Réplication de l'ADN

Laplasticité génomique souligne la nature dynamique et évolutive du génome,contrastant avec une vision statique. Le chapitre 4 explore la réplication du patrimoine génétique,tandis que le chapitre 5 aborde l'origine et la nature des mutations. Le chapitre 6, quant à lui, examine l'impact de ces mutations,notamment les bases moléculaires du cancer.

Chapitre 4 : Copie du patrimoine génétique

Après la découverte de la structure endouble hélice de l'ADN par Watson et Crick, l'intérêt s'est porté sur son mécanisme de duplication. Ils ont proposé le modèle de réplication semi-conservatif, impliquant que chaque double hélice fillecontienne un brin parental et un brin nouvellement synthétisé.

4.1 La chimie de la synthèse d'ADN

La synthèse d'ADN requiert deux substrats clés :

• Désoxyribonucléoside triphosphate (dNTP) : Se caractérise par un groupement désoxyribose sans groupement hydroxyle en 2', contrairement aux ribonucléotides. Le phosphate est le seul impliqué dans la liaison phosphodiester.

• Jonction amorce-matrice : Essentielle pour la synthèse d'ADN, bien que non requise pour la synthèse d'ARN.

La matrice est le brin d'ADN parental à répliquer (brin gabarit). L'amorceest un court brin complémentaire à une partie de la matrice, présentant une extrémité 3'-OH libre. La liaison entre la matrice et l'amorce se fait par complémentarité des bases.

Le groupement 3'-OH de l'amorce est crucial pour l'ajoutde nouveaux nucléotides, initiant la réplication. Un dNTP s'apparie par complémentarité à la base de la matrice. Le groupement 3'-OH de l'amorce réalise alors une attaque nucléophile sur le premier phosphate du dNTP entrant, formant une liaison phosphodiester et libérant un pyrophosphate (PiPi).

La libération du PiPi fournit l'énergie nécessaire à la réaction, suite à son clivage par une pyrophosphatase. Ce processus conduit à l'ajout continu de nucléotides, allongeant le brin dans le sens 5' → 3'. Le brin matrice sera donc orienté 3' → 5'.

4.2 Les 2 activités catalytiques de l'ADN polymérase

L'enzyme principale catalyasant la synthèse d'ADN est l'ADN polymérase.

4.2.1 Polymérisation de l'ADN

L'ADN polymérase possède un site catalytique qui dirige l'ajout desquatre dNTP. La conformation de ce site est essentielle pour assurer l'insertion correcte des nucléotides, formant à la fois des liaisons hydrogènes et phosphodiesters. Dans les eucaryotes, la synthèse d'ADN a lieu uniquement pendant la phase S du cycle cellulaire, tandis que la transcription d'ARN peut se produire à tout moment en dehors de la mitose.

L'ADN polymérase se distingue des ARN polymérases par sa capacité à discriminer les ribonucléotides (rNTP) des désoxyribonucléotides (dNTP). Cette discrimination s'opère par exclusion stérique au niveau du site actif, grâce à une "petite poche" et un acide aminé clé. Le groupement 2'-OH du rNTP crée un encombrement qui empêche l'alignement correct du phosphate avec le 3'-OH, inhibant l'attaque nucléophile et la formation de la liaison phosphodiester.

L'ADN polymérase est souvent représentée comme une main, où les "doigts" et la "paume" sont impliqués dans l'activité catalytique, et le "pouce"assure une association stable avec le substrat. La paume plie la molécule d'ADN matrice pour garantir la qualité et l'ordre des nucléotides ajoutés. Malgré ces mécanismes, des erreurs peuvent toujours survenir.

La synthèse rapide de l'ADN (environ 1000 nucléotides par seconde chez les procaryotes) est rendue possible par la processivité de l'enzyme. La processivité correspond au nombre de nucléotides qu'une ADN polymérase peut ajouter à chaque événement de liaison à la jonction amorce-matrice. Une enzyme hautement processive réduit considérablement le temps total de réplication en évitant les détachements et rattachements fréquents.

4.2.2 Correction d'épreuve (Proofreading)

La rapidité de la synthèse d'ADN augmente le risque d'erreurs. Pour contrer cela, l'ADN polymérase est dotée d'une seconde activité catalytique : la correction d'épreuve.

• L'ADN polymérase possède deux sites catalytiques : un pour la polymérisation (5' → 3') et unsecond pour la correction.

• À chaque ajout de nucléotide, l'enzyme vérifie son appariement. En cas d'erreur, elle revient en arrière et supprime le nucléotide incorrect grâce à une activité exonucléase 3' → 5'.

• Cette exonucléase clive la liaison phosphodiester du nucléotide mal apparié. Une fois l'erreur corrigée, l'ADN polymérase reprend son activité de polymérisation 5' → 3'.

Cette activité de correction réduit le taux d'erreur de1 sur à 1 sur nucléotides. Des erreurs résiduelles seront corrigées par d'autres systèmes de réparation (voir chapitre 5).

Une cause majeure d'erreur, même avec la correction d'épreuve,est la tautomérisation occasionnelle des bases. Les formes tautomériques rares des bases peuvent conduire à des mésappariements, qui sont ensuite détectés et corrigés par l'exonucléase de l'ADN polymérase. L'affinité de cette exonucléase pour lesmésappariements est dix fois supérieure à celle de l'activité polymérase.

Il existe plusieurs ADN polymérases chez les procaryotes et les eucaryotes :

• Chez les procaryotes, une seule polyméraseréplique l'ADN durant la phase S. Les autres sont dédiées à la réparation.

