Genetics and Heredity: Definitions and History

Definitions and History

• Genetics: The science of Heredity and Variations.

• Heredity: Faithful reproduction of genetic material.

• Variations: Modifications to genetic material (Meiosis, Mutations).

Historical Milestones:

• 1866: Mendel establishes laws of hereditary trait transmission.

• 1879: Fleming observes chromosomes during Mitosis.

• 1888: Strasburger observes chromosomes during Meiosis.

• 1901: De Vries introduces the concept of mutation.

• 1902: Sutton and Boveri propose chromosomes carry genetic information.

• 1906: Johanssen coins the term "gene".

• 1915: Morgan provides experimental proof for chromosomal theory of heredity (drosophila studies).

• 1941: Beadle and Tatum link genes to enzyme/protein synthesis.

• 1944: Avery, MacLeod, McCarty discover DNA as the genetic material in bacteria.

• 1953: Watson and Crick (with Franklin's work) elaborate the DNA double helix model.

• 1959: Lejeune identifies trisomy 21 (Down syndrome).

• 1988: Blackburn launches the Human Genome Project.

• 2003: Completion of human genome sequencing.

• Genome: All genetic information in an organism's chromosomes.

Molecular Biology or Genetic Biochemistry studies molecular processes for genetic material conservation and perpetuation.

Genetic Material

Nucleic Acids

• 1869: Miescher isolates Nuclein (phosphorus-rich substance) from leukocytes.

• 1882-1927: Kossel and Levene show nuclein contains nucleic acids (DNA & RNA) and proteins.

• The term "nucleic" is retained despite their presence in cytoplasm and organelles.

Nucleotides

• Definition: Nucleic acids are long molecules made of repeating nucleotide subunits.

• Types of Nucleic Acids:

  • DNA: Primarily in the nucleus.

  • RNA: Primarily in the cytoplasm.

• Structure:

  • Nucleoside = sugar + base.

  • Nucleotide = Phosphoric Acid + sugar + base.

• Bases:

  • Pyrimidines: Cytosine (C), Thymine (T), Uracil (U).

  • Purines: Adenine (A), Guanine (G).

• Sugars (Oses):

  • Ribose (in RNA).

  • Deoxyribose (in DNA).

• Phosphoric Acid: H₃PO₄.

DNA Characteristics

Constituents

• DNA is a polymer of nucleotides linked by ester bonds.

• Each nucleotide contains a purine or pyrimidine base, a deoxyribose sugar, and a phosphate group.

Key Properties of DNA Double Helix

• Antiparallel: Two strands run in opposite 5' to 3' directions.

• Complementary: Specific base pairing (A-T, C-G) due to steric fit and hydrogen bonds.

  • A-T: 2 hydrogen bonds.

  • C-G: 3 hydrogen bonds.

• Helical: Two strands coil around a central axis.

  • Most common forms (A-DNA, B-DNA) are right-handed.

  • Z-DNA is a left-handed helix with a different configuration.

Z-DNA Specifics

• Left-handed helix.

• More svelte and less twisted than B-DNA.

• 12 base pairs per turn (vs. 10 for B-DNA).

• Pitch of 4.6 nm (vs. 3.4 nm for B-DNA).

• Diameter of 1.8 nm (vs. 2.4 nm for B-DNA).

• Cytosine in anti configuration, Guanine in syn configuration.

DNA Structures

• Primary Structure: Linear sequence of nucleotides linked by 3'-5'-phosphodiester bonds.

• Secondary Structure: The double helix formed by two antiparallel, complementary, and helical nucleotide strands.

• N-Glycosidic bond: Links the base to the sugar.

Genome Organization

• In eukaryotes, DNA combines with proteins to form chromatin.

• Chromatin is the chemical substance of chromosomes.

Why is genome organization complex?

• DNA must be compacted.

• DNA must be protected from enzymes.

• DNA must be conserved and copied with minimal errors.

DNA Differences Across Species

• Human DNA: Longest, most genes (nuclear: ~3 billion bp, 25,000 genes; mitochondrial: 16,000 bp, 37 genes, circular).

• Plant species: Can have double the genes or 30 times more DNA than humans.

• Number of molecules:

  • Prokaryotes: 1 circular DNA molecule.

  • Eukaryotes: Multiple (e.g., 46 chromosomes in humans).

• Form: Circular (prokaryotes, mitochondria) or linear (eukaryotic nucleus).

• Size: Thousands (viruses) to billions (humans) of base pairs.

• Localization: Nuclear or extranuclear (mitochondrial).

• Base Sequence: Affects biological function.

Prokaryotic DNA

• Circular, single copy, single chromosome, cytoplasmic.

• Contains plasmids: Independent replicating structures used in gene cloning.

Human Genome

• Mitochondrial DNA (mtDNA):

  • Double-stranded, circular.

  • 16,569 bp, 37 genes.

  • Genetic code slightly different from nuclear DNA.

  • Inherited solely from the mother (maternal lineage tracing, mitochondrial diseases).

• Nuclear DNA:

  • 46 linear chromosomes, 3,000 Mb, associated with proteins (chromatin).

  • Euchromatin: Relaxed, accessible, functional (93% of genome).

  • Heterochromatin: Condensed, inaccessible, inactive (7% of genome).

  • Gene content: 30% of genome (avg. 27kb), 50% intergenic repetitive non-coding sequences.

  • Only 1.5% of human genome translated into polypeptides due to gene maturation.

Chromosomes

• Structure:

  • Appear "double" during early mitosis (two identical sister chromatids).

  • Joined at the centromere.

  • Telomeres: Repetitive DNA sequences (TTAGGG) at chromosome ends.

    • Telomerase: Enzyme adding repetitive sequences, linked to aging and cancer (immortality of cancer cells).

Classification of Chromosomes (by Centromere Position)

• Metacentric: Centromere in the middle.

• Submetacentric: Centromere slightly off-center.

• Acrocentric: Centromere near one end.

• Telocentric: Centromere at the very end.

Mobile Genetic Elements

• Transposons: Repetitive DNA sequences that move sites.

  • Insertion can inactivate genes or activate regulatory zones.

  • e.g., ERV or MER.

• Retroposons (Retrotransposons): Insert via an RNA intermediate, using reverse transcriptase.

  • Often derived from retroviruses.

  • Contain an Open Reading Frame (ORF) coding for reverse transcriptase.

Dispersed Repetitive Sequences

• SINEs (Short Interspersed Elements): 100-300 bp.

• LINEs (Long Interspersed Elements): 5000-7000 bp.

• Both are types of retroposons.

• LINEs derive from RNA Pol. II, SINEs from RNA Pol. III.

• Examples: LINEs include L1, SINEs include Alu.

Satellite DNA

• Highly repetitive (5-200 bp) sequences forming large blocks (100-5000 kbp).

• Located in centromeric regions (heterochromatin).

• Grouped in tandem, facilitating protein binding crucial for mitosis.

• Forms: alpha, beta, 1, 2, 3.

Minisatellite DNA (VNTR)

• Short, highly repetitive sequences (6-64 bp), 100-20,000 bp long.

• Found at or near chromosome extremities, in tandem.

• Telomeric DNA (e.g., TTAGGG repeats in humans) protects chromosome ends.

Microsatellite DNA (SSR)

• Very short blocks (2-6 nucleotides), repeated 5-50 times (e.g., CA and AT dinucleotides).

• Physiological role not fully known; found in intergenic regions (1% of human genome).

RNA

Characteristics

• Sugar: Ribose.

• Bases: A, U, C, G (Uracil replaces Thymine).

• Typically single-stranded.

• Base Pairing Rules: A-U, C-G.

Types of RNA

• rRNA (ribosomal RNA): Most abundant (~82%).

• tRNA (transfer RNA): ~16%.

• mRNA (messenger RNA): ~2%.

• snRNA (small nuclear RNA): <1%.

Ribosomal RNA (rRNA)

• Constituent of ribosomes (particles for protein synthesis in cytoplasm and mitochondria).

• e.g., E. coli ribosome (70S)

  • Large subunit (50S): 1 rRNA 5S (120 nt), 1 rRNA 23S (2904 nt), 34 r-proteins.

