Génétique moléculaire : de l'ADN aux protéines, et l'hérédité mendélienne
50 cartesStructure de l'ADN, réplication, transcription, maturation, code génétique, traduction, mutations, opéron lactose et lois de Mendel : l'essentiel de la génétique de L1-L2, PASS-LAS et BCPST, avec des exercices de séquences et de croisements.
Fiche de révision
Vue d'ensemble : de l'ADN aux protéines
L'information génétique est portée par l'ADN. Elle est copiée à l'identique avant chaque division (réplication), recopiée en ARN (transcription), puis convertie en chaîne d'acides aminés (traduction). C'est le dogme central de la biologie moléculaire, formulé par Francis Crick à la fin des années 1950.
Génétique
Support : ADN
Nucléotides A, T, G, C
Double hélice antiparallèle
Réplication
Semi-conservative
Brins précoce et tardif
Expression des gènes
Transcription : ADN → ARN
Maturation : coiffe, poly-A, épissage
Traduction : ARNm → protéine
Variations
Mutations ponctuelles
Décalage du cadre de lecture
Régulation
Opéron lactose
Transmission
Lois de Mendel
Gènes liés, hérédité liée à l'X
| Réplication | Transcription | Traduction | |
|---|---|---|---|
| Matrice | Les deux brins d'ADN | Le brin matrice d'un gène | L'ARNm |
| Enzyme ou machinerie | ADN polymérases (avec hélicase, primase, ligase) | ARN polymérase (ARN pol II pour les ARNm) | Ribosome et ARNt |
| Amorce nécessaire | Oui (amorce d'ARN) | Non | Non (ARNt initiateur sur AUG) |
| Produit | Deux molécules d'ADN identiques | Un ARN (pré-messager chez les eucaryotes) | Une chaîne polypeptidique |
| Localisation chez les eucaryotes | Noyau, en phase S | Noyau | Cytoplasme (ribosomes libres ou du réticulum) |
1865
Gregor Mendel présente ses lois de l'hérédité, établies sur le pois (publiées en 1866)
1944
Avery, MacLeod et McCarty montrent que le principe transformant des pneumocoques est l'ADN
1952
Hershey et Chase : c'est l'ADN du phage T2, et non ses protéines, qui entre dans la bactérie
1953
Watson et Crick publient le modèle de la double hélice, fondé notamment sur les clichés de diffraction de Rosalind Franklin
1958
Meselson et Stahl démontrent que la réplication est semi-conservative
1961
Jacob et Monod proposent le modèle de l'opéron lactose
1961
Nirenberg et Matthaei montrent que UUU code la phénylalanine ; Crick, Barnett, Brenner et Watts-Tobin établissent, sur le phage T4, que le code est lu par triplets
1966
Les 64 codons sont attribués : le code génétique est entièrement déchiffré
Structure de l'ADN et de l'ARN
- Nucléotide
Unité de base des acides nucléiques : une base azotée, un pentose (désoxyribose dans l'ADN, ribose dans l'ARN) et un groupement phosphate. Sans le phosphate, on parle de nucléoside.
| Purines | Pyrimidines | |
|---|---|---|
| Structure | Deux cycles | Un seul cycle |
| Bases | Adénine (A), guanine (G) | Cytosine (C), thymine (T, ADN), uracile (U, ARN) |
| Appariement | A avec T (ou U), G avec C | T (ou U) avec A, C avec G |
Les nucléotides d'un brin sont reliés par des liaisons phosphodiester entre le carbone 3' d'un sucre et le carbone 5' du suivant
Un brin a donc deux extrémités : 5' (phosphate libre) et 3' (OH libre)
Les deux brins sont complémentaires : A–T par 2 liaisons hydrogène, G–C par 3 liaisons hydrogène
Ils sont antiparallèles : l'un va de 5' vers 3', l'autre de 3' vers 5'
Une purine s'apparie toujours à une pyrimidine : la largeur de l'hélice reste constante (environ 2 nm)
Forme B classique : hélice droite, environ 10 paires de bases par tour (3,4 nm), un grand et un petit sillon
- Règles de Chargaff
Dans un ADN double brin, %A = %T et %G = %C, donc les purines représentent 50 % des bases. Établies par Erwin Chargaff vers 1950, elles ont guidé Watson et Crick.