• Chez les eucaryotes, la réplication est assurée par deux polymérases principales (ADN polymérases et ), une pour chaque brin.

4.3 L'initiation de la réplication de l'ADN

La réplication de l'ADN, spécifiquement en phase S, est étroitement régulée pour éviter une réplication inappropriée. Ce processus requiert des zones spécifiques appelées réplicateurs, des séquences d'ADN essentielles à l'initiation, situées à des emplacements précis du génome.

• Chez les procaryotes, il y a un seul réplicateur sur l'ADN circulaire.

• Chez les eucaryotes, les longs chromosomes linéaires possèdent plusieurs réplicateurs.

L'initiation de la réplication commence aux origines de réplication, des sites où l'ADN est déroulé. Un initiateur (protéine) reconnaît et se fixe à ces origines de réplication,recrutant ensuite d'autres protéines.

4.3.1 Initiation de la réplication chez les procaryotes

Chez les procaryotes, l'initiateur est la protéine DnaA, qui doit être liée à l'ATP.

• DnaA se fixe à une région spécifique du réplicateur et provoque le déroulement de l'ADN voisin (région "easy melted").

• Cette ouverture mène au recrutement d'autres protéines, dont l'hélicase, qui, sous forme d'anneau hexamérique,se place autour d'un brin d'ADN et rompt les liaisons hydrogènes.

La réplication d'ADN est bidirectionnelle : deux ADN polymérases se déplacent dans des directions opposées à partir de l'origine de réplication, doublant ainsi la vitesse. La régulation de DnaA est cruciale :

• DnaA doit être liée à l'ATP et l'ADN doit être biméthylé (méthylations sur les deux brins).

• Chez les procaryotes, cesont les adénines des séquences GATC qui sont méthylées par la DAM méthylase.

Après le passage de l'ADN polymérase, le nouveau brin synthétisé n'est pas méthylé aux séquences GATC. Une protéine appelée SeqA se lie à ces séquences non méthylées, empêchant la DAM méthylase de méthyler le nouveau brin. L'ADN reste alors dans un état hémi-méthylé. Cet état hémi-méthylé constitue un signal pour empêcher DnaA de réinitierune nouvelle réplication, tant que SeqA est liée. Une fois SeqA détachée, la DAM méthylase peut méthyler le nouveau brin, restaurant l'état biméthylé et permettant potentiellement une nouvelle initiation.

Plusieurs niveaux de régulation existent pour l'initiation de la réplication, incluant le contrôle de l'expression de DnaA elle-même.

4.3.2 Initiation de la réplication chez les eucaryotes

Chez les eucaryotes, l'initiateur est l'ORC (Origin Recognition Complex).Contrairement à DnaA, la liaison de l'ORC ne provoque pas le déroulement de l'ADN.

L'activation d'une origine de réplication chez les eucaryotes comporte deux étapes distinctes :

1. Formation du complexe pré-réplicatif (pre-RC) : L'ORC se lie au réplicateur et recrute les chargeurs d'hélicases, puis les hélicases elles-mêmes en phase G1.

2. Activation du pre-RC : Ce complexe est activé en phase S par des enzymes spécifiques, les Cdk (cyclin-dependent kinase) et les Ddk (Dbf4-dependent kinase).

Les Cdk phosphorylent les chargeurs d'hélicases, entraînant un changement de conformation qui diminue leur affinitépour le complexe et les fait se détacher. Cette libération active les hélicases, qui peuvent alors dérouler l'ADN. D'autres protéines, dont les ADN polymérases et , sont ensuite recrutées.

Les Cdk jouent un double rôle : elles activentle pre-RC et inhibent la formation de nouveaux pre-RC durant la phase S et les phases suivantes, assurant ainsi qu'un chromosome eucaryote ne soit répliqué qu'une seule fois par cycle cellulaire.

Les eucaryotes possèdent, en général, plusieurs origines de réplication par chromosome. Toutes ne sont pas activées simultanément. Certaines sont activées de manière "active" (lorsque le pre-RC est activé sur place), tandis que d'autres peuvent être "passivement répliquées" par le passage d'une fourche de réplication initiée àune origine voisine. Un chromosome eucaryote linéaire présente cette particularité, et des mécanismes de sécurité empêchent qu'une région répliquée ne soit répliquée à nouveau avant le cycle cellulaire suivant.

Le réplicateur est la séquence d'ADN nécessaire à l'initiationde la réplication, tandis que l'origine de réplication est le site précis où la synthèse d'ADN commence.

4.4 Recrutement des acteurs de la réplication

La réplication simultanée des deux brins d'ADN nécessite leur séparation, assurée par les hélicases, des enzymes hexamériques en forme d'anneau qui encerclent un brin d'ADN et hydrolysent les liaisons hydrogènes à l'aide d'ATP.

Une fois séparés, les brins d'ADN simple brinsont rapidement recouverts par des protéines SSB (single-strand binding). Ces protéines :

• Se lient à l'ADN par interactions électrostatiques avec le squelette sucre-phosphate et par forces d'empilement avec les bases.

• Empêchent le réappariement des brins et les protègent de la dégradation.

• Présentent une liaison coopérative, stabilisant ainsi de larges régions d'ADN simple brin.

• Se lient de manière non spécifique à la séquence et de façontemporaire.

