Chap 02- Structure génomes eucaryotes et organisation

Cecours synthétise lastructure et l'organisation des génomes eucaryotes, en explorant l'ADN comme support de l'information génétique, son agencement physique dansla cellule, l'existence d'ADN extranucléaire et enfin l'organisation fonctionnelle des gènes.

Rappels sur la structure de l'ADN

L'ADN, support de l'information génétique

Les expériences clés qui ont établi l'ADN comme le supportde l'information génétique incluent :

• Frederick Griffith (1928) : Transformation bactérienne.

• Oswald Avery, Colin MacLeod, Maclyn McCarty (1944) : Identification de l'ADN comme l'agent transformant.

• Alfred Hershey et Martha Chase (1952) : Confirmation du rôle de l'ADN (et non des protéines) dans la transmission del'information génétique, utilisant des bactériophages. Ils ont marqué l'ADN avec du ³²P et les protéines avec du ³⁵S, montrant que seul le ³²P était transmis à la progéniture virale.

Structure de l'ADN

1. Erwin Chargaff (1950) : Découverte des règles de complémentarité des bases (A=T, C=G).

2. James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins, Rosalind Franklin(1953) : Découverte de la structure en double hélice de l'ADN. Rosalind Franklin a produit le "Cliché 51" crucial pour cette découverte.

Composition des acides nucléiques

• Les sucres (oses):

  • Le ribose () dans l'ARN.

  • Le désoxyribose (ribose sans un oxygène en position C2') dans l'ADN.

• Les bases azotées : Composés aromatiques hétérocycliques.

  • Purines : Adénine (A) et Guanine (G).

  • Pyrimidines : Cytosine (C), Thymine (T) (dans l'ADN) et Uracile (U) (dans l'ARN).

• Nucléoside : Base + sucre (ex: désoxy-adénosine).

• Nucléotide (nt) : Base + sucre + phosphate (ex: désoxy-adénosine-triphosphate). Les phosphates sont liés par des liaisons anhydres.

La double hélice d'ADN

• Les bases s'apparient spécifiquement : A-T (2 liaisons hydrogènes) et C-G (3 liaisons hydrogènes).

• La liaison phosphodiester unit les nucléotides entre eux, formant le squelette sucre-phosphate.

• L'ADN est unedouble hélice avec deux brins anti-parallèles (un brin 5'->3', l'autre 3'->5').

• Les bases sont à l'intérieur de l'hélice, le squelette phosphate-désoxyribose à l'extérieur.

• L'ADN est un polyanion en raison des charges négatives des phosphates.

Organisation physique des génomes eucaryotes

Caractéristiques générales

• Grande taille, compartimenté (noyau), compacté.

• Composé de plusieurs chromosomes (molécules d'ADN).

• Gènes morcelés (introns/exons).

• Nombreuses régions répétées et non codantes.

• Existence d'un génome non nucléaire (mitochondries, chloroplastes).

Compaction de la chromatine

L'ADN, long de 2 mètres chez l'humain, doit être compacté dans un noyau de 5-6 μm. Cette compaction se fait à plusieurs niveaux :

La Chromatîne

• Fibre de chromatine = Molécule d'ADN associée à des protéines (histones, non-histones) et ARN.

• Dynamique, modifiable selon le cycle cellulaire et la transcription.

• Différentsdegrés de compaction : chromatine -> chromosome.

Le nucléosome

Premier niveau de compaction, le nucléosome est composé de :

• Un octamère d'histones (deux de chaque H2A, H2B, H3, H4), protéines basiques et positivement chargées.

• L'ADN enroulé 1,65 fois autour de cet octamère.

• L'histone H1 "agrafe" l'ADN au nucléosome pour former le chromatosome.

Fibre de chromatine de 30 nm (solénoïde)

Les nucléosomes s'enroulent pour former une fibre plus compacte de 30 nm.

Compaction supérieure

1. L'ADN est une double hélice.

2. L'ADN est complexé avec des histones pour former des nucléosomes.

3. Chaque nucléosome a huit protéines histones autour desquelles l'ADN s'enroule 1,65 fois.

4. Un chromatosome est un nucléosome+ l'histone H1.

5. Les nucléosomes se replient pour produire une fibre de 30 nm.

6. Cette fibre de 30 nm forme des boucles d'environ 300 nm de long.

7. Ces fibres de 300 nmsont compressées et repliées en une fibre de 250 nm.

8. L'enroulement serré de la fibre de 250 nm produit le chromatide d'un chromosome.

La chromatine interphasique

• L'ADN est attaché à l'enveloppe nucléaire.

