CONFERENCE DE MONSIEUR NICOLAS LAURENT, Université de Provence

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1 CONFERENCE DE MONSIEUR NICOLAS LAURENT, Université de Provence
S’interroger sur le concept de gène c’est se poser, par exemple, la question: Qu’est qu’un gène? Répondre à cette question est donnée une définition du gène Deux aspects sont donc à considérer: La fonction La structure Une particule élémentaire impliqué la transmission d’un carac est certainement aussi impliqué dans son dev et de sa physiologie. Après avoir défini le gène, on peut alors se poser la question de la pertinence de ce concept dans le cadre de l’analyse fonctionnelle

2 Le gène se définit toujours à partir de résultats expérimentaux.
Le gène concept scientifique, objet de travail, outil de travail, outil de communication. Le gène se définit toujours à partir de résultats expérimentaux. Le gène est redéfini ou « réinventé » à chaque apport supplémentaire de données. Aspect important: la définition du gène doit être une définition qui prend en compte la fonction.

3 Gregor Mendel (1865) Pour les mécanismes, il faut attendre l’identification de la nature matérielle des gènes (supports), mais aussi décrire et comprendre le comportement de ces supports dans le cadre de la méiose. Deux points à retenir: l’entité gène est défini par une fonction. Mendel jette ici les bases d’une approche puissante pour réaliser une analyse fonctionnelle du vivant: l’analyse génétique. Les lois régissant la transmission des caractères héréditaires sont décrites Le formalisme de ces lois intègre un objet qui sera appelé plus tard un gène.

4 Définition fonctionnelle
association Gène = Entité Un caractère Définition fonctionnelle Le gène porte une fonction qui peut se décliner en deux aspects: -Unité de transmission -Unité de contrôle participant à la mise en forme d’un caractère (La réalisation de la fonction d’un gène forge un caractère) Cette entité est une unité fonctionnelle: elle est donc indivisible (une partie du gène ne peut avoir de fonction). On peut intégrer cette donnée dans le cadre des hypothèses portant sur la structure d’un gène. Rien dans l’expérience de mendel ne dit que le gène est suffisant pour déterminer le caractère. Pour l’aspect unité de contrôle de la mise en place, ici on franchit un pas qui n’est pas franchi par mendel. Ce n’est pas ca qui l’interesse. A posteriori, on peut se dire qu’il est evident de penser qu’un gène associé à un caractère et donc impliqué dans sa transmission participe à sa mise en forme. La définition du gène donnée ici précède l’identification de sa nature matérielle, physique. Le gène ici n’a donc pas de structure et ne peut donc s’y réduire.

5 Premières étapes de l’analyse fonctionnelle
Caractère(s) Variation phénotypique Fonction(s) Modification ou perturbation de la fonction Les fondements de l’analyse fonctionnelle par l’approche génétique sont jetés. gène Approche génétique ou Premières étapes de l’analyse fonctionnelle

6 Nous sommes ici: début 1960’s

7 Définition du gène au niveau phénotypique ou définition génétique:
région génétique, associée à un phénotype (forme visible d’un caractère), dans laquelle il n’y a pas de complémentation entre mutations. Le gène est une unité fonctionnelle Fonction du gène=fonction de la protéine Portion d’ADN continue et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas Définition moléculaire: 1 gène 1 protéine

8 Chaque chromosome est constitué d’ADN
Chaque chromosome contient de nombreux gènes Un gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d’une paire Chaque gène est porteur d’une information génétique Un gène= une portion d’ADN localisée sur un chromosome Information génétique = une séquence donnée Les gènes déterminent les caractères héréditaires Information génétique: permet l’obtention du produit Un gène donne un produit ARN seulement ou un ARN traduit en protéine. Lien direct entre la séquence et la fonction

9 1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère
Caractère héréditaire 1 Dire que ceci est faux n’est pas une remise en cause du concept de gène cad de sa validité mais c’est dire que les relations qui sont ici portées sont incorrectes. Vision trop simpliste. Gène 2 Caractère héréditaire 2