Le déroulement de l'ADN à la fourche de réplication crée un surenroulement positif en aval de la fourche, augmentant la tension. Les topoisomérases (ou gyrases chez les procaryotes)résolvent ce problème en induisant des cassures transitoires (simple ou double brin) dans l'ADN, relâchant la tension, puis en rescellant les brins. Les topoisomérases ont une double activité : nucléase (coupe) et ligase (colle).

Ajout des amorces d'ARN

L'ADN polymérase nécessite une amorce avec une extrémité 3'-OH libre pour initier la synthèse. C'est la primase qui synthétise de courts fragments d'ARN (5-15nucléotides) jouant le rôle d'amorces. La primase est une ARN polymérase qui, contrairement à l'ADN polymérase, n'a pas besoin d'amorce pour commencer sa synthèse. Elle interagit souvent avec l'hélicase au niveau de la fourche de réplication etreconnaît des séquences spécifiques (par ex., un trimère GTA chez E. coli).

4.5 Synthèse d'ADN au niveau de la fourche de réplication

La synthèse des deux brins (brin précoce et brin tardif) est coordonnée parune holoenzyme, un complexe protéique composé de plusieurs ADN polymérases.

• Chez les procaryotes, l'holoenzyme ADN Pol III contient deux cœurs d'ADN polymérase III et un complexe .

• Chez les eucaryotes, l'holoenzyme inclut deux cœurs différents (ADN polymérases et ).

L'holoenzyme possède également des crampons glissants (sliding clamp) et des chargeurs de crampons. Les crampons sont des hexamères qui encerclent l'ADNet stabilisent l'ADN polymérase sur sa matrice, augmentant sa processivité. Les chargeurs de crampons utilisent l'hydrolyse d'ATP pour ouvrir et fermer le crampon autour de l'ADN. Le crampon se détache lorsque l'ADN polymérase rencontre un ADNdouble brin déjà répliqué.

Le brin précoce est synthétisé de manière continue en 5' → 3'. Le brin tardif, quant à lui, est synthétisé de manière discontinue, en fragments, carsa direction de synthèse (5' → 3') est opposée au sens global de la fourche. Ces fragments discontinus sont appelés fragments d'Okazaki. Une "boucle modèle en trombone" permet de coordonner les deux polymérases et de maintenir l'holoenzyme en place.

4.7 Terminaison de la réplication

4.7.1 Cas de l'ADN circulaire (procaryotes)

La réplication de l'ADN circulaire, qui procède bidirectionnellement à partir d'une origine unique, setermine lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent. Les deux molécules d'ADN filles restent liées sous forme de concaténamère et sont séparées par une topoisomérase II.

4.7.2 Cas de l'ADN linéaire (eucaryotes)

Dans l'ADN linéaire, une étape supplémentaire est nécessaire : l'élimination des amorces d'ARN. L'enzyme RNase H dégrade l'ARN des amorces, laissant un seul nucléotide d'ARN qui est clivé par une exonucléase 5'→ 3'. La brèche ainsi créée est comblée par une ADN polymérase, qui utilise l'extrémité 3'-OH du fragment d'ADN voisin comme amorce. La dernière liaison phosphodiester est ensuite catalysée par une ADN ligase.

Ce processus aboutit à un problème aux extrémités des chromosomes linéaires : à la fin de la réplication, le brin néosynthétisé est plus court que le brin parental. Ce raccourcissement progressif des télomères (les extrémités non codantes des chromosomes) estassocié au vieillissement cellulaire.

Des solutions évolutives existent pour ce problème :

1. Chez certaines bactéries et virus, une protéine sert d'amorce pour le fragment d'Okazaki terminal, fournissant le groupement 3'-OH nécessairepour la synthèse complète.

2. Chez la plupart des eucaryotes, l'enzyme télomérase allonge l'extrémité 3' des télomères. La télomérase est un complexe ribonucléoprotéique qui utilise sa propre molécule d'ARN (TER)comme matrice pour synthétiser de nouvelles séquences répétées sur l'extrémité 3'. C'est une ADN polymérase ARN-dépendante. Cet allongement permet ensuite à une primase de poser une nouvelle amorce d'ARN sur le brin allongé, permettant ainsi la synthèse d'un fragment d'Okazakiet évitant le raccourcissement du chromosome après l'enlèvement des amorces.

La télomérase n'est généralement pas exprimée dans la majorité des cellules somatiques humaines, mais elle est active dans les cellules germinales, les cellules souches etles cellules cancéreuses. L'activation de la télomérase dans les cellules cancéreuses leur confère une immortalité.

Différence entre endonucléase et exonucléase :

• Une exonucléase digère l'ADN ou l'ARN à partir d'une extrémité.

• Une endonucléase peut cliver à l'intérieur d'une séquence d'ADN ou d'ARN.

Chapitre 5 : Origine et nature des mutations

Lesmutations, souvent associées à des pathologies, sont également le moteur de l'évolution. Un excès de mutations peut compromettre la capacité fonctionnelle d'un organisme.

5.1 Définition d'une mutation

Une mutation est une modification irréversiblede la séquence d'ADN, codante ou non-codante, qui peut survenir n'importe où dans le génome (inter ou intra-génique). Les mutations peuvent affecter le nombre ou la structure des chromosomes.

5.2 Origine des mutations spontanées et des mutations induites

5.2.1 Les mutations spontanées

Ces mutations surviennent sans l'influence d'un agent extérieur.

