Cellules et GénomesCellules et Génomes

Œuf de grenouille Xenopus laevisŒuf de grenouille Xenopus laevis

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Plan

I - Caractéristiques communes universelles à toutes les cellules

II - Diversité des cellulesIII - Comprendre comment passer à tant

de formes de vie à partir d’un code commun à tous les organismes vivants

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III - Information génétique chez les eucaryotes

• Plus gros, plus élaboré• Souvent pluricellulaire

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L'eucaryote

• Par définition : enveloppe nucléaire• 10 fois plus long et 1000 fois plus gros

cytosquelette• Membranes internes• Peuvent phagocyter des organismes

entiers (n'ont pas de paroi)

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Fig 1-31

Principales caractéristiques d'une cellule eucaryote

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Fig 1-32

• Neutrophile phagocytant une hématie

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Hypothèse d'apparition

• Inconnu• Cellule eucaryote primordiale qui a

mangé d'autres cellules• Nécessite une membrane souple et un

cytosquelette

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Fig 1-33

• Protozoaire didinium mangeant d'autres cellules

Protozoaire carnivore

museau

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http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB/Images/Ciliophora/

Didinium/

• Didinium

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http://images.google.fr/imgres?

imgurl=www.liv.ac.uk/ciliate/pages/d_garg/

02.gif&imgrefurl=http://www.liv.ac.uk/ciliate/pages/

d_garg/fig2.htm&h=591&w=566&pr

ev=/images%3Fq%3Ddidinium%26svnum%3D10%26hl%3Dfr%26lr

%3D%26ie%3DUTF-8%26oe%3DUTF-8%26sa%3DN

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Conséquences de la prédation

• Mitochondrie– consomme de l'oxygène et tire profit de

l'énergie d'oxydation de la nourriture pour produire de l'ATP

– taille d'une bactérie– a son propre génome (une molécule d'ADN

circulaire), ses ribosomes, ses ARNt– ancienne eubactérie aérobique phagocytée par

un eucaryote ancestral symbiose– il y a 3,5 milliards d'années quand

l'atmosphère s'est enrichie en O2

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• Mitochondrie

Fig 1-34

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Fig 1-35

• Origine des mitochondries

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Conséquences de la prédation

• Chloroplastes– utilisent l'énergie lumineuse pour

synthétiser des hydrates de carbone à partir de CO2 et H2O de l'atmosphère

– ont leur propre génome– ancienne bactérie photosynthétique

phagocytée par un eucaryote ancestral qui avait déjà phagocyté des mitochondries symbiose

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Fig 1-36

• Chloroplastes– (A) Chloroplastes verts dans une mousse

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Fig 1-37

• Origine des chloroplastes

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Conséquences de la prédation

• Avec les mitochondries et les chloroplastes, il n'y a plus besoin d'aller au-delà dans la phagocytose

• La plante serait un eucaryote passé de la chasse à la ferme avec sa paroi de protection

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… et les champigons

• Eucaryote• Comme les animaux

– mitochondries et pas de chloroplastes

• Contrairement aux animaux– ont une paroi épaisse ( pas de

phagocytose)– se nourrissent des détritus des autres– digestion externe

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Le génome des eucaryotes est hybride

• Double origine– Eucaryote anaérobique ancestral– Bactérie

• Information dans le noyau et– mitochondries– chloroplastes

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Génome mitochondrial• Dégénéré• Version abrégée des génomes

bactériens correspondant• 16 659 pb• 13 protéines• 2 ARNr• 22 ARNt• Les autres gènes ont été déplacés dans

le génome de l'hôte

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Le génome des eucaryotes est gros

•Mitochondries et bactéries ont de petits génomes

•Les eucaryotes–sont plus gros–ont de gros génomes–ont plus de gènes–ont plus d'ADN non codant

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Génome humain

•1000 fois plus de pb qu'une bactérie

•20 fois plus de gènes•10 000 fois plus d'ADN non codant 98,5% au lieu de 11% chez E. coli

