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Galacidalacidesoxyribonucleicacid : Salvador Dali.

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1 Galacidalacidesoxyribonucleicacid : Salvador Dali

2 Aux origines de la vie : Hypothèses et probabilités ( 1ere partie ) I/ Les difficultés à définir la vie II/ Les limites entre vie et inerte III/ Mécanismes biochimiques de la vie IV/ Les expériences de vie synthétique

3 Définir la vie reste un sujet de controverses Aristote : « Nous entendons par la vie le fait de se nourrir, de croître, de dépérir par soi-même « « La vie est un système auto entretenu, capable d évolution Darwinienne »

4 Les définitions de la vie soulèvent des critiques: Les spores Les cellules congelées dans l'azote liquide Les globules rouges

5 Les frontières entre l'inerte et le vivant prêtent à discussion , découverte des viroides Théodor Diener

6 Les virus sont ils des êtres vivants ? A l'origine de la vie les virus ont ils inventé l'ADN ? Le mimivirus Capside ADN

7 Comment donc définir la vie ? "La vie est ce qui est commun à tous les êtres vivants" Christian de Duve

8 3 conditions sont nécessaires aux réactions chimiques de la vie : 1 / Des matières premières :-Eau -Acides aminés -Bases azotées -Acides gras -Sucres 2 / De l'énergie :Réactions d'oxydo-réductions : La source d'énergie universelle du monde vivant est l'ATP : 3 / Des catalyseurs ou enzymes

9 Importance des protéines Polymérisation de 2 acides aminés Configuration tridimensionnelle des chaînes protéiques Amine Carboxyle Chaîne latérale Acide aminé

10 La commande génétique : Les acides nucléiques Francis Crick James Watson Configuration ADNARN Nucléotide Pentose Base azotée Groupement phosphate

11 Structure de l'ADN Le génome : ADN total d'une cellule 4 bases azotées : - Adénine-thymine - Guanine-cytosine Adénine Squelette désoxyribose- phosphate

12 La transcription : De lADN à lARN messager 1 / Séparation des brins dADN ( hélicase ) 2 / Repères de reconnaissance du début et de la fin du gène ARN pré messager en formation Boite TATA CAAT

13 Zone de réplication de lADN Protéines CDC6, CDT1 à lorigine de la séparation des brins dADN (en rose) Lhélicase (en bleu) ouvre lADN ( 3000 bases à la minute ) Les polymérases (en vert clair) sur chaque brin dADN

14 De lARN pré messager à lARN messager 3 / Processus dépissage éliminant les introns 4 / Transport de lARN messager dans le cytoplasme Exons portions codantes Intron excisé

15 La traduction : Assemblage des protéines au niveau des ribosomes Microscopie électronique

16 La traduction : Synthèse protéique au niveau des ribosomes Le code génétique ARN messager ARN de transfert Acide aminé 3 bases azotées A chaque étape de la transcription et de la traduction il y a des processus de régulation de lexpression des gènes

17 Régulation de lexpression des gènes : ADN - Protéines régulatrices des gènes -ARN interférents - Micro ARN

18 La biologie synthétique : 2 voies de recherche 1 / La voie descendante : Les manipulations génétiques 2 / La voie ascendante : Fabrication d'une cellule artificielle

19 1 / La voie descendante : Le génie génétique -Fabrication in vitro d'oligonucléotides -Segmentation d'ADN par les enzymes de restriction -L'ADN polymérase permet de recopier des séquences d'ADN -L'ADN ligase permet de souder des fragments d'ADN Hamilton smith Enzyme de restriction Synthétiseur

20 La voie descendante : Le génie génétique -2003, Craig Venter : Fabrication du premier virus synthétique -2005, recherche du génome minimal Escherichia coli Virus synthétique Environ 250 gènes

21 Le génie génétique : Mai 2010, synthèse in vitro de la bactérie mycoplasma genitalium Mycoplasma genitalium Assemblage par étapes des fragments d'ADN dans une levure Transfert du génome mycoplasma genitaliun dans mycoplasma capricolum Mycoplasma genitalium Genitalium

22 2 / La voie ascendante de la biologie synthétique 1er objectif : Construire une membrane artificielle Structure d'une membrane cellulaire Liposomes Incorporation d'une protéine ATP synthase dans une membrane artificielle

23 Construire une cellule artificielle : 2° objectif, une activité métabolique, la croissance 3° objectif, l'autoréplication Jack SzostakSystème autoréplicateur de Szostak Pier Luigi Luisi Protéine fluorecente Protocellule artificielle

24 Les progrès dans la synthèse de la vie artificielle Tadashi Sugawara Divisions de vésicules artificielles contenant de l ADN amplifié

25 Conclusion de la 1ère partie : La fabrication d'une cellule artificielle serait une copie d'êtres vivants actuels, un choc pour l'humanité Mais elle nous éclairerait peu sur l'origine de la vie