10 1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère
…etc… Caractère 1 Organisme serait alors une somme de caractères obtenue par la sommation des fonctions portées par les gènes

11 Approche moléculaire, biochimique, cellulaire
ou Etapes ultérieures de l’analyse génétique gène Séquence, protéine Approche génétique ou Premières étapes de l’analyse génétique Relations structures/fonction Fonction Caractère Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants montrant une variation phénotypique du caractère étudié, différents croisements pour localiser les mutations soit localiser le gène…

12 Caractère=coloration
Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4 Précurseur métabolique pigment Caractère=coloration Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants perte de coloration, tests de complémentation, tests d’interaction génétique.

13 Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4 Gène 5 Gène 6 Gène 7 Caractère 1 Caractère 2 Caractère 3

14 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:
Dogme central Définition moléculaire: Portion d’ADN=séquence de nucléotides transcrite qui peut donner naissance à un produit fonctionnel. On perd l’idée « un gène, une protéine » 1 seul transcrit primaire ARNt ARNr Le gène est une unité fonctionnelle Fonction du gène=fonction du produit Portion d’ADN continue et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas

15 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:
Unité de transcription 1 seul transcrit primaire On perd la notion de séquence continue Le gène est une unité fonctionnelle Fonction du gène=fonction du produit Portion d’ADN continue mais morcelée et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas

16 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:
Une gène peut donner naissance à plusieurs produits fonctionnels. +1 Unité de transcription 1 seul transcrit primaire Epissage alternatif protéine 1 protéine 2 Le gène n’est plus une unité fonctionnelle Unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion d’ADN continue mais morcelée et limitée (1 locus) Les gènes ne se chevauchent pas

17 Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:
Des unités de transcription se chevauchent (localisées sur le même brin ou sur les deux brins) ou sont retrouvées dans l’intron d’une autre unité 2 gènes car 2 unités de transcription Le gène n’est plus une unité fonctionnelle Unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion d’ADN discontinue, morcelée et limitée (1 locus) Les gènes se chevauchent

18 En parallèle des données sur les séquences transcrites et leur devenir, mise en évidence de séquences non transcrites qui permettent d’initier et de réguler la transcription d’un gène Illustration de l’importance de ce niveau de régulation dans le cadre de la biologie du développement par exemple. Ceci est à mettre en relation avec la fonction: Patron d’expression spatio-temporel, dose. De fait, certaines définitions moléculaires intègrent ces séquences.

19 Le gène n’est plus une unité fonctionnelle Unité de transcription
+1 Nombre? position? taille? exclusif? sur le même chromosome? Le gène n’est plus une unité fonctionnelle Unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion d’ADN discontinue, morcelée et limitée (!?) 1 locus mais pour l’unité de transcription Les gènes se chevauchent séquence régulatrice cis promoteur exon intron

20 Définition moléculaire du gène (Lodish; Biologie moléculaire de la cellule):
-séquence complète (?) d’ADN nécessaire à la synthèse d’une protéine fonctionnelle (?) ou d’une molécule d’ARN (régions codantes, parfois introns, régions de contrôle). -unité de transcription eucaryote simple ( 1 seul ARNm monocistronique) -unité de transcription complexe: 1 transcrit primaire qui peut donner plusieurs ARNm monocistroniques (épissage alternatif, sites de polyadénylation alternatifs). Définition moléculaire large (Pearson, Nature, mai 2006): Région génomique localisable qui constitue une unité de transmission comportant des régions transcrites et des séquences fonctionnelles (ex: promoteurs, séquences régulatrices). Ici on perd l’unité de transcription. Dans les cas « plusieurs ARNm »: on ne considère alors que ceux qui possèdent au moins une région génomique (un exon) en commun.

