UIC I Génétique - Cours 4 L’EXPRESSION GENIQUE

I – L’expression Génique Généralités Deux processus correlés fonctionnels : la transcription et la traduction Nécessitent : un système de transfert de l’information génétique du noyau vers le cytoplasme un code génétique. REPLICATION Transcription Traduction ADN ARNm PROTEINES

I – L’expression Génique A/ La transcription 1) Le mécanisme La copie d’un segment limité de la molécule d’ ADN. transcription se produit sur une seule chaîne de la molécule d’ADN. La chaîne transcrite a toujours la polarité 3' → 5'. La chaîne transcrite = matrice pour ARNm (T→A, G→C, C→G, A→U). La molécule d’ARNm → polarité et séquence nucléotidique identique avec la chaîne d’ADN non transcrite. La chaîne nontranscrite = la chaîne sens, la chaîne transcrite = la chaîne antisens.

I – L’expression Génique A/ La transcription 2) La synthèse du transcrit primaire L’initiation de la transcription - dans la région promotrice du gène, par l’attachement des facteurs protéiques de la transcription. FP ARN-polymérase II TATA ATAT TBP L’INITIATION DE LA TRANSCRIPTION

I – L’expression Génique A/ La transcription 2) La synthèse du transcrit primaire L’attachement de l’ARN-polymerase II → L’attachement de l’ADN-hélicase → scission des liaisons hydrogène. La croissance de la chaîne de l’ARNm en direction 5’ → 3’ → la formation des liaisons estériques entre ribose et l’acide phosphorique. Se copie exons + introns → le transcrit primaire ou préARNm. La fin de la transcription – site AATAAA (en aval du dernier exon) → l’arrêt 18-20 pb en aval (zone riche en pb GC)

UNITE TRANSCRIPTIONELLE La synthèse de préARNm Exon 1 Intron 1 Exon 2 Intron 2 Exon 3 GT--- ----------------AG GT---------------AG GENE Promotor TRANSCRIPŢIE Exon 1 Exon 2 Exon 3 TRANSCRIT PRIMAIRE GU---------------------AG GU--------------AG COUPER AU NIVEAU Découpage des introns Découpage des introns GU---------------------AG GU --------------AG EPISSAGE ARN MATURE

I – L’expression Génique A/ La transcription 3) Maturation du preARNm en région 5’ de la molécule est attaché un reste de 7-méthylguanine → résistance à l’action des ribonucléases; Une ribonucléase sectionne le préARNm a 11-30 nucleotides en aval du site AAUAAA → l’attachement du polyA-polymérase → l’attachement de plusieurs nucléotides avec adénine (50-250) → “queue polyadenylique“ → la stabilisation du préARNm pendant le transport du noyau vers le cytoplasme

I – L’expression Génique A/ La transcription 3) Maturation du préARNm épissage Les extrémités des introns sont coupées + élimination des introns → attachement des exons; Les balises dinucléotidiques des introns: GU et AG sont reconues par les enzymes; Le découpage enzymatique; L’exclusion des introns; L’attachement des séquences exoniques.

UNITE TRANSCRIPTIONELLE Exon 1 Intron 1 Exon 2 Intron 2 Exon 3 GT--- ----------------AG GT---------------AG GENE Promotor TRANSCRIPŢIE Exon 1 Exon 2 Exon 3 TRANSCRIT PRIMAIRE GU---------------------AG GU--------------AG COUPER AU NIVEAU Découpage des introns Découpage des introns GU---------------------AG GU --------------AG EPISSAGE La maturation du preARNm ARN MATURE

2 zones netraduites laterales 1 region centrale traduite I – L’expression Génique A/ La traduction 1) L’appareil de la traduction ARNm mature Ribosomes ARN de transfert Proteines Sources energetiques 2 zones netraduites laterales 1 region centrale traduite 5’UTR Sequence traduite 3’UTR 7-CH3-G―――――― AUG――――――――———―UAA―——―――---AAAAA

Complexe macromoléculaire (ARNr + protéines) I – L’expression Génique A/ La traduction 1) L’appareil de la traduction Ribosomes Complexe macromoléculaire (ARNr + protéines) Se forme au debut de la translation Sous-unité petite (30S) + sous-unité grande (50S) → le ribosome actif (70S): site de fixation pour ARNm; site aminoacile site peptidile site de sortie

L’attachement spécifique des acides aminés I – L’expression Génique A/ La traduction 1) L’appareil de la traduction ARNt 40 types, 80 nucléotides, Deux fonctions: L’attachement spécifique des acides aminés Le dépistage du codon qui correspond aux acides aminés deux sites fonctionels: aminoacile et anticodon