5.2.1.1 Tautomérisation des bases

Les quatre bases de l'ADN (A, T, C,G) existent sous plusieurs formes tautomériques, principalement une forme majoritaire et une forme minoritaire. Par exemple, la cytosine et l'adénine existent en formes amino (majoritaire) et imino (minoritaire) ; la guanine et la thymine existent en formes céto (majoritaire) eténol (minoritaire). Le passage d'une forme à l'autre implique le déplacement d'un proton.

La forme majoritaire est essentielle pour un appariement optimal (Watson-Crick). Cependant, lorsque les bases adoptent leur forme minoritaire lors de la réplication del'ADN, elles peuvent s'apparier de manière incorrecte, entraînant des mésappariements. Ces mésappariements ne sont pas encore des mutations, car ils ne sont pas fixés sur les deux brins de l'ADN.

5.2.1.2 Oxydation des bases par les ROS (Reactive Oxygen Species)

Les espèces réactives à l'oxygène (ROS) sont des molécules dérivées de l'oxygène, produites naturellement par le métabolisme cellulaire (ex : respiration mitochondriale) et par certaines enzymes(ex : NADPH oxydase dans les phagocytes). Les ROS, telles que l'anion superoxyde (O2), le peroxyde d'hydrogène (H2O2) ou le radical hydroxyle (OH), sont très oxydantes.

L'ADN est une cible sensible aux ROS, en particulier la guanine. L'attaque de la guanine par le radical hydroxyle peut la transformer en 8-oxo-guanine, qui peut s'apparier avec l'adénine lors de la réplication, créant un mésappariement.

5.2.1.3 Dépurination et déamination

• Dépurination : Perte d'une base purique (adénine ou guanine) due à l'hydrolyse spontanée de la liaison glycosidique. Il s'agitd'un événement fréquent (9000-10000 dépurinations/cellule/jour). La dépyrimidination (perte d'une pyrimidine) est moins fréquente. L'ADN polymérase peut insérer une base aléatoire en face d'un site apurinique/apyrimidinique (site AP), conduisant à un mésappariement.

• Déamination : Perte d'un groupement amino de certaines bases (cytosine ou adénine). La déamination de la cytosine la transforme en uracile, tandis que celle de l'adéninela transforme en hypoxanthine. Ces nouvelles bases s'apparient différemment, causant des mésappariements lors de la réplication.

Un mésappariement devient une mutation si, après une deuxième réplication, le changement de base est fixésur les deux brins de la double hélice. Tant qu'il est sur un seul brin, il peut potentiellement être corrigé.

5.2.1.4 Dérapage réplicatif (Slippage)

Ce type d'erreur se produit lorsque l'ADN polymérase, particulièrement dans les régions de séquences répétées (microsatellites), glisse. Cela peut entraîner :

• Insertion : Le brin en cours de synthèse se désolidarise momentanément de la matrice, puis se réapparie légèrement en amont, provoquant la réplication d'une section déjà synthétisée, ce qui ajoute des répétitions.

• Délétion : Une boucle se forme sur le brin matrice, et l'ADN polymérase "saute" cette répétition, entraînant la suppression de répétitions sur le brinnéosynthétisé.

Ces glissements modifient la taille des microsatellites, constituant des mutations qui peuvent être utilisées pour l'identification génétique (ex : empreinte génétique).

5.2.1.5 Intégration de rétrotransposons

Les rétrotransposons sont des éléments génétiques mobiles qui se déplacent via un intermédiaire ARN. Ils sont transcrits en ARN, puis rétrotranscrits en ADN double brin par une transcriptase inverse (codée par le rétrotransposon lui-même, comme dans les LINES) et réintégrés aléatoirement dans le génome par une intégrase.

L'intégration de rétrotransposons peut provoquer des mutations en :

• Disruptant des séquences codantes ourégulatrices.

• Modifiant l'organisation ou l'expression des gènes voisins.

Le taux de mutations spontanées est généralement faible mais varie selon les organismes et les régions du génome.

5.2.2 Les mutations induites

Elles sont causées par l'exposition à des agents extérieurs.

• Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) : Ex : le benzopyrène (produit par combustion incomplète) peut s'intercaler dans la double hélice d'ADN, déformant sa structure et perturbant la réplication, entraînant des mutations.

• Mycotoxines : Ex : aflatoxines (produites par des champignons) sont potentiellement mutagènes.

• Solvants : Ex : benzène, trichloréthylène (TCE) peuvent s'intercaler dans l'ADN.

• Agents alkylants : Ex : EMS (éthyl méthane sulfonate), gaz moutarde. Ils ajoutent des groupements alkyles aux bases. Une guanine alkylée peut être reconnue comme une adéninepar l'ADN polymérase, entraînant un mésappariement (ex : G → T).

• Radiations ionisantes (rayons X, gamma, cosmiques) : Très énergétiques, elles ionisent les molécules rencontrées, produisant des radicaux libreset pouvant casser directement les liaisons phosphodiesters, entraînant des cassures simple-brin ou double-brin de l'ADN. Ces cassures peuvent conduire à des délétions, translocations ou autres anomalies chromosomiques.

• Rayonnements UV (ultraviolets) :

  • Action directe : Les UVB et UVC sont absorbés par les bases de l'ADN, entraînant la formation covalente de dimères de pyrimidines (particulièrement de thymines) sur le même brin. Ces dimères déforment l'hélice et bloquent l'ADN polymérase, qui peut sauter le dimère et laisser une brèche dans le brin néosynthétisé.

  • Action indirecte : Les UVA et UVB peuvent générer des ROS, induisant un stress oxydatif et des dommages indirects à l'ADN.

