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Sinterroger sur le concept de gène cest se poser, par exemple, la question: Quest quun gène? Répondre à cette question est donnée une définition du gène.

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1 Sinterroger sur le concept de gène cest se poser, par exemple, la question: Quest quun gène? Répondre à cette question est donnée une définition du gène Deux aspects sont donc à considérer: La fonction La structure Après avoir défini le gène, on peut alors se poser la question de la pertinence de ce concept dans le cadre de lanalyse fonctionnelle CONFERENCE DE MONSIEUR NICOLAS LAURENT, Université de Provence

2 Le gène se définit toujours à partir de résultats expérimentaux. Le gène est redéfini ou « réinventé » à chaque apport supplémentaire de données. Aspect important: la définition du gène doit être une définition qui prend en compte la fonction.

3 Gregor Mendel (1865) Le formalisme de ces lois intègre un objet qui sera appelé plus tard un gène. Les lois régissant la transmission des caractères héréditaires sont décrites

4 Gène = EntitéUn caractère Définition fonctionnelle Le gène porte une fonction qui peut se décliner en deux aspects: -Unité de transmission -Unité de contrôle participant à la mise en forme dun caractère (La réalisation de la fonction dun gène forge un caractère) Cette entité est une unité fonctionnelle: elle est donc indivisible (une partie du gène ne peut avoir de fonction). On peut intégrer cette donnée dans le cadre des hypothèses portant sur la structure dun gène. La définition du gène donnée ici précède lidentification de sa nature matérielle, physique. Le gène ici na donc pas de structure et ne peut donc sy réduire. association

5 gène Fonction(s) Approche génétique ou Premières étapes de lanalyse fonctionnelle Caractère(s) Variation phénotypique Modification ou perturbation de la fonction

6 Nous sommes ici: début 1960s

7 Définition du gène au niveau phénotypique ou définition génétique: région génétique, associée à un phénotype (forme visible dun caractère), dans laquelle il ny a pas de complémentation entre mutations. Définition moléculaire: Le gène est une unité fonctionnelle Fonction du gène=fonction de la protéine Portion dADN continue et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas 1 gène1 protéine

8 Les gènes déterminent les caractères héréditaires Chaque chromosome est constitué dADN Chaque chromosome contient de nombreux gènes Un gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes dune paire Chaque gène est porteur dune information génétique Un gène= une portion dADN localisée sur un chromosome Information génétique = une séquence donnée Lien direct entre la séquence et la fonction

9 1 gène1 protéine1 fonction1 caractère Gène 1 Gène 2 Caractère héréditaire 1 Caractère héréditaire 2

10 Gène 1Gène 2Gène 3Gène 4Gène 5Gène 6Gène 7 Caractère 1 Fonction 1 …etc… 1 gène1 protéine1 fonction1 caractère Organisme serait alors une somme de caractères obtenue par la sommation des fonctions portées par les gènes

11 gène Séquence, protéine Fonction Approche génétique ou Premières étapes de lanalyse génétique Approche moléculaire, biochimique, cellulaire ou Etapes ultérieures de lanalyse génétique Relations structures/fonction Caractère Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants montrant une variation phénotypique du caractère étudié, différents croisements pour localiser les mutations soit localiser le gène…

12 Précurseur métabolique pigment Caractère=coloration Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants perte de coloration, tests de complémentation, tests dinteraction génétique. Gène 1Gène 2Gène 3Gène 4

13 Gène 1Gène 2Gène 3Gène 4Gène 5Gène 6Gène 7 Caractère 1Caractère 2Caractère 3

14 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960s: Dogme central ARNt ARNr Définition moléculaire: Portion dADN=séquence de nucléotides transcrite qui peut donner naissance à un produit fonctionnel. On perd lidée « un gène, une protéine » Le gène est une unité fonctionnelle Fonction du gène=fonction du produit Portion dADN continue et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas 1 seul transcrit primaire

15 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960s: On perd la notion de séquence continue Le gène est une unité fonctionnelle Fonction du gène=fonction du produit Portion dADN continue mais morcelée et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas 1 seul transcrit primaire Unité de transcription

16 Une gène peut donner naissance à plusieurs produits fonctionnels. Epissage alternatif protéine 1protéine 2 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960s: +1 1 seul transcrit primaire Le gène nest plus une unité fonctionnelle Unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion dADN continue mais morcelée et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas Unité de transcription