Facteurs régulateurs: I – L’expression Génique A/ La traduction 1) L’appareil de la traduction Protéines Facteurs régulateurs: Des facteurs spécifiques pour l’initiation (IF – initiation factor), Des facteurs d’élongation (EF – elongation factor) Des facteurs libérateurs (RF – release factor). Enzymes: aminoacile-ARNt-synthétase, peptidyle transférase translocase,

L’acide adénosine-triphosphorique (ATP) I – L’expression Génique A/ La traduction 1) L’appareil de la traduction Sources énergétiques L’acide adénosine-triphosphorique (ATP) L’acide guanosine-triphosphorique (GTP)

I – L’expression Génique A/ La traduction 2) Le Code Génétique Un système de correspondance entre une succesion de 3 nucléotides dans la structure d’une molécule d’ARNm et un aminoacide de la structure du peptide synthétisé à la base de l’information génétique de la molécule d’ARNm Caractéristiques: triplet sans équivoque dégénéré Quelques codons spéciaux: AUG; UAA, UAG, UGA Sans “signes de ponctuation” Sans superposition universel

Le mouvement vers l’extremité 3’ de l’ ARNm → codon d’initiation AUG I – L’expression Génique A/ La traduction 2) Les étapes de la Traduction L’initiation aminoacile-ARNt-synthétase + ATP → l’activation des complexes aminoacile-ARNt; La fixation du complexe méthionyl-ARNt a la petite sous-unité du ribosome (40S); Le mouvement vers l’extremité 3’ de l’ ARNm → codon d’initiation AUG L’attachement de la grande sous-unité du ribosome (60S) → sites fonctionnels: aminoacile, peptidyl et de sortie

L’attachement sur le site peptidyl, du complexe aminoacide2-ARNt; I – L’expression Génique A/ La traduction 2) Les étapes de la Traduction L’élongation L’attachement sur le site peptidyl, du complexe aminoacide2-ARNt; Peptidyltransférase → transfère la méthyonine sur l’aminoacide2 → formation du dipeptide attaché au site peptidyl; Translocase → mouvement du ribosome avec trois nucléotides, en direction 5’→3’→: Dipeptide → site aminoacile; Site peptidyl libre → fixation de l’aminoacide3 Répétition du cycle d’élongation

site peptidil → codon stop → fixation du facteur de libération I – L’expression Génique A/ La traduction 2) Les étapes de la Traduction La fin site peptidil → codon stop → fixation du facteur de libération Le détachement du complexe peptidil-ARNt → passage au cytoplasme → désassemblage → libération du peptide; Désassemblage du ribosome → 40S + 60S Destruction de l’ARNm

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE Information héréditaire se transmet dans la succesion des générations – des cellules et organismes – en deux étapes: la réplication semiconservative = la biosynthèse de nouvelles molécules d’ADN identiques avec la molécule initiale → le doublement de la quantité d’ADN; la division cellulaire = la distribution égale, totale et précise du matériel génétique double. 19

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE La réplication de l’ADN La synthèse des deux molécules d’ADN identiques par la copie d’une molécule d’ADN (parentale) = re(du)plication. Parce que les deux chaînes de l’ADN parental se séparent et chaque molécule synthétise une chaîne parentale et une chaîne nouvelle – la réplication est semiconservative. 20

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE A/ Réplication de l’ADN Le mécanisme de copiage et transmission de l’information génétique a ete presume par Watson et Crick : Chaque chaîne de l’ADN est utilise comme matrice pour la synthèse d’une nouvelle chaîne: Les desoxiribonucleotides actives se disposent complémentaire (A-T, G-C), en direction 5’→3’, et sont polimerises, en presence de l’ADN polymérase. 21

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE A/ Réplication de l’ADN Chez les eucaryotes la réplication: Est tres complexe – parce que le genome est: enorme (+ fragmente en chromosomes) associe avec des proteines, compacté en fibre de chromatine Est tres precise: Pendant la phase S du cycle cellulaire, rapide (la phase S = 8 heures), Avec grande fidelite – rarement de erreurs = mutations → maladies. 22

La deroulement de la spirale de l’ADN ← topoisomerases; II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE B/ Le Début de la Réplication ori Le réplication commence en plusieurs points, bien definis du genome = des origines de la réplication (“ori”), Elles sont reconnues par les proteines qui commencent la réplication (le complex pre-RC) qui facilitent: La deroulement de la spirale de l’ADN ← topoisomerases; La rupture des liasons de hydrogene ← helicases → “des fourches” de réplication; La maintenance de la separation des chaînes ← les proteines SSB (ou RPA) → qui previennent la refection de la spirale Helicaze ori Proteine SSB 23

la réplication des replicons differents est asynchrone II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE B/ Le Début de la Réplication commencant des “origines” la réplication progresse bidirectionnelle = les replicons la réplication des replicons differents est asynchrone (l’euchromatine – R précoce; heterochromatine → R tardive) 24