21 1 ou plusieurs transcrits primaires
+1 +1 1 ou plusieurs transcrits primaires Promoteur/Start alternatif Sites polyadénylation alternatifs Epissage alternatif Epissage en TRANS Edition de l’ARN Un ou plusieurs ARNm partageant au moins un exon 2 à 2 Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines Initiation alternative (même cadre de lecture ou alternatif) Le gène n’est plus une unité fonctionnelle / Plus d’unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion d’ADN discontinue, morcelée et limitée (!?) / plus de locus Les gènes se chevauchent

22 « The ENCODE project consortium »
(projet lancé en 2003; publication en 2007 des résultats des premières analyses) ENCODE: Encyclopedia of DNA Elements Analyse la plus exhaustive possible de 1% du génome humain soit 30 Mb 44 régions génomiques considérées Le projet encode correspond dans un premier temps à l’analyse de 1% du génome humain soit environ 30 mégabases. Ces 30 mégabases sont réparties dans 44 régions génomiques. Au-delà de la séquence connue: répertorie toutes les séquences fonctionnelles connues dans ces régions, analyse de tous les transcrits obtenus à partir de ces régions et association avec les séquences correspondantes.

23 Eléments qui ressortent des résultats de ENCODE:
-des régions non annotées comme contenant des « gènes » sont transcrites -nombreux transcrits ne codant pas de protéines -nombre important de Start de transcription non annotés -identification de grands transcrits primaires pouvant couvrir plusieurs gènes et donc les régions « intergéniques ». -ce n’est pas vraiment le nombre de loci associés à la production de protéines qui augmentent mais plus le nombre de transcrits alternatifs -séquences régulatrices très dispersées et parfois transcrites (premier exon, introns voire une bonne partie de l’unité transcriptionnelle mais aussi en-dehors de l’unité transcriptionnelle) Une conclusion forte: la majorité des séquences génomiques peuvent être transcrites

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25 Un seul gène, le génome ??? Un nombre anormal de chromosomes empêche le développement de l’embryon ou entraîne des caractères différents chez l’individu concerné.

26 Définition du gène donnée par « the ENCODE project consortium »
Un gène est l’ensemble des séquences génomiques codant un ensemble cohérent de produits fonctionnels (?) potentiellement chevauchant. Séquence génomique: ADN ou ARN Produits fonctionnels: ARN ou chaîne polypeptidique Ensemble cohérent: union de tous les produits ayant au moins une région commune et en considérant le cas des produits ARN et polypeptidiques séparément On focalise quand même sur la fonction dans cette définition puisque le point central est de considérer les produits fonctionnels et seulement ça.

27 Critères pour établir cette définition:
1/ rétroactivité: les régions génomiques qui possédaient la qualité de gène doivent garder cette qualité 2/ valide quelque soit l’organisme considéré (eucaryotes, archées, eubactéries) 3/ elle doit être simple et ne pas intégrer de considérations mécanistiques ni comportée d’exceptions 4/ permettre un comptage du nombre de gènes présent dans un génome

28 Mise en pratique de la définition ENCODE

29 Conséquences de cette définition:
-un gène codant un polypeptide peut être un exon, une partie d’exon, une union d’exons et/ou de parties d’exons (pas forcément localisés sur le même brin ni même sur le même chromosome) -un gène permettant la synthèse d’un ARN non codant peut être composé de toute région génomique transcrite -les régions régulatrices sont exclues -les régions non traduites sont exclues -une séquence commune même lue dans un cadre de lecture différent fonde un seul gène Création d’une catégorie: séquences associées aux gènes Le gène n’est plus une unité fonctionnelle / Plus d’unité de transcription Fonction du gène=fonction des produits Portion d’ADN totalement discontinue (plus aucune connexion entre les différentes régions génomiques) et limitée / plus de locus Les gènes se chevauchent

30 1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère

31 Autrement dit, est-ce cela qui ébranle le concept de gène?
Ces problèmes portant sur la définition moléculaire sont-ils de vrais problèmes? Le gène pour le gène Autrement dit, est-ce cela qui ébranle le concept de gène? C’est la question de la pertinence de ce concept dans la pratique de recherche: considérer les gènes et seulement les gènes (c’est-à-dire les séquences d’ADN) permet-il d’expliquer la mise en forme des caractères héréditaires et les variations de ces caractères? Autre point: ignorer la complexité de la structure moléculaire du génome et des mécanismes associés à son expression est un vrai problème dans la pratique de recherche pour l’interprétation de certains résultats mais pas pour le concept de gène. La séquence du génome seule ne nous dit pas comment les cellules eucaryotes utilisent cette information.

