l’acide désoxyribonucléique -...
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2008-2009
Biologie Moléculaire ¤ Chapitre II
D’après le cours de Biologie Moléculaire (2007-2008) de Madame le Professeur I.CREVEAUX
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L’Acide DésoxyriboNucléique Par Manon Bilisari
I. ADN - Généralités
1) Définition
Dans toutes les formes de vie cellulaire ainsi que chez de nombreux virus, l’ADN
constitue le patrimoine génétique : il constitue l’ensemble de l’information nécessaire à
l’édification, au fonctionnement et à la reproduction de chaque organisme.
2) Trois fonctions
stockage de l’information génétique
conduire sa propre réplication au cours d’un cycle cellulaire (auto-réplication) : la +
exacte possible
conduire la transcription des molécules d’ARN c'est-à-dire l’expression de certains
gènes.
II. Structure primaire
composée de :
- bases azotées : A T G C
- désoxyriboses
- groupements phosphate
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1) Composition en bases (% age en A T C G)
varie d’une espèce à l’autre
est identique pour des tissus d’une même espèce
n’est modifiée ni par l’âge, ni par l’état nutritionnel, ni par les modifications
environnementales
2) Règles de Chargaff
A = T
C = G
T + C = G + A b.puriques = b.pyrimidiques
3) Bases modifiées
certaines bases peuvent être modifiées au sein de l’ADN :
méthylation
- adénine : N6-méthyladénine (uniquement chez procaryotes)
- cytosine : 5-méthylcytosine
chez les eucaryotes, la méthylation est régulée en général au niveau des
dinucléotides CG
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N
NH
N
NH 2
O
N
NH
NH 2
O
CH 3
chez l’humain, 3% des C de l’ADN sont méthylés
70% des CG sont méthylés (îlots CpG)
la méthylation des îlots CpG rentre dans le contrôle de l’expression des
gènes et le maintien de l’empreinte parentale
5-méthylcytosine
III. Structure secondaire
élucidée en 1953 par Watson et Crick
1) ADN de forme B (structure de Watson et Crick)
5-azacytosine : analogue
synthétisé utilisé comme leurre en
chimiothérapie.
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Caractéristiques :
- structure hélicoïdale double brin (hélice de pas droit)
- 2 chaînes antiparallèles
- 2 chaînes complémentaires : leur séquence en bases est non identique
- pas de 3,4 nm
- 10pb/tr note : pb=paire de bases
- espace inter-nucléotidique : 0,34 nm
- 2 sillons : un grand et un petit
Structure liée par :
- liaisons hydrogène (2 : A=T, 3 : CΞG)
- interactions hydrophobes à l’intérieur de l’hélice
Les bases azotées sont dirigées vers l’intérieur de la double hélice et sont
perpendiculaires au squelette sucre-phosphate.
interaction d’ions et protéines chargées (+) avec les O- des groupements phosphate
2) Autres formes d’ADN : A, C, D, E et Z
On les différencie par :
- le nombre de nucléotides par tour d’hélice
- la distance entre deux nucléotides adjacents
- le sens du pas
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Forme Z :
- double hélice de pas gauche (unique forme de pas gauche de l’ADN)
- squelette en zigzag
- 12pb/tr - torsadé que B
- pas de 4,6nm
- 1 seul sillon
- conformation caractéristique des régions riches en CpG
3) Structures inhabituelles
Palindrome
séquence répétée inversée pouvant conduire à des structures en épingle à cheveux
(simple brin) ou cruciforme (double brin)
reconnu par enzymes de restriction (outils chimiques naturels qui coupent l’ADN)
5’ ATTGCATATGCAAT3’
3’ TAACGTATACGTTA 5’
Répétition en miroir
séquence répétée inversée sur le même brin
5’ ATTGCATTACGTTA 3’
3’ TAACGTAATGCAAT 5’
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4) Dénaturation – Renaturation
dénaturation : rupture de liaisons non-covalentes (faibles)
agents dénaturants :
- chaleur
- agents chimiques : urée, soude, formamide
phénomène coopératif : il commence en un certain point de la molécule et la
propagation est de + en + facile
on peut suivre la dénaturation avec un spectrophotomètre à une absorbance de
260nm (UV) effet hyperchrome
TM : température de fusion : température à laquelle 50% des molécules sont
dénaturées
50% de la variation d’hyperchromicité
dépend du %age en GC, de la longueur de la séquence et de la composition en
bases : + riche en GC, + chauffer pour dénaturer
elle entraîne des modifications de propriétés physiques :
- augmentation de l’absorption dans UV
- diminution de la viscosité
- augmentation de la densité
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phénomène :
- réversible si refroidissement progressif renaturation/hybridation
moléculaire
- si refroidissement brutal un seul brin (pelote)
la renaturation peut conduire à des hybridations :
- d’ADN d’espèces (mise en évidence de la complémentarité des
génomes= part d’identité entre les 2 génomes)
- d’ADN avec ARN (trouvée de manière naturelle lors de la transcription)
- d’ARN avec ARN
applications de l’hybridation moléculaire :
- isolement et identification des gènes
- diagnostic génotypique
- identification médico-légale
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IV. Topoisomères
molécules d’ADN de même séquence nucléotidique, mais par leur nombre
d’entrelacements.