  • Small subunit (30S): 1 rRNA 16S (1542 nt), 21 r-proteins.

• Coefficient S (Svedberg) measures sedimentation rate, depends on mass, shape, rigidity.

• rRNA roles: Structural, facilitates binding of tRNA & mRNA, identifies translation initiation site (in bacteria, 16S rRNA with Shine-Dalgarno sequence).

Transfer RNA (tRNA)

• Transfers amino acids from cytoplasm to ribosome for protein synthesis.

Messenger RNA (mRNA)

• Carries genetic information from DNA.

• Short lifespan (minutes in bacteria, minutes to days in eukaryotes).

Small Nuclear RNA (snRNA)

• Located in the nucleus, undergoes post-transcriptional modifications.

Chromatin Structure and Compaction

• Human haploid genome DNA is ~1 meter long, but chromosome is 10 µm. Compaction factor: 10,000.

The 10 nm Fiber (Nucleosome)

• DNA is wound around a small disk-shaped structure: the nucleosome.

• Nucleosome: An octamer of histones (disk of 11 nm diameter, 6 nm thickness).

• Histones: 5 families (H1, H2A, H2B, H3, H4).

  • Highly conserved, rich in basic amino acids (Lys, Arg).

  • H2A, H2B, H3, H4 form the octamer (2 H3, 2 H4 + 2 H2A-H2B dimers).

  • N-terminal tails can be modified (acetylation, methylation, phosphorylation).

• Histone-DNA Interaction: Basic AAs (positive charge) bind to phosphate groups (negative charge) of DNA.

• DNA wraps 1.75 turns (146 bp) around the histone octamer. The linker DNA makes up the rest of the ~200 bp.

The 30 nm Fiber

• Six nucleosomes coil into a 30 nm helical structure.

• Compaction factor of 40 (1200 bp per 30 nm fiber).

• Histone H1 stabilizes this structure by binding to a specific site on the nucleosome.

• H1 can promote (phosphorylation) or disfavor (dephosphorylation) 30 nm fiber formation.

• This form (interphase chromatin) is mostly transcriptionally inactive.

Higher-Order Organization

• The 30 nm fiber forms loops, anchored by proteins to a chromosomal scaffold (like a bottle brush).

• Each loop contains 20,000-100,000 bp.

Control of DNA Compaction

• DNA must be decondensed to be accessible for transcription and replication.

• Involves non-histone proteins.

Nucleosome Remodeling

• DNA can slide, nucleosomes can transfer, or DNA can be reshaped.

• ATP-consuming process.

Post-Translational Histone Modifications

• Modifications to N-terminal tails of histones (Arg, Lys) reduce positive charges.

• Decreases DNA-histone interaction, promoting decompaction.

• HAT (Histone Acetyltransferases): Acetylate histones, promoting decompaction.

• HDAC (Histone Deacetylases): Deacetylate histones, promoting compaction.

• Histone Methylases: Methylate H3 histone, leading to decondensation.

Compaction changes are crucial during the cell cycle (G1, S, G2, M phases). Decompaction is needed during S phase for DNA synthesis.

Cohesin and Condensin

• Cohesin: Maintains sister chromatid cohesion after replication.

• Condensin: Supercoils large DNA loops for chromatin compaction.

• Both are SMC (Structural Maintenance of Chromosomes) proteins, forming rings that encircle DNA.

• Cohesin hydrolyzes during chromosome segregation to allow separation.

Topoisomers and Topoisomerases

• DNA must be supercoiled due to its length.

• Topoisomerases: Enzymes controlling DNA topology (supercoiling).

DNA Topology

• Topoisomers: DNA molecules with the same sequence but different linking numbers (number of turns).

• Three states:

  • Relaxed: No supercoils (B-DNA form).

  • Negative Supercoiled: DNA coils in the opposite direction, promoting unwinding and compaction. Helps DNA strand separation.

  • Positive Supercoiled: DNA coils in the same direction, hindering unwinding.

Topoisomerases

• Highly conserved enzymes, present in all species.

• Modify linking number by cutting DNA strands.

Type I Topoisomerases

• Make a transient single-strand cut and reseal it.

• e.g., Enzymes that relieve negative supercoils. Bring over-twisted DNA to relaxed form.

• Mechanism: Trans-esterification (3'-OH liberated, 5'-phosphate forms bond with Tyr in enzyme's active site). DNA-topoisomerase complex formed, conserving phosphodiester bond energy.

• No ATP input generally needed.

• Bacterial topoisomerases I relax negative supercoils, ineffective on positive ones.

Type II Topoisomerases

• Make transient double-strand cuts and reseal them.

• Dimeric, each subunit cuts one strand.

• e.g., Bacterial gyrase: Introduces negative supercoils (unwinds DNA). Requires ATP hydrolysis.

• Relieve both positive and negative supercoils in eukaryotes.

• Can untangle DNA knots by passing one double-stranded segment through a break in another.

• Isoforms alpha () and beta () exist.

Biochemical Importance

Viruses and Prokaryotes

• Negative supercoiling compacts DNA into small volumes.

• Topoisomerases facilitate replication, transcription, and repair.

• Many essential proteins bind only to supercoiled DNA (e.g., RNA Pol.).

• Prevent inextricable tangles during DNA/RNA Polymerase progression.

Eukaryotes

• Relieve both negative and positive supercoils.

• Untangle DNA knots.

Medical Applications

• Inhibitors of Topoisomerases:

  • Bacterial gyrase inhibitors: Antibacterials (e.g., nalidixic acid, ciprofloxacin). They prevent negative supercoiling essential for bacterial replication, stopping multiplication. Act selectively due to structural differences between bacterial and human topoisomerases.

  • Human topoisomerase inhibitors: Anticancer agents (e.g., etoposide (VP16) for Topo II, taxol for Topo I). Stabilize transient DNA breaks, leading to cell death. Tumor cells have high levels of topoisomerases, leading to relative selectivity.

DNA Replication

• Generally semi-conservative, but other models were proposed:

  • Dispersive: Daughter molecules contain mixed parental and newly synthesized parts.

  • Conservative: Entirely new double helix; parental helix remains intact.

  • Semi-conservative: Each daughter helix has one new and one parental strand.

  • Rolling-circle.

Semi-Conservative Replication Proof (Meselson & Stahl, 1958)

• Grew E. coli in medium with heavy nitrogen ().

• After many divisions, all nitrogen compounds (including DNA) were heavy.

• Transferred bacteria to light nitrogen () medium.

• DNA density measured by ultracentrifugation showed intermediate density after one generation, then two bands (intermediate and light) after two generations, proving semi-conservative.

Replication Mechanism

• Involves a complex of ~20 proteins called the replisome.

• Key proteins:

  • Helicases: Separate DNA strands.

  • Topoisomerases: Relieve topological stress (supercoils).

  • SSB (Single-Stranded DNA-Binding) Proteins: Keep strands separated.

  • Primases: Synthesize RNA primers.

  • Ligases: Seal DNA strands.

• Three phases: Initiation, Elongation, Termination.

Initiation

• In E. coli, a single origin of replication (Ori C) of 245 bp.

• Ori C contains consensus sequences: 4 x 9 bp, 3 x 13 bp (rich in AT, called ARS).

• DnaA protein binds to 9 bp sequences, initiating unwinding at 13 bp repeats.

• DnaB and DnaC (helicases) unwind DNA, creating replication fork.

• SSB proteins bind to separated strands.

• DNA gyrase (topoisomerase) removes supercoils.

• Primase synthesizes RNA primers.

• Proteins form a complex: primosome or orisome.

• Initiation is the only regulated phase.

Elongation

• Primase synthesizes RNA primer.

• DNA Polymerase III adds dNTPs as helicase unwinds.

• Leading strand: Synthesized continuously (5' to 3' direction).

• Lagging strand: Synthesized discontinuously as Okazaki fragments (~1000 nucleotides).

• Gaps between Okazaki fragments filled by DNA Polymerase I (excises RNA primers and synthesizes DNA).

• DNA Ligase seals fragments.

• DNA Polymerase I also has exonuclease activity (3' to 5') for proofreading.

