l’acide désoxyribonucléique -...

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ASEP ¤ Prérentrée 2008-2009 Biologie Moléculaire ¤ Chapitre II D’après le cours de Biologie Moléculaire (2007-2008) de Madame le Professeur I.CREVEAUX © ASEP 2008 1/30 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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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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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