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Fig 1-38

• Comparaison des tailles de génome

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ADN non codant

• ADN inutile qu'on garde comme des vieux papiers

• Le poisson bouffi s'est débarrassé de son ADN non codant

• Il y a toujours plus d'ADN non codant que d'ADN codant

• Ce sont pour beaucoup des gènes régulateurs

• qui disent "quand" et "où" un gène doit entrer en scène

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Fig 1-39

• Le poisson bouffi (Fugu rubripes)• Génome de 400 millions de pb (le quart du

poisson zèbre avec le même nombre de gènes)

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• An international research consortium has taken a substantial short cut to the biologically important information embedded in the human genome by completing a draft sequence of the genome of the Japanese pufferfish Fugu rubripes. Although the Fugu genome contains essentially the same genes and regulatory sequences as the human genome, it carries those genes and regulatory sequences in approximately 365 million bases as compared to the 3 billion bases that make up human DNA. With far less so-called "junk DNA" to sort through, finding genes and controlling sequences in the Fugu genome should be a much easier task. The information can then be used to help identify these same elements in the human genome. For the full story go to http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/fugu-decoded.html.

http://images.google.fr/imgres?imgurl=www.lbl.gov/imagesmain/

hp_collage_fugufish.jpg&imgrefurl=http://www.lbl.gov/LBL-PID/hp-

fugufish.html&h=319&w=504&prev=/images%3Fq%3Dfugu%2Brubripes%26svnum%3D10%26hl%3Dfr%26lr%3D%26ie%3DUTF-8%26oe%3DUTF-8%26sa

%3DN

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Programme de développement des organismes multicellulaires• Peau, os, nerveux, adipeux,… viennent

d'une seule et même cellule avec le même génome

• Rôle de l'environnement sur les gènes de régulation

• Rôles de la position de la cellule

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Fig 1-40

• Emballement du nombre de gènes de contrôle par des signaux environnementaux

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Fig 1-41

mutant

Antirrhinum

normal

Mutation d ’une protéine régulatrice

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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Les protistes

• Sont des eucaryotes• Unicellulaires

– chasseurs : protozoaires– photosynthétiseurs : algue– fossoyeurs : champignons ou levure

• Grande variété de forme• Grande variété de structure

– soies, photorécepteurs, cils, appendices, bouche, dart, muscles…

• Énorme intérêt en biologie (avenir !)• Représentent un coup d'œil sur notre passé

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Fig 1-42

Exemple de protistes : grande variété de formes

amibe

dinoflagellé

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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La levure : Saccharomyces cerevisiae

• Eucaryote• Champignon• Être unicellulaire le plus simple possible• Brasseurs de bière et levure des

boulangers• Robuste et facile à cultiver• Paroi épaisse• Présence de mitochondries et absence

de chloroplastes

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Fig 1-43

• Saccharomyces cerevisiae (levure)• Prolifère par bourgeonnement

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La levure : Saccharomyces cerevisiae

• Se reproduisent rapidement– soit de façon végétative (par division)– soit de façon sexuée (accouplement/méiose)

• Peut se diviser indéfiniment– soit à l'état haploïde– soit à l'état diploïde

• en fonction des conditions de culture

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Fig 1-44

• Cycle de reproduction de S. cerevisiae – vivent à l'état diploïde ou

haploïde– les cellules diploïde et

haploïde peuvent proliférer

– la méiose est déclenchée par le jeune et conduit à des spores résistantes à l'environnement

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La levure : Saccharomyces cerevisiae

• Tout petit génome– 13 117 000 pb (1997)– dont 78 520 pb mitochondriales– 2,5 fois plus que E. coli– 6 300 protéines

• Cycle cellulaire– extrapolable à l'homme

• On peut spoter sur une lame de verre les ADN des 6 300 protéines

• Réalisable pour n'importe quelle cellule dont on connaît tout le génome

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Fig 1-45

• Suivi des modifications de l'expression des gènes de levure par puce à ADN

Les 6 400 spots

Il y a eu 2 applications de cDNA :vertrougejaune : vert+rouge

(18 mm)