32 1 gène PLUSIEURS FONCTIONS
Un ou plusieurs ARNm partageant au moins un exon 2 à 2 Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines En parallèle de la complexification de la notion de gène au niveau structure, l’étude du fonctionnement des produits des gènes montre un autre niveau de complexité plus important car il touche à la fonction de ces produites et donc à la fonction d’un « gène ». idem idem idem idem Une ou plusieurs fonctions PLUSIEURS FONCTIONS

33 1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère
Protéine avec plusieurs domaines fonctionnels Modifications post-traductionnelles Interactions protéine/protéine; protéine/ADN; protéine/ARN Quantité Localisation sub-cellulaire Une ou plusieurs fonctions 1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère Notion de produit fonctionnel dans les définitions ?

34 Fonction(s) physiologique(s)
Fonction(s) cellulaire(s) Fonction(s) moléculaire(s)

35 Exemples: -p53 p53 -Pax6 Apoptose Sénescence
Points de contrôle du cycle Arrêt de la prolifération Réparation de l’ADN Apoptose

36 Chaque gène est porteur d’une information génétique
1 gène associé à une ou plusieurs fonctions moléculaires élémentaires Mise en forme des caractères héréditaires Les gènes déterminent les caractères héréditaires Combinatoire d’interactions entre des fonctions moléculaires élémentaires. Cette combinatoire évolue dans le temps et dans l’espace. Fonction « complète » L’objet ayant une signification opérationnelle aujourd’hui serait plus le réseau d’interactions moléculaires (impliquant ADN, ARN et protéines: protéine/ADN; protéine/ARN; protéine/protéine et ARN/ARN)

37 Approche moléculaire, biochimique, cellulaire
ou Etapes ultérieures de l’analyse génétique Séquences, structures, transcrits, protéines, régulations, localisations cellulaires, modifications, interactions… Plusieurs « gènes » Approche génétique ou Premières étapes de l’analyse génétique Fonctions Caractère Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants montrant une variation phénotypique du caractère étudié, différents croisements pour localiser les mutations soit localiser le gène…

38 (transcriptome, protéome, interactome)
Séquençage des génomes entiers. Identification de séquences géniques potentielles donc trouver de nouveaux gènes. structurale génomique fonctionnelle (transcriptome, protéome, interactome) L’objet ayant une signification opérationnelle aujourd’hui serait plus le réseau d’interactions moléculaires (impliquant ADN, ARN et protéines: protéine/ADN; protéine/ARN; protéine/protéine et ARN/ARN)

39 Illustration de cette approche génomique
Embryon de souris à 8 jours de développement ift at at at oft rv lv rv lv

40 Identification de « gènes » exprimés différentiellement
(7s-9s) Tube cardiaque antérieur (A) Extraction ARN total Tube cardiaque postérieur (P) Sondes A Sondes P Hybridation sur puces

41 Résultats de l’hybridation des sondes sur une puce

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43 Les gènes déterminent les caractères héréditaires
génotype phénotype Génotype: pourrait être connu par le séquençage complet du génome d’un individu. Phénotype (« la forme visible »): ensemble des formes adoptées par chacun des caractères héréditaires. On doit définir alors ici le caractère héréditaire comme caractère propre de l’espèce transmissible de génération en génération mais sans pouvoir intégrer l’ensemble des variations intra-spécifiques c’est à dire les différentes formes possiblement adoptées par ces caractères. Un embryon humain se développera en un être humain. Génotype humain phénotype humain Mais la connaissance seule des gènes (c’est-à-dire du génotype) de cet embryon ne peut permettre de prédire comment et qui sera cet être humain (c’est-à-dire son phénotype).