Termination

• In E. coli, replication forks meet at Ter sequences (20 bp repeats).

• Replication stops.

Replication Comparison (Prokaryotes vs. Eukaryotes)

Transcription

• Process of transcribing genetic information from DNA sequence into RNA sequence.

• Differs from replication: no primer needed, only involves limited DNA fragments.

• Catalyzed by DNA-dependent RNA polymerases (RNA Pol.).

• Three phases: Initiation, Elongation, Termination.

Prokaryotic Transcription

• Single DNA-dependent RNA Pol. (oligomer, "core" enzyme: , , subunits) + subunit. MM 400kDa.

Initiation

• RNA Pol. binds to promoter sequences on DNA.

• subunit binds promoter; core enzyme dissociates.

• NTPs bind to double-stranded DNA template (via subunit).

• Transcription starts; subunit released, allowing elongation.

Regulation of Initiation (Lac Operon in E. coli)

• Lac Operon: Controls lactose metabolism.

• Consists of 3 structural genes (Z, Y, A), a regulatory gene (i), and control genes (promoter, operator).

• No Lactose: Regulatory gene i transcribed into mRNA, translated into a repressor protein.

• Repressor binds to the operator, blocking RNA Pol. and preventing transcription of Z, Y, A.

• Lactose Present: Lactose (inducer) binds to repressor, inactivating it.

• Repressor-lactose complex cannot bind operator.

• RNA Pol. binds to promoter, transcribes polycistronic mRNA for Z, Y, A.

• Enzymes for lactose metabolism (galactosidases, permeases, acetylases) are synthesized.

• AMPc stimulates Lac Operon transcription by forming a complex with CAP, enhancing RNA Pol. binding to promoter.

Elongation

• RNA Pol. (core enzyme ) travels along template strand (3' 5').

• Synthesizes single-stranded, antiparallel mRNA (5' 3').

• RNA Pol. controls DNA unwinding and re-winding.

Termination

• Triggered by specific DNA sequences and Rho factor ().

• RNA Pol. stops, dissociates from DNA template and newly formed RNA.

Eukaryotic Transcription

• Three types of RNA Pol.:

  • RNA Pol. I (nucleolus): Transcribes rRNA (18S, 5.8S, 28S).

  • RNA Pol. II (cytoplasm): Transcribes mRNA precursors, snRNA.

  • RNA Pol. III (cytoplasm): Transcribes tRNA, 5S rRNA.

• All are large (>500kDa), with 8-14 subunits.

• RNA Pol. II has a unique C-terminal domain with repetitive YSPTSPS sequence.

Promoters and Regulatory Elements

• Eukaryotic genes have cis-elements (e.g., promoter, enhancers, silencers).

• Enhancers/silencers: Increase or decrease promoter efficiency.

• Transcription factors bind to these elements, helping Pol. locate initiation site.

• TATA box: Important cis-element for Pol. II (5' to initiation site).

• Other cis-elements: CAAT box, GC box.

• Transcription factors (TFIIA, TFIIB, etc.) bind DNA.

• TFIID binds TATA box, forms TBP (TATA box Binding Protein) platform.

• TBP changes conformation, ensuring unidirectional transcription.

Post-Transcriptional RNA Modifications

• RNA undergoes enzymatic modifications (methylation, acetylation, deamination).

• Occurs before functional mRNA, rRNA, tRNA are released.

• Most significant maturation for eukaryotic mRNA and bacterial/eukaryotic tRNA.

Maturation of Eukaryotic mRNA

• Occurs in the nucleus.

  1. Capping:

     • Primary transcript (20-30 nucleotides) modified at 5' end.

     • GTP molecule added via a 5',5'-triphosphate bond.

     • S-adenosyl-methionine methylates N7 of guanine and adjacent riboses.

     • Cap protects mRNA from phosphatases/endonucleases, stimulates translation.

  2. Intron Elimination (Splicing):

     • Primary transcripts contain coding exons and non-coding introns.

     • Introns are removed, and exons are joined to form a continuous coding sequence.

     • e.g., Vertebrate 5' splice site between AG and GUAAGU.

     • Anomalies can cause genetic diseases (e.g., thalassemias).

  3. Cleavage and Polyadenylation:

     • Primary transcript cleaved by endonuclease at a 5'-AAUAAA-3' sequence.

     • Poly(A) polymerase adds 50-250 adenylate residues to 3' end (poly(A) tail).

     • Poly(A) tail and associated proteins protect mRNA from rapid enzymatic degradation.

mRNA Editing

• Post-splicing editorial correction of pre-mRNA.

• e.g., Apolipoprotein B: Apo-B100 (liver) vs. Apo-B48 (small intestine).

• In intestine, cytidine deaminated to uridine (CAA Gln UAA Stop), producing a shorter protein.

Maturation of rRNA and tRNA

• rRNA: Derive from pre-rRNA (e.g., 30S in bacteria, 45S in eukaryotes).

• tRNA: Undergo splicing and sometimes nucleotide removal at ends.

Mutations

• Causes: Natural mutations are random. Frequency increased by mutagens.

• Physical mutagens: UV radiation, ionizing radiation (X-rays, rays).

  • Ionizing radiation creates free radicals or acts directly on DNA.

  • Causes base alterations/losses, single/double strand breaks, rearrangements, deletions, loss of chromosome fragments, cell death, DNA entanglement.

  • Effect is cumulative with radiation dose.

• Chemical mutagens: Alkylating agents (EMS, Nitrosoguanidine), reactive oxygen species.

  • Alter base structure, preventing correct pairing during replication.

  • e.g., Reactive oxygen species (free radicals: O, HO, OH, RO, RO).

  • Base analogues (e.g., 5-bromouracil (5-BU)): Incorporated into DNA, bind to incorrect bases in subsequent cycles.

  • Intercalating agents (e.g., Ethidium Bromide (BET)): Insert between bases, stretching DNA, causing insertions/deletions during replication.

Universal Classification of Mutations

• Genomic Mutations: Affect whole chromosome number.

  • Euploidy: Change in entire set of chromosomes (multiples of n: 2n, 3n...).

    • Autopolyploidy: Duplication of chromosomes within one species.

    • Allopolyploidy: Hybridization between different species.

  • Aneuploidy: Change in specific chromosome number (e.g., trisomy, monosomy).

• Gene Mutations (Point Mutations): Affect individual genes (DNA sequence).

• Structural Mutations (Chromosomal Aberrations): Affect chromosome structure.

• Unstable Mutations: Trinucleotide repeats.

• Somatic Mutations: In somatic cells, not transmitted to offspring.

• Germline Mutations: In germ cells (gametes), transmitted to offspring.

Point Mutations (DNA Level)

• Lead to changes in codons, mRNA, and corresponding protein.

• Can cause cell death, cancer, or other diseases (e.g., sickle cell anemia).

• Without reading frame shift:

  • Silent (Synonymous) Mutations: Nucleotide substitution, but codon still codes for the same amino acid (e.g., GAA GAG, both code for Glu).

  • Conservative Mutations: Codon codes for a different but chemically similar amino acid (e.g., GAA GAC, Glu Asp). Often minor impact.

  • Nonsense Mutations: Codon changed to a stop codon.

  • Missense Mutations: Codon codes for a chemically very different amino acid.

• With reading frame shift:

  • Caused by insertion or deletion of bases (not in multiples of 3).

  • Shifts all downstream codons, altering all subsequent amino acids.

  • Consequences vary depending on position and whether the shift is a multiple of three.

SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms)

• Isolated point mutations involving a single base.

• Create two different alleles.

• Stable variations in genomic DNA (every 100-300 bases).

• Many have no functional impact, except those in coding (SNPc) or regulatory regions.

Major Rearrangements (Chromosomal Aberrations)

• e.g., during crossing over in meiosis.

  • Deletion: Loss of a segment (intercalary or terminal).

  • Duplication: Repetition of a segment.

  • Inversion: Segment reversed; can be pericentric (includes centromere) or paracentric (does not include centromere).

  • Translocation: Movement of a segment to another chromosome.

    • Reciprocal: Exchange between non-homologous chromosomes.

    • Non-reciprocal: One chromosome gives a fragment without receiving one back.

