Bases fondamentales de la géné

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### Introduction La génétique est la science de l'hérédité et de la variation chez les êtres vivants. Elle étudie la nature, l'expression, le fonctionnement, la transmission et les modifications de l'information génétique héréditaire. #### Définitions - **Hérédité** : Transmission des caractères des ascendants aux descendants. - **Caractère héréditaire** : Caractère transmissible d'une génération à la suivante via la reproduction sexuée. #### Rappel historique - **Pythagore (490 av. J.-C.)** : Le sperme se coagule en embryon, le fœtus reçoit les influences maternelles. - **Aristote (384-322 av. J.-C.)** : Le sperme contient la forme et la force du fœtus, le sang menstruel fournit les matériaux. - **Empedocle d'Agrigente (484-424 av. J.-C.)** : L'embryon est un mélange des deux spermes. - **Johann Gregor Mendel** : Travaux sur les lois de l'hérédité (non reconnues à l'époque). - **1900 : Redécouverte des lois de Mendel** par Erich von Tschermak-Seysenegg, Hugo de Vries et Carl Correns. - **1902 : William Bateson, William Saunders, Lucien Cuenot** : Application des lois de Mendel au règne animal. - **1902 : Heinrich T. Boveri, Walter Sutton, Eduard Adolf Strasburger** : Synthèse des connaissances en cytologie et génétique, établissant la correspondance entre facteurs mendéliens et chromosomes (bases de la cytogénétique). - **1903 : Sutton** : Postule la localisation des gènes sur les chromosomes. - **1910 : Thomas Hunt Morgan** : Découverte des facteurs liés au sexe chez la drosophile (*Drosophila melanogaster*). - **1911 : Morgan et al.** : Explication des phénomènes liés au sexe par les gènes situés sur les chromosomes sexuels (théorie chromosomique de l'hérédité consacrée). - **1958 : Matthew Stanley Meselson et Franklin W. Stahl** : Démontrent la réplication semi-conservative de l'ADN chez les bactéries. #### Sections et domaines d'application de la génétique - **Génétique moléculaire** : Étude de la nature, expression, transmission et modification de l'information génétique au niveau cellulaire. Analyse du mode d'action des gènes. - **Génétique formelle (ou mendélienne)** : Étude statistique des règles de transmission de l'information génétique via la reproduction sexuée. - **Génétique des populations** : Étude des conséquences des règles de transmission des caractères héréditaires et de la répartition des informations génétiques au niveau de la population. - **Génétique humaine** : Étude de tous les aspects de la génétique chez l'homme. - **Génétique médicale** : Étude des affections pathologiques héréditaires. ##### Domaines d'applications - **Production végétale et animale** : Amélioration des plantes (café, cacao, palmier à huile, cocotier, blé, riz, maïs) et des races animales (poulet, porc, lapin, vache, chèvre, mouton). - **Médecine** : Connaissance du mode d'action des gènes responsables d'affections (drépanocytose, thalassémies). - **Industrie alimentaire** : Modification génétique d'organismes pour la production alimentaire. - **Génie génétique** : Fabrication industrielle de protéines humaines d'intérêt thérapeutique (insuline, interféron, hormones de croissance). - **Médecine légale et police** : Test d'ADN pour l'identification et la filiation. ### Notions essentielles de la génétique #### Notion de reproduction conforme et variation 1. **Clone cellulaire** - *Escherichia coli* : Organisme unicellulaire à reproduction rapide. - *Clone cellulaire* : Ensemble de cellules filles identiques obtenues par division homéotypique (mitose). - *Milieu minimum* : Contient source de carbone, d'azote, sels minéraux. - *Milieu complet* : Milieu minimum complété par vitamines et acides aminés. 2. **Apparition de variants** - Les variants apparaissent suite à des accidents de la reproduction conforme. - Exemple : Souche de bactéries *St* (sensible à la streptomycine) et *Lac-* (incapable de métaboliser le lactose). - **Effectif peu élevé** : Pas de variants observés, les cellules gardent les caractères *St* et *Lac-*. - **Effectif très élevé** : Apparition de colonies résistantes à la streptomycine (*St'*) ou capables de métaboliser le lactose (*Lac+*). - *Préadaptation* : Le changement de caractère est fortuit, non induit par le milieu sélectif. - *Variants ou mutants* : Cellules ayant acquis de nouvelles propriétés, transmissibles à leur descendance. 