Le modèle de la double hélice est publié par James Watson et Francis Crick dans Nature en avril 1953. Il repose sur les règles de Chargaff et sur les clichés de diffraction des rayons X obtenus par Rosalind Franklin (avec Raymond Gosling), montrés à Watson par Maurice Wilkins. Watson, Crick et Wilkins reçoivent le prix Nobel en 1962 ; Franklin, morte en 1958, n'a pas pu être récompensée.
| ADN | ARN | |
|---|---|---|
| Sucre | Désoxyribose | Ribose (OH en 2') |
| Bases | A, T, G, C | A, U, G, C |
| Structure | Double brin, hélice | Simple brin (replis locaux possibles) |
| Rôle | Stockage de l'information | ARNm (message), ARNt (adaptateur), ARNr (ribosome) |
Réplication de l'ADN
- Réplication semi-conservative
Chaque molécule fille contient un brin parental (ancien) et un brin néosynthétisé, construit par complémentarité sur ce brin parental.
L'expérience de Meselson et Stahl (1958)
- 1
Des bactéries E. coli sont cultivées longtemps sur azote lourd (15N) : tout leur ADN est « lourd »
- 2
Elles sont transférées sur azote léger (14N) et l'ADN est extrait à chaque génération
- 3
L'ADN est séparé selon sa densité par ultracentrifugation en gradient de chlorure de césium
- 4
Génération 1 : une seule bande, de densité intermédiaire (hybride 15N/14N) : le modèle conservatif est exclu
- 5
Génération 2 : une bande intermédiaire et une bande légère, en quantités égales : le modèle dispersif est exclu
Les acteurs de la fourche
| Enzyme | Rôle |
|---|---|
| Hélicase | Ouvre la double hélice en rompant les liaisons hydrogène |
| Protéines SSB | Stabilisent les brins séparés |
| Topoisomérase (gyrase chez les bactéries) | Relâche les surenroulements en avant de la fourche |
| Primase | Synthétise une courte amorce d'ARN |
| ADN polymérase | Allonge le brin dans le sens 5'→3' à partir du 3'-OH de l'amorce |
| ADN ligase | Relie les fragments par une liaison phosphodiester |
La réplication démarre à des origines : une seule sur le chromosome circulaire bactérien, des milliers sur les chromosomes eucaryotes
Elle est bidirectionnelle : deux fourches partent de chaque origine
L'ADN polymérase ne synthétise que dans le sens 5'→3', en lisant la matrice de 3' vers 5', et ne peut pas démarrer sans amorce
Brin précoce (ou avancé) : synthèse continue, dans le sens d'avancée de la fourche
Brin tardif (ou retardé) : synthèse discontinue en fragments d'Okazaki (environ 1 000 à 2 000 nucléotides chez les bactéries, 100 à 200 chez les eucaryotes), chacun avec sa propre amorce
Les amorces d'ARN sont ensuite retirées, remplacées par de l'ADN, et les fragments sont soudés par la ligase
Les principales ADN polymérases réplicatives (Pol III chez les bactéries, Pol δ et Pol ε chez les eucaryotes) corrigent leurs erreurs grâce à une activité exonucléase 3'→5' ; la Pol α eucaryote, associée à la primase, n'a pas cette activité
Transcription et maturation des ARN
L'ARN polymérase ouvre localement l'ADN et synthétise un ARN complémentaire du brin matrice, dans le sens 5'→3', sans amorce
Le brin matrice (transcrit, ou non codant) est lu de 3' vers 5'
Le brin codant (non transcrit, ou sens) a la même séquence que l'ARN, avec T à la place de U
Le promoteur est la séquence d'ADN, en amont du gène, où se fixe l'ARN polymérase : boîtes −10 et −35 reconnues par le facteur sigma chez les bactéries, boîte TATA et facteurs généraux de transcription chez les eucaryotes
Chez les eucaryotes, trois ARN polymérases : I (la plupart des ARNr), II (ARNm), III (ARNt et ARNr 5S)
Maturation chez les eucaryotes (dans le noyau)
Coiffe : une 7-méthylguanosine est ajoutée à l'extrémité 5' ; elle protège l'ARN et permet sa reconnaissance par le ribosome