Il existe états :
- état relâché : configuration la + stable (pas de force de torsion, pas de
courbure nette)
Attention : présence d’entrelacements, même dans cette forme relâchée
- état superenroulé :
positif : nombre d’entrelacements > état relâché superhélice de
pas gauche
négatif : nombre d’entrelacements < état relâché superhélice de
pas droit
la plus compacte, forme naturelle de l’ADN
Un état n’est pas exclusif : on peut passer de l’un à l’autre grâce à des
topoisomérases
Topoisomérases : enzymes capables de modifier le nombre d’entrelacements par
une coupure transitoire d’un ou 2 brins d’ADN, permettant ainsi à la molécule d’ADN
de changer de forme topologique.
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- topoisomérase de type I :
coupure d’un seul brin
enzyme relâchante
ne nécessite pas d’apport d’énergie
- topoisomérase de type II (gyrase chez la bactérie) :
coupure des 2 brins
consomme 1 ATP
catalyse pas à pas le superenroulement négatif de l’ADN
indispensable à la vie cellulaire :
- transcription
- réplication de l’ADN
- réparation
inhibiteurs de topoisomérases :
- antibiothérapie :
quinolones : agissent sur la gyrase bactérienne, ce qui provoque
une incapacité à se reproduire et bloque ainsi la multiplication des
bactéries = blocage de la réplication
- chimiothérapie :
taxol (ifs) : inhibiteur de la topoisomérase I
étoposide : agit sur la topoisomérase II (empêche l’enzyme de
refaire la ligation apoptose)
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V. La chromatine
Chez les eucaryotes, le noyau est très condensé (1 molécule d’ADN=3milliards de pdb :
1m80 5 à 20 m), il y a compaction de la molécule d’ADN sous forme de chromosomes.
La chromatine est un complexe ordonné formé d’ADN, d’ARN et de protéines acides et
basiques (comme les histones).
1) Les histones
5 classes : H1, H2A, H2B, H3, H4
petites protéines basiques (charge (+) à pH physiologique due à la Lysine et à
l’Arginine qui constituent 25% de leur séquence en AA)
PM < 21 kDa (PM: Poids moléculaire; kDa: kiloDalton, unité de mesure)
il existe une gde conservation de leur séquence chez espèces, ce qui traduit leur
rôle essentiel parfaitement adapté à la fonction que la protéine doit jouer dans la
cellule (un changement d’AA n’est pas toléré).
Gènes non morcelés, absence d’introns
Leurs transcrits ARNm n’ont pas de queue polyA
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Modifications post-traductionelles
- Phosphorylation -> Ser, Thr, Tyr
- méthylation
- acétylation -> Lys
Se fait avec l’aide de cofacteurs intervenant dans la régulation de
l’expression des gènes : histones-acétylases(HAC) et histones-
désacétylases (HDAC).
L’acétylation diminue la charge des histones -> diminution de l’interaction
ADN/Histones ->relâchement de la compaction de la chromatine à
certains endroits-> favorise la transcription des gènes à cet endroit.
