L3 Informatique, Option Bioinformatique, 2015
Eléments de biologiemoléculaire et de microbiologie
Samuel Blanquart, chargé de recherche InriaEquipe Bonsai
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Recopier l’ADN : la réplication▸ Le replisome, complexe d’enzymes assurant la copie de l’ADN en
ADN :
▸ Les origines de réplication sont les régions du génome dédiées àl’initiation de la réplication.
▸ Les yeux de réplication, extensions de la réplication :
Recopier l’ADN : la transcription
▸ La transcription est la recopie d’un gène (ADN) en un ARNmessager (ARNm ou transcrit). On parle aussi d’expression du gène :
▸ Initiation de la transcription et élongation du transcrit :
Régulation de la transcription
▸ La formation du complexe initiateur de transcription est régulée.
▸ Les facteurs activateurs (protéines) peuvent se fixer aux motifsenhancer de la région promotrice, et favoriser la transcription.
▸ Les facteurs inhibiteurs peuvent se fixer aux motifs silencer dupromoteur, et empêcher la transcription.
Organismes : les virus▸ Les virus possèdent des génomes à ADN ou à ARN, simple brin ou
double brin.▸ Les rétro-virus sont capables d’insérer leur génome (ARN simple
brin, ou ADN double brin) dans le génome de leur hôte.▸ Les virus à ADN double brin et leurs hôtes :
Le virus : un organisme “complet”
▸ Corps (ou virion) et génome du virus Ebola (famille des Filoviridae),diamètre 80 nm, génome de 19000 bases et 7 gènes :
Cycle de vie d’un virus
▸ a : fixation à la membrane de la cellule hôte.▸ b : endocytose (enveloppement par la membrane de l’hôte).▸ c : réplication du génome et synthèse des protéines virales.▸ d : assemblage de la capside et de l’ADN/ARN viral.▸ e : relargage des particules virales.
Les virus géants : megavirus et pandoravirus▸ Taille des virus comparée à celle des cellules bactériennes et
eucaryotes :
▸ Bactéries : de 700 à 5000 gènes environ, génome de 1 à 5 Mbp.
▸ Pandoravirus : environ 2500 gènes (ORF), génome 2,5 Mpb.
Organismes : les bactéries
▸ Organismes unicellulaires, libres ou pouvant s’associer sous forme debiofilm bactérien.
▸ Présentes dans tous les écosystèmes, dont l’hôte humain (bactériespathogènes ou auxiliaires).
L’enveloppe des bactéries▸ La membrane plasmique :
▸ Le “mur cellulaire” et la capsule :
Exemple d’organelles bactériens▸ Les flagelles, mobilité :
▸ Les pili, adhésion aux supports, mobilité, conjugaison :
Echange de matériel génétique chez les bactéries▸ Entre générations, par reproduction assexuée ou clonale (croissance
de la bactérie, réplication du génome, puis division cellulaire).▸ Par transferts horizontaux (HGT) depuis d’autres espèces :
▸ La conjugaison, échange de plasmide entre deux bactéries :
Métabolismes bactériens et chemins métaboliques▸ Phototrophe, photosynthèse ; Cyanobacteria, Chlorobi (Green
sulfur bacteria), Chloroflexi, Rhodobiaceae (Purple bacteria).
▸ Lithotrophe, composés inorganiques (nitrate, sulfure, méthane...) ;Thermodesulfobacteria, Hydrogenophilaceae, Nitrospirae.
▸ Organotrophe, composé organiques (sucres...) ; Bacillus,Clostridium, Enterobacteriaceae :
Bactéries pathogènes et antibiotiques
Bactéries pathogènes et antibiotiques
Organismes : les eucaryotes
▸ Unicellulaires ou pluricellulaires, autotrophes (algues et plantes) ouhétérotrophes (champignons, animaux).
▸ Libres ou parfois parasites obligatoires. Ecosystèmes oxygènés.
Maturation des ARNm chez les eucaryotes
▸ Le transcrit primaire (l’ARN pré-messager, ARNpm ou pmRNA) estcomposé d’introns et d’exons.
▸ Les introns sont éliminés durant le processus d’épissage(modifications post-transcriptionnelles).
▸ Des transcrits alternatifs peuvent être produits.▸ Les transcrits alternatifs sont traduits en protéines.