    • Robertsonian: Involves fusion of acrocentric chromosomes.

Unstable Mutations (Trinucleotide Repeats)

• Abnormal expansion of specific microsatellite DNA repeats.

• e.g., Fragile X Syndrome (CGG repeat > 230 on X chromosome): Intellectual disability, speech delay, anxiety, hyperactivity.

• e.g., Myotonic Dystrophy (CTG repeat 37-1500): Autosomal dominant muscular dystrophy.

• e.g., Huntington's Disease (CAG repeat 36-120): Lethal neurodegenerative (autosomal dominant on chromosome 4).

Other Mutation Mechanisms

• Conditional Mutations: Wild-type phenotype under permissive conditions, mutant phenotype under restrictive conditions (e.g., thermosensitive mutations).

Mutations drive genetic variability, leading to biodiversity.

Genetic Code

• Relationship between mRNA (and thus DNA) base sequences and amino acid sequences in proteins.

Key Characteristics

• Triplet Code: 3 nucleotides (codon) specify one amino acid.

• Degenerate: Multiple triplets can code for the same amino acid, but no codon codes for multiple amino acids.

• Non-overlapping / Unambiguous: Read sequentially without overlap (e.g., AUUCGA is AUU, CGA, not AUU, UUC, UCG, CGA).

• Selenocysteine (SeCys): UGA (normally a stop codon) can code for SeCys in certain proteins (e.g., glutathione peroxidase in humans).

Translation (Protein Synthesis)

• Biosynthesis of a polypeptide chain from N-terminal to C-terminal.

• mRNA translated from 5' to 3'.

• Very rapid process (tens of seconds to minutes).

• Amino acid activation: Occurs in cytoplasm using 20 Aminoacyl-tRNA synthetases, >30 tRNAs, 20 amino acids, ATP, Mg.

Initiation (in Bacteria)

• Not immediately at 5' end of mRNA; first translated codon is downstream.

• Requires 30S subunit, mRNA, aminoacyl-tRNA, IF1, IF2, IF3, GTP, 50S subunit, Mg.

  1. 30S subunit binds IF1 and IF3 (prevents premature 50S binding).

  2. mRNA binds 30S subunit; initiator codon AUG guided by Shine-Dalgarno sequence on mRNA binding to 16S rRNA.

  3. IF2 (bound to GTP) and initiator aminoacyl-tRNA (fMet-tRNA) bind, pairing with AUG.

  4. 50S subunit joins; GTP hydrolyzed, IFs released. Forms functional 70S initiation complex.

• Ribosomes have three sites for aminoacyl-tRNA: A (Aminoacyl), P (Peptidyl), E (Exit).

Elongation

• Requires initiation complex, aminoacyl-tRNAs, elongation factors (EF-Tu, EF-Ts, EF-G), and GTP.

  1. Aminoacyl-tRNA (bound to EF-Tu-GTP) enters A site, pairs with next codon.

  2. GTP hydrolyzed; EF-Tu-GDP dissociates.

  3. Peptidyl transferase (rRNA activity) forms peptide bond between AA in P site and AA in A site.

  4. Translocation: Ribosome moves one codon (via EF-G-GTP hydrolysis). tRNA with polypeptide moves from A to P site; deacylated tRNA moves from P to E site.

  5. Deacylated tRNA exits from E site.

Termination

• Signaled by one of three stop codons: UAA, UAG, UGA.

• Release Factors (RFs) recognize stop codons.

  • Bacteria: RF1 (UAA, UAG), RF2 (UAA, UGA), RF3 (non-specific).

  • Eukaryotes: eRF1 recognizes all three.

• RFs catalyze hydrolysis of peptidyl-tRNA, releasing polypeptide chain.

• Ribosome dissociates into subunits (30S and 50S) for next cycle.

Antibiotic Inhibitors of Translation

• Streptomycin, Tetracyclines, Puromycin, Chloramphenicol, Erythromycin.

Control of Gene Expression in Eukaryotes

• Regulation of metabolic pathways primarily at the first reaction step.

• Gene expression usually regulated at four levels:

  1. Transcription (primary control point; RNA Polymerase is key).

  2. RNA processing/maturation.

  3. Translation.

  4. Protein activation/modification.

Human Genetics

• Genetics: Science of Heredity and Variations.

• Heredity: Transmission of parental traits to offspring.

• Variability: Modification of genetic information (random arrangement, mutations).

Branches of Genetics

• Population Genetics: Studies mechanisms of allelic and genotypic frequency variation in populations.

• Formal Genetics: Studies gene distribution on chromosomes (Mendel Morgan: Chromosomal Theory of Inheritance).

• Genetic Engineering: Introduces changes in DNA of living organisms without natural reproduction.

Founders

• Mendel (1865): Experiments on peas, discovers laws of heredity.

• Morgan (1900s): Drosophila studies, establishes classical genetics (chromosomal theory).

Mendel's Experimental Protocol (3 Steps)

1. Isolation of Pure Lines: Self-pollination (plants) or inbreeding (animals) to obtain uniform, homogeneous progeny.

2. Hybridization: Crossing two pure lines differing by one or more traits (mono-, di-, polyhybridism).

3. Statistical Analysis: Analyzing numerical results of offspring.

Genetic Vocabularies

• Gene: DNA fragment transferring one or more traits (unit of function, structure, mutation, recombination).

• Genome: Entire set of genes from father and mother (paternal and maternal genome).

• Trait/Character: Observable biological aspect with genetic determinism.

• Locus: Specific position of a gene on a chromosome.

• Chromosome: Rod-shaped body in nucleus (DNA + histones), carrier of genetic information.

• Phenotype: Observable characteristics.

• Allele: Different forms of a gene (e.g., A/a).

• Genotype: Genetic constitution of an individual.

  • Homozygote: Identical alleles (AA/aa).

  • Heterozygote: Different alleles (Aa).

  • Hemizygote: Single allele for a gene (e.g., on X chromosome in males).

• Crossing: Controlled mating between two individuals.

• Punnett Square: Diagram to predict genotypes and phenotypes.

• Dominance: One allele has a preponderant effect on phenotype.

• Recessivity: Trait masked by dominant allele.

• Species: Group of organisms capable of interbreeding.

Mendelian Genetics

• Formal/classical genetics, foundational but historically limited (lacked meiosis/chromosome understanding).

Mendel's Laws

1. Law of Uniformity of Hybrids (F1): All F1 individuals are identical (same phenotype/genotype).

2. Law of Purity of Gametes: During gamete formation, alleles of a pair disjoin, so each gamete carries only one allele.

3. Law of Independent Assortment: For multiple independent character pairs, each pair segregates independently. (For 'p' pairs, F1 produces gamete types).

Monohybridism (Single Trait)

• Example: Yellow peas Green peas Yellow F1. Self-pollination 3/4 yellow, 1/4 green F2. (Yellow is dominant).

• Test Cross: Crossing F1 hybrid with recessive parent. Identifies if F1 is homozygous or heterozygous. (Not interchangeable with backcross, which is F1 any parent).

Exceptions to Mendelian Laws (Monohybridism)

• Codominance: Both alleles expressed simultaneously (e.g., red flower white flower pink F1 hybrids; F2 = 1/4 red, 1/2 pink, 1/4 white).

• Lethal Gene: Individual inheriting gene in homozygous state is not viable (death). Can be dominant or recessive lethal (e.g., 2/3 yellow, 1/3 grey mice due to lethal yellow allele).

• Sex-Linked Inheritance: Gene on sex chromosomes (X, Y).

  • e.g., Red-eyed female drosophila white-eyed male all red-eyed F1.

  • White-eyed female red-eyed male 1/2 red-eyed females, 1/2 white-eyed males. (X-linked recessive).

  • Y chromosome carries few genes (70-300).

• Sex-Influenced/Limited Inheritance: Gene on autosome, but expression affected by sex.

  • Sex-influenced: Expressed in both sexes, but unequal frequencies (e.g., male baldness dominant, female recessive).

  • Sex-limited: Expression strictly limited to one sex (e.g., presence of horns).