• Euchromatine : Régions actives, claires, décondensées.

• Hétérochromatine : Régions inactives, condensées, sombres.

  • Hétérochromatine constitutive : Toujours condensée, rôle structural.

  • Hétérochromatine facultative : Condensation réversible, régule l'expression des gènes.

• Les chromosomes occupent des "territoires chromosomiques" organisés dans le noyau.

La chromatine pendant la mitose / méiose

• Le noyau disparaît.

• La chromatine est compactée au maximum pour former des chromosomes.

• Les chromosomes sont maintenus par les topo-isomérases (Topo II) et la famille des protéines SMC (Structural Maintenance of Chromosome).

  • Cohésines (Smc1+Smc3) : Attachent les deux chromatides soeurs jusqu'à l'anaphase.

  • Condensines (Smc2+Smc4) : Compacter la structure des chromosomes, activées en prophase.

Le chromosome métaphasique

• Visibleau microscope optique sous forme de "X".

• Chaque chromosome est composé de deux chromatides sœurs, répliquées, liées au centromère.

Caryotype

• Étude des chromosomes au microscope optique après coloration (ex: marquage GTG, G banding using Trypsine and Giemsa).

• Permet de détecter des anomalies chromosomiques (ex: trisomie 21).

• La nomenclature ISCN standardise la description des caryotypes.

Nombre de chromosomes etploïdie

• Le nombre de chromosomes varie selon les espèces, sans corrélation directe avec la "complexité".

• Ploïdie : Nombre de lots haploïdes (ex: Homme est diploïde, 2n=46).

Gonosomes (chromosomes sexuels)

• Autosomes : Chromosomes identiques chez les deux sexes.

• Gonosomes (ou hétérosomes) : Chromosomes différents entre mâles et femelles (ex: XX/XY chez les mammifères, ZW/ZZ chez les oiseaux).

Structure des chromosomes

• Les chromosomes peuvent avoir des structures variables entre espèces (ex: position des centromères).

ADN extra-nucléaire

Il s'agit principalement de l'ADN des mitochondries et deschloroplastes.

• Ces organites ont leur propre génome, vestiges d'un transfert horizontal de gènes par endosymbiose.

• Mitochondries : descendantes d'alpha-protéobactéries.

• Chloroplastes : descendantes de cyanobactéries.

• Leur génome présente des caractéristiques procaryotes.

ADN circulaire

• L'ADN mitochondrial est généralement circulaire, bicaténaire, sans extrémité libre.

• Plusieurs copies par cellule,avec une machinerie de réplication propre.

Organisation fonctionnelle des génomes eucaryotes

Le gène eucaryote

• Définition : Ensemble de la séquence nucléotidique nécessaire à la synthèse d'un ARN fonctionnel ou d'unpeptide.

• Inclut : séquences codantes (exons) et non codantes (introns), promoteur, et régions régulatrices (parfois distantes).

• Généralement monocistronique : un gène -> unARNm -> une protéine (sauf épissage alternatif).

Contenu en gènes des chromosomes eucaryotes

• Absence de corrélation directe entre la taille du génome et le nombre de gènes.

• La densité en gènes varie.

• Plus de 90% du génome des vertébrés est non codant ("ADN de remplissage" ou junk DNA).

  • Introns ().

  • ADN intergénique ().

Gènes uniques et familles de gènes

• Gènes uniques : 25-50% des gènes, 1 locus, 1 copie/génome haploïde.

• Familles de gènes homologues : Jeux de gènes redoublés, codant des protéines similaires mais non identiques. 50% des gènes des vertébrés.

Définitions des types d'homologie de gènes

• Gènes homologues : Issus d'un même gène ancestral.

  • Gènes paralogues : Homologues issus d'une duplication au sein de la même espèce. Ont souvent des fonctions différentes mais proches.

