sinterroger sur le concept de gène cest se poser, par exemple, la question: quest quun gène?...
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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
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
CONFERENCE DE MONSIEUR NICOLAS LAURENT, Université de Provence
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.
Gregor Mendel(1865)
Le formalisme de ces lois intègre un objet qui sera appelé plus tard un gène.
Les lois régissant la transmission des caractères héréditaires sont décrites
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.
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.
association
gène
Fonction(s)
Approche génétiqueou
Premières étapes de l’analyse fonctionnelle
Caractère(s) Variation phénotypique
Modification ou perturbation de la fonction
Nous sommes ici: début 1960’s
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.
Définition moléculaire:
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
1 gène 1 protéine
Les gènes déterminent les caractères héréditaires
Chaque chromosome est constitué d’ADNChaque chromosome contient de nombreux gènesUn gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d’une paireChaque gène est porteur d’une information génétique
Un gène= une portion d’ADN localisée sur un chromosome
Information génétique = une séquence donnée
Lien direct entre la séquence et la fonction
1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère
Gène 1
Gène 2
Caractère héréditaire 1
Caractère héréditaire 2
Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4 Gène 5 Gène 6 Gène 7
Caractère 1
Fonction 1…etc…
1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère
Organisme serait alors une somme de caractères obtenue par la sommation des fonctions portées par les gènes
gène Séquence, protéine
Fonction
Approche génétiqueou
Premières étapes de l’analyse génétique
Approche moléculaire, biochimique, cellulaireou
Etapes ultérieures de l’analyse génétique
Relations structures/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…
Précurseurmétabolique
pigment
Caractère=coloration
Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants perte de coloration, tests de complémentation, tests d’interaction génétique.
Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4
Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4 Gène 5 Gène 6 Gène 7
Caractère 1 Caractère 2 Caractère 3
Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:
Dogme central
ARNtARNr
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 »
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
1 seul transcrit primaire
Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:
On perd la notion de séquence continue
Le gène est une unité fonctionnelle
Fonction du gène=fonction du produit
Portion d’ADN continue mais morceléeet limitée (1 locus)
Les gènes ne se chevauchent pas
1 seul transcrit primaire
Unité de transcription
Une gène peut donner naissance à plusieurs produits fonctionnels.
Epissage alternatif
protéine 1 protéine 2
Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:
+1
1 seul transcrit primaire
Le gène n’est plus une unité fonctionnelleUnité de transcription
Fonction du gène=fonction des produits
Portion d’ADN continue mais morcelée et limitée (1 locus)
Les gènes ne se chevauchent pas
Unité de transcription
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
Le gène n’est plus une unité fonctionnelleUnité de transcription
Fonction du gène=fonction des produits
Portion d’ADN discontinue, morcelée et limitée (1 locus)
Les gènes se chevauchent
2 gènes car 2 unités de transcription
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.
+1
séquence régulatrice cis
promoteur
exon
Nombre? position? taille? exclusif? sur le même chromosome?
intron
Le gène n’est plus une unité fonctionnelleUnité 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
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.
Un ou plusieurs ARNmpartageant au moins un exon 2 à 2
Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines
Promoteur/Start alternatifSites polyadénylation alternatifsEpissage alternatifEpissage en TRANSEdition de l’ARN
Initiation alternative (même cadre de lecture ou alternatif)
1 ou plusieurs transcrits primaires
+1+1
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
« 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
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
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.
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
Définition du gène donnée par « the ENCODE project consortium »
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
Mise en pratique de la définition ENCODE
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
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
Création d’une catégorie:séquences associées aux gènes
1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère
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.
1 gène
Un ou plusieurs ARNm partageant au moins un exon 2 à 2
Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines
Une ou plusieurs fonctions
idem idem idem idem
PLUSIEURS FONCTIONS
Protéine avec plusieurs domaines fonctionnelsModifications post-traductionnellesInteractions protéine/protéine; protéine/ADN; protéine/ARNQuantitéLocalisation sub-cellulaireUne ou plusieurs fonctions
1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère
Notion de produit fonctionnel dans les définitions ?