Queue poly-A : environ 200 adénines ajoutées à l'extrémité 3' par la poly(A) polymérase, après clivage de l'ARN
Épissage : le splicéosome (complexe de petites ribonucléoprotéines nucléaires) excise les introns, libérés en forme de lasso, et relie les exons
Les introns commencent presque toujours par GU et se terminent par AG
Épissage alternatif : selon les exons retenus, un même gène donne plusieurs ARNm et donc plusieurs protéines ; il concerne la grande majorité des gènes humains à plusieurs exons
L'ARNm mature est ensuite exporté vers le cytoplasme
| Procaryotes | Eucaryotes | |
|---|---|---|
| Lieu de la transcription | Cytoplasme | Noyau |
| Introns | Absents (sauf rares exceptions) | Présents dans la plupart des gènes |
| Maturation | Ni coiffe ni épissage pour les ARNm | Coiffe, queue poly-A, épissage |
| Couplage avec la traduction | Oui, la traduction commence pendant la transcription | Non, séparation par l'enveloppe nucléaire |
| ARNm | Souvent polycistronique (plusieurs gènes) | Monocistronique |
Code génétique et traduction
- Codon
Groupe de trois nucléotides consécutifs de l'ARNm, lu de 5' vers 3', qui désigne un acide aminé ou un signal d'arrêt.
4 bases lues par 3 : 4³ = 64 codons (des doublets ne donneraient que 16 combinaisons, trop peu pour 20 acides aminés)
61 codons désignent les 20 acides aminés, 3 codons stop (UAA, UAG, UGA) n'en désignent aucun
AUG est le codon initiateur : il code la méthionine (formylméthionine chez les bactéries)
Dégénéré (redondant) : la plupart des acides aminés ont plusieurs codons ; seuls Met (AUG) et Trp (UGG) n'en ont qu'un, Leu, Ser et Arg en ont six
Non ambigu : un codon donné ne désigne qu'un seul acide aminé
Non chevauchant et sans ponctuation : lecture codon après codon, à partir de l'AUG, qui fixe le cadre de lecture
Quasi universel : le même code chez presque tous les êtres vivants ; exceptions dans les mitochondries (UGA y code le tryptophane chez les vertébrés) et chez quelques organismes
Les acteurs de la traduction
ARNt : porte un anticodon, complémentaire et antiparallèle du codon, et un acide aminé fixé à son extrémité 3' (CCA)
Aminoacyl-ARNt synthétases : une par acide aminé, elles chargent chaque ARNt avec le bon acide aminé (en consommant de l'ATP)
Ribosome : petite et grande sous-unités (70S = 30S + 50S chez les bactéries, 80S = 40S + 60S chez les eucaryotes)
Trois sites : A (aminoacyl-ARNt entrant), P (peptidyl-ARNt portant la chaîne en cours), E (sortie de l'ARNt déchargé)
La liaison peptidique est catalysée par l'ARNr de la grande sous-unité (activité peptidyl-transférase) : le ribosome est un ribozyme
L'appariement à la 3e position du codon est souple (« wobble », hypothèse de Crick en 1966) : un ARNt peut lire plusieurs codons synonymes
- 1
Initiation : la petite sous-unité et l'ARNt initiateur (Met) se placent sur le codon AUG, puis la grande sous-unité s'assemble ; l'ARNt initiateur occupe le site P
- 2
Un aminoacyl-ARNt dont l'anticodon correspond au codon suivant entre dans le site A
- 3
La chaîne portée par l'ARNt du site P est transférée sur l'acide aminé du site A : nouvelle liaison peptidique
- 4
Translocation : le ribosome avance d'un codon vers l'extrémité 3' ; l'ARNt déchargé passe en E puis sort
- 5
Terminaison : quand un codon stop arrive en A, un facteur de libération entre à sa place, la chaîne est libérée et le ribosome se dissocie
Mutations
- Mutation
Modification de la séquence de l'ADN, transmise aux cellules filles. Elle n'est héritée par la descendance que si elle touche la lignée germinale.