Ds le cancer, il y a rupture de l’équilibre acétylation/desacétylation. L’augmentation
de l’expression des HDAC -> augmentation de la désacetylation des histones ->
inhibition de l’expression de certains gènes suppresseurs de tumeurs.
Nouvelle famille d’agents anti-cancéreux : inhibiteurs de HDAC
2) 1er niveau de chromatine : nucléosome/chromatosome
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nucléosome :
- octamère d’histones (8) = cœur d’histones :
2 histones H2A
2 histones H2B
2 histones H3
2 histones H4
- ADN enroulé : 146pb lié au cœur d’histones
- Lien internucléosomique : 55pb
chromatosome = nucléosome verrouillé par une molécule d’histone H1
assemblage du nucléosome nécessite des chaperons moléculaires :
- nucléoplasmine
- protéine N1
- topoisomérase II
compactage 6x
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3) 2ème niveau de chromatine : fibre de 30nm ou fibre solenoïde
superhélice de pas gauche
6 nucléosomes/tr
histones H1 au centre pour verrouiller la structure
L’ADN est majoritairement organisé sous cette forme, exceptées les séquences
activement transcrites.
4) Autres niveaux de compaction
3ème : boucle (50kpb)
non libre ( ce qui impose des forces de torsion) , ancrée sur le noyau au niveau d’une
structure protéique complexe : matrice nucléaire
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correspond à un domaine fonctionnel, une unité fonctionnelle sur le plan de la
transcription
4ème : rosette (6 boucles en spire)
5ème : hélice/rouleau (30 rosettes)
6ème : chromosome à deux chromatides (2x10hélices)
5) états de la chromatine
Pendant l’interphase
Hétérochromatine (80%) : fortement colorées inerte/inactive au niveau
transcriptionnel :
- constitutive :
ADN satellite centromérique
Autres (chromosome Y chez l’homme)
- facultative :
chromosome X inactivé (chez la femme)= corpuscule de Bahr
Euchromatine (20%) : - colorée, + diffuse zones activement transcrites peu
compactées
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Pendant le reste de la division cellulaire
uniquement sous forme d’hétérochromatine
6) Chromosome Bactérien
molécule circulaire double brin compactée sous forme de nucléoïdes sans histones
mais avec protéines histone-like
boucle reliée la face interne de la membrane plasmique de la bactérie domaine
topologique indépendant
VI. Organisation des génomes
ensemble de tous les gènes et de l’ADN intergénique contenu dans une
cellule.
1) Génome procaryote
pas de noyau
ADN :
- chromosomique : 1 seul chromosome
- extra-chromosomique : plusieurs plasmides
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plasmide : petite molécule d’ADN circulaire double brin extra-chromosomique, libre
dans le cytoplasme [(+ petite qu’un chromosome bactérien : 3000 à 100000pb)(Il
existe des plasmides linéaires)] capable de se répliquer de manière indépendante par
rapport au chromosome unité de réplication autonome. Il a sa propre origine de
réplication et se répliquent en utilisant la machinerie de la cellule il existe plusieurs
copies d’un plasmide par cellule. Il est optionnel pour la cellule hôte, il n’est pas
indispensable à la vie dans les conditions normales, il peut être perdu mais apporte
des gènes. Il peut coder pour diverses fonctions, par exemple, pour des enzymes
inactivant des antibiotiques définis plasmide R (plasmide portant un gène de
résistance) rend habituellement la cellule hôte résistante à l’antibio considéré. C’est
une molécule facile à isoler et peut donc servir de vecteur (séquence nucléotidique
capable de s’auto-répliquer, utilisée pour faire de la recombinaison in vitro d’ADN et
son amplification extra-chromosomique (clonage) plasmides, bactériophages,
rétrovirus).
ADN majoritairement codant, transcrit en ARNm, ARNt ou ARNr . Peu de sq répétées.