3. **Mutation** - Apparition brusque d'un nouveau caractère, modification héréditaire du matériel génétique. - Événements rares et fortuits. - *Mutation reverse ou réversion* : Retour du caractère muté à sa forme d'origine. #### Notion de gène et d'allèles - **Gène** : Unité héréditaire d'information responsable d'un caractère donné. - **Allèle** : État donné d'un gène (ex: *Sts* et *Str* sont des allèles du gène *St*). #### Génotype et phénotype - **Génotype** : Ensemble des combinaisons alléliques portées par un individu. - **Phénotype** : Ensemble des caractères effectivement exprimés par l'individu (morphologiques, physiologiques, biochimiques). - Le phénotype peut varier selon les conditions externes (ex: expression du génotype *Trp-* selon la température). #### Mutations multiples - Accumulation de différences par mutations successives dans le génotype. - Chaque type de mutation intervient généralement indépendamment des autres. *Escherichia coli (Gx15000)* *Génotype et Phénotype* ### Nature, structure et propriétés du matériel génétique #### Caractéristiques du matériel génétique 1. Contient l'information pour la structure, la fonction et la reproduction cellulaire. 2. Capable de se répliquer avec précision. 3. L'information codée peut être décodée pour produire les molécules nécessaires à la cellule. - Les acides nucléiques (ADN et ARN) remplissent ces conditions. #### Nature chimique du matériel génétique - **1869 : Miescher** : Découverte des nucléines (riches en phosphore) dans les noyaux de spermatozoïdes. - **1889 : Altman** : Séparation des nucléines des protéines, les nommant acides nucléiques. - **1929 : Phoebus Levene** : Identification des éléments constitutifs de l'ADN (bases, sucres, phosphate). ##### Expériences de transformation bactérienne (Griffith, 1928) - **Matériel d'étude** : *Diplococcus pneumoniae* (pneumocoque). - **Bactéries S (Smooth)** : Virulentes, possèdent une capsule de polysaccharides. - **Bactéries R (Rough)** : Non virulentes, sans capsule. - **Expérience de Griffith** : - Injection de bactéries R vivantes : souris survit. - Injection de bactéries S tuées par la chaleur : souris survit. - Injection de bactéries R vivantes + bactéries S tuées par la chaleur : souris meurt. - **Conclusion** : Les bactéries R ont été transformées en S vivantes par un "principe transformant" des bactéries S tuées. - **Expériences d'Avery, Mac Leod et Mac Carty (1944)** : - Fractionnement des bactéries S en protéines, glucides, lipides et acides nucléiques. - Seuls les acides nucléiques (ADN) ont pu transformer les bactéries R en S. - Le principe actif est l'ADN (détruit par les désoxyribonucléases, non par les ribonucléases ou protéases). - **Conclusion** : L'ADN est le support de l'information génétique. ##### Cas du bactériophage (Hershey et Chase, 1952) - **Matériel d'étude** : Bactériophages (virus infectant les bactéries). - Structure : Enveloppe protéique (capside) contenant l'ADN, et une queue. - **Expérience de Hershey et Chase** : - Marquage de l'enveloppe protéique au soufre radioactif S35. - Marquage de l'ADN au phosphore radioactif P32. - Infection de bactéries *Escherichia coli*. - **Résultats** : Seul le P32 (ADN) pénètre dans la bactérie et est retrouvé dans les virions fils. - **Conclusion** : L'ADN est le matériel génétique du phage. ##### Cas du Virus de la Mosaïque du Tabac (VMT) - **Matériel d'étude** : VMT (virus à ARN). - **Expérience de Fraenkel-Conrat et al.** : - Séparation de l'ARN viral de son enveloppe protéique. - Inoculation de l'ARN seul, de la protéine seule, ou du virus entier à des plantes de tabac. - **Résultats** : Seul l'ARN (ou le virus entier) provoque l'infection. - **Conclusion** : L'ARN porte l'information génétique du VMT. ##### Cas des organismes supérieurs - L'ADN est le support du matériel génétique. - Localisé sur les chromosomes (colorable par le réactif de Feulgen). - Quantité d'ADN constante par cellule. - L'ADN est transmis rigoureusement d'une cellule mère à une cellule fille. - Les mutations peuvent être induites chimiquement sur l'ADN. - **Conclusion générale** : L'information génétique est portée par l'ADN chez tous les êtres