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UE 2V311 - TD 2 - 2015

Structure des gènes. Buts du TD : 1) connaître les éléments de structure d’un gène eucaryote et procaryote (Rappel 1V002). 2) connaître les différences étapes de l’expression d’un gène (Rappel 1V002). 3) comprendre comment identifier des gènes par analyse informatique. 4) connaître les différents types de mutations et leurs conséquences. Documents utiles : structure des gènes procaryotes et eucaryotes du poly de cours. I. Travail personnel pour tester vos connaissances (non corrigé en TD) : Comparaison des éléments de structure des gènes procaryotes et eucaryotes codant une protéine. Remplissez le tableau ci-dessous en indiquant l’existence ou l’absence de l’élément (précisez sa nature s’il existe) ainsi que le processus dans lequel il est impliqué. En prenant l’exemple d’un gène eucaryote codant une protéine, positionnez sur un schéma ces différents éléments et représentez les étapes de l’expression de ce gène.

Elément de structure Gène procaryote Gène eucaryote Processus

Promoteur

Séquences régulatrices

+1 de transcription

Introns / Exons

Régions 5’UTR et 3’UTR

Terminateur de transcription

Phase de lecture ouverte (ORF / CDS)

Séquence RBS

Codon d’initiation

Codon stop

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II. Décryptage de séquences nucléotidiques chez les eucaryotes. Une façon d’identifier les gènes présents dans un génome à partir de la séquence de celui-ci est de rechercher des éléments de structure d’un gène. Q1. Est-il possible d’identifier, d’après leur séquence, tous les éléments cités dans le tableau précédent ? Q2. Recherchez dans la séquence double brin de 199 paires de bases (pb) ci-dessous certains des éléments du tableau que vous aurez choisis. Par convention, le brin 5’→3’ est celui du dessus.

Pour étudier des génomes de plusieurs millions (voire milliards) de paire de bases, on utilise des logiciels tels que Ape (gratuit sur internet) pour effectuer des recherches systématiques. Une des fonctions de ce logiciel est la recherche de phases ouvertes de lecture (ORF, Open Reading Frame). Cette fonction appelée ORFMAP consiste à lire la séquence d’ADN fournie à la manière d’un ribosome. En prenant les nucléotides 3 par 3, elle va transformer la séquence en une image où chaque codon 5’-ATG-3’ trouvé sera indiqué par un petit trait et chaque codon 5’-TAA-3’, 5’-TGA-3’, et 5’-TAG-3’ trouvé sera indiqué par un grand trait. Les autres codons ne sont représentés par rien. Q3. Sur une molécule d’ADN double brin, combien y a-t-il de phases de lecture possibles ? La figure suivante montre le résultat de cette fonction ORFMAP sur une séquence de 6100 pb d’un organisme procaryote.

Prenons les règles d’analyse suivantes : 1) une ORF correspond à une phase ouverte de lecture comprise entre deux codons stop 2) une CDS (CoDing Sequence) correspond à une phase ouverte de lecture comprise entre un ATG et un codon stop 3) une CDS ne sera retenue comme gène potentiel que si elle n’est pas incluse dans une plus grande CDS et fait au moins 300 pb de longueur.

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Q4. En respectant ces règles, identifiez les CDS correspondants à des gènes potentiels dans la séquence présentée ci-dessus.

Q5. Faites un schéma représentant le fragment d'ADN étudié sous forme double brin orientés et positionnez les éléments du tableau précédent, en précisant, si cela est nécessaire, à partir de quel brin ils sont transcrits.

Q6. En théorie, quelle serait la longueur en acides aminés des protéines synthétisées à partir de ces CDS ainsi que leur masse moléculaire (on rappelle que la masse moléculaire moyenne d'un acide aminé est 110 daltons) ?

Q7. Comment vérifier expérimentalement que ces séquences correspondent bien à des gènes ? III. Relation entre la carte des ORFs et celle des gènes. Q8. Pensez-vous que l’on puisse trouver tous les gènes d’un organisme grâce à cette fonction ORFMAP si l’on connaît toute la séquence du génome de cet organisme ? Si non, quels sont les types de gènes qui échappent à cette analyse ? Q9. Comment faire pour identifier les gènes qui échappent à l’analyse par ORFMAP ?

Le gène TORP1 est impliqué dans différentes pathologies cardiaques et a été localisé sur

le bras court du chromosome 3 chez l’homme. La figure ci-dessous représente le profil ORFMAP réalisée sur le fragment d’ADN génomique contenant le gène (A) ou celui réalisé sur l’ADN complémentaire (ADNc) correspondant (B).

NB : les deux cartes ne sont pas exactement à la même échelle

Q10. Rappelez ce qu’est un ADNc et comment on l’obtient.

Q11. D’après le profil B, indiquez quel brin d’ADN a la même séquence que l’ARN messager.

Q12. Expliquez par un schéma la différence entre la carte des ORFs obtenue sur le fragment d’ADN génomique et celle obtenue à partir de l’ADNc.

>3

>2

>1

<1

<2

<3

A B

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IV. Les mutations et leurs conséquences.

A partir d'individus atteints de pathologies cardiaques, différentes mutations du gène TORP1 ont été caractérisées et mises en relation directe avec le développement de la maladie. Les coordonnées des mutations sont données par rapport au premier nucléotide du codon d’initiation de la traduction

Q13. Complétez le tableau ci-dessous en vous aidant du code génétique fourni en annexe.

Patient Mutation

sain→malade

Type

moléculaire de

mutation

Effet de la mutation Conséquence sur la

protéine

GB001 Δ214-216AAG

GB003 274CAG→274TAG

RU001 457GAG→457GGG

RU018 760TAT→760TAA

JP084 Δ4A

Q14. Que donnerait le profil ORFMAP correspondant à l’ADNc de ces mutants ?

ANNEXE – Code génétique

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FIN DU TD

Pour vous entrainer :

SUP1 : Analysez la séquence génomique dont la carte des ORF vous est montrée ci-dessous, issue d'un organisme procaryote, en répondant aux questions Q4 à Q6.

SUP2 : Etes vous capable de dire rapidement à quoi correspond chaque numéro ?

Pour aller plus loin...

SUP3 : Sudoku génétique. Compléter le tableau suivant. Préciser quel est le brin codant de l'ADN.

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5' T T A 3' ADN double brin

C

U C A ARN messager

G C A anticodons des ARNt

Trp acides aminés

SUP4 : voici le profil ORFMAP du gène X d'une souche sauvage de référence d'E.coli (A) ainsi que celui de 3 mutants de ce gène (B, C, D). Pour chaque mutant, proposer quel est le type de mutation qui a pu se produire.