17 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960s: Des unités de transcription se chevauchent (localisées sur le même brin ou sur les deux brins) ou sont retrouvées dans lintron dune autre unité Le gène nest plus une unité fonctionnelle Unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion dADN discontinue, morcelée et limitée (1 locus) Les gènes se chevauchent 2 gènes car 2 unités de transcription

18 En parallèle des données sur les séquences transcrites et leur devenir, mise en évidence de séquences non transcrites qui permettent dinitier et de réguler la transcription dun gène Illustration de limportance de ce niveau de régulation dans le cadre de la biologie du développement par exemple. Ceci est à mettre en relation avec la fonction: Patron dexpression spatio-temporel, dose. De fait, certaines définitions moléculaires intègrent ces séquences.

19 +1 séquence régulatrice cis promoteur exon Nombre? position? taille? exclusif? sur le même chromosome? intron Le gène nest plus une unité fonctionnelle Unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion dADN discontinue, morcelée et limitée (!?) 1 locus mais pour lunité de transcription Les gènes se chevauchent

20 Définition moléculaire du gène (Lodish; Biologie moléculaire de la cellule): -séquence complète (?) dADN nécessaire à la synthèse dune protéine fonctionnelle (?) ou dune molécule dARN (régions codantes, parfois introns, régions de contrôle). -unité de transcription eucaryote simple ( 1 seul ARNm monocistronique) -unité de transcription complexe: 1 transcrit primaire qui peut donner plusieurs ARNm monocistroniques (épissage alternatif, sites de polyadénylation alternatifs). Définition moléculaire large (Pearson, Nature, mai 2006): Région génomique localisable qui constitue une unité de transmission comportant des régions transcrites et des séquences fonctionnelles (ex: promoteurs, séquences régulatrices). Ici on perd lunité de transcription. Dans les cas « plusieurs ARNm »: on ne considère alors que ceux qui possèdent au moins une région génomique (un exon) en commun.

21 Un ou plusieurs ARNm partageant au moins un exon 2 à 2 Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines Promoteur/Start alternatif Sites polyadénylation alternatifs Epissage alternatif Epissage en TRANS Edition de lARN Initiation alternative (même cadre de lecture ou alternatif) 1 ou plusieurs transcrits primaires +1 Le gène nest plus une unité fonctionnelle / Plus dunité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion dADN discontinue, morcelée et limitée (!?) / plus de locus Les gènes se chevauchent

22 « The ENCODE project consortium » (projet lancé en 2003; publication en 2007 des résultats des premières analyses) ENCODE: Encyclopedia of DNA Elements Analyse la plus exhaustive possible de 1% du génome humain soit 30 Mb 44 régions génomiques considérées

23 Eléments qui ressortent des résultats de ENCODE: -des régions non annotées comme contenant des « gènes » sont transcrites -nombreux transcrits ne codant pas de protéines -nombre important de Start de transcription non annotés -identification de grands transcrits primaires pouvant couvrir plusieurs gènes et donc les régions « intergéniques ». -ce nest pas vraiment le nombre de loci associés à la production de protéines qui augmentent mais plus le nombre de transcrits alternatifs -séquences régulatrices très dispersées et parfois transcrites (premier exon, introns voire une bonne partie de lunité transcriptionnelle mais aussi en-dehors de lunité transcriptionnelle) Une conclusion forte: la majorité des séquences génomiques peuvent être transcrites

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25 Un seul gène, le génome ??? Un nombre anormal de chromosomes empêche le développement de lembryon ou entraîne des caractères différents chez lindividu concerné.

