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Introduction à la bioinformatique. Biologie in situEnvironnement naturel Biologie in vivo Organisme entier Biologie ex vivo Niveau cellulaire Biologie.

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1 Introduction à la bioinformatique

2 Biologie in situEnvironnement naturel Biologie in vivo Organisme entier Biologie ex vivo Niveau cellulaire Biologie in vitroNiveau moléculaire Biologie in silicoBioinformatique La Bioinformatique: définition

3 La bioinformatique : définition Bioinformatique = biologie théorique Ensemble des concepts et techniques nécessaires pour interpréter: - linformation génétique (manipulation de séquences) - linformation structurale (repliement 3D) C est le décryptage de la bio- information

4 - Effectuer la synthèse des données disponibles - Énoncer des hypothèses généralisatrices - Formuler des prédictions Le but de la bioinformatique Bioinformatique = traitement numérique des informations + approche théorique

5 - Acquisition des données: instrumentation, robotique - Archivage des données: bases de données - Consultation des données: interfaces utilisateurs Domaines de linformatique traditionnelle utilisés par la génomique Mais pas impliqués dans la découverte de nouveau concepts en biologie Ce que nest pas la bioinformatique

6 Ce quest la bioinformatique Analyse de linformation biologique Linformation est: La séquence (ADN, ARN et Protéine) La structure (primaire, secondaire etc.) La fonction ( fonction moléculaire ex: enzyme; composant cellulaire ex: protéine membranaire; processus biologique ex: transport doxygène) Les interactions (protéines, voies métaboliques, réseaux de gènes)

7 Les axes privilégiés de la bioinformatique La formalisation de l'information génétique L'analyse des séquences (biomolécules) et de leur structure (notamment, structure 3D) L'interprétation biologique de l'information génétique L'intégration des données (établissement de cartes et de réseaux d'interactions géniques, d'interactions protéiques...) La prédiction fonctionnelle

8 Les méthodes de la bioinformatique Méthode comparative : comparaison des séquences ou structures inconnues avec les bases de données (séquences et structures) de gènes et de protéines connues pour établir des rapprochements (similarités, homologies ou identités). Méthode statistique : Des logiciels appliquent des analyses statistiques aux données (sur la syntaxe des séquences) pour tenter de dégager et de repérer des règles et des contraintes présentant un caractère systématique, régulier ou général. Approche par modélisation Approche probabiliste. Elle consiste à étudier les objets (ex. : séquences, structures, motifs, etc.,...) à travers la construction d'un modèle qui tente d'en extraire les propriétés communes. La relation entre les objets d'étude (et/ou leur reconnaissance) est alors exprimée en référence à ce modèle optimal commun.

9 La mission du bioinformaticien Leur formation première peut être la biologie, les mathématiques ou l'informatique et ils ont suivi une formation complémentaire dans "l'autre domaine". Leur fonction est: mettre en œuvre les méthodes et en automatiser le traitement nourrir la recherche en biologie des résultats de ces analyses réduire les problèmes posés par les biologistes en termes accessibles aux mathématiciens et informaticiens participer à l'élaboration de nouvelles méthodes

10 Biologie: science molle Biologie = science empirique pas théorique dans le monde du vivant : rien n'est totalement prévisible rien n'est totalement reproductible Ce qui s'est produit à l'instant t ne se produira pas nécessairement à l'instant t+1. rien n'est constant Le temps fait évoluer l'objet vivant dans sa forme et dans ses fonctions de manière irréversible. l'identité totale de deux objets biologiques n'existe pas Deux individus à l'intérieur d'une même espèce ne sont jamais identiques, pas même à l'intérieur d'un couple de jumeaux.

11 Biologie : étude du dynamique Même si elle intègre la notion d'objet (une cellule, un individu, une population), elle repose fondamentalement sur l'étude des liens, des interactions et des régulations dynamiques qui organisent les objets entre eux dans le temps et dans l'espace, à l'intérieur d'un système d'un niveau de complexité supérieur

12 Révolutions dans la biologie Les lois de Mendel (1866): Mendel est un des pionniers de la bioinformatique : un des premiers à construire une théorie biologique nouvelle à partir d'une analyse statistique. La mise en évidence des chromosomes comme support cellulaire de l' hérédité et de l' information génétique par Morgan (1913). Les découvertes de la structure en double hélice de l' ADN par James Watson et Francis Crick (1953), puis du mécanisme de la régulation génétique impliqué dans le dogme central de la biologie moléculaire, énoncé initialement par Crick et révélé par Jacques Monod, François Jacob et André Wolf (1965).

