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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
Gregor Mendel
(1822-1884)
Découverte d’éléments
biologiques que nous
appelons désormais
gènes.
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
Variations alléliques
ADN
Gènes et ploïdie
Jeux de chromosomes
diploïdes humain
n n n 2n 2n
Chez les organismes
diploïdes, deux
chromosomes possédant le
même ensemble de
gènes sont dits
homologues.
1- La diversité de structure
2- La capacité de se répliquer
3- La capacité de muter
4- La traduction en forme et en fonction
Les propriétés qui caractérisent l’information génétique
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.
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
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
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).
Le transcrit Même séquence que le brin non matrice 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.
Triplet de nucléotides
Anti-codon spécifique de l'ARNt
Acide aminé spécifique
Cheminement de l’information génétique
Complexe
codon/anti-codon
présentant les
orientations 5’ - 3’
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
Chromosomes métaphasiques d’abeille
Chaque chromosome est une seule molécule
d’ADN fortement repliée.
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 mélanine
(pas un pigment) (pigment)
Variation génétique discontinue et continue
Variation discontinue Variation continue
Dans la variation discontinue, il
y a une relation terme à terme
prévisible entre génotype et
phénotype.
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:
Détecter des molécules
spécifiques d’ADN, d’ARN
et de protéines à l’aide de
sondes.
ADN transfert de Southern
ARN transfert de Northern
Protéines transfert de Western
Les méthodologies utilisées en génétique
Les organismes modèles utilisés en génétique
Escherichia coli
Saccharomyces cerevisiae Neurospora crassa
Arabidopsis thaliana
Drosophila melanogaster Caenorhabditis elegans
Mus musculus
Comparaison du génome des eucaryotes, procaryotes et des virus