Séquence d’ADN codant une protéine est continue : pas d’introns
0,5.106pb < taille du génome < 14.106pb
E.coli : 4,64.106pb
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2) Génome eucaryote
il y a un noyau dans chaque cellule
ADN :
- chromosomique nucléaire : plusieurs chromosomes nucléaires
- extra-chromosomique : organites (chloroplastes : végétaux /
mitochondries : animaux)
-
un chromosome est une molécule linéaire d’ADN
il existe 46 chromosomes humains :
- 22 paires d’autosomes
- 1 paire de gonosomes (chromosomes sexuels)
-
a) ADN mitochondrial humain
Circulaire double brin
Il existe plusieurs copies par cellule (il en existe 5 à 10 par mitochondrie, et on a
de qques centaines à milliers de mitochondries par cellule)
petit : 16kpb -> - de 1% de l’ADN total de la cellule
Son code génétique est de celui du génome nucléaire : par ex, au niveau d’un ARNm,
UGA code pour le tryptophane au niveau mitochondrial alors que c’est un codon stop
au niveau du noyau.
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Il ne code que pour une partie des protéines mitochondriales. Il existe 37 gènes
mitochondriaux :
- 2 gènes codent pour des ARNr
- 22 gènes codent pour des ARNt
- 13 gènes codent pour des ARNm et donc pour des protéines
mitochondriales
1000 à 1500 protéines mitochondriales sont codées par le génome nucléaire puis
passent dans le cytoplasme et dans la mitochondrie, ce qui correspond à la majorité des
protéines mitochondriales.
Les ARN et ADN polymérase, chargées respectivement de la transcription et de la
réplication, voient leur fonctionnement contrôlé par le génome nucléaire.
Le génome mitochondrial ne présente pas d’introns au niveau des gènes (séquence
codante ininterrompue)
Il n’y a pas de recombinaisons.
La transmission est de type non-mendélienne uniquement maternelle, on parle
d’hérédité cytoplasmique.
Taux de mutations élevé ( 10fois + élevé que le tx de mutations nucléaires) dû à :
- la production de radicaux libres dus à la phosphorylation oxydative
(chaîne respiratoire mitochondriale)
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- l’absence de protéines histones (l’ADN n’est pas sous forme de
chromatine)
l’accumulation de mutations est à l’origine du phénomène de vieillissement :
- baisse de l’acuité visuelle
- baisse de l’audition
- pertes de mémoire
Les maladies génétiques mitochondriales (dues à des délétions ou à des mutations
ponctuelles de l’ADN maternel) touchent les muscles (myopathies), le système
nerveux ainsi que l’œil (au niveau de la rétine)
L’hétéroplasmie est le fait que le type sauvage et le type mutant de l’ADN
mitochondrial coexistent au sein d’une même cellule ou du même tissu. Le %age
d’hétéroplasmie influence la clinique présentée par le patient -> + le %age augmente,
+ la traduction clinique est sévère
b) Génome nucléaire humain
Taille d’un génome (valeur C) est en fait la quantité d’ADN contenu dans un génome
haploïde d’une espèce donnée. C’est une constante exprimée en pb.
6,6.105pb < C < 6,7.1011pb (amibe = protozoaire)
Chumain= 3,2.109pb
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Une grande majorité des gènes est noyés dans une grande masse d’ADN non codant.
Chez l’Homme :
- régions codantes < 2% du génome
- introns 35%
- éléments répétés > 50 %
Séquences uniques
Ce sont des régions contenant des gènes, codant des protéines, qui sont présents à
l’état de une ou quelques copies par génome haploïde.
- Il existe 32 000 gènes distincts chez l’homme (3x la drosophile, et 2x
l’ hématode).
- 28% du génome est transcrits en ARN mais seulement 1,4% du
génome correspond à des séquences codantes.
Séquence intergénique présente 1 seule fois
CNG : séquences conservées non géniques (1% du génome)
- 1 CNG = au moins 100pb continues
- 70% d’identité entre Homme et souris : rôle important mais lequel ?
- non codante
- séquence régulatrice
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Séquences répétées en tandem
plusieurs copies d’un gène par génome haploïde situées les unes derrière les
autres dans la même orientation
gènes de Histones : 30-40 copies de chacun des 5 gènes
- pas d’introns
- ARNm ne présente pas de queue poly(A)
gènes des ARNr
- précurseur 45S : c’est un transcrit multigénique de 13kb qui sera
ensuite clivé en ARNr 5,8S ; 18S ; 28S.