13 La séquence : élément fondateur du puzzle du vivant La séquence, linéaire, chaîne de caractères basée sur un alphabet de quatre caractères (les nucléotides) dont la combinaison donne sa spécificité (espèce, gène..). La séquence est stable dans l'espace et présente des propriétés d' hybridation et de dénaturation à haute température qui en font un objet biologique expérimental de qualité : elle peut être extraite, manipulée et synthétisée in vitro. La séquence est relativement stable dans le temps. Les changements qui l'affectent (mutations, délétions, substitutions) peuvent être utilisés comme une mesure quantitative de l'évolution. Elément fondateur de la biodiversité et de la complexité du vivant : l' ADN est le support biologique commun à presque tous les êtres vivants Le code génétique, avec lequel les protéines seront codées à partir de la séquence nucléique, est (à quelques codons près...), universel.

14 Les biotechnologies Domaine dapplication privilégié de la bioinformatique Pour la médecine & santé publique: –Diagnostique –Pharmacogénomique (pharmacogenetique&toxicogenétique) –Thérapie génique –Vaccins –Empreintes génétiques Pour lagroalimentaire –Résistance aux pesticides, aux pathogènes, aux insectes –Tolérance au stress environnementaux –Rendements et qualité Pour lenvironnement –Lutte contre les pollutions chimiques ou biologiques (traitements de l'eau, des sols, des déchets) –Nouvelles sources d'énergie –Préservation de la biodiversité

15 Notions essentielles de biologie

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18 Schéma dune cellule eucaryote

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20 Origines évolutives

21 Les quatre familles de molécules

22 Composition dune cellule bactérienne

23 Assemblages de molécules Exemple du ribosome

24 Quel est le support de lhérédité?

25 Structure de lADN

26 Liaisons hydrogènes de l ADN

27 Liaison hydrogènes de lADN

28 Modèle moléculaire dADN

29 Gènes?! Génome ?!?!?!

30 Génome humain

31 Constitution du génome

32 Organisation du génome

33 Quest ce quun gène? Gène protéique: code pour une protéine Gène régulateur: participe aux mécanismes de maintien du génome Géne non traduits: produit un ARN fonctionnel

34 Structure dun gène protéique eucaryote Zone Régulatrice = Promoteur Zone transcrite Site dinitiation de la transcription

35 TATA AMPLIFICATEUR PROMOTEUR BASAL pdb 40 pdb 0-20 kb Structure dun promoteur PROMOTEUR DISTAL Région régulatrice Région Codante

36 Structure de la partie codante AMPLIFICATEUR pdb Région régulatriceRégion codante Exon Intron

37

38 Dogme central de la biologie moléculaire ADN ARN ARNm protéine TranscriptionMaturationTraduction MatriceADNARN EffecteurARN polTrès variéesRibosome ProduitARNARNmProtéine

39 Lexpression dun gène Eucaryotes Procaryotes

40 Expression dun gène eucaryote exon1 exon2exon3 intron2intron1 exon1 exon2 exon3 intron2 intron15UTR 3UTR exon1 exon2 exon3 5UTR

41 Initiation de la transcription

42 Elongation de la transcription

43

44 Maturation du transcrit primaire

45 Polyadénylation

46 Structure de lARN intermédiaire

47 Epissage du messager

48 Traduction

49 Code génétique

50 Code génétique bis

51 LARN de transfert

52 Initiation de la traduction

53 Incorporation dun acide aminé

54 Translocation du ribosome

55 Elongation de la traduction

56 Terminaison de la traduction

57 Polyribosome

58 Structure de lARNm

59 Stabilité du messager

60 Code dégénéré

61 Contrôle de lexpression dun gène ADN ARN primaire ARNm Protéine inactive Noyau Cytoplasme Contrôle de la transcription Contrôle de la maturation Contrôle de la traduction Contrôle de lactivité Pore nucléaire Enveloppe nucléaire

62 Comment fonctionne le génome Quelle est lorganisation du génome? Comment est lue linformation contenue dans le génome? Mise en place du programme génétique

63 Organisation des gènes dans les organismes

64 Paradoxe !!!!

65 Complexité du génome Humain Taille Mb pour gènes Nature répétitive –Séquences répétées localement ADN satellite –Séquences répétées dispersées SINES (Short Interspersed Repeated Sequences) –Ex: ALU, 300 pb tous les 6000 nucleotides LINES (Long Interspersed Repeated Sequenes) –Ex: L1, 5 kb, copies dans génome Rôle de lADN non génique ??? –Régulation globale de lexpression des gènes –Nucléosquelette

66 Epissages alternatifs

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69 Initiation de la transcription Répresseur Activateurs FT Promoteur basal Facteurs dinitiation RNA Pol II Région codante Coactivateurs

70 Régulation du niveau dexpression des gènes

71 Interaction protéine -ADN

72

73 Localisation des éléments régulateurs


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