44 Gènes modificateurs En général, on considère un génotype partiel que l’on relie à un phénotype partiel. Dans ce cadre, les gènes modificateurs viennent compliquer la relation génotype-phénotype. Selon ce que l’on peut appeler le fond génétique, on aura, pour un génotype partiel identique, un phénotype partiel différent. Parmi les gènes modificateurs, on peut citer: Gènes suppresseurs (le phénotype mutant est supprimé, retour au phénotype sauvage) Gènes épistatiques (le phénotype est supprimé et le gène épistatique impose son phénotype) Pour une mutation, on donne en général la valeur de deux paramètres: Pénétrance, expressivité. expressivité: variabilité dans la survenue des manifestations d’un même gène entre individus différents pénétrance Ex: nombre de tissus atteints, sévérité de l’atteinte

45 Normes de réaction 1000 Génotype 1 500 Génotype 2 Nombres d’ommatidies
15 20 25 30 Température (°C)

46 Tératogènes non mutagènes
-rétinoïdes -alcool … Taille, poids, densité osseuse, masse musculaire, couleur de la peau (exemple du bronzage), carences en nutriments essentiels Système immunitaire Plasticité neuronale

47 Modifications épigénétiques:
-inactivation de l’X chez la femme -empreinte parentale -paramutation -modifications épigénétiques stochastiques (?) (évolution avec l’âge) -modifications épigénétiques induites par l’environnement (?) Transmission???

48 Information génétique
Bruit de fond Les gènes et l’expression de leur(s) fonction(s) déterminent les caractères Modifications épigénétiques Histoire individuelle (environnement, …)

49 Les chromosomes présents dans le noyau sont le support du programme génétique
Chaque individu issu de la reproduction sexuée possède un programme génétique qui contribue à le rendre unique La reproduction crée au hasard un nouveau programme génétique …de l’information génétique. …possède un génome ou une information génétique dont l’expression contribue… …une nouvelle information génétique. Programme: notion qui contient l’idée d’un déterminisme génétique.

50 Maladies génétiques: Maladies héréditaires monogéniques (mendéliennes)
maladie que certains qualifient de purement génétique car la part du « fond génétique » et de l’environnement semble marginale environ 1500 répertoriées à ce jour (beaucoup encore à caractériser) maladie rare: peu d’individus atteints (seuil considéré: moins de 1/2000) Allèle mutant La pénétrance est élevée mais pas forcément complète et expressivité variable

51 Maladies génétiques: Maladies génétiques dont la transmission n’est pas mendélienne Maladies chromosomiques par exemple Maladies plurifactorielles avec composante génétique (prédisposition non héréditaire) ici la part du « fond génétique » et de l’histoire individuelle est importante

52 Chaque chromosome est constitué d’ADN
Cette description est incomplète au-delà de la simple précision molécule d’ADN double-brin linéaire Un chromosome est constitué d’ADN associé à des protéines: CHROMATINE. La chromatine est plus que de l’ADN associé à des protéines de type « Histone » L’ADN seul ne peut jouer son rôle de support d’une information génétique transmissible. La séquence des nucléotides n’est pas tout: la fonction de certaines portions de cette molécule ne peut pas toujours être prédite sur cette base (origines de réplication, centromère, SARs et modifications épigénétiques). L’ADN est un constituant des chromosomes

53 Fonctions des chromosomes:
« Mise en forme » de l’ADN dans le noyau Réplication Transmission stable au cours des divisions cellulaires Expression des gènes Plusieurs éléments associés: centromères, télomères, origines de réplication

54 Armature chromosomique
L’ADN est une molécule qui peut se pelotonner lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes. Protéines du Kinétochore Cohésines Protéines télomériques Armature chromosomique (protéines) Histone H1 Histones du nucléosome

55 Les chromosomes peuvent se présenter sous une forme plus ou moins pelotonnée. La forme la moins pelotonnée est présente en interphase. La forme la plus pelotonnée est obtenue lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes.