Les gènes sont organisés en grands blocs de 44kb répétés l’un
derrière l’autre.
Il en existe 150 à 200 blocs répartis sur 5 chromosomes .
C’est un organisateur nucléolaire.
- ARN 5S : il existe 2000 copies du gènes situées sur le chromosome 1.
gènes d’ARNt , dispersés dans le génome.
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Séquences moyennement répétées dispersées
Il en existe < 106 copies de chaque type par génome haploïde.
Ce sont des séquences de quelques centaines à quelques milliers de pdb
séparées par des introns des autres séquences codantes, elles sont dispersées. Ce
sont des éléments transposables (mobiles), ces séquences peuvent donc changer
de place dans le génome.
Elles représentent environ :
- 3.106 exemplaires
- 90% des séquences répétées
- 45% du génome
il existe 4 classes :
- LINE
- SINE
- Rétrotransposons à LTR
- Transposons
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i. LINE Eléments répétés dispersés de grande taille
14% du génome, très abondants
6kb
codent pour une transcriptase inverse=retrotranscriptase=reverse
transcriptase qui leur permet de se rétrotransposer.
Famille la seule active chez l’Homme : L1 (500 000 éléments)
ii. SINE Eléments répétés dispersés de petite taille
20% du génome
100-400pb, taille variable, pas tous complets
incapables de se transposer seuls utilisent la machinerie des L1.
Famille ALU (106 éléments) : séquences de 300 pdb (toutes les 4000pb)
transcrites (ARNm avec queue poly(A)) non traduites (ne codent pour rien).
iii. Rétrotransposons à LTR Long Terminal Repeat
8% du génome
Utilisent la reverse transcriptase
autonomes (apparentés aux rétrovirus)
Famille HERV (Human Endrogenous Retrovirus)
Inactifs chez l’homme
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iv. Transposons à ADN
seule classe à utiliser l’ADN pour se déplacer
3% du génome
codent pour une transposase qui leur permet de réaliser :
- transposition réplicative (« copier-coller ») : une copie est synthétisé à
partir du transposon d’une séquence « donneur » et va s’insérer ailleurs
dans le génome. (donneur avec transposon)
- transposition conservative (« couper-coller ») : le transposon est excisé
et va s’insérer ailleurs dans le génome. (donneur sans transposon)
v. Récapitulatif
Nombre d’éléments Famille
SINE 1 600 000 ALU : 1 000 000
LINE 900 000 L1 : 500 000
Rétrotransposons à LTR 400 000 HERV
Transposons 300 000
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vi. Impact sur le génome
Ils représentent une grande partie du génome conséquences sur le
fonctionnement et la structure du génome rôle dans la plasticité du génome :
- Si il y a insertion d’éléments transposables dans une séquence
codante effet mutagène.
- Si il y a recombinaison (pas forcément délétaire) entre 2 éléments
transposables homologues non alléliques : effet mutagène.
Evolution des génomes : duplication d’exons, de gènes…
- transduction : L1, lors de sa mobilisation, transduit un fragment d’ADN
génomique situé en 3’ de son extrémité.
apport d’une nouvelle information au site d’insertion = nouvel exon combinaison
d’exons
20% des L1 sont accompagnés en 3’ de séquences transduites (ce qui représente 1%
du génome)
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Séquences hautement répétées
i. Groupées
ADN satellite télomérique et centromérique
Blocs en tandem dans même direction
A# Centromérique
ADN satellite :
- 3-5% de l’ADN de chaque chromosome
- hétérochromatine
- motif : 171pb -> La répétition peut donner pls centaines à pls millions
de pdb
ADN satellite 1 :
- présent sur presque tous les chromosomes
- motif : 25-48pb -> la répétition peut être présente pls centaines à
milliers de fois
B# Télomérique
extrémités des chromosomes se termine par un motif de 6pb : TTAGGG répétées n
fois
répétition formant des blocs de 10-15kb
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Minisatellites télomériques
ii. Dispersées
partout dans le génome
A# Minisatellites hypervariables (VNTR)
motif : 9 à 24pb, répétés n fois
blocs répétées de 100pb à 20kb présents sur + de 1000 locus dans le génome
en un locus donné, dans un bloc, le nombre de motifs répétés est variables
plusieurs allèles possibles polymorphisme multiallélique de répétition de l’ADN.