Dihybridism (Two Traits)

• Example (Independent Assortment): Smooth yellow peas wrinkled green peas all smooth yellow F1. Self-pollination 9/16 smooth yellow, 3/16 smooth green, 3/16 wrinkled yellow, 1/16 wrinkled green. (Mendel's 3rd law: 9:3:3:1 ratio).

Cases of Linked Genes (Exceptions to Mendel's Laws)

• Genes on the same chromosome.

• Morgan's Drosophila Experiment:

  • Wild-type (grey body, long wings) black body, vestigial wings.

  • F1 all wild-type.

  • Test cross of F1 male with homozygous recessive female 50% wild-type, 50% recessive (no recombination; genes absolutely linked in males).

  • Test cross of F1 female with homozygous recessive male recombinant phenotypes (grey-vestigial, black-long) appear alongside parental (wild-type, black-vestigial).

  • Recombination Frequency (Tr): (Sum of recombinant individuals / Total population) 100.

  • Genetic Mapping: Tr translates to distance in centiMorgans (cM).

  • Genes can be in Cis (on same chromatid) or Trans (on homologous chromatid).

Human Genetics (Specifics)

• Study of hereditary traits (anatomical, cytological, functional, diseases) in humans.

• Based on pedigree analysis, karyotypes, molecular biology techniques.

• 46 chromosomes: 22 pairs autosomes, 1 pair sex chromosomes (XX for female, XY for male).

Challenges in Human Genetic Research

• Impossible to perform controlled crosses.

• Low fertility, long gestation, long generation time.

• High number of chromosomes.

Definitions and Concepts

• Monogenic diseases: Affect a single gene.

• Multigenic (Polygenic) diseases: Involve simultaneous mutation of several genes.

• Somatic mutations (alone or with germline) can cause diseases like cancer.

Pedigree Symbols

Specific symbols for male/female, affected/unaffected, carrier, deceased, consanguineous marriage, twins, generations, etc.

Modes of Inheritance (Monogenic/Mendelian)

• Autosomal Dominant:

  • Both sexes affected.

  • Affected individual (heterozygote) has 50% chance of transmitting.

  • Affected individual has at least one affected parent.

  • Unaffected individual cannot transmit.

  • No skipped generations.

  • Independent of sex.

• Autosomal Recessive:

  • Disease can skip generations.

  • Affected individual often born to two unaffected (heterozygous) parents.

  • For rare diseases, often found in consanguineous unions.

• Gonosomic (X-Linked) Dominant:

  • Males more affected than females.

  • Affected female transmits to 50% of children.

  • Affected male transmits to all daughters, no sons.

  • Son never receives from father.

• Gonosomic (X-Linked) Recessive:

  • Only males affected (if parents are healthy).

  • Affected allele transmitted by mother.

  • 50% of sons will be affected, 50% of daughters will be carriers.

Note: If gene is on Y chromosome (Holandric gene), transmission is father to sons only; daughters never receive it (e.g., hypertrichosis).

Hereditary Monogenic Diseases

• Many identified, but most are extremely rare.

Définitions Fondamentales en Génétique

La Génétique est la science de l'hérédité et des variations, explorant la transmission et les modifications du matériel génétique.

• Hérédité : Reproduction conforme du matériel génétique.

• Variations : Modifications du matériel génétique (via méiose et mutations).

Historique et Découvertes Clés

• 1866 : Mendel élabore les lois de l'hérédité.

• 1879 : Fleming observe les chromosomes durant la mitose.

• 1888 : Strasburger observe les chromosomes durant la méiose.

• 1901 : De Vries introduit la notion de mutation.

• 1902 : Sutton et Boveri proposent que les chromosomes soient les porteurs de l'information génétique.

• 1906 : Johanssen introduit le terme de « gène ».

• 1915 : Morgan prouve la théorie chromosomique (drosophiles).

• 1941 : Beadle et Tatum lient un gène à la synthèse d'une enzyme.

• 1944 : Avery, MacLeod et McCarty découvrent l'ADN comme support de l'information génétique.

• 1953 : Watson et Crick établissent la structure en double hélice de l'ADN.

• 1959 : Lejeune identifie la trisomie 21.

• 1988 : Blackburn lance le projet génome humain.

• 2003 : Achèvement du séquençage du génome humain.

• Génome : Information génétique contenue dans les chromosomes.

Matériel Génétique : Acides Nucléiques

Les acides nucléiques, découverts par Miescher en 1869 (appelés "Nucléine"), sont des macromolécules essentielles. Leur nature chimique, élucidée par Kosell et Levene, a révélé qu'ils sont composés d'ADN et d'ARN, et de protéines.

• Deux types : ADN (DNA) et ARN (RNA).

• Localisation : ADN principalement dans le noyau ; ARN dans le cytoplasme.

Nucléotides : L'Unité de Base

• Les acides nucléiques sont des molécules formées par la répétition de nucléotides.

• Nucléoside = ose + base.

• Nucléotide = acide phosphorique + ose + base.

• Bases :

  • Pyrimidiques : Cytosine (C), Thymine (T), Uracile (U).

  • Puriques : Adénine (A), Guanine (G).

• Oses :

  • Ribose (dans l'ARN).

  • Désoxyribose (dans l'ADN).

• Acide phosphorique : H₃PO₄.

L'ADN (DNA)

Constituants et Caractéristiques

• Le DNA est formé de nucléotides liés par des fonctions esters (base purique/pyrimidique, ose, acide phosphorique).

• Trois propriétés essentielles des deux chaînes d'ADN :

  1. Antiparallèles : Les deux brins de nucléotides sont parallèles mais orientés dans des directions opposées.

  2. Complémentaires :

     • Règle : A-T (2 liaisons hydrogènes) ; C-G (3 liaisons hydrogènes).

     • Raisons : Encombrement stérique et liaisons hydrogènes.

     • Conformation "anti" pour toutes les bases dans A-ADN et B-ADN (Conformation "anti" pour cytosine, "syn" pour guanine dans Z-DNA).

  3. Hélicoïdales : Les deux chaînes forment une double hélice.

     • B-ADN : Hélice droite, la plus courante.

     • Z-ADN : Hélice gauche, plus svelte et moins torsadée.

       • 12pb/tour contre 10pb pour B-ADN.

       • Pas d'hélice de 4,6nm (vs 3,4nm pour B-ADN).

       • Diamètre de 1,8nm (vs 2,4nm pour B-ADN).

Structures de l'ADN

• Structure primaire : Chaîne linéaire de nucléotides unis par des liaisons 3'-5'-phosphodiester (base-AGTC, désoxyribose, acide phosphorique).

• Structure secondaire : Habituellement deux chaînes de nucléotides antiparallèles, complémentaires et hélicoïdales (double hélice).

Organisation du Génome

L'ADN des eucaryotes s'organise avec des protéines pour former la chromatine, le constituant des chromosomes.

• Compaction : Le DNA doit être fortement compacté.

• Protection : Protégé des attaques enzymatiques.

• Conservation : Copié avec un minimum d'erreurs (cellule mère à fille).

ADN chez les Différents Êtres Vivants

• L'homme : ADN le plus long, beaucoup de gènes.

• Différences inter-espèces : Nombre de molécules (procaryotes : 1 ; eucaryotes : plusieurs), forme (circulaire/linéaire), taille, localisation (nucléaire/extranucléaire), séquence de bases.

• L'homme possède deux génomes :

  • Nucléaire : Environ 3 milliards de pb, 25 000 gènes.

  • Mitochondrial : 16 000 pb, 37 gènes, circulaire, transmission maternelle.

ADN Procaryotique

• Circulaire, en un seul exemplaire (un chromosome), localisation cytoplasmique.

• Contient des plasmides : structures circulaires capables de se répliquer indépendamment, importantes en clonage.

Génome Humain

• ADN mitochondrial (ADNm) : Possède son propre génome (double brin, circulaire), légèrement différent de l'ADN nucléaire, transmis uniquement par la mère.

• ADN nucléaire : Réparti en 46 chromosomes, linéaire, associé à des protéines pour former la chromatine.

Euchromatine

Chromatine relâchée, accessible et fonctionnelle (environ 93% du génome).

Hétérochromatine

Chromatine condensée, inactive et peu accessible (environ 7% du génome).