56 centromère kinétochore

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58 cohésines

59 télomère centromère Modèle de la boucle T Chez l’humain 15-20kb
De 50 à plusieurs centaines de nt chez l’humain télomère centromère 5’ 3’ Chez l’humain 15-20kb 3’ 5’ TTAGGG (vertébrés) Modèle de la boucle T

60 Fonctions des télomères:
-Réplication des extrémités des chromosomes (télomérase) Raccourcissement des télomères et sénescence cellulaire réplicative -Empêcher la fusion entre chromosomes (stabilité génétique) -Favoriser l’appariement des chromosomes homologues lors de la méiose (interaction entre télomères et enveloppe nucléaire)

61 Origines de réplication:
Deux aspects à considérer: - le fonctionnement de l’origine - La réplication unique au cours d’un cycle cellulaire

62 Le cancer est le résultat d’une prolifération incontrôlée de cellules
Plusieurs aspects doivent être considérés: -dérégulation de la prolifération (perte de dépendances) -autorisation à poursuivre: « immortalité » -aptitude à survivre -invasivité -migration (métastases) Tumeur bénigne Évolution possible Tumeur maligne (cancer)

63 Suppresseurs de tumeurs
Proto-oncogènes Mutations dominantes oncogènes Prolifération régulée Sénescence possible Mort cellulaire programmée possible Prolifération dérégulée Sénescence « off » Mort cellulaire programmée « off » Mutations récessives Modifications épigénétiques Suppresseurs de tumeurs Attention: concernant la dérégulation de la multiplication cellulaire, ne pas présenter les choses en terme d’augmentation de la vitesse de multiplication. Le paramètre considéré est le taux de prolifération c’est-à-dire le nombre de cellules qui se multiplient sur le nombre total de cellules.

64 apoptose sénescence différenciation

65 Le cancer est, en partie, le résultat d’une prolifération incontrôlée de cellules
ou Une prolifération incontrôlée de cellules peut amener au développement d’un cancer

66 Cancers: maladies sporadiques/maladies héréditaires
Cancers sporadiques: histoire familiale négative Dans les formes héréditaires (moins de 10% des cas), une mutation (monogénique) perte de fonction est transmise: mutation constitutionnelle. Ex: mutation dans un suppresseur de tumeurs. Prédisposition héréditaire : la pénétrance de la mutation est élevée mais n’est en général pas complète. Syndrome de Li-Fraumeni: Forme héréditaire de cancers (plusieurs tumeurs) touchant l’enfant et l’adulte jeune. Dans beaucoup de cas, mutation constitutionnelle dans le gène p53.

67 Les cellules de l’organisme, à l’exception des cellules reproductrices possèdent la même information génétique que la cellule œuf dont elles proviennent par divisions successives. aux mutations somatiques près…. (à relier avec l’apparition possible de pathologies comme le cancer) cas particulier des recombinaisons avec perte d’information: LB, LT On peut alors se poser la question de l’origine des différences phénotypiques que montrent les cellules du corps humain (relier à l’expression de l’information génétique).

68 Un gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d’une paire.
Ne vaut que pour les paires de chromosomes homologues X et Y chez les hommes. Un gène (ou une partie de gène) occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d’une paire de chromosomes homologues.

69 Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents. Dans ce dernier cas, les deux allèles peuvent s’exprimer ou l’un peut s’exprimer et pas l’autre. X et Y chez les hommes. Expression? Haplo-insuffisance Une seule dose doit s’exprimer: -cas des gènes soumis à l’empreinte -inactivation de l’X chez la femme Ex: syndrome de Beckwith-Wiedemann maladie génétique se caractérisant par une croissance excessive du fœtus, une grosse langue (macroglossie), une hypertrophie des organes, une omphalocèle ou une hernie, une prédisposition à développer une tumeur embryonnaire, des anomalies des oreilles et des hypoglycémies. Anomalies génétiques associées complexes mais dans la majorité des cas, relié à une expression biallélique du gène Igf2 (gène soumis à l’empreinte)

70 Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents.