L'information génétique Chapitre 4 L'information génétique Gilles Bourbonnais Cours compensateurs Université Laval

1. Information génétique 50% du poids sec de la plupart des cellules = protéines Protéine = polymère (chaîne) d'acides aminés Insuline

Chaque protéine est caractérisée par sa séquence d'acides aminés. Ex. le lysozyme (130 AA) LYS VAL PHE GLU ARG CYS GLU LEU ALA ARG THR LEU LYS ARG LEU GLY MET ASP GLY TYR ARG GLY ILE SER LEU ALA ASN TRP MET CYS LEU ALA LYS TRP GLU SER GLY TYR ASN THR ARG ALA THR ASN TYR ASN ALA GLY ASP ARG SER THR ASP TYR GLY ILE PHE GLN ILE ASN SER ARG TYR TRP CYS ASN ASP GLY LYS THR PRO GLY ALA VAL ASN ALA CYS HIS LEU SER CYS SER ALA LEU LEU GLN ASP ASN ILE ALA ASP ALA VAL ALA CYS ALA LYS ARG VAL VAL ARG ASP PRO GLN GLY ILE ARG ALA TRP VAL ALA TRP ARG ASN ARG CYS GLN ASN ARG ASP VAL ARG GLN TYR VAL GLN GLY CYS GLY VAL Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA)

On connaît actuellement ~ 10 000 protéines différentes. On en découvre une centaine de nouvelles par mois. Nombre total de protéines que peut fabriquer l'organisme humain = ??? (quelque chose entre 30 000 et 150 000).

2. Structure de l’ADN Chaque cellule fabrique les protéines dont elle a besoin. Pour fabriquer une protéine, il faut deux choses: Des acides aminés. La recette: quels acides aminés il faut assembler et dans quel ordre. Où sont les recettes ???

ADN = recettes des protéines "Recettes" contenues dans le noyau Noyau contient une matière appelée chromatine Chromatine = mélange de protéines appelées histones et d'ADN (environ moitié-moitié) ADN = recettes des protéines

Acide DésoxyriboNucléique Crick et Watson, 1953 Découverte de la structure de la molécule d'ADN Acide DésoxyriboNucléique ADN = polymère de nucléotides Il y a quatre sortes de nucléotides : A, T, C et G

NUCLÉOTIDE (4-5) Base azotée Groupement phosphate Sucre : désoxyribose

Base azotée Désoxyribose Phosphate

Il y a quatre sortes de bases azotées: A, T, C et G

DONC quatre sortes de nucléotides: A, T, C et G Les nucléotides peuvent se lier les uns aux autres par leur sucre (désoxyribose) et leur groupement phosphate.

Erwinn Chargaff (1947) Si on sépare une molécule d'ADN en nucléotides, on obtient toujours: A = T et C = G Il peut y avoir plus de AT que de CG ou l'inverse (ça varie selon les espèces), mais il y a toujours autant de A que de T et de C que de G. Pourquoi ?

Hypothèse de Crick et Watson: A peut s'apparier avec T et C avec G: A avec T : deux liaisons hydrogène (liaisons faibles). C avec G : trois liaisons hydrogène

DONC Deux chaînes de nucléotides peuvent s'unir l'une à l'autre si leurs bases sont complémentaires (A face à T et C face à G). CE QUI EST LE CAS POUR L'ADN

L'orientation entre les liaisons donne une structure en forme de double hélice:

Dans une bactérie: 1 seule molécule d'ADN ~ 5000 paires de bases 5 millions de paires de base. Longueur totale ~ 1,5 mm Bactérie E. coli "éclatée". L'ADN s'est répandu autour de la bactérie.

Dans une cellule humaine : 46 molécules d'ADN Chaque molécule d'ADN s'enroule sur des protéines (histones) et forme un chromosome. ADN Un chromosome = une molécule d'ADN et les protéines sur lesquelles elle s'enroule. Histones L'ensemble des chromosomes forme la chromatine

Petite portion d'un chromosome humain 50 000 X 150 000 X

Portion du chromosome 4 L'ADN a été séparé des protéines qui y sont normalement associées (4nm DNA).

3. Le code génétique (4-9) ADN = information sous forme CODÉE = code génétique Code = faire correspondre un symbole ou un groupe de symboles à quelque chose d'autre. Ex. Code binaire des ordinateurs Code du français écrit Codes secrets des espions Etc.

Exemple: supposons qu'on veuille écrire des mots en formant des colliers avec des perles de quatre couleurs différentes. On pourrait attribuer une lettre à chaque couleur: Problème : on ne peut pas désigner plus de 4 lettres sur 26.

