variants discontinus. 3) L analyse génétique des processus biochimiques de la cellule. 4) L analyse microscopique. 5) L analyse directe de l ADN.
Les méthodologies utilisées en génétique L analyse directe de l ADN. L exemple du clonage:
Les méthodologies utilisées en génétique Détecter des molécules spécifiques d ADN, d ARN et de protéines à l aide de sondes. ADN ARN transfert de Southern transfert de Northern Protéines transfert de Western
Les organismes modèles utilisés en génétique Escherichia coli Saccharomyces cerevisiae Neurospora crassa Arabidopsis thaliana Mus musculus Drosophila melanogaster Caenorhabditis elegans
Comparaison du génome des eucaryotes, procaryotes et des virus