26 Quelques sujets de discussion : -Origine des briques de la vie -Synthèse des briques de la vie -La chiralitè venue de lespace ? -Vies alternatives ou extraterrestre ? -LADN poubelle ! -Synthèse in vitro de lADN, lARN ? -Régulation de lexpression des gènes -Origine du code génétique -Les introns universels du monde vivant ? -Stockage des données informatiques sur lADN -La synthèse protéique a-t-elle précédé celle des acides nucléiques ? …

27 La vie synthétique , Friedrich Wöhler : Synthèse de l'urée , Stanley Miller : Synthèse de composés organiques Vapeur d'eau Méthane Ammoniac Hydrogène 4 acides aminés Formaldéhyde Ac. cyanhydrique Urée

28 La biologie synthétique : -1958, Sidney fox : Polymérisation d'acides aminé -1961, Juan Oro : Synthèse de l'adénine -1980, synthèse d'oligonucléotides in vitro -2005, Steven Benner : Synthèse du ribose (oxyde de bore) -2009, John Sutherland : Synthèse de 2 ribonucléotides de l'ARN

29 Y a t'il des formes de vie alternatives ? La chiralité : Acides aminés L ou D Sucres L ou D ADN L ou D Acides aminés différents des 20 Des bases azotées différentes avec un autre code génétique L'arsenic à la place du phosphore Le silicium à la place du carbone Cristal de silicium Ac.aminé ADN DG

30 Régulation de lexpression des gènes -Une cellule nexprime quune partie de ses gènes, doù leur spécificité -Les mécanismes de la mémoire cellulaire sont stables, transmissibles : Le mécanisme le plus simple est la boucle de rétrocontrôle positif : Une protéine régulatrice de gène active sa propre transcription -Une seule protéine peut coordonner lexpression de plusieurs gènes -Plusieurs protéines peuvent contrôler lexpression dun seul gène -Il y a une régulation à chaque étape conduisant de lADN aux protéines : Mais le début de la transcription est le lieu essentiel de la régulation de lexpression des gènes

31 I Régulation des gènes lors de la transcription -Elle dépend de protéines régulatrices des gènes -Elles sont plusieurs milliers : Environ 10% de la portion codante de lADN est constitué de gènes codant pour ces protéines -Les protéines régulatrices agissent par complémentarité à la surface de lADN : Elles peuvent déclencher la transcription en activant lARN polymérase ou linhiber par méthylation de lADN -Chaque type de cellule contient une combinaison spécifique de protéines régulatrices de gènes -La transcription peut avorter au départ : On parle datténuation ADN Ac. aminé Homéoprotéine

32 II Régulation de lexpression des gènes : La traduction -Des ribocommutateurs, courtes séquences ARN peuvent se fixer sur lARN prémessager le bloquant ou activant lARN polymérase Il existe un contrôle du début de la traduction -Le codon de départ AUG se fixe sur le ribosome pour initier la traduction -Des protéines répresseurs se fixent sur la coiffe 5 de lARN messager pour linhiber -Des microARN se fixent sur lARNm et le freinent -Des ARN interférents se fixent sur lARNm pour le détruire en le coupant ( mécanisme de défense ) Importance de lADN non codant : 80% participe à la régulation des gènes par des ARN ( projet ENCODE )

33 Contrôle de lexpression des gènes après la transcription -LARNm peut être modifié par un processus dédition : Insertion de plusieurs nucléotides -Le transport de lARNm à partir du noyau est régulé : 1/20° seulement quittera le noyau; le reste est dégradé -Les ARNm dans le cytoplasme sassocient à des moteurs moléculaires qui utilisent lATP pour se déplacer le long des filaments du cytosquelette

34 Intron : Portion non codante du gène (1976) – Origine et fonctions débattues Exons portions codantes Intron excisé Pendant la transcription les introns forment des boucles et sont excisés -Ils ont une activité catalytique en participant à lépissage

35 Les introns participent aussi à la régulation de lexpression des gènes Car ils participent à lépissage alternatif qui permet des recombinaisons dexons à partir de plusieurs gènes. Donc ils interviennent dans la diversité des protéines

36 Les gènes sauteurs créent des mutations plus nombreuses que les mutations spontanées I/ Les transposons II/ Les rétrotransposons, Constituent près de la moitié du génome humain

37 Duplication et perte de gènes

38 Comment évoluent les gènes ? 1 / Les duplications moteurs essentiels de lévolution : Duplication complète du génome De segments dADN De gène isolé ou de groupes de gènes Transposons et rétrotransposons représentent 50% du génome humain 2/ Les divergences de gènes Lépissage alternatif 3/ Les copies de gènes peuvent dégénérer ( pseudo gènes ) Il peut y avoir des pertes de gènes non dupliqués 4/ Des recombinaisons dexons peuvent créer de nouveaux gènes

