Chapitre 1 - Les génomes procaryote et eucaryote

Partie IA - LeBiologie - Partie IV - La biodiversité et sa dynamique

A - Génomique structurale et fonctionnelle

1. L’information génétiqueportée par l’ADN

2

L’ADN : rappel

3

✭ Une double hélice formée par :- un axe pentose-phosphate = squelette stable indépendant de la séquence- des bases azotées en une séquence spécifique

L’ADN : rappel

4

✭

Brins orientés : 5’P et 3’OH et antiparallèles

10 bases Pas de l’hélice3,4 nm

Paire de basesSquelette sucre-phosphate

Diamètre2 nm

Structure condensée : grande capacité de stockage dans un faible volume

Bases protégées entre les 2 brins

Bases stabilisées par des liaisons H qui évitent la tautomérie

Structure stable grâce aux interactions (stacking, liaisons H, ioniques)

Accessibilité possible grâce aux sillons

Les pneumocoques

5

Bactéries Streptococcus pneumoniae (= pneumocoques)

colonies lisses (smooth S)colonies rugueuses (rough R)

bactéries sans capsule bactéries à capsule

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/A/Avery.html

L’ADN porte l’information génétique

6

webapps.fundp.ac.be

d’après edu.upmc.fr

Expérience de Griffith (1928) sur

les pneumocoques

Expérience de Avery, Mac

Leod et Mac Carthy (1944)

Cytosol de bactéries S

+ protéase + ARNase + ADNase

transformation pas de transformation

Ajout dans une culture de bactéries R

La transformation bactérienne

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bactérie

This electron micrograph (courtesy of Dr. Alexander Tomasz) shows a DNA molecule entering a pneumococcus. This DNA molecule — only a portion of which (scroll down) is shown here — is approximately 7 micrometers (µm) in length, long enough to include a dozen genes. The process of transformation follows the uptake of such a molecule by the bacterium.

ADN

Noyau et information génétique des eucaryotes

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Acetabularia mediterranea

Acetabularia crenulata régénérée

Acetabularia mediterranea régénérée

section

section

Acetabularia crenulata

Section du chapeau puis transfert du noyau dans le pédicule de l’autre espèce.

La transmission de l’ADN à l’identique

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✭ Une bactérie E.coli lac- AmpS

des millions de bactéries E.coli lac- AmpS

mise en culture

répliques sur velours

toutes les bactéries sont E.coli lac- AmpS

sauf 1 colonie devenue AmpR

fréquence de variants très faible : 10-6 à 10-8

La duplication de l’ADN

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✭ Principe universel

Différents types de séquences

11http://www.edu.upmc.fr/sdv/masselot_05001/introduction/differentes.html

- génome dénaturé à la chaleur puis refroidi lentement pour renaturer.- mesure de la fraction d’ADN non encore renaturée en fonction du temps.

ordonnée = % ADN simple brinabscisses = log du produit de la concentration initiale de l’ADN en mol.L-1 (C0) par le temps t écoulé en s : log C0t.

100

50

Hautement répété

Moyennementrépété

Nonrépété

Les séquences codantes

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E.coli Levure Arabette Homme

taille du génome en 106 pb 4,64 12 119 3 400

nombre de gènes 4 288 6 200 25 500 30 000

% de fraction codante 88 % 68 % 29 % 1,4 %

Génome compact des Bactéries contrairement aux Eucaryotes

La synthèse protéique : mécanisme universel

13

✭

Transcription

Traduction

Le séquençage : méthode de Sanger

14

Principe : une copie de l’ADN à séquencer est réalisée en présence d’un di-désoxynucléotide phosphate qui bloque la polymérisation

site snv.jussieu

ADN à séquencer (brin transcrit)

arrêt de la synthèse, parutilisation d’un ddGTPutilisation d’un dGTP :

la synthèse continueConclusion de manière aléatoire, obtention d’un ensemble de fragments (de différentes tailles), arrêtés au niveau des Cytosines du brin transcrit de l’ADN (donc des Guanines du brin codant).

synthèse du brin d’ADN

complémentaire

dATPdCTP

dTTPddGTP(un peu)

dGTP

Lecture de la séquence

15bioinfo.org.cn

Automatisation du séquençage

16

séparation des brins synthétisés par chromatographielecture de l’ADN marqué par fluorescence

A T C G

Méthode de Maxam et Gilbert (1)

17

Université de Montréal

Hydrolyse ménagée par des réactifs spécifiquesqui coupent l’ADN au niveau d’une base précise (ou 2).

Méthode de Maxam et Gilbert (2)

18

Université de Montréal

3 G dans la séquence => 3 brins écourtés

possibles

le brin d’ADN purifié à séquencer

marquage au 32P

Tube1 : Traitement au sulfate de diméthyl + pipéridine=> cassure du brin d’ADN au niveau de G.

Méthode de Maxam et Gilbert (3)

19 Université de Montréal

Séparation des brins coupés par électrophorèse.

Les séquences codantes et non codantes

20

2. Organisation moléculaire du génome

21

Chromosome d’Escherichia coli

22

Observation au MET du chromosome bactérien étalé après éclatement du colibacille

© Inserm

ADN déroulé1,56 mm

en 50 boucles

bactérie éclatée

Le nucléoïde

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Nucléoïde = région du cytosol qui abrite le chromosome bactérien. Ici 2 bactéries se séparent après division.

n : nucléoïde

paroi bactérienne

intranet.tdmu.edu.ua

cytosol

Séquences de chromosome bactérien

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Génome de Hémophilus influenzae

séquences codantes(couleurs selon la fonction)

OriC

Carte des opérons d’E. coli

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Les opérons sont des groupes de gènes transcrits sur le même ARN et possédant le même contrôle.