• Gènes : Représentent 30% du génome.

• Séquences intergéniques : 50% du génome, non codantes, souvent répétitives.

• Seul 1,5% du génome humain est traduit en polypeptide, à cause de la maturation des gènes.

Chromosomes : Structure

• Apparaissent souvent "doubles" (après duplication), constitués de deux chromatides reliées par un centromère.

• Télomères : Séquences répétitives (TTAGGG) à l'extrémité des chromosomes, protègent l'ADN de la dégradation.

• Télomérase : Enzyme qui ajoute ces séquences. Son activité est liée au vieillissement cellulaire ; les cellules cancéreuses en possèdent une activité élevée.

Éléments Génétiques Mobiles

• Transposons : Séquences d'ADN qui peuvent se déplacer (s'insérer par excision-ligature). Leur insertion peut inactiver ou activer des gènes.

• Rétroposons (ou rétrotransposons) : S'insèrent via un intermédiaire ARN (avec l'aide d'une transcriptase inverse).

• Séquences Répétitives Dispersées : Dispersées dans le génome, mais aux mêmes endroits et non identiques.

• ADN Satellite : Séquences hautement répétitives (5 à 200pb) formant de larges blocs dans les régions centromériques (hétérochromatine condensée). Permettent la fixation de protéines pour la mitose.

• ADN Mini-satellite (VNTR) : Courtes séquences très répétitives, groupées en tandem, situées aux extrémités des chromosomes.

• ADN Microsatellite (SSR) : Très courts blocs (2 à 6 nucléotides) répétés 5 à 50 fois, souvent des dinucléotides (CA, AT). Rôle physiologique mal connu.

• Séquences SINE et LINE : Dispersées et moyennement répétitives (LINE : longues, 5000-7000pb ; SINE : courtes, 100-300pb). Font partie des rétroposons.

L'ARN (RNA)

Caractéristiques

Les ARN sont caractérisés par :

• L'ose (ribose).

• Les bases : A, U, C, G.

• Une seule chaîne de nucléotides.

• Règles d'appariement : A-U et C-G (possible dans les structures secondaires).

Différents Types d'ARN

• rRNA (ribosomique) : Le plus abondant (82%), rôle structural et catalytique dans le ribosome.

  • Chez E. coli (70S) : Sous-unité 50S (rRNA 5S, 23S, 34 r-protéines) et sous-unité 30S (rRNA 16S, 21 r-protéines).

  • Chez les eucaryotes (80S) : Sous-unité 60S (rRNA 5S, 5.8S, 28S, 45 r-protéines) et sous-unité 40S (rRNA 18S, 33 r-protéines).

  • Rôles : Fixation des autres ARN (tRNA, mRNA), connaissance du site d'initiation de la traduction chez les bactéries.

• tRNA (de transfert) : (16%) Véhiculent les acides aminés vers le ribosome.

• mRNA (messager) : (2%) Porte l'information génétique du DNA pour la synthèse des protéines. Durée de vie très courte (quelques minutes à jours).

• snRNA (small nuclear) : (<1%) Situés dans le noyau, subissent des modifications post-transcriptionnelles.

Structure Tridimensionnelle et Composition de la Chromatine

Le DNA est hautement compacté dans le noyau (facteur 10 000).

Fibre de 10nm (Nucléosome)

• Le DNA s'enroule autour de petits disques d'histones pour former des nucléosomes.

• Histones : Familles H1, H2A, H2B, H3, H4. Très conservées, riches en AA basiques (Lys, Arg), interagissent avec les charges négatives du DNA.

• Octamère d'histones : Deux H3, deux H4, deux (H2A-H2B).

• Le DNA fait 1¾ tours (146pb) autour de l'octamère.

• Les extrémités N-terminales des histones peuvent être modifiées (acétylation, méthylation) pour contrôler la condensation du DNA.

Fibre de 30nm

• Six nucléosomes s'assemblent en une hélice de 30nm de diamètre.

• Histone H1 : Stabilise cette structure, se fixe aux nucléosomes et interagit avec les voisins.

• Cette fibre est la structure de la chromatine interphasique, généralement inactive transcriptionnellement.

Niveaux Supérieurs d'Organisation

• La fibre de 30nm se boucle, maintenue par des protéines formant l'axe central du squelette.

• Chaque boucle contient 20 000 à 100 000pb.

Contrôle de la Compaction de l'ADN

Pour la transcription ou la réplication, le DNA doit être décondensé et accessible.

• Remodelage des nucléosomes : Le DNA peut glisser, ou le nucléosome peut se déplacer. Processus consommateur d'ATP.

• Modifications post-traductionnelles des histones (extrémités N-terminales) :

  • Histones acétyl-transférases (HAT) : Acétylent les histones, favorisant la décompaction (diminution des charges positives).

  • Histones désacétylases (HDAC) : Désacétylent les histones, favorisant la condensation.

  • Histones méthylases : Méthylent l'histone H3, entraînant une décondensation.

• Lors de la mitose : La chromatine doit être décondensée pendant la phase S. La cohésine maintient les chromatides sœurs, et la condensine enroule le DNA.

Topoisomères et Topoisomérases

Les topoisomérases sont des enzymes qui contrôlent le surenroulement du DNA.

Topologie du DNA et Topoisomères

• Les molécules d'ADN circulaire peuvent différer par leur nombre d'enroulements.

• États du DNA :

  • Relâché : Pas de supertours (conformation B-DNA).

  • Surenroulé négatif : Hélice tordue dans le sens opposé, favorise la séparation des brins pour la réplication/transcription.

Les Topoisomérases

• Enzymes qui modifient l'état topologique du DNA en coupant et ressoudant les brins.

• Topoisomérase I : Coupure transitoire d'un seul brin. Ne nécessite pas d'ATP. Relâche les supertours négatifs.

• Topoisomérase II : Coupure transitoire des deux brins. Dimérique. Nécessite de l'ATP.

  • Exemple : Gyrase bactérienne (introduit des supertours négatifs).

  • Démêle les nœuds du DNA en faisant passer un segment double brin à travers une brèche.

Intérêt Biochimique

• Virus et Procaryotes : Les topoisomérases compactent le DNA, facilitent la réplication, transcription et réparation, et évitent les enchevêtrements.

• Eucaryotes : Relâchent les supertours négatifs et positifs, et démêlent les nœuds.

Applications Médicales : Inhibiteurs des Topoisomérases

• Antibactériens : Inhibent la gyrase bactérienne (ex: fluoroquinolones), empêchant la réplication bactérienne.

• Anticancéreux : Inhibent les topoisomérases humaines (ex: étoposide, taxol), stabilisant les coupures transitoires d'ADN, conduisant à la mort cellulaire.

Réplication de l'ADN

La réplication de l'ADN est un processus de copie essentielle, généralement semi-conservative.

Modèles de Réplication

1. Dispersif : Molécules filles avec un mélange de parties parentales et nouvellement synthétisées.

2. Conservatif : Une double hélice entièrement nouvelle et une parentale intacte.

3. Semi-conservatif : Les deux brins parentaux se séparent et chacun sert de matrice pour un nouveau brin (chaque molécule fille a un brin parental et un brin neuf).

   • Prouvé par Meselson et Stahl en 1958 (expérience avec l'azote lourd ).

4. Roulant : Pour certains virus ou plasmides.

Mécanisme de Réplication

Implique un complexe appelé replisome (~20 protéines) :

• Hélicases : Séparent les deux brins du DNA.

• Topoisomérases (gyrase) : Évitent le stress topologique en éliminant les supertours.

• Protéines SSB (Single-Stranded DNA-Binding Protein) : Maintiennent les brins séparés.

• Primases : Synthétisent les amorces d'ARN.

• Ligases : Soudent les brins de DNA.

La réplication se déroule en trois phases : initiation, élongation et terminaison.

1. Initiation (chez E. coli)

• Origine de réplication (Ori C) : Site unique de 245pb, riche en AT.

• Protéine DnaA : Se fixe aux séquences DnaAbox (9pb) et dénature le DNA dans les régions DnaB (13pb).

• Protéines DnaB et DnaC : Se comportent comme une hélicase, créant la fourche de réplication.