Fonction(s) moléculaire(s)
Fonction(s) cellulaire(s)
Fonction(s) physiologique(s)
Exemples:
-p53
-Pax6
p53
Apoptose
Points de contrôle du cycleArrêt de la prolifération
Réparation de l’ADN
Sénescence
Les gènes déterminent les caractères héréditaires
Chaque gène est porteur d’une information génétique
1 gène associé à une ou plusieurs fonctions moléculaires élémentaires
Combinatoire d’interactions entre des fonctions moléculaires élémentaires.Cette combinatoire évolue dans le temps et dans l’espace.
Fonction « complète »
Mise en forme des caractères héréditaires
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)
Plusieurs « gènes » Séquences, structures, transcrits, protéines, régulations, localisations cellulaires, modifications, interactions…
Fonctions
Approche génétiqueou
Premières étapes de l’analyse génétique
Approche moléculaire, biochimique, cellulaireou
Etapes ultérieures de l’analyse génétique
Caractère
Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants montrant une variation phénotypique du caractère étudié, différents croisements pour localiser les mutations soit localiser le gène…
génomique
structurale
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)
Séquençage des génomes entiers.Identification de séquences géniques potentielles donc trouver de nouveaux gènes.
Illustration de cette approche génomique
rv lv
atatoft
rv
lv
atift
Embryon de souris à 8 jours de développement
Identification de « gènes » exprimés différentiellement
Tube cardiaque antérieur (A)
Tube cardiaque postérieur (P)
E8(7s-9s)
Extraction ARN total
Sondes ASondes P
Hybridation sur puces
Résultats de l’hybridation des sondes sur une puce
Les gènes déterminent les 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).
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.
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.
pénétrance
expressivité: variabilité dans la survenue des manifestations d’un même gène entre individus différents
Ex: nombre de tissus atteints, sévérité de l’atteinte
1000
500
Nom
bre
s d’
omm
atid
ies
Température (°C)
15 20 25 30
Génotype 1
Génotype 2
Génotype 3
Normes de réaction
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
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???
Les gènes et l’expression de leur(s) fonction(s) déterminent les caractères
Histoire individuelle (environnement, …)
Bruit de fond
Information génétique
Modifications épigénétiques
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
Programme: notion qui contient l’idée d’un déterminisme génétique.
…possède un génome ou une information génétique dont l’expression contribue…
…de l’information génétique.
…une nouvelle information génétique.
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
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
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 est un constituant des chromosomes
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).
Fonctions des chromosomes:
« Mise en forme » de l’ADN dans le noyauRéplicationTransmission stable au cours des divisions cellulairesExpression des gènes
Plusieurs éléments associés: centromères, télomères, origines de réplication
Histones du nucléosome
Histone H1
Armature chromosomique(protéines)
Protéines du KinétochoreCohésinesProtéines télomériques
L’ADN est une molécule qui peut se pelotonner lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes.
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.
centromère
kinétochore
cohésines
télomère centromère
5’5’
3’3’
TTAGGG (vertébrés)
Chez l’humain 15-20kb
De 50 à plusieurs centaines de nt chez l’humain
Modèle de la boucle T
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)
Origines de réplication:
Deux aspects à considérer:
- le fonctionnement de l’origine
- La réplication unique au cours d’un cycle cellulaire
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
Tumeur maligne(cancer)
Évolution possible
Prolifération réguléeSénescence possible
Mort cellulaire programmée possible
Prolifération déréguléeSénescence « off »
Mort cellulaire programmée « off »
Proto-oncogènes
oncogènes
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.
Mutations dominantes
Mutations récessivesModifications épigénétiques
apoptose sénescence
différenciation
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
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.
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.
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).
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.
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.
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-Wiedemannmaladie 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)
Expression?
X et Y chez les hommes.
Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents.
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