vivants. Exceptionnellement, l'ARN joue ce rôle chez certains virus. #### Structure des acides nucléiques ##### Structure de l'ADN - **Molécule constitutive** : Polymère de nucléotides. - Chaque nucléotide est composé d'un sucre (désoxyribose), un acide phosphorique et une base azotée. - Bases puriques : Adénine (A), Guanine (G). - Bases pyrimidiques : Cytosine (C), Thymine (T). - **Formation des nucléotides et polynucléotides** : - Le phosphate est attaché au carbone C'5 du désoxyribose, la base au carbone C'1. - Séquence des trois molécules : base-sucre-acide phosphorique. - Les nucléotides sont reliés par des acides phosphoriques (liaisons ester-phosphates). - La chaîne polynucléotidique alterne sucre et acide phosphorique, les bases étant portées latéralement. - **Structure moléculaire de l'ADN** : - Deux chaînes polynucléotidiques associées (sauf chez certains bactériophages). - Liaisons hydrogènes entre les bases azotées : A-T (2 liaisons), G-C (3 liaisons). - Les chaînes sont complémentaires et antiparallèles (5'-3' face à 3'-5'). - **Modèle de Watson et Crick** : Double hélice, bases planes empilées perpendiculairement à l'axe. - Espacement de 3.4 Å entre bases, 10 paires de nucléotides par tour. *Bases nucléiques* *Structure moléculaire de l'ADN* ##### Structure de l'ARN - Matériel génétique de certains virus (ex: VMT). - Polymère de nucléotides. - Le pentose est le ribose, et l'uracile (U) remplace la thymine (T). - L'ARN n'est pas toujours sous forme de double chaîne (souvent simple hélice). - ARN ribosomal (ARNr) : Localisé dans les ribosomes. - ARN messager (ARNm) : Transporte les messages de l'ADN. - ARN de transfert (ARNt) : Transporteur d'acides aminés. - **Conclusion** : Le matériel génétique est constitué d'acides nucléiques (ADN et ARN). Les deux chaînes de l'ADN sont complémentaires et antiparallèles. #### Propriétés du matériel génétique ##### Auto-reproduction ou réplication de l'ADN - **Modèle de Watson et Crick** : Réplication semi-conservative. - Les ponts hydrogènes se rompent, les deux chaînes se séparent. - Chaque chaîne sert de matrice pour la formation d'une nouvelle chaîne complémentaire. - Chaque molécule fille contient une chaîne ancienne et une chaîne nouvellement synthétisée. - **Expérience de Meselson et Stahl (1958)** : - Culture de bactéries dans un milieu avec azote lourd (15N), puis transfert dans un milieu avec azote léger (14N). - Centrifugation en gradient de densité de chlorure de césium pour séparer les ADN. - **Résultats** : - Après 1 génération : ADN hybride (15N/14N). - Après 2 générations : ADN hybride et ADN léger (14N/14N) en quantités égales. - **Conclusion** : La réplication de l'ADN est semi-conservative. *Expérience de Meselson et Stahl* ### Transcription et traduction du matériel génétique #### Synthèse protéique - L'ADN détermine la séquence des acides aminés (AA) dans les protéines. - La séquence des AA est déterminée par la séquence des nucléotides dans l'ADN. - Processus en deux étapes : transcription et traduction. #### Transcription de l'ARN à partir de la matrice d'ADN 1. **ARN intermédiaire entre l'ADN et la protéine** - Un gène est un segment d'ADN qui contient l'information pour la fabrication d'une chaîne polypeptidique. - L'information de l'ADN est transférée via un intermédiaire (ARN) dans le cytoplasme pour la synthèse protéique. - **Preuves** : - Présence d'ARN dans le cytoplasme (site de synthèse protéique). - Corrélation entre quantité d'ARN et de protéines synthétisées. - Plus d'ARN que d'ADN dans les cellules produisant beaucoup de protéines. - La ribonucléase (découpant l'ARN) arrête la synthèse protéique. - **Rapport** : ADN (transcription) → ARN (traduction) → Protéine. 2. **ARN chimiquement voisin de l'ADN** - L'ARN est une copie de l'ADN. - Différences : ribose au lieu de désoxyribose, uracile (U) au lieu de thymine (T). 3. **Synthèse enzymatique de l'ARN sur les matrices de l'ADN** - L'information génétique est transférée de l'ADN à l'ARN par complémentarité des bases (A-U, G-C). - Les deux brins d'ADN se séparent localement pour servir de matrice. - **ARN polymérase** : Enzyme catalysant la formation des liaisons phosphodiester (3'-5') de l'ARN. - La transcription est sélective, initiée par des promoteurs sur l'ADN. 4. **Direction de la synthèse des chaînes d'ARN** - La synthèse de l'ARN se fait dans le sens 5' → 3'. - L'ARN polymérase utilise le brin d'ADN orienté 3'OH à 5'Phosphate comme matrice. 