26 Un gène est lensemble des séquences génomiques codant un ensemble cohérent de produits fonctionnels (?) potentiellement chevauchant. Séquence génomique: ADN ou ARN Produits fonctionnels: ARN ou chaîne polypeptidique Ensemble cohérent: union de tous les produits ayant au moins une région commune et en considérant le cas des produits ARN et polypeptidiques séparément Définition du gène donnée par « the ENCODE project consortium »

27 Critères pour établir cette définition: 1/ rétroactivité: les régions génomiques qui possédaient la qualité de gène doivent garder cette qualité 2/ valide quelque soit lorganisme considéré (eucaryotes, archées, eubactéries) 3/ elle doit être simple et ne pas intégrer de considérations mécanistiques ni comportée dexceptions 4/ permettre un comptage du nombre de gènes présent dans un génome

28 Mise en pratique de la définition ENCODE

29 Conséquences de cette définition: -un gène codant un polypeptide peut être un exon, une partie dexon, une union dexons et/ou de parties dexons (pas forcément localisés sur le même brin ni même sur le même chromosome) -un gène permettant la synthèse dun ARN non codant peut être composé de toute région génomique transcrite -les régions régulatrices sont exclues -les régions non traduites sont exclues -une séquence commune même lue dans un cadre de lecture différent fonde un seul gène Le gène nest plus une unité fonctionnelle / Plus dunité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion dADN totalement discontinue (plus aucune connexion entre les différentes régions génomiques) et limitée / plus de locus Les gènes se chevauchent Création dune catégorie: séquences associées aux gènes

30 1 gène1 protéine1 fonction1 caractère

31 Ces problèmes portant sur la définition moléculaire sont-ils de vrais problèmes? Le gène pour le gène Autrement dit, est-ce cela qui ébranle le concept de gène? Cest la question de la pertinence de ce concept dans la pratique de recherche: considérer les gènes et seulement les gènes (cest-à-dire les séquences dADN) permet-il dexpliquer la mise en forme des caractères héréditaires et les variations de ces caractères? Autre point: ignorer la complexité de la structure moléculaire du génome et des mécanismes associés à son expression est un vrai problème dans la pratique de recherche pour linterprétation de certains résultats mais pas pour le concept de gène.

32 1 gène Un ou plusieurs ARNm partageant au moins un exon 2 à 2 Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines Une ou plusieurs fonctions idem PLUSIEURS FONCTIONS

33 Protéine avec plusieurs domaines fonctionnels Modifications post-traductionnelles Interactions protéine/protéine; protéine/ADN; protéine/ARN Quantité Localisation sub-cellulaire Une ou plusieurs fonctions 1 gène1 protéine1 fonction1 caractère Notion de produit fonctionnel dans les définitions ?

34 Fonction(s) moléculaire(s) Fonction(s) cellulaire(s) Fonction(s) physiologique(s)

35 Exemples: -p53 -Pax6 p53 Apoptose Points de contrôle du cycle Arrêt de la prolifération Réparation de lADN Sénescence

36 Les gènes déterminent les caractères héréditaires Chaque gène est porteur dune information génétique 1 gène associé à une ou plusieurs fonctions moléculaires élémentaires Combinatoire dinteractions entre des fonctions moléculaires élémentaires. Cette combinatoire évolue dans le temps et dans lespace. Fonction « complète » Mise en forme des caractères héréditaires Lobjet ayant une signification opérationnelle aujourdhui serait plus le réseau dinteractions moléculaires (impliquant ADN, ARN et protéines: protéine/ADN; protéine/ARN; protéine/protéine et ARN/ARN)

37 Plusieurs « gènes » Séquences, structures, transcrits, protéines, régulations, localisations cellulaires, modifications, interactions… Fonctions Approche génétique ou Premières étapes de lanalyse génétique Approche moléculaire, biochimique, cellulaire ou Etapes ultérieures de lanalyse génétique Caractère Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants montrant une variation phénotypique du caractère étudié, différents croisements pour localiser les mutations soit localiser le gène…

38 génomique structurale fonctionnelle (transcriptome, protéome, interactome) Lobjet ayant une signification opérationnelle aujourdhui serait plus le réseau dinteractions moléculaires (impliquant ADN, ARN et protéines: protéine/ADN; protéine/ARN; protéine/protéine et ARN/ARN) Séquençage des génomes entiers. Identification de séquences géniques potentielles donc trouver de nouveaux gènes.