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE C/ L’élongation Elle correspond a la formation du répisome et la synthèse de la chaîne d’ADN en sens 5’→3’, par ADN polymérase ADN polymerase ne peut pas commence la synthèse ci seulement étend la chaîne de l’acide nucleique – ajoutant des désoxyribonucleotides complémentaires a la chaîne matrice La solution: la synthèse d’une amorce de l’ARN (“primer”) par la primase amorce 25

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE C/ L’élongation Les deux chaînes matrices sont copiées Par l’arrangement sequentiel et complémentaire des désoxyribonucloetides actives, en direction 5’→3’ Et la polymerisation des désoxyribonucloetides 26

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE C/ L’élongation Parce que les chaînes matrices sont antiparalleles, la synthèse des nouvelles chaînes (en direction 5’→3’) se produit differemment : Sur la chaîne 3’→5’ (“directe” ou “precoce”) la synthèse est continue et rapide (en meme temps avec la formation de la fourche de réplication); Sur l’autre chaîne (5’ →3’, “indirecte” ou “retardee”) la synthèse est discontinue (en fragments courts = les pieces Okazaki) et lente; 27

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE D/ La fin de la réplication La réplication s’arrete quand les fourches des réplication (des deux replicons voisins) se rencontrent ou quand une fourche de réplication rencontre un signal de terminaison (“ter”) La réplication des bouts de l’ADN (qui forment les telomeres des chromosomes) est incomplete (!!!) L’elimination de la derniere amorse produit au bout 5’ de la chaîne nouvelle une petite region sans réplication 28

II - TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE PAR LA DIVISION MITOTIQUE Dans les cellules somatiques, le materiel génétique doublé en interphase, se distribue egalement et totalement aux cellules filles, par MITOSE. Resulte deux cellules nouvelle („filles”), identiques avec la cellule d’origine („mere”). 29

III - LE CYCLE CELLULAIRE L’ensemble de phenomenes par qui une cellule replique le materiaux génétique et transfere ce materiaux aux cellules filles CC → interphase (phase G1, S, G2) et mitose (phase M) → vois TP L’evolution des cellules apres la division: La proliferation: le commencement d’un nouveau cycle cellulaire; La differenciation cellulaire; Le repos proliferatif - phase GO 30

III – LE CYCLE CELLULAIRE La mitose La mitose assure: Le croissance de l’organisme (1014 cellules) Le changement cellulaire La reparation des lesions tissulaires La mitose → transmission tres fidele de l’information génétique en succesion des generations cellulaires → toutes les cellules somatiques sont génétiquement identiques. Les phases de mitose: P, PM, M, A, T → cf TP P M T A 31

III – LE CYCLE CELLULAIRE La mitose Le reglage de la mitose la distribution corecte du materiaux génétique est verifiee en 3 points de controle: Transition G2/M – se decide si la cellule entre en mitose → l’activation du complex CDC-cycline B; des anomalies chromosomiques /appareil mitotique → bloquage en G2 Metaphase → se verifie l’alignement parfait du chromosome dans la plaque metaphasique → la deterioration des proteines qui rassemblent les chromatides → la disjonction chromatidienne Anaphase → l’inactivation de la cycline B → le fin de la mitose P M T A 32

III – LE CYCLE CELLULAIRE La mitose Des erreurs de distribution du materiaux génétique en mitose La non-disjonction chromatidienne Le retard anaphasique des anomalies Le clivage transversal de la centromerei chromosomiques L’absence de la cytokynese (cf TP) Consequences: les cellules viables avec des anomalies chromosomiques produitent une clone anormale → MOSAIQUE CHROMOSOMIQUE Les effets depend de: Le moment ontogénétique – en qui se produit l’erreur, La distribution des clones en differents tissues. 33

U.M.F IAŞI IV - LA TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE EN SUCCESION DES ORGANISMES Deux etapes: A/ La formation des gametes = gamétogenèse B/ La fecondation A/ LA GAMETOGENESE La formation des gametes par meiose. La meiose = deux divisions succesives, ne separees par interphase (l’ADN se replique un seul fois), qui generent 4 cellules haploides, differents génétiques La meiose I – primaire; reductionnelle; La meiose II – secondaire; equationnelle Fonctions: Coupe en deux (n=23) le nombre des chromosomes; genere diversite / variabilite génétique 34