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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Le monde microscopique des organismes unicellulaires est

beaucoup plus varié que le monde qui nous entoure

• Bactéries eucaryote = 3 000 millions d'années

• Vertébrés insectes = 700 millions d'années

• Poissons mammifères = 450 millions d'années

• Différentes espèces de fleurs = 150 millions d'années

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Plante : Arabidopsis thaliana

• Modèle retenu parmi les 300 000 espèces de fleurs sur terre

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Fig 1-46

• Arabidopsis thaliana– ressemble au cresson– produit des milliers de

descendants en 8 - 10 semaines

– 140 millions de pb– 11 fois plus que la levure

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Arabidopsis thaliana• Arabidopsis thaliana wildtype

flower. It is approximately 5 mm in size.

• Scanning electron microscopy image, artificially coloured. By Juergen Berger, Electron Microscopy Unit, Max Planck Institut fuer Entwicklungsbiologie, Tuebingen, Germany. (copyright).

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• On Wednesday, a team of scientists announced the first complete sequence of a plant genome in the latest issue of Nature. In tomorrow’s issue of Science, a group of scientists will announce a computational analysis of the same Arabidopsis genome that makes it more reliable as a genetic model for other plant species.

• The findings provide a clearer picture of the ancient history of this model genome. Clarification will allow researchers to compare genes across widely divergent crop species, such as grasses (rice and other grains) and broadleafed plants (soybeans, fruits and vegetables). And this will speed up identification of important genes in crop plants for breeding or genetic engineering programs.

• Aligning the genetic maps of crop plants and Arabidopsis--a flowering plant in the mustard family--will provide important insights in comparative plant genomics, according to lead author and evolutionary geneticist Todd J. Vision. He is at the Agricultural Research Service’s Center for Agricultural Bioinformatics in Ithaca, N.Y.

• Vision’s co-authors are Daniel G. Brown at the Whitehead Institute/MIT Center for Genome Research and Steven D. Tanksley at Cornell University’s Departments of Plant Breeding and Plant Biology.

• Arabidopsis was chosen as a genetic model because its genome is one of the smallest and seemingly one of the simplest among flowering plants. But plant geneticists began finding duplicate sections of chromosomes, suggesting that the genome had doubled at least once during its ancestry. Duplications add to the difficulty of locating related chromosome sections in other plants because the genome gets shuffled--like a deck of cards--naturally over millions of years of evolution.

• By applying some novel computations to an almost complete sequence of the Arabidopsis genome, Vision and colleagues found its ancestry to be more complex than suspected. Instead of duplicating only once, the genome has doubled at least four times. And those events occurred between 100 and 200 million years ago, about the time when dinosaurs walked the Earth and before many of our broadleaved crop plants began to diverge from Arabidopsis’ distant ancestor. So evidence of these duplications would be in many of today’s crop genomes.

• Scientific contact: Todd J. Vision, ARS Center for Agricultural Bioinformatics, Cornell University, Ithaca, NY, phone (607) 254-5353, fax (607) 254-8888, tv23@cornell.edu.

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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Ver : Caenorhabditis elegans

• Petit nématode de 1 mm de long• Attaque les cultures, sans danger pour nous• Vit quelques jours• Peut survivre indéfiniment dans un

congélateur• Organisme idéal• 959 cellules somatiques (toujours)• Plan de développement toujours identique

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Ver : Caenorhabditis elegans

• 97 millions de pb• 19 000 protéines• Une profusion de mutants• Programme de division cellulaire et de

mort cellulaire• Applica ble à l'homme

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Fig 1-47

• Caenorhabditis elegans– 1 mm de long– entièrement séquencé– hermaphrodite

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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Mouche : Drosophila melanogaster