Regroupons les billes deux à deux: Problème : on ne peut désigner que 16 lettres (42)

Regroupons les billes trois à trois: Combine y a-t-il de combinaisons possibles ? 64 (43) On pourrait donc écrire ce qu'on veut avec 4 billes différentes si on les regroupe 3 à 3.

Pourrait-on utiliser ce code de 3 billes pour représenter des acides aminés (il y en a 20 différents) plutôt que des lettres ? On peut miniaturiser le code en remplaçant les billes par quelque chose de beaucoup plus petit: des nucléotides. On obtient alors un message de dimension moléculaire. Dans la cellule, chaque groupe de trois nucléotides désigne un acide aminé:

Ce brin d'ADN correspond à la "recette" de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu Le message, la "recette" peut être porté par l'un des deux brins (le brin du bas dans ce cas).

Le code génétique (déchiffré entre 1960 et 1964) N.B. 64 combinaisons pour 20 acides aminés. Code redondant (il est dit dégénéré): plusieurs triplets différents peuvent coder pour le même acide aminé. Trois triplets signifient la fin de la recette : triplets STOP

4. Gènes et chromosomes Un segment d'ADN portant toute l'information nécessaire pour la synthèse d'une protéine = gène Ex. gène du lysozyme gène de l'anhydrase carbonique gène du collagène Gène de de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu

Génome humain (toute l'information nécessaire pour fabriquer un humain) : 30 000 à 40 000 gènes Combien y aurait-il de nucléotides dans le gène d'une protéine de 100 AA ?

Tous ces gènes sont répartis en 23 molécules d'ADN (chaque molécule comporte plus d'un millier de gènes "bout à bout"). 23 molécules d'ADN ~ 1 m de longueur si on les met bout à bout ~ 3 milliards de paires de bases Si chaque paire de bases est représentée par une lettre il faudrait l'équivalent de 800 bibles pour écrire le génome humain.

Chaque cellule (sauf gamètes reproducteurs) contient deux exemplaires du génome humain (un qui vient du père et l'autre de la mère). DONC chaque cellule contient 46 chromosomes Le nombre de chromosomes est variable selon l'espèce: Chien………………….78 Chat………………...…38 Rat………..……………42

Les individus diffèrent les uns des autres par leur ADN. Il n'y a pas deux personnes (sauf jumeaux identiques) qui ont le même ADN.

Erreur dans l'ADN = mutation Une erreur dans l'ADN peut entraîner une erreur dans la protéine codée. Cette erreur peut changer un ou plusieurs acides aminés de la protéine et la rendre non fonctionnelle. Erreur dans l'ADN = mutation Les mutations peuvent être causées par: Des erreurs lors de la reproduction des cellules Des substances chimiques toxiques (substances mutagènes) Des radiations nocives (rayons X, UV)

Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA) Anémie falciforme = maladie génétique caractérisée par une hémoglobine anormale. Anomalie dans la chaîne ß de l'hémoglobine : 6e acide aminé = VAL alors qu'il devrait être GLU

CAC code pour VAL CTC code pour GLU

5. La division cellulaire Lorsqu'une cellule se divise en deux cellules identiques, tout l'ADN doit aussi être reproduit. Chaque fois qu'une cellule se reproduit, elle commence par reproduire en deux exemplaires identiques chacun de ses chromosomes.

L'ADN est séparé en deux brins Des nucléotides libres dans le noyau (pièces de constructions toujours présentes) viennent sapparier à chacun des deux brins (A avec T et C avec G)

Les chromatides demeurent liées par le centromère. Au cours de la mitose: Chaque chromosome est répliqué en deux copies identiques : les chromatides sœurs. Les chromatides demeurent liées par le centromère. Les copies se séparent. Chaque copie migre dans une cellule Chromatides sœurs Centromère

On obtient deux cellules identiques Mitose d'une cellule à 4 chromosomes. Les chromosomes se dédoublent Les chromosomes se spiralisent Les copies se séparent On obtient deux cellules identiques

6. Les manipulations génétiques Le code génétique est le même pour tous les êtres vivants. Un même gène donnera toujours la même protéine, peu importe l'espèce de l'individu. On peut introduire un gène d'une espèce dans une autre espèce = génie génétique Ex. production d'insuline humaine par une bactérie :

On prélève le gène de l'insuline humaine et on l'introduit dans le plasmide d'une bactérie.