• Primase : Synthétise l'amorce ribonucléotidique.

• Formation du primosome (complexe d'initiation).

• L'initiation est la seule phase régulée.

2. Élongation

• Synthèse simultanée du brin avancé et du brin retardé.

• ADN polymérase III : Ajoute les dNTP (désoxyribonucleosides triphosphates) après l'amorce.

• Brin avancé (direct) : Synthétisé de manière continue dans le sens 5' → 3'.

• Brin retardé : Synthétisé par fragments (fragments d'Okazaki) d'environ 1000 nucléotides.

• ADN polymérase I : Excises les amorces d'ARN et remplace par de l'ADN.

• ADN ligase : Lie les fragments d'Okazaki.

• Activité nucléasique 3' → 5' : Correction des erreurs (relecture).

3. Terminaison (chez E. coli)

• La fourche de réplication atteint une région contenant des séquences Ter (20pb).

• La réplication s'arrête.

Comparaison Réplication Procaryote et Eucaryote

Transcription

La transcription est le processus de synthèse d'un ARN à partir d'une matrice ADN.

• Ne nécessite pas d'amorce.

• Concerne des fragments limités d'ADN (gènes).

• Assurée par l'ARN polymérase ADN-dépendante.

• Trois phases : initiation, élongation et terminaison.

1. Transcription chez les Procaryotes

• Une seule ARN polymérase (noyau α₂ββ' + sous-unité δ).

• Initiation

• L'ARN polymérase se fixe à une séquence promoteur sur l'ADN.

• La sous-unité δ se fixe au promoteur puis se dissocie.

• Incorporation des ribonucléotides 5'-triphosphates (NTP).

• Régulation de l'initiation (Opéron Lactose chez E. coli)

• Synthèse des enzymes du métabolisme du lactose est induite par le lactose.

• L'Opéron Lactose comprend : 3 gènes de structure (Z, Y, A), un gène régulateur (i), et des gènes de contrôle (promoteur, opérateur).

• Gène régulateur (i) : Transcrit un mRNA qui est traduit en une protéine répresseur.

• En absence de lactose : le répresseur se fixe à l'opérateur, bloquant la transcription des gènes Z, Y, A.

• En présence de lactose : le lactose se lie au répresseur, le rendant inactif. Le répresseur ne peut plus se fixer à l'opérateur, permettant la transcription par l'ARN polymérase.

• L'AMPc stimule l'initiation en formant un complexe avec le CAP, favorisant la fixation de l'ARN polymérase.

• Élongation

• L'ARN polymérase (noyau α₂ββ') se déplace sur le brin matrice dans le sens 3' → 5'.

• Synthétise un mRNA monocaténaire et antiparallèle dans le sens 5' → 3'.

• Terminaison

• Déclenchée par une séquence spécifique de DNA et le facteur rho (ρ).

• L'ARN polymérase s'arrête et se dissocie du complexe.

2. Transcription chez les Eucaryotes

• Trois types d'ARN polymérases :

  • ARN Pol. I (nucléole) : Transcrit les rRNA 18S, 5.8S, 28S.

  • ARN Pol. II (cytoplasme) : Transcrit les précurseurs des mRNA (pré-mRNA), snRNA. (Possède un domaine C-terminal YSPTSPS).

  • ARN Pol. III (cytoplasme) : Transcrit les tRNA, rRNA 5S.

• Les gènes eucaryotes ont des promoteurs Cis (ex: TATA box) et des éléments régulateurs (activateurs/enhancers, silencers).

• Les facteurs de transcription (TFIIA, TFIIB, etc.) se lient aux promoteurs. TFIID se lie à la TATA box via la TBP (TATA-box Binding Protein).

3. Modifications post-transcriptionnelles des ARN

Les ARN synthétisés subissent des modifications avant d'être fonctionnels.

Maturation des mRNA eucaryotes

• Formation de la coiffe (Cap) :

  • Modification en 5' (ajout d'un GTP méthylé) sur le transcrit primaire.

  • Protège le mRNA des phosphatases/endonucléases et stimule sa traduction.

• Élimination des introns (Excision-Épissage ou Splicing) :

  • Les régions non codantes (introns) sont éliminées.

  • Les régions codantes (exons) sont jointes pour former une séquence continue.

  • Les anomalies d'épissage peuvent causer des maladies génétiques (ex: thalassémies).

• Clivage et polyadénylation :

  • Clivage du transcrit primaire par une endonucléase après la séquence 5'-AAUAAA-3'.

  • Ajout d'une queue poly(A) (50 à 250 résidus d'adénylate) en 3' par une Poly(A) polymérase.

  • La queue poly(A) protège les mRNA d'une destruction enzymatique rapide.

• Editing des mRNA : Correction éditoriale (ex: désamination de cytidine en uridine, changeant un codon).

Maturation des rRNA et tRNA

• Dérivent de précurseurs (ex: pré-rRNA 30S chez bactéries, 45S chez eucaryotes).

• Les tRNA subissent des modifications (splicing, élimination de nucléotides).

Mutations

Les mutations sont des modifications du matériel génétique entraînant une variabilité.

Causes des Mutations

• Naturelles (aléatoires).

• Mutagènes (agents physiques ou chimiques) augmentant leur fréquence.

  • Physiques : Rayonnements UV et ionisants (rayons X, α, β, γ). Causent des ruptures de brins, altérations de bases, enchevêtrements.

  • Chimiques : Agents alkylants (EMS, Nitrosoguanidine), dérivés réactifs de l'oxygène, analogues de bases (5-bromouracile), agents intercalants (Bromure d'ethidium). Modifient la structure des bases ou s'insèrent dans l'ADN.

Classification des Mutations

• Génomiques : Altération du nombre de chromosomes (Euploïdie, Aneuploïdie).

• Géniques : Mutations ponctuelles (au niveau des gènes).

• Chromosomiques : Modifications de structure (aberrations chromosomiques, remaniements).

• Instables : Répétitions de trinucléotides (ex: Syndrome de l'X fragile, Dystrophie myotonique, Maladie de Huntington).

• Somatiques : Affectent les cellules somatiques, non transmissibles.

• Germinales : Affectent les cellules germinales, transmissibles à la descendance.

Mutations Génomiques

• Aneuploïdie : Modification du nombre de certains chromosomes (Trisomie 21, Monosomie X).

• Euploïdie : Modification d'un lot entier de chromosomes (2n → 3n, 4n).

• Autopolyploïdie : Duplication de chromosomes ou non-disjonction.

• Allopolyploïdie : Croisement interspécifique.

Mutations Ponctuelles (Gènes)

Altérations au niveau de l'ADN, entraînant des modifications des codons du mRNA et donc des protéines.

• Sans changement de cadre de lecture :

  • Silencieuses (ou synonymes) : La substitution du nucléotide ne modifie pas l'acide aminé (plusieurs codons codent le même AA).

  • Conservatrices : Le nucléotide modifié donne un codon pour un AA différent mais chimiquement proche.

• Avec changement de cadre de lecture :

  • Faux sens : Codon remplacé par un autre codant un AA très différent chimiquement.

  • Non sens : Codon transformé en codon stop.

• Insertions ou délétions de bases : Entraînant un décalage dans la lecture des codons (frameshift), modifiant tous les AA suivants.

• Polymorphismes SNP (Single Nucleotide Polymorphism) : Variations d'une seule base dans le génome, entraînant deux allèles différents.

Remaniements Chromosomiques Importants

Altérations structurales des chromosomes (ex: Crossing-over inégal).

• Délétion : Perte d'un segment chromosomique.

• Duplication : Répétition d'un segment.

• Inversion : Segment chromosomique réorienté à 180°.

  • Péricentrique : Inclut le centromère.

  • Paracentrique : Ne l'inclut pas.

• Translocation : Transfert d'un segment chromosomique à un autre chromosome.

  • Réciproque : Échange de segments entre deux chromosomes non homologues.

  • Non réciproque : Un segment est transféré sans échange.

  • Robertsonienne : Fusion de deux chromosomes acrocentriques.

Mutations Instables (Répétitions de Trinucléotides)

Expansion anormale et instable d'une séquence d'ADN microsatellite répétée.