L’analyse des allèles présents au niveau des loci (60 à la fois) permet d’établir une
empreinte génétique individuelle, utilisée en identification médico-légale depuis
1985.
B# Microsatellites (STR)
motif court : 1 à 4/5pb
blocs de 100pb
dispersés dans tout le génome
le + fréquent : dinucléotide (CA)n
0,5% du génome (70 000 copies)
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D’après le cours de Biologie Moléculaire (2007-2008) de Madame le Professeur I.CREVEAUX
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Polymorphisme multiallélique de répétition de l’ADN permet d’établir une
empreinte génétique individuelle utilisée en criminologie, recherche de paternité
et diagnostic génotypique.
Probabilité que 2 individus aient la même carte génétique : 1.10-16
iii. Récapitulatif
Taille du motif Taille du bloc Localisation
ADN satellite 171pb
3-5% de l’ADN de
chaque
chromosome
Centromérique
ADN satellite 1 25 à 48pb
Minisatellites télomériques 6pb 10-15kb Télomérique
Minisatellites hypervariables
(VNTR) 9 à 24pb 0,1 à 20kb
Chromosomique
Microsatellites (STR) 1 à 4/5pb < 150b
Famille de gènes regroupés
Les différents types de gènes :
- Homologues : gènes possédant une forte identité de sq -> ne préjuge
pas du fait qu’ils appartiennent ou pas à la même espèce.
- Orthologues : gènes homologues qui appartiennent à des espèces
différentes.
- Paralogues : Gènes homologues présents dans le génome de la même
espèce
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Famille de gènes : ensemble de gènes présentant un fort degré de similarité.
La taille et l’organisation des séquences identiques est très variable. Parfois, les
membres d’une même famille peuvent être regroupés en des localisations précises
appelées cluster/isolat ( groupement de gènes paralogues) ou être dispersés dans le
génome.
Pseudogène : séquence d’ADN non exprimée présentant un grande homologie avec
un gène actif dont il dérive par duplication/mutation (pseudogène conventionnel)
ou par rétrotranscription (pseudogène modifié). Sa non-expression résulte de
modifications structurales (mutations ponctuelles) ou de perte de séquence
régulatrice (rétrotranscription)
Exemple de l’hémoglobine : composée de sous-unités protéiques
2 chaînes et 2 chaînes
- Cluster Globine
chromosome 11, sur le bras court
5 gènes fonctionnels : , , A , et
1 pseudogène : 1
ordre des gènes de globine sur le chromosome correspond à l’ordre dans lequel ils
sont exprimés au cours du développement
ils ont pour origine des duplications successives à partir d’un gène ancestral ( et
ont 79% de positions identiques). Chaque copie a ensuite évolué pour son propre
compte -> Divergence par mutation
- Cluster Globine
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chromosome 16, sur le bras court
4 gènes fonctionnels : 2, 1, 2,
3 pseudogènes : 1, 2, 1
ordre des gènes de globine sur le chromosome correspond à l’ordre dans lequel ils
sont exprimés au cours du développement
Ilots CpG
sous-représentés au sein du génome car lieux privilégiés de mutations (Hot-Spots)
méthylation de cytosine désamination thymine (en général non réparé)
il existe des régions/clusters > 500pb riches en CpG, elles se trouvent au niveau de
gènes activement transcrits (le + souvent en amont) (ex : gènes de ménage)
îlots peu sujets à la méthylation hypométhylés
densité des îlots CpG corrélée en fonction de la densité en gènes du chromosome :
- chromosome 19 très riche en gènes : 43 CpG/MB (MB : megabases)
- chromosome Y pauvre en gènes : 3 CpG/MB
environ 20 000 CpG dans le génome humain