  • Gènes orthologues : Homologues issus d'ungène d'un ancêtre commun avant la spéciation. Ont souvent la même fonction.

Duplications géniques

• Devenir des gènes dupliqués :

  • Divergence et perte de fonction(devient un pseudogène).

  • Conservation de la même fonction (redondance) ou spécialisation.

  • SUB-FONCTIONNALISATION : Le ou les gènes dupliqués se spécialisent dans une partie des fonctions du gène ancestral.

  • Acquisition d'une nouvelle fonction (NEO-FONCTIONNALISATION).

Exemple : Locus des Bêta-globines

• L'hémoglobine (Hb) est une protéine de transport de l'O, composée de 4 globines et 4 hèmes.

• Le locus des globines bêta est en 11p15.5, celui des alpha en 16p13.3.

• Différents types d'Hb existent avec des affinités différentespour l'O (ex: HbA, HbA, HbF fœtale).

• L'évolution des gènes des globines est un exemple classique de duplication et divergence fonctionnelle.

Gènes répétés en tandem

• Gènes codant les ARNr (ribosomes), les ARNt (transfert) et les histones.

• Ces copies sont souvent identiques et permettent une augmentation de la capacité de transcription.

• Exemple : Gènes des ARNr 45S sont localisés dans les organisateurs nucléolaires des chromosomes acrocentriques.

ADN répété

Classé selon sa vitesse de réassociation (mesurée par les courbes de Cot).

ADN hautement répété (non codant)

• 10-15% du génome mammifère, localisé autour des centromères.

• Motifs courts (5-10 pb) répétés des centaines de milliers de fois.

• Séquences plus longues (100-200 pb) en tandem.

• Microsatellites : Séquences courtes et dispersées.

• Centromères : Séquences CEN (chez l'homme, des motifs de 171 pb répétés en tandem sur 300 kpb à 5000kpb).

• Télomères : Séquences TEL, riches en C et A, protègent les extrémités des chromosomes.

ADN moyennement redondant (majoritairement non codant)

• 25 à 40% du génome humain.

• Motifs plus longs (100-1000 pb), dispersés.

• Comprend les éléments mobiles (transposons et rétrotransposons).

  • LINE (Long Interspersed Nuclear Elements): 5-7 kpb, des milliers de copies, dérivés de rétrotransposons.

  • SINE (Short Interspersed Nuclear Elements) : 130-300 pb, des centaines de milliers de copies (ex: séquence Alu).

• Contient aussi des gènes répétés codant d'autres ARN (ARNr 28S, 18S, 5.8S, ARNt, ARN 5S, ARN 7SL).

Éléments mobiles du génome

• Séquences d'ADN capables de se déplacer ("sauter") dans le génome.

• Contribuent au brassage génomique et à l'évolution.

• Accumulation possible (plus de 30% de l'ADN humain).

• Peuvent induire des mutations.

• Transposons : Transposition directe ADN-ADN.

• Rétrotransposons : Transposition via un intermédiaire ARN, nécessitant une transcriptase inverse.

  • Rétrotransposons viraux(similaires aux rétrovirus).

  • Rétrotransposons non viraux (LINE, SINE).

ADN en simple exemplaire (partiellement codant)

• 50-60% génome.

• Séquences uniques (gènes uniques et séquences intercalaires).

• Correspond essentiellement aux gènes qui codent pour des protéines.

• Environ 25 000 gènes chez l'homme, mais seulement 1% du génome est codant pour des protéines.

• Ladensité génique varie (Drosophila: 1 gène/10kb, Humain: 1 gène/100kb).

Conclusion : les génomes eucaryotes

Les génomes eucaryotes sont caractérisés par :

• Une organisation enmultiples molécules d'ADN linéaire appelées chromosomes, logées dans le noyau, et présentant différents niveaux de compaction.

• Des séquences fortement répétées essentielles à la structure chromosomique (hétérochromatine constitutive) et au cycle cellulaire.

• Des séquences uniques et moyennement répétées participantau métabolisme cellulaire (euchromatine, hétérochromatine facultative).

• Une part significative de séquences sans fonction identifiée, incluant l'ADN intercalaire et les éléments mobiles, qui contribuent au brassage génomique.

• Une structure dynamique, essentielle àla régulation de l'expression des gènes et à l'évolution.