5. **Initiation et arrêt de la synthèse de la molécule d'ARN** - L'ARN polymérase se fixe sur l'ADN et débute la synthèse. - Elle se détache lorsque des signaux d'arrêt sont rencontrés. - L'ARN transcrit est une molécule monocaténaire de 70 à 10 000 nucléotides. 6. **Maturation de l'ARN messager** - Chez les procaryotes, la maturation n'existe pas. - Chez les eucaryotes, l'ARNm transcrit est un pré-messager (immature). - Il contient des séquences codantes (exons) et non codantes (introns). - Maturation : Excision des introns, ajout d'une séquence poly-A en 3'OH et d'une guanine méthylée en 5'P. #### Code génétique - Correspondance entre les nucléotides de l'ARN et les acides aminés des protéines. - **Codon** : Association de 3 nucléotides de l'ARN lue dans le sens 5' → 3', correspondant à un acide aminé. 1. **Taille du codon** - 4 bases nucléiques (A, U, G, C) et 20 acides aminés. - Si codon de 1 base : 4 acides aminés codés (insuffisant). - Si codon de 2 bases : 16 acides aminés codés (insuffisant). - Si codon de 3 bases : 64 triplets possibles (suffisant pour 20 acides aminés). - Le code génétique est dégénéré (plusieurs codons pour un même acide aminé) mais non ambigu (un codon ne code qu'un seul acide aminé). 2. **Disposition des bases** - Le code génétique est non ponctué, non chevauchant, adjacent et dégénéré. 3. **Déchiffrage du code génétique** - **1961 : Nirenberg et Matthei** : Démonstration *in vitro* qu'une séquence d'ADN produit une séquence spécifique d'acide aminé. - Utilisation d'ARNm synthétiques (ex: poly U) pour identifier les codons des acides aminés (UUU pour phénylalanine). - **1965** : Déchiffrage complet du code génétique. 4. **Hypothèse de flexibilité ou « Wobble » (Crick, 1966)** - Les deux premières bases du codon de l'ARNm s'apparient spécifiquement avec l'anticodon de l'ARNt. - L'appariement de la troisième base est moins spécifique, permettant une flexibilité ("wobble"). - Explique la dégénérescence du code génétique. 5. **Codons non-sens et codon d'initiation** - **Codons non-sens (ou stop)** : UAA, UAG, UGA. Signalent la fin de la synthèse protéique. - **Codon d'initiation** : AUG. Code pour la formylméthionine (chez les procaryotes) ou la méthionine (chez les eucaryotes) et initie l'élongation. 6. **Universalité du code génétique** - Le code génétique est universel chez la plupart des organismes (ex: ARNm viraux traduits par *Escherichia coli*). #### Traduction de l'information génétique en protéine 1. **Acteurs de la traduction** - **ARNt** : Petites molécules spécifiques, possèdent deux sites (un pour l'acide aminé, l'autre pour le codon). - Structure de l'ARNt : Modèle en feuille de trèfle, avec une extrémité 3'OH (site de fixation de l'acide aminé) et un anticodon. - **Charge de l'ARNt** : Fixation de l'acide aminé sur l'ARNt par une aminoacyl ARNt synthétase. - **Ribosomes** : Composés de deux sous-unités (30S et 50S chez les procaryotes, 40S et 60S chez les eucaryotes). - Possèdent deux cavités : sites P (peptidyl) et A (aminoacyl). - Forme des polysomes ou polyribosomes (plusieurs ribosomes sur un ARNm). 2. **Traduction proprement dite** - **Initiation** : - Fixation de la petite sous-unité du ribosome sur l'ARNm au niveau du codon initiateur AUG. - L'ARNt initiateur (portant la formylméthionine) se fixe sur l'AUG. - La grande sous-unité du ribosome se fixe, formant le complexe d'initiation. - **Élongation** : - Fixation d'un second AA-ARNt sur le site A du ribosome. - Formation d'une liaison peptidique entre les acides aminés. - Translocation du ribosome, libérant le site A pour un nouveau AA-ARNt. - Le processus se poursuit codon par codon. - **Terminaison** : - Le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG, UGA). - Libération de la chaîne polypeptidique. - Dissociation du ribosome en ses sous-unités. 