Maturation des ARNm, le spliceosome
▸ Le spliceosome est un complexe formé de protéines et d’ARNfonctionnels (les small nuclear RNA ou snRNA).
▸ Le spliceosome se fixe sur un des introns d’un transcrit grâce auxsites donneurs (motif GT) et accepteurs (motif AG) d’épissage.
▸ La région intronique est excisée de l’ARNpm.
La synthèse des protéines chez les eucaryotes
▸ Noyau : transcription des gènes en ARNpm, régulation par les ARNinterférant (small interfering RNA ou siRNA) maturation etexportation des ARNm matures.
▸ Réticulum endoplasmique rugeux : traduction des ARNm enprotéines.
▸ Appareil de Golgi : maturation des protéines (modificationspost-traductionnelles).
Métabolisme : les mitochondries et la respiration
▸ Les mitochondries possèdent et expriment leur propre génomevestigial. Elles résultent de l’endosymbiose d’une protéobactérie chezl’ancêtre des eucaryotes.
▸ Les mitochondries réalisent la respiration :
Métabolisme : les chloroplastes et la photosynthèse
▸ Les chloroplastes possèdent et expriment un génome vestigial. Ilsrésultent de l’endosymbiose d’une cyanobactérie chez l’ancêtre des“algues vertes”.
▸ Les chloroplastes réalisent la photosynthèse :
Le cytosquelette, forme et transport
▸ Maintient de la structure et déformation de la cellule.▸ Mobilité des organelles, vésicules et chromosomes.
La réplication de la cellule, ou mitose
▸ La mitose crée, à partir d’une cellule mère, deux cellules filles dontles génomes sont identiques (aux mutations près).
▸ Les centrioles et des microtubules séparent les chromosomes auniveau de l’équateur de la cellule, et les déplacent vers les pôles.
La reproduction sexuée et la meiose
▸ Une génome diplöıde possède chaque chromosome en deuxexemplaires différents, dits paire de chromosomes homologues.
▸ La phase 1 de la meiose sépare aléatoirement les chromosomes d’unepaire homologue dans l’une et l’autre des cellules filles.
▸ Des évènements de recombinaison homologue permettent deséchanges de chromatine entre deux chromosomes homologues.
La reproduction sexuée et la meiose
▸ On a obtenu deux cellules filles haplöıdes (à n chromosomes) où lespaires homologues ont été séparées.
▸ Les chromatides de chaque chromosome sont ensuite séparées.▸ On obtient enfin 4 cellules haplöıdes dont les génomes sont
différents et qui produiront les gamètes.
Les différents cycles de vie, exemple des algues
▸ Durant sa phase haplöıde ou haplophase, un individu possède ungénome à n chromosomes.
▸ Durant sa phase diplöıde ou diplophase, un individu possède ungénome à 2n chromosomes (n paires homologues).
Les eucaryotes unicellulaires▸ Tous les écosystèmes, sol, océan, etc. ; Solitaires ou
communautaires, symbiotiques ou parasites ; Autotrophes (protistes,protozoaires) ou hétérotrophes (algues brunes, rouges, vertes).
▸ Certain possèdent d’autres types d’endosymbiotes/plastes que lesmitochondries et les chloroplastes.
▸ Par exemple, l’apicoplaste des Apicomplexes (Alveolata) est unealgue unicellulaire issue d’une endosymbyose secondaire.
Les pluricellulaires, plantes, champignons, animaux▸ L’organisme est constitué de plusieurs cellules. Toutes ont le même
génome et sont issues d’une cellule initiale ou zygote.▸ Les cellules de l’organisme se spécialisent en fonction du tissus /
organe dont elles font partie (intestin, muscles, tissus nerveux, etc.).▸ Selon les tissus, les gènes sont exprimés différemment.▸ Exemple des Copépodes (Metazoa) :
Les métazoaires, ou animauxExemple de Caenorhabditis elegans (ver nématode).▸ Organes et anatomie :
▸ L’embryogénèse : du zygote à la forme adulte :
Régulation de l’embryogénèse chez les métazoaires
▸ Durant l’embryogénèse, les différents gènes homeobox contrôlent ladifférenciation cellulaire dans les différents segments du corps.