Chapitre 1 les cellules et leur génomes

Les caractères universels de la vie sur terre Toute organisme vivant est fait de cellules Remarquable variété des caractères individuels Remarquable constance des mécanismes fondamentaux

…il existe 10 principes universels de la vie sur terre Toutes les cellules conservent l’information héréditaire sous la même forme: le code chimique linéaire de l’ADN Toutes les cellules reproduisent leur information génétique par polymérisation complémentaire Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la même forme intermédiaire: le RNA Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs Toutes les cellules traduisent leur RNA en protéine de la même manière

10 principes universels de la vie sur terre Le fragment de l’information génétique correspondant à une protéine est un gène La vie a besoin d’énergie libre Toutes les cellules fonctionnent comme des usines biochimiques qui utilisent toutes les mêmes composants moléculaires de base Toutes les cellules sont limitées par une membrane au travers de laquelle les aliments et les déchets doivent passer Une cellules peut vivre avec moins de 500 gènes

Structure de l’ADN 1. L’ADN est fait de sous-unités simples phosphate sucre base Sucre phosphaté nucléotide 2. Brin d’ADN: nucléotides reliés par des liaisons sucre-phosphate 3. Polymérisation complémentaire d’un nouveau brin d’ADN Nucléotide monomeres

3. Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la même forme intermédiaire: le RNA Les cellules utilisent leurs archives pour guider la synthèse des autres molécules de la cellule en passant par deux étapes Synthèse de DNA replication Information linéaire sur polymères nucléotidique - desoxyribonucléotides ADN - ribonucléotides ARN d’acides aminés protéines Synthèse de l’ARN transcription 1 Synthèse protéique translation 2

3. Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la même forme intermédiaire: le RNA Les cellules doivent utiliser leurs archives pour guider la synthèse des autres molécules de la cellule en passant par deux étapes DNA double brin: archive transcription brin utilisé comme matrice pour la synthèse de l’ARN Production de nombreuses copies identiques d’ARN Transcrits, porteuses d’information

4.Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs protéine = chaîne polymérique non-branchée constituée d’acides aminés Protéine = polypeptide Acides aminés H2N C COOH H R Carbone alpha Groupement amine Groupement carboxyl chaîne latérale: il existe 20 chaînes latérales différentes

Les protéines sont des polypeptides Chaines latérales Squelette polypeptidique Extrémité C-terminal Extrémité N-terminal Liaisons peptidiques

Le fonctionnement des ribosomes chaîne polypeptidique s’allongeant Etape 1 ARNt chargé d’un aa Etape 3 ARNm 2 sous-unités du ribosome Etape 2 Etape 4

Formation d’une membrane par l’aggrégation de molécules amphipathiques monocouche de phospholipides bi-couche phospholipidique

La vie peut utiliser différentes formes d’énergie libre énergie chimique inorganique énergie solaire lithotrophique phototrophique bactéries (p. ex des fonds marins) algues, plantes bactéries énergie organique organotrophique

Bactéries lithotrophiques des fonds marins basalte chaud solution minérale chaude communauté d’invertébrés eau chaude riche en minéraux H2S, Fe++ CO, Mn++, Ni++, CH2 NH4+ bactéries anaérobiques lithotrophiques cheminée hydrothermique ( métaux soufrés) 2-3°C plancher de l’océan 350°C infiltration d’eau

L’arbre de vie à 3 branches homme maïs levure cellule ancestrale commune 1 différence/ 10 nucléotides

PROKARYOTES EUKARYOTES 1. membrane nucléaire absente présente 2. taille des cellules petite grande 3. paroi cellulaire rigide membrane souple 4. génome génome compact 106 - 107 pb 1000- 4000 gènes large génome 6000 – 30000 gènes 5. organisation intracellulaire pas de compartiments cellulaires compartiments cellulaires et cytosquelette 6. organismes unicellulaire (unicellulaires= protistes) pluricellulaires