3. **Sens de lecture** - La synthèse protéique commence par l'extrémité N-terminale. - L'ARNm est lu dans le sens 5'P vers l'extrémité 3'OH. - ARNm, ARNt, ARNr sont tous transcrits à partir d'un brin d'ADN. ### La mutation #### Introduction - L'ADN n'est pas totalement à l'abri des erreurs de réplication. - Les modifications de la séquence d'ADN peuvent entraîner des changements sélectifs. - La complémentarité des brins d'ADN permet la correction de nombreuses erreurs. - Une mutation génique est un événement spontané, fortuit, rare, mais peut être induit expérimentalement. - Affecte un caractère morphologique, la viabilité cellulaire ou un caractère biochimique nutritionnel. #### Mise en évidence et sélection des mutations 1. **Chez les microorganismes** - **Neurospora crassa (champignon ascomycète)** : - Technique de criblage de Beadle et Tatum (1945) pour déceler les mutations biochimiques nutritionnelles. - Les souches mutantes ne peuvent pas pousser sur le milieu minimum, mais peuvent être compensées par l'ajout d'acides aminés ou vitamines. - *Auxotrophe* : Incapable de synthétiser un composé essentiel. - *Prototrophe* : Capable de synthétiser tous les composés essentiels. - **Bactéries** : - Technique similaire à *Neurospora crassa*, utilisant la technique de Velours. - **Virus** : - Criblage plus complexe, basé sur la plage de lyse, la capacité de développement sur certaines souches bactériennes, ou la sensibilité à la température (*thermosensibles* ou *cryosensibles*). 2. **Chez les organismes supérieurs** - **Drosophile** : Nombreuses méthodes pour déceler les mutations sur les chromosomes X. - **Homme** : Analyse du pedigree pour les mutations récessives (ex: albinisme). - Les mutations peuvent affecter les cellules germinales (transmises) ou somatiques (non transmises, mosaïques). #### Bases moléculaires des mutations 1. **À l'échelle nucléotidique** - **Substitution** : Remplacement d'une base par une autre. - *Transition* : Purine par purine (A↔G) ou pyrimidine par pyrimidine (C↔T). - *Transversion* : Purine par pyrimidine ou vice-versa (A/G↔C/T). - **Inversion** : Retournement d'un segment d'ADN. - **Insertion** : Ajout d'une ou plusieurs paires de nucléotides, entraînant un décalage du cadre de lecture. - **Perte (délétion)** : Perte d'une ou plusieurs paires de nucléotides, entraînant un décalage du cadre de lecture. *Substitution* *Insertion et Délétion* #### Mutations spontanées et mutations induites 1. **Mutations spontanées** - Apparaissent dans des conditions normales, sans cause apparente. - **Causes** : - **Rayonnement naturel** (rayons cosmiques, radioactivité terrestre) : particules α, β, protons, électrons, radioéléments (C14, Uranium, Radon). - **Taux de mutations spontanées** : Très faible (entre 10^-6 et 10^-9). 2. **Mutations induites** - Provoquées expérimentalement par des agents mutagènes. - **Agents physiques** : - **Radiations ionisantes (RX)** : Induisent mutations génétiques et chromosomiques (à fortes doses). - **Ultraviolets (UV)** : Induisent surtout mutations géniques, formation de dimères de pyrimidine (surtout thymine), entraînant des distorsions de la double hélice et des erreurs de réplication. - **Agents chimiques** : - **Acide nitreux (HNO2)** : Transforme l'adénine en hypoxanthine (s'apparie à C) et la cytosine en uracile (s'apparie à A). - **Hydroxylamine (NH2OH)** : Réagit avec la cytosine, la faisant s'apparier à l'adénine. - **Agents alkylants (EMS, EES, Nitrosoguanine)** : Réagissent avec les purines (surtout la guanine), ajoutant des radicaux méthyle/éthyle, provoquant dépurinisation ou substitution de bases. - **Acridines (proflavine, bromure d'éthydium)** : S'intercalent entre les bases, provoquant micro-insertions ou micro-délétions. - **Analogues de bases** : Substances structurellement similaires aux bases, peuvent être incorporées à l'ADN et provoquer des erreurs d'appariement. Ex: 5-Bromouracile (5-BU) sous forme cétonique (analogue de T, s'apparie à A) ou énolique (analogue de C, s'apparie à G). *Action des agents chimiques* ### Conclusion Les mutations sont des événements fortuits et héréditaires, se produisant spontanément à des fréquences très faibles. Ces fréquences peuvent être augmentées par l'emploi d'agents mutagènes physiques ou chimiques. Du point de vue moléculaire, les mutations géniques apparaissent comme des anomalies de la réplication. Si le mode de réplication semi-conservatif est la règle, la mutation est son exception. Un gène peut exister sous de nombreuses formes différentes, appelées allèles, qui décrivent le fonctionnement du gène.