On extrait les plasmides de bactéries Une enzyme ouvre les plasmides On extrait ou on synthétise le gène à greffer On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme fusionne les brins d'ADN Les plasmides sont réintroduits dans des bactéries Le gène est reproduit quand la bactérie se reproduit

Exemples: bactéries qui synthétisent: Insuline Facteurs de coagulation Hormone de croissance Enzymes pouvant métaboliser certains polluants (pétrole par exemple) Protéines synthétiques qui n'existent pas dans la nature ETC.

On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires: Végétaux: Le gène est introduit dans une cellule isolée. Cette cellule est multipliée en éprouvette pour former un nouvel individu (cloning).

Animaux: Le gène est introduit dans un ovule fécondé. L'ovule fécondé est implanté dans l'utérus d'une mère porteuse.

Plantes résistantes aux insectes. Résistantes aux herbicides. Résistantes au gel. Fruits et légumes qui se conservent plus longtemps. Nouvelles saveurs. Plantes plus riches en certains éléments nutritifs (vitamines par exemple). ETC.

Animaux à croissance plus rapide. Animaux plus faibles en gras. Animaux plus productifs (en lait, en viande, en œufs). Production de protéines à usage pharmaceutique (insuline, par exemple). ETC. DANGERS ????? Pour la santé? Pour l'environnement ?

Thérapie génique: corriger les gènes défectueux en introduisant dans les cellules le gène normal. Problème : comment introduire le gène dans chacune des cellules à corriger???

7. Le cancer Une cellule peut perdre le contrôle de sa division. Elle peut alors former une tumeur. Tumeur bénigne : Les cellules demeurent regroupées et ne se séparent pas. La tumeur demeure bien circonscrite. Tumeur maligne: Des cellules se détachent de la tumeur principale et vont former d'autres tumeurs dans le corps = cancer

Principales anomalies des cellules cancéreuses: Division anarchique (sans contrôle) et perpétuelle (cellules immortelles). Perte d'inhibition de contact. Perte de spécialisation. Absence de cohésion entre les cellules : formation de métastases.

Tumeur au cerveau Tumeur au sein Tumeur à la prostate

Maladies causées par des virus 8. Les virus Maladies causées par des virus Poliomyélite Rougeole Rubéole Grippe (influenza) Rhume Fièvre aphteuse Sida Mononucléose Hépatites (A, B, C) Condylomes Herpes (type I et II) Rage Oreillons Rubéole Gastroentérites Verrues Variole Varicelle Infections respiratoires Fièvre jaune Dengue Fièvres hémorragiques Infections de la gorge ETC...

Structure des virus Capside Matériel génétique Enveloppe Virus HIV (sida)

Papillomavirus (virus des condylomes) Virus de l'influenza (grippe) Papillomavirus (virus des condylomes) Capside du virus de l'herpes

Taille des virus

Mode de reproduction Le virus se fixe à la membrane de la cellule:

Le virus pénètre dans la cellule.

Le virus est digéré par la cellule La cellule reproduit le matériel génétique du virus et synthétise les protéines du virus. De nouveaux virus s'assemblent dans la cellule.

Les virus quittent la cellule par exocytose (ou la cellule se brise et libère ses virus).

Reproduction du HIV Chez un malade atteint du sida (virus HIV), chaque jour : 1,8 milliards de lymphocytes T4 sont détruits (~ 5% du total) 10 milliards de virus sont produits (parfois 100 à 1000 fois plus) Survie des virus dans l’organisme ~ 6 heures ~ 1 virus sur 1000 parvient à infecter une nouvelle cellule

Adultes et enfants infectés par le virus du sida (2003) Chiffres et carte provenant de UNAIDS (ONUSIDA), le programme de lutte contre le sida des Nations Unies Environ 3 millions d’enfants de moins de 15 ans

Nombre d’adultes et d’enfants qui ont été infectés dans l’année 2003 Environ 800 000 enfants de moins de 15 ans

Nombre de décès causés par le sida en 2003 Environ 500 000 enfants de moins de 15 ans

Les antibiotiques n’ont AUCUN EFFET sur les virus Les rares médicaments antiviraux disponibles agissent sur des enzymes nécessaires à la reproduction du matériel génétique du virus ou à l’assemblage de ses protéines.

9. Le clonage B A C Clone de A On extrait une cellule ordinaire de la brebis A. On extrait un ovule de la brebis B. Le noyau de l'ovule est détruit et remplacé par le noyau de la cellule de la brebis A. L'ovule avec son nouveau noyau est implanté dans une brebis C. C Clone de A Qui donne alors naissance à un jumeau identique (clone) de A.

Dolly 1997-2003 N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais avant de réussir.

Peut-être un jour ???

FIN