  Le bronzage (synthèse de mélanine) est un mécanisme de protection contre les UV. Les UV stimulent la production de MSH par les kératinocytes, qui se lie au récepteur Mc1R des mélanocytes, activant la synthèse de mélanine. La mélanine protège l'ADN des kératinocytes et mélanocytes. Une exposition excessive aux UV peut néanmoins induire des cancers de la peau (mélanomes).

• Intégration d'ADN viral : Des virus (rétrovirus, etc.) peuvent intégrer leur génome (ou des fragments) dans l'ADN de l'hôte. Ces insertions peuvent être mutagènes si elles se produisent dans des régions essentielles et peuvent même entraîner l'acquisition de nouvelles fonctions par l'hôte (ex : syncitines d'origine virale dans le placenta humain).

5.3 Réparation des dommages à l'ADN

Les cellules disposent de multiples mécanismes pour corriger les dommages et les erreurs de l'ADN. Voici les principaux :

1. Système de correction d'épreuve (Proofreading): Première ligne de défense de l'ADN polymérase (voir 4.2.2).

2. Le MMR (Mismatch Repair) : Ce système conserve le taux d'erreur à 1 sur . Il détecte et corrige les mésappariements non corrigés par le proofreading. Chez les bactéries, il reconnaît le "mauvais" brin (le brin néosynthétisé) par son état non méthylé (état hémi-méthylé de l'ADN après réplication). Une endonucléase clive le brin non méthylé, une exonucléase dégrade le segment erroné, et une ADN polymérase resynthétise le fragment, enfin une ligase scelle la brèche.

3. Réparation post-réplicative : Corrige les brèches laissées par l'ADN polymérase lorsqu'elle saute un dimère de thymine.Une protéine (ex: RecA) catalyse une recombinaison homologue, empruntant un segment d'ADN fonctionnel au brin parental pour combler la brèche du brin néosynthétisé. Le dimère de thymine original sur le brin matrice n'est pas directement réparé par ce mécanisme.

4. Réparation par photoréactivation : Présent chez certains organismes (bactéries, levures, plantes, marsupiaux), ce système corrige les dimères de thymine. Une enzyme (EPR) reconnaît le dimère et, en absorbant la lumière bleue, clive les liaisons covalentes, restaurant les bases dans leur état initial.

5. Réparation par excision de bases (REB) : Corrige les bases modifiées (oxydées, alkylées, déaminées) ou les sites AP. Une glycosylase spécifique à la base modifiée clive la liaison glycosidique, éliminant la base. Une endonucléase et une phosphodiestérase éliminent ensuite le sucre-phosphate. Une ADN polymérase comble la brèche et une ligase scelle la nouvelle liaison phosphodiester.

6. Réparation par excision de nucléotides (REN) : Systèmetrès conservé qui répare les lésions encombrantes comme les dimères de thymines. Il scanne le génome, détecte la lésion, et un complexe d'enzymes (dont des endonucléases) clive l'ADN de part et d'autre de la lésion (environ 13 nucléotides chez les procaryotes, 28 chez les eucaryotes). Une ADN polymérase resynthétise le segment manquant et une ligase scelle l'ADN. Des défauts dans le NER (ex : chez les patients atteints de Xeroderma pigmentosum) augmentent lasensibilité aux UV et le risque de cancers cutanés.

7. Voies de réparation de cassures double-brin : Ces cassures (causées par radiations ionisantes, ROS ou erreurs de topoisomérases) sont très dangereuses.

   • Réparation par recombinaison homologue (HR) : Utilise une molécule d'ADN homologue (ex : chromatide sœur après réplication) comme matrice pour réparer la cassure. Ce système est précis et se produit après la phase S.

   • Jonction d'extrémités non homologues (NHEJ - Non-Homologous End Joining) : Ce système est moins précis et peut fonctionner à tout moment du cycle cellulaire, même sans chromatide sœur. Les extrémités brisées sont recoupées et ligaturées, souvent avec des pertes d'information (délétions) ou l'intégration de fragments d'ADN provenant d'autres régions, ce qui peut être mutagène.

5.4 Les mutations ponctuelles vs les mutations chromosomiques

5.4.1 Les mutations ponctuelles

Elles affectent une petite zone ou un seul nucléotide.

5.4.1.1 Les substitutions

Un nucléotide est remplacé par un autre.

• Transition : Remplacement d'une purine par une autre purine (A ↔ G) ou d'une pyrimidine par uneautre pyrimidine (C ↔ T).

• Transversion : Remplacement d'une purine par une pyrimidine ou vice versa.

Conséquences sur la séquence codante :

• Mutation faux-sens (missense) : Le nouveau codon code pour un acide aminé différent.

• Mutation non-sens (nonsense) : Le nouveau codon est un codon stop, entraînant une protéine tronquée.

• Mutation silencieuse (silent) : Le nouveau codon code pour lemême acide aminé (dégénérescence du code génétique) ou la mutation se produit dans une région non codante sans impact phénotypique.

Les SNPs (single nucleotide polymorphisms) sont des variations d'un seul nucléotide observées dans lapopulation. Un génome humain contient en moyenne plus d'un million de SNPs, utilisés dans les études d'association génomique (GWAS).

5.4.1.2 Insertion ou délétion d'un ou plusieurs nucléotides

Ajout ou suppression d'unou plusieurs nucléotides. Si le nombre de nucléotides insérés ou délétés n'est pas un multiple de 3, cela provoque un décalage du cadre de lecture (frameshift mutation), modifiant tous les codons en aval et généralement entraînant une protéine non fonctionnelle ou tronquée.