Zygotene: la synapse “gene au gene” des chromosomes homologues; IV - LA TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE EN SUCCESION DES ORGANISMES A/ La Gamétogénèse 1/ La meiose primaire PROPHASE I Leptotene Zygotene: la synapse “gene au gene” des chromosomes homologues; Pachitene Diplotene Diacynese METAPHASE I le croisement des chromosomes homologues (CO) → l’echange reciproque des fragments egales = la recombinaison genique homologue ou la recombinaison intra-chromosomique → source de variabilite

ANAPHASE I: La disjonction chromosomique + la migration (simultane et avec la meme vitesse) → la reduction des nombres des chromosomes: 2n →n. La segregation aleatoire de chaque paire des chromosomes homologues → l’assortiment independent des chromosomes (la recombinaison inter chromosomique) → source majeure de variabilite (223 combinaisons) TELOPHASE I 36

Erreurs de segregation (distribution) anaphasique des chromosomes IV - LA TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE EN SUCCESION DES ORGANISMES A/ La Gamétogénèse 2/ Les erreurs méiotiques Erreurs de segregation (distribution) anaphasique des chromosomes Erreurs de recombinaison genique ← CO inequitable 37

par CO → l’échange inégal des segments CO INEGAL: L’appareillement erroné des séquences similaires (mais pas homologues), situées par les chromosomes homologues (RECOMBINAISON HOMOLOGUE NONALLELIQUE) par CO → l’échange inégal des segments → délétions et duplications géniques → MALADIES GENOMIQUES. Maladie Charcot-Marie-Tooth = neuropatie héréditaire avec l’affection des nerfs moteurs et sensitifs (1:2500nn) Neuropatie héréditaire avec predisposition aux pareses presionnelles

Erreurs de segregation anaphasique des chromosomes U.M.F IAŞI IV - LA TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE EN SUCCESION DES ORGANISMES A/ La Gamétogénèse 2/ Les erreurs méiotiques Erreurs de segregation anaphasique des chromosomes → des gametes avec des anomalies chromosomiques La non-disjonction: chromosomique (en meiose I) → tous les gametes anormaux chromatidienne (en meiose II) → un demi des gametes anormaux. Le retard anaphasique L’absence de la separation des cytes de l’ordre II → des gametes diploides (la diandrie /la digynie) → des zygotes avec triploidie (3n) 39

ND est frequent en ovogenese, surtout en MI (92% enfants avec S. Down) IV - LA TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE EN SUCCESION DES ORGANISMES A/ La Gamétogénèse 3/ La Non-disjonction (ND) ND est frequent, surtout en meiose maternelle → 8% des zygotes ont des anomalies chromosomiques, la plupart letales → 0,7-1% nn ND est frequent en ovogenese, surtout en MI (92% enfants avec S. Down) Le risque ND augmente avec la croissance de l’age materne (surtout apres 35 annes) ND paternelle produit la trisomie XYY et 70% de sdr. Turner Les causes ND ??? L’effet de l’age materne est cert (“les ovules ont l’age de la femme) mais la cause est inconnuee Les facteurs externes (les radiations, les infections, les medicaments, le cafe, l’alcool etc) ne presentent aucun role

V - LES CARACTERISTIQUES DES GAMETOGENESE CHEZ HOMME ET FEMME Commence a la puberte Est continue toute la vie. Une spermatogonie → 4 spermatoz. avec X ou Y Un processus rapide – 64 jours. Un processus intense (70 mil. S/ml) Autoreglable mais sensible aux facteurs externes L’age paternel ↑ → erreurs de copiage → ↑ gametes avec mutations geniques nouvelles (AD) FEMME Commence prenatal. Est discontinue – s’arrete mois VII de la grossesse (“capital” limite des ovocytes) Une ovogonie → 1 ovule avec X Un processus lent – (les “ovules ont l’age de femme”). Un processus reduit (1 ovule / mois) Conditionee par: facteurs hormonales, ovulation, fecondation L’age maternel ↑→ erreurs de distribution → ↑ gametes avec des anomalies chromosomiques 41

Evenements génétiques: (1) chez zygote: IV - LA TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE EN SUCCESION DES ORGANISMES La fécondation Monospermique Evenements génétiques: (1) chez zygote: - se refait le nombre diploide des chromosomes (2n=46) - s’etablie l’identite génétique de l’organisme (2) Se determine le sexe génétique: XX ou XY (le rapport des sexes a la naissance est ~ 1:1) 42

(1). La fecondation double: - zygotes: IV - LA TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE EN SUCCESION DES ORGANISMES La fécondation ERREURS: (1). La fecondation double: - zygotes: (2) la dispermie : n + n + n → triploidie XX XY JUMEAUX DIZYGOTES CHIMERE 43