Organisation Du génome

Localisation

Organisation de l'ADN

Nombre de molécules d'ADN

Taille du génome

Eucaryotes (Noyau)

Génome nucléaire

Linéaire

Plusieurs (souvent diploïde)

Élevée : à pb (Homme : pb)

Eucaryotes (Organites)

Génome extra-nucléaire

Circulaire

1 en plusieurs copies

Petite : à pb (ADNmt humain : $16,6 \times 10^</p></td></tr></tbody></table><p style="text-align: left;"></p><p style="text-align: left;">3$ pb)

Le Génome Nucléaire : Chromosomes Linéaires et Condensation

Le génome nucléaire eucaryote est fragmenté en de multiples chromosomes linéaires. Chaque chromosome est une très longue molécule d'ADN double brin associée à des protéines.

Protéines Associées à l'ADN

• Protéines de « travail » : Impliquées dans la transcription, la réplication et l'expression génétique.

• Protéines de structure : Notamment les histones (protéines fortement basiques) qui facilitent les liaisons avec l'ADN chargé négativement.

Niveaux de Condensation de la Chromatide

1. Une cellule humaine diploïde contient 2 mètres d'ADN condensés dans un noyau de 5 à 8 µm grâce à l'association ADN-protéines formant la chromatine.

2. Deux types de chromatine :

   • Euchromatine (93%) : Transcriptionnellement active, sa condensation se modifie au cours du cycle cellulaire.

   • Hétérochromatine : Très condensée, adynamique et contenant peu de gènes fonctionnels.

3. En interphase (phases G1, S, G2), l'ADN est accessible pour l'expression génique ou la réplication. L'euchromatine est peu condensée, sous forme de fibres de 10 nm et 30 nm.

4. Les fibres de 10 nm sont constituées d'ADN enroulé autour d'octamères d'histones (H2A, H2B, H3, H4), formant des nucléosomes ("collier de perles"). Elles condensent l'ADN d'un facteur 6.

5. Les fibres de 30 nm sont des structures en solénoïde, chaque spire composée de 6 nucléosomes associés par l'histone H1. Elles compactent l'ADN d'un facteur 40.

6. Les fibres de 30 nm forment des boucles d'environ 300 nm, fixées à une charpente protéique.

7. Pendant la mitose, la charpente protéique s'enroule en une hélice pour former la chromatide (condensation ). Chaque chromosome métaphasique est composé de 2 chromatides sœurs reliées par le centromère.

8. Les liaisons ADN-histones sont principalement ioniques (charges positives des acides aminés basiques comme Lys, Arg et charges négatives des phosphates de l'ADN). Des liaisons hydrogène courbent l'ADN.

9. La dynamique de condensation/décondensation de la chromatine est contrôlée par des modifications post-traductionnelles des histones et régule activement la transcription.

10. L'acétylation des histones favorise la décondensation de la chromatine, tandis que leur désacétylation et méthylation favorisent sa condensation.

Gènes Morcelés chez les Eucaryotes : Introns et Exons

Les génomes sont organisés en unités fondamentales appelées gènes.

• Gène : Séquence d'ADN génomique capable de fournir l'information pour la synthèse d'une molécule fonctionnelle (polypeptide ou ARN non codant).

• Allèle : Une des formes d'un gène à un locus donné sur un chromosome.

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

Organisation des Gènes Eucaryotes

Les gènes eucaryotes codant pour des polypeptides ont une séquence codante fragmentée :

• Exons

: Portions codantes qui seront conservées dans l'ARNm mature.

• Introns : Portions non codantes, excisées lors de la maturation de l'ARN.

La transcription d'un ADN produit un ARN prémessager (ARNpm). Ce dernier subit une maturation par excision des introns et épissage des exons pour former un ARN messager (ARNm) mature.

Mise en Évidence des Introns (1977)

Des expériences d'hybridation ARN-ADN monobrin ont montré l'existence de séquences dans l'ADN eucaryote (introns) qui ne se retrouvent pas dans l'ARNm, car elles sont excisées lors de la maturation.

Les exons et introns sont numérotés dans le sens 5' vers 3'. Les premiers et derniers exons contiennent souvent des régions non traduites (5' UTR et 3' UTR). L'ARNm mature est également modifié par l'ajout d'une coiffe à l'extrémité 5' et d'une queue poly-A à l'extrémité 3'.

Importance des Séquences Répétées et/ou Non Codantes

Les expériences de dénaturation-renaturation de l'ADN ont permis de mettre en évidence les séquences répétitives.