Exemple : Hypertrophie musculaire (gène de la myostatine)

Une délétion de 11 nucléotides dans l'exon 3 du gène de la myostatine (fréquente chez certaines races bovines, canines et même chez l'homme) entraîne un décalage du cadre de lecture. La myostatine est une protéine qui inhibe le développement musculaire. Sa perte de fonction due à la mutation conduit à une augmentation significative de la masse musculaire (phénotype "culard").

Exemple : Couleurs de robe chez le cheval

Les couleurs principales (noir, baie, alezan) résultent de mutations dans les gènes codant pour les enzymes synthétisant la mélanine ou pour leurs régulateurs. Le récepteur Mc1R et laprotéine ASIP (un inhibiteur) régulent la production des deux types de mélanine (eumélanine noire/brune et phéomélanine rouge/jaune). Des mutations dans ces gènes peuvent entraîner des changements de couleur (ex : perte de fonction de Mc1R → alezan ;perte de fonction d'ASIP → noir).

5.4.2 Les mutations chromosomiques

Affectent le nombre ou la structure des chromosomes.

5.4.2.1 Changements du nombre de chromosomes

Proviennent souvent d'erreurs de non-disjonction (absence de séparation des chromosomes ou chromatides sœurs) durant la méiose ou la mitose.

A) L'Aneuploïdie

Présence d'un ou plusieurs chromosomes supplémentaires ou manquants.

• Monosomie (2n-1) : Perte d'un chromosome. Ex : syndrome de Turner (45, X) chez l'humain. La monosomie autosomique est généralement létale chez l'animal car elle démasque des allèles létaux récessifs et perturbe l'équilibre des produits géniques. Cependant, des monosomies partielles (délétions segmentales) peuvent être viables, comme le syndrome du cri-du-chat (délétion du bras court du chromosome 5).

• Trisomie (2n+1) : Gain d'un chromosome. Ex : trisomie 21 (syndrome de Down). Les individus trisomiques sont généralement plus viables que les monosomiques, surtout chez les plantes. La trisomie 21 est majoritairement due à une non-disjonction du chromosome 21 lors de la méiose I de l'ovule, et sa fréquence augmente avec l'âge maternel. Si la non-disjonction survient lors de la mitose chez un embryon précoce, cela peut entraîner un mosaïcisme, où certainescellules de l'organisme sont trisomiques et d'autres ont un caryotype normal.

B) La polyploïdie

Présence de plus de deux jeux haploïdes de chromosomes (triploïdie 3n, tétraploïdie 4n, etc.).

• Autoploïdie : Addition de jeux de chromosomes identiques à l'espèce. Ex : triploïdie suite à la fusion de gamètes diploïdes, ou tétraploïdie induite expérimentalement par la colchicine.Les organismes autoploïdes (polyploïdes) sont souvent plus grands (taille des fruits, fleurs) et d'intérêt horticole/commercial (ex : pommes de terre, bananes).

• Alloploïdie : Combinaison de jeux de chromosomes d'espèces différentes,suite à un croisement interspécifique et à une duplication subséquente du génome (ex : triticale, hybride blé-seigle). Ces organismes sont souvent fertiles suite à la duplication, car chaque chromosome a alors un homologue strict avec lequel s'apparier pendant la méiose.

• Endopolyploïdie : Certaines cellules d'un organisme diploïde deviennent polyploïdes (ex : cellules hépatiques, cellules de l'intestin de larves d'insectes). Ce phénomène augmente le niveau d'expression de gènes dont les produits sont requis en grande quantité, sans modifier le nombre de chromosomes dans les cellules germinales.

5.4.2.2 Modifications de la structure et de l'arrangement des chromosomes

Ces mutations peuvent être causées par des cassures chromosomiques réarrangées de manière anormale.

• Délétion : Perte d'un segment chromosomique. (Ex : syndrome du cri-du-chat).

• Duplication : Répétition d'un segment chromosomique. Peut résulter d'un crossing-over inégal.

• Inversion : Un segment chromosomique est excisé, il s'inverse à 180° et est réintégré. Cela peut modifier l'organisation des gènes et leur expression.

• Translocation : Échange de segments entre chromosomes non homologues.

  • Translocation simple : Un segment d'un chromosome est transféré à un autre.

  • Translocation réciproque : Échange de segments entre deux chromosomes.

• Les translocations peuvent altérer l'expression génique (effet de position) et poser des problèmes de ségrégation chromosomique pendant la méiose. Les translocations robertsoniennes (fusions centriques) sont courantes chez l'homme, impliquant la fusion de chromosomes acrocentriques (ex : chromosome 14/21), et peuvent êtreà l'origine du syndrome de Down familial.

Chapitre 6 : Impact des mutations : bases moléculaires du cancer

Les cellules cancéreuses se caractérisent par un caryotype anormal, présentant de multiples modifications structurales et numériques des chromosomes (translocations,aneuploïdies, délétions, duplications, etc.).

6.1 Le cancer : maladie génétique

Le cancer se distingue des autres maladies génétiques par l'accumulation de plusieurs mutations affectant diverses fonctions cellulaires : la réparation de l'ADN, lecycle cellulaire, l'apoptose (mort cellulaire programmée), la différenciation et les interactions cellulaires.

6.2 Le cancer : caractéristiques

• Prolifération cellulaire anarchique : Perte du contrôle de la division cellulaire.

• Dédifférenciation : Perte des caractéristiques spécialisées des cellules.