Les plasmides

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plasmide vu au METfut ura-sciences.com

Le noyau des cellules eucaryotes

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Au microscope photonique Au microscope électronique

acinus pancréatique

euchromatine

hétérochromatine

nucléole

Composition de la chromatine30% ADN5% ARN30% protéines histones25% protéines autres10 % autres molécules (nucléotides libres, phosphates...)

Observation de l’euchromatine

28

✭

fibre nucléosomique de30 nm de diamètre

nucléofilament de11 nm de diamètre

nucléosome = noyau d’histone + ADN enroulé autour

Organisation structurale du nucléosome

29

✭

Alberts

Le nucléosome

30

✭

ADN150 pb enroulées

+ 50 pb linker

Noyau du nucléosome= 8 histones

igbmc.f r

les queues interviennent dans le compactageAlberts

La chromatine

31

✭

Euchromatine = fibre nucléosomique enroulée en solénoïde, de diamètre 30 nm

Hétérochromatine = repliement encore plus compact de la fibre nucléosomique.

Fibre nucléosomique = euchromatine

Nucléofilament

ADN

ADN raccourci d’un facteur 7

nucléofilament raccourci d’un facteur 6

Des boucles liées par un squelette protéique

32

La fibre nucléosomique est liée à une squelette protéique (scaffold)

fibre nucléosomique

boucle condensée (microconvule)✄

La chromatine est liée sur un support protéique

33

✭

euchromatinehétérochromatine

fibre de 30 nm

Albert s

300 nm

34

Bilan✭

raccourcissement d’un facteur 9

raccourcissement d’un facteur 4

raccourcissement d’un facteur 6

raccourcissement d’un facteur 7

raccourcissement total d’un facteur 1500

Les 3 types de séquences

35

✭

36

ADN hautement répété15 à 20 % du génome

• 10 % = ADN satellite dont :- centromères

170 pb 170 pbrépétition de ce motif sur 106 pb

- télomères

• 5 à 10 % = séquences palindromes (auto-hybridantes)

L’ADN satellite des télomères

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Des séquences répétées très conservées

Organisme Nature des répétitions Longueur du télomère

LevureSaccharomyces cerevisae TGGG 400 pb

Caenorhabditis elegans TTAGGC 9 000 pb

souris Mus musculus TTAGGG 150 000 pb

Arabidopsis thaliana TTTAGGG 9 000 pb

Homo sapiens TTAGGG 10 000 pb

Les télomères, une architecture de stabilité

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Les motifs répétés sont reconnus par des protéines TRF1 qui stabilisent l’extrémité des chromosomes

journal.f ront iersin.org

protéines TRF

protéines associées✄

39

ADN moyennement répété

25 à 40 % du génome

• séquences d’éléments transposables

• séquences codant pour des ARN outils

• séquences codant pour les histones

transposon = séquence d’ADN qui peut se déplacer d’un endroit à un autre sur le génome

exemple : ARNr, ARNt, ARNsn...

Les éléments transposables

40

✭

Un élément transposable est encadré par des séquences opposées

séquence longue = LINE : 1000 - 6000 pb, riche en AT, 50 000 copiesséquence courte = SINE : 300 pb (séquence Alu), 500 000 copies

Principe de la transposition

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Le transposon est un élément d’ADN qui peut se déplacer

transposition de type «couper-coller»

transposition de type «copier-coller»

✭

42

Principe de la rétro-transposition

Traduction

Les gènes des ARNr

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✭Les gènes des ARNr sont groupés et répétés dans le génome. Ils sont transcrits d’un bloc puis séparés. Ils sont localisés dans le nucléole.

ARNr 18S ARNr 5,8S ARNr 28S

environ 5 kpbpromoteurcommun

élément du ribosome ARNr protéines Ribosome

Bactériespetite sous-unité 30S 16 S 21 sortes

70 SBactériesgrande sous-unité 50S 23 S + 5 S 31

70 S

Eucaryotespetite sous-unité 40S 18 S 33

80 SEucaryotesgrande sous-unité 60S 28 S + 5,8 S 50

80 S

✄

44

ADN non répété

environ 40 % du génome

• séquences qui codent pour des protéines

• expression régulée

Les familles multigéniques

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chromosome 11chromosome 16chromosome 22

Des gènes morcelés : mise en évidence

46

Micrographie d’un appariement entre l’ADN et l’ARNm du gène d’ovalbumine de poule

bio3400.nicerweb.com

boucle = ADN non codant = intronrégions appariées = séquences codantes = exons

❀

Les gènes morcelés des eucaryotes

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✭

Le génome extra-nucléaire

48

✭

Mitochondrie avec marquage de l’ADN

200 nm

chromosome de chloroplaste isolé et étalé

observé au METbio3400.nicerweb.com

Le génome chloroplastique

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✭ ADN long de 70 à 200 kbquelques séquences répétées50 gènes de protéines + 4 gènes des ARNr (23S, 16S, 4,5S et 5S) en groupes répétés + 30 gènes d’ARNt

Le génome des mitochondries

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✭ ADN de taille très variable13 gènes de protéines + 2 gènes des ARNr + 22 gènes d’ARNt

Un exemple d’hérédité cytoplasmique

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✭

Transmission de la maladie LHON(neuropathie optique héréditaire de Leber)

Un exemple d’hérédité cytoplasmique

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