Dénaturation-Renaturation de l'ADN

La chaleur (ou l'urée) peut dénaturer l'ADN en séparant ses deux brins (rupture des liaisons hydrogène). La baisse de température permet la reformation de la structure bicaténaire (renaturation).

La fusion de l'ADN est mesurée par l'effet hyperchromique (augmentation de 40% de l'absorption UV à 260 nm), et la température de fusion (Tm) est le point où la moitié de cet effet est atteinte.

Cinétique de Réassociation et Familles de Séquences Répétitives

En brisant l'ADN en fragments et en le dénaturant puis le refroidissant, on observe trois phases de réassociation, correspondant à trois familles de fragments d'ADN :

1. Séquences hautement répétitives : Se réassocient très rapidement. Identiques à elles-mêmes, présentes en exemplaires. Localisées dans les centromères et télomères des chromosomes.

2. Séquences moyennement répétitives : Se réassocient après une durée moyenne. Présentes en exemplaires.

   • Régions régulatrices de l'ADN (contrôlent l'expression des gènes).

   • Régions codant pour les ARN ribosomaux (plusieurs centaines d'exemplaires).

   • Certains gènes (ex: histones) sont présents en grand nombre.

3. Séquences uniques ou à faible nombre de copies : Se réassocient le plus lentement. Codent pour la plupart des messagers et des protéines.

L'étude de la vitesse de réassociation de l'ADN dénaturé renseigne sur la probabilité de rencontre de séquences complémentaires et révèle l'existence de régions avec des significations différentes dans la molécule d'ADN.

Proportions des Catégories de Séquences et Nombre de Gènes

Le nombre minimum de gènes nécessaire à un organisme augmente avec sa complexité :

• Bactérie intracellulaire : 500 gènes

• Bactérie à vie libre : 1500 gènes

• Eucaryote unicellulaire : 5000 gènes

• Eucaryote multicellulaire : 13 000 gènes

• Plantes supérieures et Mammifères : 25 000 gènes

Le nombre de gènes chez les eucaryotes varie entre 6000 et 32000, mais n'est pas directement corrélé à la taille du génome ou à la complexité de l'organisme.

Génome Humain : Moins de Gènes que Prévu

• Le génome humain contient environ 20 000 gènes.

• Seulement 1% du génome est constitué d'exons.

• Les exons représentent environ 5% de chaque gène. Les gènes (exons + introns) représentent environ 25% du génome.

• Un gène humain moyen mesure environ 27 kb et contient 9 exons.

• Les exons peuvent varier en longueur et codent souvent pour un domaine fonctionnel de la protéine.

• 60% des gènes humains subissent un épissage alternatif, ce qui permet à un seul gène de produire plusieurs protéines différentes. Environ 80% des épissages alternatifs modifient la séquence protéique, expliquant que le protéome humain comprenne 50 000 à 60 000 membres.

Séquences Répétées dans le Génome Humain

• Les séquences répétées (présentes à plus d'un exemplaire) représentent plus de 50% du génome humain.

• Les séquences Alu sont les répétitions dispersées les plus abondantes (1 090 000 séquences), constituant environ 10% du génome.

• Les séquences satellites, microsatellites, minisatellites sont des séquences courtes (100 à 500 pb) fortement répétées, dont la fonction n'est pas entièrement comprise (par exemple, dans les centromères ou les télomères).

• La majorité des séquences répétées sont des copies de transposons non fonctionnels.

  Un transposon est une séquence d'ADN capable de se déplacer de manière autonome dans un génome par un mécanisme appelé transposition, grâce à une enzyme, la transposase. Son déplacement peut être simple ou réplicatif.

Points Clés

• Le génome eucaryote est structuré en génomes nucléaire et extranucléaire.

• L'ADN nucléaire est hautement compacté grâce à l'association avec des histones, passant par des stades de fibres de 10 nm et 30 nm, et des boucles chromosomiques.

• La dynamique de condensation/décondensation de la chromatine, régulée par des modifications des histones, est cruciale pour la régulation génique.

• Les gènes eucaryotes sont morcelés par des introns non codants qui sont excisés des ARN prémessagers via l'épissage.

• Le génome humain contient un nombre de gènes inférieur aux attentes, mais la complexité du protéome est augmentée par l'épissage alternatif.

• Une grande partie du génome eucaryote est constituée de séquences répétées, dont des éléments mobiles comme les transposons, dont les fonctions sont diverses et parfois encore inconnues.