• Perte des interactions cellulaires : Les cellules échappent aux signaux d'inhibition de contact et de régulation de la population cellulaire.

• Tumeurs bénignes et malignes : Une tumeur bénigne est une prolifération localisée. Une tumeur maligne (cancer) implique des mutations supplémentaires qui confèrent aux cellules la capacité d'envahir d'autres tissus (métastases). Les métastases ont une origine clonale, issues de cellules qui ont acquis lacapacité de se disséminer.

L'accumulation de mutations est un processus multi-étapes qui prend du temps, d'où la corrélation entre le cancer et l'âge.

6.3 Le cancer : causes

6.3.1 Défaillance des systèmes de réparation de l'ADN

Des mutations dans les gènes codant pour les protéines de réparation de l'ADN conduisent à une instabilité génomique. Cela se traduit par une augmentation des translocations, aneuploïdies, délétions et autres anomalies, créant un "phénotype mutateur".

Exemple : Leucémie myéloïde chronique

Cette leucémie est souvent associée à une translocation réciproque entre les chromosomes 9 et 22, formant le "chromosome Philadelphie". Cette translocation fusionne le gène BCR avec le gène ABL, créant un nouveau gène BCR-ABL. La protéine BCR-ABL est une tyrosine kinase constitutiquement active, qui envoie des signaux de division cellulaire en permanence, mêmeen l'absence de facteurs de croissance, entraînant une prolifération incontrôlée.

Autres exemples :

• Xeroderma pigmentosum : Mutation dans le système de réparation par excision de nucléotides (NER), entraînant une hypersensibilité aux UVet un risque élevé de cancer cutané.

• Cancer colorectal non polyposique héréditaire (HNPCC) : Mutation dans le système de réparation des mésappariements (MMR), augmentant le taux de mutations spontanées et le risque de cancer colorectal.

6.3.2 Perturbation du cycle cellulaire

Le cycle cellulaire est finement régulé par des points de contrôle (checkpoints) qui s'assurent de l'intégrité du génome avant la réplication (G1/S) et la division (G2/M). Des mutations dans les gènes contrôlant ces checkpoints peuvent entraîner une prolifération anarchique.

La progression du cycle cellulaire est orchestrée par les cyclines et les Cdk (cyclin-dependent kinases). Les cyclines (E, A, B, D) s'associentaux Cdk pour activer leur fonction kinase, qui phosphoryle des substrats clés régulant la division cellulaire. Des mutations affectant ces régulateurs peuvent rompre le contrôle du cycle.

6.3.3 Inhibition de l'apoptose

L'apoptose (mort cellulaireprogrammée) est essentielle pour éliminer les cellules endommagées ou superflues. Elle implique l'activation de protéases (caspases) et une voie de signalisation qui peut passer par les mitochondries (relargage du cytochrome C). Des mutations dans les gènes contrôlant l'apoptose peuventconférer aux cellules cancéreuses une résistance à la mort cellulaire, leur permettant de survivre et de proliférer.

En somme, un fonctionnement défectueux de la réparation de l'ADN, de la régulation du cycle cellulaire et de l'apoptose conduit à une prolifération cellulaireanarchique et au développement du cancer. Les agents chimiothérapeutiques ciblent souvent l'induction de l'apoptose dans les cellules cancéreuses.

6.4 Gènes impliqués dans le cancer

Deux catégories principales de gènes sont impliqués dans le cancer : lesproto-oncogènes et les gènes suppresseurs de tumeurs.

6.4.1 Les proto-oncogènes

Ce sont des gènes dont les produits protéiques (facteurs de transcription, kinases, protéines de signalisation, régulateurs du cycle cellulaire commeles cyclines) stimulent normalement la croissance et la division cellulaire. Une mutation dans un proto-oncogène peut le transformer en oncogène, dont la protéine acquiert une fonction constitutive et non régulée.

• Les mutations dans les proto-oncogènes sont desmutations à gain de fonction.

• Elles ont un caractère dominant : la mutation d'un seul des deux allèles suffit à provoquer un phénotype cancéreux (prolifération incontrôlée).

Exemple 6.4.1.1 : Proto-oncogène Cycline D1

Le gène de la cycline D1 est souvent amplifié dans les cancers. Une surproduction de cycline D1 active de manière excessive la CDK4, qui phosphoryle la protéine Rb1. La phosphorylation de Rb1 libère lefacteur de transcription E2F, qui stimule l'expression de gènes impliqués dans la division cellulaire. Une production excessive de cycline D1 entraîne une activation permanente de cette voie, favorisant la prolifération cellulaire et agissant comme un oncogène.

Exemple 6.4.1.2 : Proto-oncogène Ras

La protéine Ras est une GTPase qui joue un rôle clé dans la transduction du signal de division cellulaire, activée par des facteurs de croissance. Dans plus de 40% des cancers humains, des mutations dans le gène Ras (ex : G → R ou Q → R) perturbent son activité GTPase, le rendant incapable d'hydrolyser le GTP en GDP. Ras reste alors constitutif et active en permanence les voies de signalisation de division cellulaire. C'est une mutation à gainde fonction à caractère dominant.

6.4.2 Les gènes suppresseurs de tumeurs

Ces gènes codent pour des protéines qui inhibent la prolifération cellulaire, contrôlent le cycle cellulaire (souvent négativement) ou induisent l'apoptose. Ilsagissent comme un frein à la croissance tumorale.

• Les mutations dans les gènes suppresseurs de tumeurs sont des mutations à perte de fonction.