39 Comment évoluent les gènes ? 5/ Au niveau des chromosomes peuvent se produire : Des délétions dun segment dADN Des inversions ou translocations de gènes 6/ Lapparition de nouveaux gènes ou gènes orphelins 7/ Le transfert horizontal de gènes ( à partir de bactéries ) 8/ Les mutations spontanées de nucléotides -Cette évolution entraine un polymorphisme génétique -Sur lequel sexerce la sélection naturelle -Ainsi les génomes évoluent vers une taille et une complexité croissante ( ? )

40 Les différents ARN I / ARN codant pour les protéines II / ARN non codants : -ARN de transfert -ARN ribosomiques -Petits ARN nucléaires -ARN nucléolaires -Micro ARN -ARN interférents ( Si ARN ) -ARN interagissant avec la protéine PIWI

41 Séquençage dADN Séquenceur à haut débit

42 Identification des gènes dans un génome -Le premier exon commence toujours par ATG -La terminaison de tout gène : TGA, TAG ou TAA -Tous les introns commencent par GT, finissent par AG 1/ Dans les séquences ADN on repère les débuts et fins de gènes 2/ Le logiciel BLAST localise le gène correspondant à lARNm 3/ Comparaison de génomes déjà séquencés : Nombreuses séquences génomiques disponibles Le meilleur moyen de savoir ce quun gène fait est de voir ce qui arrive quand il est absent : Etude de mutants (Méthode de lARN interférent) Les puces à ADN permettent lanalyse de lexpression des gènes en suivant des milliers dARNm quils produisent Puce à ADN

43 Génétique de lembryologie : La drosophile Il existe un petit nombre de processus du développement utilisés chez tous les organismes pluricellulaires avec les mêmes cascades de gènes 1/ Chez la drosophile au départ les composants cytoplasmiques de lovocyte sont répartis de façon inégale : Ils dirigent les premiers stades du développement avant lactivité des gènes. De façon inhabituelle lœuf de drosophile commence par des divisions nucléaires et forme un syncitium. 2/ Ensuite quand le nombre de cellules augmentent des interactions se développent entre elles par contact immédiat ou à distance. 3/ Puis intervient la détermination génétique du développement Œuf de drosophile

44 Contrôle génétique de la formation de loeil De la drosophile à la souris, 7 gènes contrôlent la formation de lœil : Le premier est le gène EY qui active en cascade les facteur de transcription Expérimentalement lexpression de EY ailleurs, par exemple dans une patte déclenche la formation d un œil ectopique Œil ectopique

45 Développement de laxe du corps de la drosophile Le cytoplasme de lœuf contient des ARNm et protéines maternels de concentration inégale : Ainsi se forment des structures qui délimitent les régions antérieure, postérieure, dorsale et ventrale, début dune segmentation Ensuite interviennent successivement 3 groupes de gènes de segmentation qui divisent lembryon en une série de bandes : -Les gènes Gap -Pair rule -et les gènes de polarité segmentaire Puis entreront en jeu les gènes homéotiques

46 Les gènes Hox sont localisés de façon contigue sur les chromosomes et sexpriment successivement selon leur ordre de localisation Chromosome3 Complexe antennapedia Complexe bithorax Les gènes homéotiques : Le complexe antennapedia comporte 5 gènes dirigeant la structure de la tête et des 2 premiers segments thoraciques Le complexe bithorax comporte 3 gènes qui organisent la structure de la région postérieure du second segment thoracique, du 3° segment thoracique et des segments abdominaux.

47 Les gènes de laxe antéro postérieur se retrouvent dans tout le règne animal 4 groupes de gènes Hox Lhomme et les vertébrés possèdent 4 groupes de gènes Hox De longs segments dADN non codants contrôlent lexpression de chaque gène du développement par lintermédiaire de protéines régulatrices Au total seulement une centaine de gènes contrôlent le développement embryonnaire de la drosophile

48 ADN : Différences inter humaines, les SNIPS En moyenne différence de 3 millions de bases, soit 1/1000 USA AfricainsEuropéens Mexicains Européens Asiatiques Africains

49 Les frontières entre l'inerte et le vivant prêtent à discussion , les nanobactéries Didier Raoult , les prions Stanley Prusiner Prion

50 Mode daction des enzymes

51 Aujourd'hui pour les scientifiques la vie est un phénomène physico-chimique Erwin Schrödinger La vie :"Un cristal apériodique" "La vie est un système autoentretenu, capable d'évolution Darwinienne"

52 Cycle dun rétrovirus : Virus à ARN monobrin Transcriptase inverse : ARN vers ADN Intégration de lADN dans le chromosome

53 ARN de transfert


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