39 Illustration de cette approche génomique rv lv at oft rv lv at ift Embryon de souris à 8 jours de développement

40 Identification de « gènes » exprimés différentiellement Tube cardiaque antérieur (A) Tube cardiaque postérieur (P) E8 (7s-9s) Extraction ARN total Sondes A Sondes P Hybridation sur puces

41 Résultats de lhybridation des sondes sur une puce

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43 Les gènes déterminent les caractères héréditaires On doit définir alors ici le caractère héréditaire comme caractère propre de lespèce transmissible de génération en génération mais sans pouvoir intégrer lensemble des variations intra-spécifiques cest à dire les différentes formes possiblement adoptées par ces caractères. Un embryon humain se développera en un être humain. Génotype humainphénotype humain Mais la connaissance seule des gènes (cest-à-dire du génotype) de cet embryon ne peut permettre de prédire comment et qui sera cet être humain (cest-à-dire son phénotype). génotypephénotype Génotype: pourrait être connu par le séquençage complet du génome dun individu. Phénotype (« la forme visible »): ensemble des formes adoptées par chacun des caractères héréditaires.

44 Gènes modificateurs En général, on considère un génotype partiel que lon relie à un phénotype partiel. Dans ce cadre, les gènes modificateurs viennent compliquer la relation génotype-phénotype. Selon ce que lon peut appeler le fond génétique, on aura, pour un génotype partiel identique, un phénotype partiel différent. Parmi les gènes modificateurs, on peut citer: Gènes suppresseurs (le phénotype mutant est supprimé, retour au phénotype sauvage) Gènes épistatiques (le phénotype est supprimé et le gène épistatique impose son phénotype) Pour une mutation, on donne en général la valeur de deux paramètres: Pénétrance, expressivité. pénétrance expressivité: variabilité dans la survenue des manifestations dun même gène entre individus différents Ex: nombre de tissus atteints, sévérité de latteinte

45 Nombres dommatidies Température (°C) Génotype 1 Génotype 2 Génotype 3 Normes de réaction

46 Tératogènes non mutagènes -rétinoïdes -alcool … Taille, poids, densité osseuse, masse musculaire, couleur de la peau (exemple du bronzage), carences en nutriments essentiels Système immunitaire Plasticité neuronale

47 Modifications épigénétiques: -inactivation de lX chez la femme -empreinte parentale -paramutation -modifications épigénétiques stochastiques (?) (évolution avec lâge) -modifications épigénétiques induites par lenvironnement (?) Transmission???

48 Les gènes et lexpression de leur(s) fonction(s) déterminent les caractères Histoire individuelle (environnement, …) Bruit de fond Information génétique Modifications épigénétiques

49 Les chromosomes présents dans le noyau sont le support du programme génétique Chaque individu issu de la reproduction sexuée possède un programme génétique qui contribue à le rendre unique La reproduction crée au hasard un nouveau programme génétique Programme: notion qui contient lidée dun déterminisme génétique. …possède un génome ou une information génétique dont lexpression contribue… …de linformation génétique. …une nouvelle information génétique.

50 Maladies génétiques: Maladies héréditaires monogéniques (mendéliennes) maladie que certains qualifient de purement génétique car la part du « fond génétique » et de lenvironnement semble marginale environ 1500 répertoriées à ce jour (beaucoup encore à caractériser) maladie rare: peu dindividus atteints (seuil considéré: moins de 1/2000) Allèle mutant La pénétrance est élevée mais pas forcément complète et expressivité variable

51 Maladies génétiques: Maladies génétiques dont la transmission nest pas mendélienne Maladies chromosomiques par exemple Maladies plurifactorielles avec composante génétique (prédisposition non héréditaire) ici la part du « fond génétique » et de lhistoire individuelle est importante

52 Chaque chromosome est constitué dADN Cette description est incomplète au-delà de la simple précision molécule dADN double-brin linéaire Un chromosome est constitué dADN associé à des protéines: CHROMATINE. La chromatine est plus que de lADN associé à des protéines de type « Histone » LADN est un constituant des chromosomes LADN seul ne peut jouer son rôle de support dune information génétique transmissible. La séquence des nucléotides nest pas tout: la fonction de certaines portions de cette molécule ne peut pas toujours être prédite sur cette base (origines de réplication, centromère, SARs et modifications épigénétiques).

53 Fonctions des chromosomes: « Mise en forme » de lADN dans le noyau Réplication Transmission stable au cours des divisions cellulaires Expression des gènes Plusieurs éléments associés: centromères, télomères, origines de réplication

54 Histones du nucléosome Histone H1 Armature chromosomique (protéines) Protéines du Kinétochore Cohésines Protéines télomériques LADN est une molécule qui peut se pelotonner lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes.