• Syndrome de l'X fragile : Répétition de CGG (>230). Déficience intellectuelle.

• Dystrophie myotonique : Répétition de CTG (37-1500). Maladie autosomique dominante.

• Maladie de Huntington : Répétition de CAG (36-120). Maladie neurodégénérative, autosomique dominante.

Code Génétique

Relation entre les séquences de bases des mRNA et des acides aminés des protéines.

• À trois lettres : Un codon = trois nucléotides (AUG, GGC, etc.).

• Dégénéré : Plusieurs triplets peuvent coder le même acide aminé.

• Non chevauchant (non ambigu) : Chaque codon est lu de manière séquentielle, sans chevauchement.

• Universel : Le même code est utilisé par la plupart des organismes.

• Le codon UGA peut coder la Sélénocystéine dans certains cas (rôle antioxydant).

Fonctionnement du Système Traducteur (Traduction)

La traduction est la biosynthèse d'une chaîne polypeptidique à partir d'un mRNA.

• Polarisée : Du N-terminal au C-terminal pour la protéine, et du 5' au 3' pour le mRNA.

• Très rapide.

• L'activation des AA a lieu dans le cytoplasme : implique 20 aminoacyl-tRNA synthétases, >30 tRNA, 20 AA, ATP, Mg²⁺.

1. Initiation (chez les Bactéries)

• Ne débute pas à l'extrémité 5', mais après une vingtaine de nucléotides.

• Nécessite : Sous-unité 30S, mRNA, aminoacyl-tRNA initiateur (fMet-tRNA), facteurs IF1, IF2, IF3, GTP, sous-unité 50S, Mg²⁺.

• La sous-unité 30S fixe IF1 et IF3.

• mRNA se positionne sur la 30S, codon initiateur AUG guidé par la séquence de Shine-Dalgarno et rRNA 16S.

• Sites du ribosome : A (Aminoacyl), P (Peptidyl), E (Exit).

• IF2 (lié au GTP) fixe le fMet-tRNA sur le site P (appariement avec AUG).

• La sous-unité 50S rejoint le complexe, GTP hydrolysé, et les facteurs d'initiation sont libérés. Formation du ribosome 70S fonctionnel.

2. Élongation

• Trois étapes, nécessite le complexe d'initiation, aminoacyl-tRNA, facteurs d'élongation (EF-Tu, EF-Ts, EF-G), et GTP.

3. Terminaison

• Signalée par un des trois codons stop du mRNA : UAA, UAG, UGA.

• Facteurs de terminaison (RF1, RF2, RF3 chez les bactéries ; eRF1 chez les eucaryotes) reconnaissent les codons stop.

• Hydrolyse du peptidyl-tRNA, libération de la chaîne polypeptidique et du dernier tRNA.

• Dissociation du ribosome en ses sous-unités pour un nouveau cycle.

Antibiotiques Inhibiteurs de la Traduction

Ciblent spécifiquement les ribosomes bactériens :

• Streptomycines

• Tétracyclines

• Puromycine

• Chloramphénicol

• Érythromycine

Contrôle de l'Expression Génétique chez les Eucaryotes

La régulation de l'expression génique peut intervenir à plusieurs niveaux :

1. Transcription (le principal point de contrôle).

2. Maturation du transcrit.

3. Traduction.

4. Activation de la protéine (post-traductionnel).

L'ARN polymérase est l'enzyme clé de l'expression d'un gène.

Génétique Humaine

La génétique humaine étudie la transmission des caractères héréditaires, maladies et anomalies chez l'espèce humaine.

• L'homme possède 46 chromosomes (22 paires d'autosomes, 1 paire de gonosomes X et Y).

• Mâles : XY ; Femelles : XX.

Difficultés d'Étude de la Génétique Humaine

• Impossibilité des croisements orientés.

• Faible fécondité, longue durée de gestation et entre générations.

• Nombre élevé de chromosomes.

Définitions et Concepts

• Génétique de populations : Étudie la variation des fréquences alléliques et génotypiques.

• Génétique formelle : Étudie la répartition des gènes sur les chromosomes (Mendel → Morgan).

• Génie génétique : Introduction de changements dans l'ADN sans reproduction naturelle.

• Gène : Fragment d'ADN transmettant un caractère.

• Génome : Ensemble des gènes d'un organisme (lot paternel + lot maternel).

• Caractère : Aspect biologique dont on étudie la transmission.

• Locus : Position spécifique d'un gène sur un chromosome.

• Chromosome : Support de l'information génétique (ADN + protéines).

• Phénotype : Ensemble des caractères visibles.

• Allèles : Différentes formes d'un gène (A/a).

• Génotype : Constitution génétique de l'individu (Homozygote (AA/aa), Hétérozygote (Aa), Hémizygote (un seul allèle)).

• Croisement : Accouplement contrôlé.

• Échiquier de Punnett : Diagramme pour prédire les résultats de croisements.

• Dominance : Un allèle a un effet prépondérant.

• Récessivité : Le caractère est dominé.

• Espèce : Individus capables de se reproduire entre eux.

Génétique Mendélienne

• Basée sur les travaux de Mendel sur les petits pois :

  1. Loi de l'uniformité des hybrides (F1) : Tous les individus F1 sont identiques.

  2. Loi de la pureté des gamètes : Chaque gamète ne porte qu'un seul allèle pour un caractère donné.

  3. Loi de la ségrégation indépendante des caractères (pour des gènes sur chromosomes différents) : Les allèles se disjoignent indépendamment.

• Monohybridisme : Croisement sur un seul caractère.

  • Dominance complète : Un caractère masque l'autre en F1.

  • Croisement test (analytique) : F1 croisé avec le parent récessif pour déterminer le génotype de F1.

• Dihybridisme : Croisement sur deux caractères.

Exceptions aux Lois de Mendel (Monohybridisme)

• Codominance : Les deux allèles s'expriment simultanément en F1 (ex: fleurs roses pour rouge + blanc).

• Gène létal : Un individu homozygote pour ce gène n'est pas viable (meurt). Modifie les proportions mendéliennes (ex: 2/3 jaune, 1/3 gris).

• Hérédité liée au sexe : Le gène est situé sur les chromosomes sexuels (X, Y).

  • Le chromosome Y porte très peu de gènes.

• Hérédité influencée ou limitée par le sexe : Le gène est autosomique, mais son expression dépend du sexe (ex: calvitie, cornes).

Cas des Gènes Liés (Dihybridisme)

• Les gènes sont localisés sur la même paire de chromosomes homologues.

• Ne suivent pas la 3ème loi de Mendel (ségrégation indépendante).

• Cartographie chromosomique : Utilise le taux de recombinaison pour déterminer la distance entre gènes (exprimée en centimorgan, cM).

Maladies Monogéniques et Multigéniques

• Maladies monogéniques : Un seul gène est affecté, transmission suivant les modes mendéliens.

• Maladies multigéniques (polygéniques) : Impliquent plusieurs gènes et facteurs environnementaux.

• Maladies mitochondriales : Transmises uniquement par la mère.

Modes de Transmission Héréditaire

Analyse par arbres généalogiques.

1. Hérédité Autosomique Dominante

• Les deux sexes sont atteints.

• Un individu atteint (hétérozygote) a 50% de chances de transmettre.

• Un individu sain ne transmet pas.

• Transmission sans saut de génération.

2. Hérédité Autosomique Récessive

• La maladie peut sauter des générations.

• Un individu malade naît souvent de deux parents sains (hétérozygotes).

• Fréquente en cas d'unions consanguines.

3. Hérédité Gonosomique Dominante (liée à l'X)

• Les hommes sont plus touchés que les femmes.

• Une femme malade transmet à 50% de ses enfants.

• Un homme malade transmet à toutes ses filles, mais aucun de ses fils.

• Le fils ne reçoit jamais la maladie de son père.

4. Hérédité Gonosomique Récessive (liée à l'X)

• Souvent seuls les mâles sont atteints (si parents sains).

• L'allèle malade est transmis par la mère.

• 50% des fils seront malades, 50% des filles porteuses.

• Gène holandrique (porté par le chromosome Y) : transmission du père aux fils uniquement.