Apparition de gènes et évolution des génomes Les nouveaux gènes sont formés à partir de gènes pré-existants La duplication de gènes donne naissance à une famille de gènes semblables dans une cellule Les gènes peuvent être transmis d’un organisme à l’autre L’échange horizontal d’information génétique dans une espèce est réalisée par la reproduction sexuée

1. Les nouveaux gènes sont formés à partir de gènes pré-existants génome original innovation génétique MUTATION INTRAGENIQUE DUPLICATION DE GENE REARRANGEMENT DE SEGMENTS GENIQUES

Duplication de gènes à l’intérieur d’une espèce Organisme ancestral Organisme ancestral SEPARATION EN 2 ESPECES DISTINCTES DUPLICATION GENIQUE ET DIVERGENCE Organisme ancestral plus tardif espèce A espèce B Gènes A et B sont orthologues Fonction conservée Gènes A et B sont Paralogues Fonctions divergentes

Rôle du transfert horizontal de gènes au début de l’évolution Transfert fréquent des gènes dans la communauté de cellules primordiale archaebactéries eubactéries eukaryotes Cellules modernes, échangeant Rarement des gènes

>200 familles de gènes sont conservées parmi les vivants des 3 branches de « l’arbre de vie » La fonction d’un gène est souvent prévisible par l’analyse de sa séquence La fonction d’un gène se révèle par ses mutations (approches génétique et biochimique) En comparant les génomes de 2 archaebactéries, de 2 eubactéries, et d’un eukaryotes, on identifie 239 familles de gènes conservées Translation: 61 Transport/métabolisme des aa : 40

La mitochondrie descend d’une eubactérie aérobique phagocytée par une cellule eukaryote anaérobique cellules eucaryote ancestrale anaérobique cellule eucaryote primitive membrane interne noyau mitochondrie avec double membrane bactérie aérobique -1.5 109 années

cellule eucaryote primitive Le chloroplaste descend d’une eubactérie photosynthétique phagocytée par une cellules eukaryotes aérobique cellule eucaryote primitive aérobique cellule eucaryote primitive capable de photosynthèse chloroplastes bactéries photosynthétique 02 + CO2 sucres Lumière du soleil

cellule eucaryote primitive dépend de matière organique membrane souple déplacement capture CHASSE cellule végétale photosynthèse paroi rigide immobile ELEVAGE cellule de champignon/levure dépend de matière organique membrane relativement rigide capture immobile PARASITE

Différences entre les génomes Prokaryotes (eubactéries) Eukaryotes (homme) Taille du génome 109 paires de bases X1000 Nombre de gènes 1.500 30.000 X20 ADN non codant 11% 98.5% X 10.000

Prokaryote modèle: E coli classe eubactérie avantage Croissance rapide sur milieu simple génome Circulaire 4.6 megabases # gènes 4300 information compacte origine de replication E coli 4.639.221 nucléotides fin de replication

Une levure comme modèle eukaryote minimal: Saccharomyces cervisiae classe champignon avantage Croissance rapide sur milieu simple taille du génome 12.6 megabases # de gènes 6.300 information compacte utilité Division cellulaire noyau paroi cellulaire mitochondrie

Modèle de plante: Arabidopsis thaliana classe plante avantage milliers de pousses en 8-10 semaines taille du génome 140 mégabases # de gènes 26.000 information +/- compacte utilité représentatif des plantes à fleur

Le monde animal est représenté par un vers, une mouche, une souris et l’homme classe mammifère avantage Reproduction rapide médecine, évolution,… taille du génome 3.2 gigabases # de gènes 30.000 information Duplications++ ADN non-codant+++ utilité Phénotype des mutations

les cellules et leur génomes résumé Toute organisme vivant est fait de cellules Remarquable constance des mécanismes fondamentaux: 10 principes essentiels Remarquable variété des caractères individuels: Les génomes évoluent l’arbre de vie à 3 branches La comparaison des génomes révèle le rôle des gènes, le fonctionnement des organismes et la relation évolutive des espèces