Type | VS Modification | VS Effet sur la protéine | VS Exemple (ARNm) |
|---|---|---|---|
Substitution silencieuse | Un codon devient un codon synonyme | Aucun changement d'acide aminé | CUU → CUC : Leu reste Leu |
Substitution faux-sens | Un codon change d'acide aminé | Un acide aminé remplacé | GAG → GUG : Glu devient Val (drépanocytose) |
Substitution non-sens | Un codon devient un codon stop | Protéine tronquée | UGG (Trp) → UGA (stop) |
Insertion ou délétion non multiple de 3 | Décalage du cadre de lecture | Tous les codons en aval changent, stop souvent prématuré | Perte d'un nucléotide dans le 2e codon |
Insertion ou délétion de 3 nucléotides | Cadre conservé en aval | Un acide aminé ajouté ou perdu (le codon touché peut aussi changer) | Mucoviscidose (F508del) : 3 nucléotides perdus, à cheval sur les codons 507 et 508 ; CFTR perd la phénylalanine 508 et garde l'isoleucine 507 |
Transition : une purine remplacée par une purine (A ↔ G) ou une pyrimidine par une pyrimidine (C ↔ T)
Transversion : une purine remplacée par une pyrimidine ou l'inverse
La dégénérescence du code rend beaucoup de substitutions en 3e position silencieuses
Causes : erreurs de réplication non corrigées, agents mutagènes (UV, rayonnements ionisants, agents chimiques)
Régulation : l'opéron lactose
- Opéron
Chez les bactéries, groupe de gènes de structure transcrits ensemble en un seul ARNm, sous le contrôle d'un même promoteur et d'un même opérateur. Modèle proposé par François Jacob et Jacques Monod en 1961 (prix Nobel en 1965, avec André Lwoff).
lacI : gène du répresseur, avec son propre promoteur, exprimé en permanence
Promoteur (P) : site de fixation de l'ARN polymérase
Opérateur (O) : séquence où se fixe le répresseur, entre le promoteur et les gènes de structure
lacZ : β-galactosidase, qui coupe le lactose en glucose et galactose
lacY : perméase, qui fait entrer le lactose
lacA : transacétylase
Conditions | VS Répresseur | VS Activateur CAP-AMPc | VS Transcription de lacZYA |
|---|---|---|---|
Pas de lactose | Fixé sur l'opérateur | Selon le glucose | Bloquée |
Lactose et glucose | Décroché par l'allolactose | Peu actif (AMPc bas) | Faible |
Lactose sans glucose | Décroché par l'allolactose | Fixé (AMPc élevé) | Forte |
C'est un opéron inductible : l'inducteur (l'allolactose, issu du lactose) se fixe sur le répresseur, qui change de forme et lâche l'opérateur. La protéine CAP (ou CRP), activée par l'AMPc, qui est abondant quand le glucose manque, se fixe près du promoteur et stimule en plus la transcription. En présence de glucose, l'AMPc est bas et l'opéron reste peu transcrit : c'est la répression catabolique, qui fait utiliser le glucose en priorité.