• Elles ont un caractère récessif : les deux allèles d'un gène suppresseur de tumeurs doivent être mutés pour que le phénotype tumoral se développe.

Exemple 6.4.2.1 : Gène suppresseur de tumeur p53

p53 est un facteur de transcription essentiel, surnommé le "gardien du génome", qui régule l'expression de plus de 50 gènes impliqués dans l'arrêt du cycle cellulaire (en cas de dommage à l'ADN) et l'induction de l'apoptose. p53 est normalement maintenue inactive etdégradée rapidement par la protéine mdm2. En cas de stress (ex : dommages à l'ADN), p53 est stabilisée et activée, conduisant à l'arrêt du cycle cellulaire (via l'activation de p21, un inhibiteur des Cdk) ou à l'apoptose(via l'activation de protéines comme Bax).

Des mutations dans le gène P53 sont retrouvées dans plus de 50% des cancers humains, entraînant la perte de sa fonction répressive et contribuant à la prolifération cellulaire incontrôlée et à la résistance à l'apoptose.

Exemple 6.4.2.2 : Gène suppresseur de tumeur RB1

Le gène RB1 code pour la protéine Rb1 qui, dans saforme non phosphorylée, séquestre le facteur de transcription E2F, inhibant ainsi l'expression de gènes pro-division. Des mutations de RB1 sont associées au rétinoblastome (tumeur de l'œil) et d'autres cancers. Comme P53, RB1 a un caractère récessif. Dans les formes familiales de rétinoblastome, un allèle est muté dès la naissance, et une seule mutation du deuxième allèle suffit à déclencher la maladie. Dans les formes sporadiques, il faut deux mutations successives.

6.5 Le processus d'invasion

Le passage d'une tumeur bénigne à un cancer invasif (malin) implique l'acquisition de nouvelles mutations qui confèrent aux cellules la capacité de :

• Franchir la membrane basale : sécrétion d'enzymes pour digérer la matrice extracellulaire.

• Intravasion : Pénétrer les vaisseaux sanguins.

• Extravasion : Ressortir des vaisseaux pour former des métastases dans d'autres tissus.

• Néoangiogénèse : stimuler la formation de nouveaux vaisseaux sanguins pour leur approvisionnement en nutriments.

6.6 Un exemple de cancer : le mélanome

Le mélanome est un cancer des mélanocytes, caractérisé par une prolifération anarchique et une capacité invasive. Il peut se développer à partir d'une accumulation de mélanocytes mutés, envahissant le derme et les tissus voisins et pouvant s'étendre métastatiquement.

6.7 Les prédispositionsau cancer

Certaines mutations germinales (présentes dès la naissance dans toutes les cellules) confèrent une prédisposition héréditaire au cancer. C'est typique des mutations dans les gènes suppresseurs de tumeurs (ex : un allèle muté de RB1dans le rétinoblastome familial, ou des mutations dans BRCA1/2 pour le cancer du sein). Les personnes porteuses de ces mutations ont un risque accru de développer le cancer car une seule mutation somatique supplémentaire sur le deuxième allèle suffit à déclencher la maladie.

Exemple : Polypose adénomateuse familiale (FAP)

Forme héréditaire prédisposant au cancer du côlon, causée par une mutation dans le gène APC. Cette mutation entraîne la formation de nombreux polypes, qui sont initialementbénins. L'accumulation de mutations supplémentaires (ex : dans Ras, puis P53) est nécessaire pour que ces polypes évoluent vers un cancer invasif. Le cancer est un processus multi-étapes et multigénique.

6.8 Virus et cancer

Certains virus sont associés au développement de cancers chez l'homme et l'animal.

6.8.1 Rôle des rétrovirus dans l'apparition des cancers

Les rétrovirus sont des virus à ARN qui s'intègrent dans le génome del'hôte. Certains rétrovirus peuvent capturer un proto-oncogène de la cellule hôte, le transformant en oncogène viral. Sous le contrôle d'un promoteur viral fort, cet oncogène est surexprimé, favorisant la transformation tumorale des cellules infectées.

6.8.2 Les virus et les cancers chez l'Homme

15 à 20% des cancers humains sont associés à des infections virales. Ces virus peuvent agir par différents mécanismes :

• Papillomavirus (HPV) : Responsable du cancer du col del'utérus. Les protéines virales E6 et E7 inhibent l'activité des gènes suppresseurs de tumeurs p53 et Rb1 de la cellule hôte, favorisant la prolifération cellulaire.

• Virus de l'hépatite B (HBV) : Associé au cancer du foie. La protéine virale HBx perturbe les voies de signalisation et stimule le cycle cellulaire.

• Virus d'Epstein-Barr (EBV) : Associé au lymphome de Burkitt et au cancer du nasopharynx.

• Herpès virus humain 8 (HHV-8) : Cause le sarcome de Kaposi (fréquent chez les patients immunodéprimés par le VIH), par des protéines virales qui ont un impact sur la signalisation cellulaire.

• Virus T-lymphotrope humain (HTLV) : Responsable de la leucémie T de l'adulte, en stimulant le cycle cellulaire.

Ainsi, les effets des mutations, qu'elles soient spontanées ou induites, peuvent avoir des conséquences profondes sur le fonctionnement cellulaire, allant dela simple modification du caractère à la transformation tumorale. Le cancer est un processus complexe, multi-étapes et multigénique, où l'accumulation de mutations et l'évasion des systèmes de contrôle cellulaires jouent un rôle central.