55 Les chromosomes peuvent se présenter sous une forme plus ou moins pelotonnée. La forme la moins pelotonnée est présente en interphase. La forme la plus pelotonnée est obtenue lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes.

56 centromère kinétochore

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58 cohésines

59 télomère centromère TTAGGG (vertébrés) Chez lhumain 15-20kb De 50 à plusieurs centaines de nt chez lhumain Modèle de la boucle T

60 Fonctions des télomères: -Réplication des extrémités des chromosomes (télomérase) Raccourcissement des télomères et sénescence cellulaire réplicative -Empêcher la fusion entre chromosomes (stabilité génétique) -Favoriser lappariement des chromosomes homologues lors de la méiose (interaction entre télomères et enveloppe nucléaire)

61 Origines de réplication: Deux aspects à considérer: - le fonctionnement de lorigine - La réplication unique au cours dun cycle cellulaire

62 Le cancer est le résultat dune prolifération incontrôlée de cellules Plusieurs aspects doivent être considérés: -dérégulation de la prolifération (perte de dépendances) -autorisation à poursuivre: « immortalité » -aptitude à survivre -invasivité -migration (métastases) Tumeur bénigne Tumeur maligne (cancer) Évolution possible

63 Prolifération régulée Sénescence possible Mort cellulaire programmée possible Prolifération dérégulée Sénescence « off » Mort cellulaire programmée « off » Proto-oncogènes oncogènes Suppresseurs de tumeurs Attention: concernant la dérégulation de la multiplication cellulaire, ne pas présenter les choses en terme daugmentation de la vitesse de multiplication. Le paramètre considéré est le taux de prolifération cest-à-dire le nombre de cellules qui se multiplient sur le nombre total de cellules. Mutations dominantes Mutations récessives Modifications épigénétiques

64 apoptosesénescence différenciation

65 Le cancer est, en partie, le résultat dune prolifération incontrôlée de cellules ou Une prolifération incontrôlée de cellules peut amener au développement dun cancer

66 Syndrome de Li-Fraumeni: Forme héréditaire de cancers (plusieurs tumeurs) touchant lenfant et ladulte jeune. Dans beaucoup de cas, mutation constitutionnelle dans le gène p53. Cancers: maladies sporadiques/maladies héréditaires Cancers sporadiques: histoire familiale négative Dans les formes héréditaires (moins de 10% des cas), une mutation (monogénique) perte de fonction est transmise: mutation constitutionnelle. Ex: mutation dans un suppresseur de tumeurs. Prédisposition héréditaire : la pénétrance de la mutation est élevée mais nest en général pas complète.

67 Les cellules de lorganisme, à lexception des cellules reproductrices possèdent la même information génétique que la cellule œuf dont elles proviennent par divisions successives. aux mutations somatiques près…. (à relier avec lapparition possible de pathologies comme le cancer) cas particulier des recombinaisons avec perte dinformation: LB, LT On peut alors se poser la question de lorigine des différences phénotypiques que montrent les cellules du corps humain (relier à lexpression de linformation génétique).

68 Un gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes dune paire. Ne vaut que pour les paires de chromosomes homologues X et Y chez les hommes. Un gène (ou une partie de gène) occupe la même position sur chacun des deux chromosomes dune paire de chromosomes homologues.

69 Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents. Dans ce dernier cas, les deux allèles peuvent sexprimer ou lun peut sexprimer et pas lautre. Haplo-insuffisance Une seule dose doit sexprimer: -cas des gènes soumis à lempreinte -inactivation de lX chez la femme Ex: syndrome de Beckwith-Wiedemann maladie génétiquemaladie génétique se caractérisant par une croissance excessive du fœtus, une grosse langue (macroglossie), une hypertrophie des organes, une omphalocèle ou une hernie, une prédisposition à développer une tumeur embryonnaire, des anomalies des oreilles et des hypoglycémies.macroglossieomphalocèlehernietumeur embryonnaire Anomalies génétiques associées complexes mais dans la majorité des cas, relié à une expression biallélique du gène Igf2 (gène soumis à lempreinte) Expression? X et Y chez les hommes.

70 Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents.


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