Génétique mendélienne
Gène : portion d'ADN à un emplacement donné (locus) d'un chromosome ; allèles : versions différentes d'un même gène
Homozygote : deux allèles identiques (AA ou aa) ; hétérozygote : deux allèles différents (Aa)
Génotype : allèles portés ; phénotype : caractère observable
Dominant : s'exprime chez l'hétérozygote ; récessif : ne s'exprime qu'à l'état homozygote
Mendel (pois ; travaux présentés en 1865, publiés en 1866) : uniformité des hybrides F1, ségrégation des deux allèles dans les gamètes, ségrégation indépendante de gènes différents
Monohybridisme : F1 Aa × Aa
| Gamètes | A (1/2) | a (1/2) |
|---|---|---|
| A (1/2) | AA | Aa |
| a (1/2) | Aa | aa |
Génotypes : 1/4 AA, 1/2 Aa, 1/4 aa (rapport 1:2:1)
Phénotypes avec dominance complète : 3/4 dominant, 1/4 récessif (3:1)
Dihybridisme (AaBb × AaBb, gènes indépendants, dominance complète pour chacun) : 9:3:3:1, soit 9/16 dominant pour les deux caractères, 3/16 + 3/16 dominant pour un seul, 1/16 double récessif
Test-cross : on croise un individu de phénotype dominant avec un homozygote récessif ; s'il est hétérozygote, on obtient 1/2 dominant, 1/2 récessif (1:1:1:1 pour un double hétérozygote AaBb si les deux gènes sont indépendants)
Gènes liés et recombinaison
Deux gènes portés par le même chromosome sont liés : ils ne se répartissent pas indépendamment
Le crossing-over, en prophase I de méiose, crée des gamètes recombinés
Au test-cross, les phénotypes parentaux sont majoritaires et les recombinés minoritaires (moins de 50 %)
Fréquence de recombinaison = recombinés / total ; 1 % de recombinaison = 1 centimorgan (cM)
Plus deux gènes sont éloignés, plus ils recombinent : c'est la base des cartes génétiques (Sturtevant, élève de Morgan, 1913)
Hérédité autosomique récessive et liée à l'X
Autosomique récessive (mucoviscidose, drépanocytose) : deux parents porteurs sains Aa ont, à chaque grossesse, 1/4 de risque d'enfant atteint, 1/2 de porteur sain, 1/4 de non-porteur
Un enfant sain de deux parents porteurs a 2 chances sur 3 d'être porteur (2 Aa parmi les 3 génotypes sains)
Récessive liée à l'X (hémophilie A, myopathie de Duchenne, daltonisme) : les garçons, qui n'ont qu'un X (hémizygotes), sont bien plus souvent atteints
Mère conductrice × père sain : 1/2 des fils atteints, 1/2 des filles conductrices, aucune fille atteinte
Un père atteint transmet son X à toutes ses filles (au moins conductrices) et jamais à ses fils
Teste ta compréhension
1 / 10
Quelles bases azotées sont des purines ? (plusieurs réponses)
Combien de liaisons hydrogène unissent une guanine et une cytosine appariées dans l'ADN ?
Un ADN double brin contient 30 % d'adénine. Quelle est sa proportion de guanine ?
On croise deux doubles hétérozygotes AaBb × AaBb, les deux gènes étant indépendants et A et B dominants. Quelle proportion des descendants présente le phénotype dominant pour les deux caractères ?
Sur ce schéma de deux brins d'ADN appariés, les extrémités 5' et 3' sont placées en sens opposés sur chaque brin. Quelle propriété de l'ADN cela illustre-t-il ?
Qu'est-ce qui distingue chimiquement l'ARN de l'ADN ? (plusieurs réponses)
Qui a obtenu les clichés de diffraction des rayons X de l'ADN qui ont été décisifs pour le modèle de la double hélice de 1953 ?
Dans l'expérience de Meselson et Stahl, après une génération sur azote léger, l'ADN forme une seule bande de densité intermédiaire. Quel modèle ce seul résultat permet-il d'exclure ?
Quelle enzyme synthétise l'amorce d'ARN nécessaire à la réplication ?
Sur ce schéma d'une fourche de réplication, que représente le segment marqué c, et les segments identiques qui le suivent ?
Texte à trous
- Dans l'opéron lactose, la protéine codée par lacI, qui se fixe sur l'opérateur en l'absence de lactose, est le répresseur.
- Un individu qui porte deux allèles différents d'un même gène est dit hétérozygote.
- Le test-cross d'un individu Aa par un individu aa donne 50 % de descendants au phénotype récessif.
- En 1952, Hershey et Chase ont montré, avec des phages T2 marqués, que la molécule qui pénètre dans la bactérie est l'ADN.
- Lors de l'épissage, les séquences excisées de l'ARN pré-messager sont les introns.
- Le brin d'ADN dont la séquence est identique à celle de l'ARNm, au remplacement de U par T près, est appelé brin codant.
- Dans l'ADN, l'adénine s'apparie toujours avec la thymine.
- Les courts fragments d'ADN synthétisés sur le brin tardif sont appelés fragments d'Okazaki.
- Avec 4 bases lues par groupes de trois, on peut former 64 codons différents.
- Le codon initiateur AUG code l'acide aminé méthionine.
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