• Étude très ancienne• Preuve que les gènes (unités

d'information génétique) sont portés par les chromosomes (il y a 80 ans)

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Fig 1-48

• Drosophila melanogaster

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Mutant à 4 yeux

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Mouche : Drosophila melanogaster

• Chromosomes géants dans certaines de ses cellules (polytènes) avec des bandes

• Corrélation exacte entre hérédité et bandes

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Fig 1-49

• Chromosomes géants des cellules de glandes salivaires de Drosophila

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Mouche : Drosophila melanogaster (plus récent)

• Événements séquentiels entre instruction génétique et structure du corps

• Caractérisation des gènes nécessaires à l'organisation du corps avec intestin, membres, yeux,… en place

• On recherche alors les homologues• Qu'on teste chez la souris

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Mouche : Drosophila melanogasterpuissance du modèle

• 9 jours pour progresser de l'œuf à l'adulte

• Génome 170 millions pb(homme =3 200)

• 14 000 protéines• Beaucoup moins de gènes dupliqués

que chez les vertébrés

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Problèmes des duplications du génome

• Cf. supra : presque tous les gènes ont des paralogues nés par duplication

• Il peut y avoir duplication de la totalité du génome (1 voire 2 fois)– saumon, carpe,– poisson zèbre

• Puis il y eut de nombreux changements– perte de copies– nouvelles duplications– réarrangements (=modification de l'ordre)

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Fig 1-50

• Deux espèces différentes de la grenouille Xenopus– X. tropicalis diploïde– X. laevis tétraploïde

– X. ruwenzoriensis hexaploïde (18X6=108 chromosomes)

Les trois espèces auraient divergé il y a 120 millions d'années

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Redondance génique• Un gène existe en général en plusieurs

versions interchangeables : c'est la redondance

• Une mutation peut n'avoir aucun effet (avion à 2 moteurs)

• Chez la drosophile, les gènes sont peu redondants mutation a un effet (avion à 1 moteur)

• L'organisme peut faire muter une copie• Une copie peut être plus adaptée au

foie et une autre au cerveau

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Fig 1-51(A)

• Les conséquences de la duplication génique sur l'analyse de la fonction des gènes

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Fig 1-51(B)

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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Souris : Mus musculus

• Mammifère– 3-4 fois plus de gènes que la drosophile– génome 20 fois plus gros– des milliards de fois plus de cellules– se ressemblent tous

• Comparaison de protéines homologues– 85% d'analogie entre homme et éléphant– 70% d'analogie entre homme oiseau– 2 fois plus de divergence parce que 2 fois

plus de temps d'évolution

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Fig 1-52

• Époques de divergence des différents vertébrés

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Souris : Mus musculus

• Équivalences des maladies de l'homme

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Fig 1-53

• Même tache blanche sur le front chez l'enfant et chez la souris due à une mutation du même gène kit nécessaire au développement et au maintien des cellules pigmentaires

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Quelques espèces

• Les protistes• La levure : Saccharomyces cerevisiae• Plante : Arabidopsis thaliana• Ver : Caenorhabditis elegans• Mouche : Drosophila melanogaster• Souris : Mus musculus• Homme : Homo sapiens

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Homme : Homo sapiens

• L'homme est capable de rapporter ses maladies et ses désordres génétiques

• Grosse banque de données de 6 milliards d'individus

• Génome = 3 milliards de pb• Énorme apport des sept espèces pour la

connaissance de l'homme

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Homme : Homo sapiens

• Qu'est le génome humain ?• 2 individus diffèrent de 1 ou 2

nucléotides tous les 1000 nucléotides• Le séquençage a été fait sur quelques

individus• Le génome est variable d'un individu à

l'autre et varie au cours de la reproduction

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Homme : Homo sapiensAvenir

• Il faudrait connaître chaque individu– susceptibilité à des maladies– réponse à un médicament– prévention des médicaments

• Cultures génétiquement modifiées• Bactéries : les utiliser à notre profit• Tous ont le même langage génétique