11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP Licence L1S2 toute mention sauf Sciences du Vivant UE de...
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11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Licence L1S2 toute mention sauf “ Sciences du Vivant ” UE de découverte
“ Les défis de la biologie ”
Jeudi 11 mai 2006 14 à 16h (Amphithéâtre 4 Le Bel)
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
S’il y a défi(s)
comment le(s) relever ?
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Licence L1S2 toute mention sauf “ Sciences du Vivant ” UE de découverte “ Les défis de la biologie ”
“ Pourquoi s’intéresser à l’histoire évolutive des organismes vivants ? ”
Jeudi 4 mai 2006 14 à 16h (Amphithéâtre 4 Le Bel)
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Saccharomyces cerevisiae
Caenorabditis elegans
Drosophila melanogaster
Mus musculus
Arabidopsis thaliana
Organismes modèles
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
L’évolution fait partie intégrante de la recherche fondamentale et de l’enseignement supérieur
Toute nouvelle découverte doit être restituée dans le contexte évolutif
Mais
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Une constante dans l’histoire de l’humanité:
l’origine et l’évolution des organismes vivants ont toujours suscité un grand intérêt
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Détermination des liens de parenté entre :- organismes
Histoire évolutive
Le support beaucoup plus tard:- gènes
Phylogénie
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Aristote déjà au quatrième siècle avant J. C.posait ces premières questions:“ chaque être engendre un autre être semblable à lui...l’être est engendré par un être identique à lui-même”
il dénombrait déjà plusieurs milliers d’espèces
il introduisait le mot espèce et par la même les relations entre espèces, ce qui à terme (20 siècles) débouchera sur le concept d’évolution (Lamarck, ...puis Darwin)
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Seule une infime partie des espèces est connue - le concept d’espèce n’est pas unifié, donc le dénombrement est imprécis- l’inventaire est partiel et inégal et surtout impossible- un nombre immense et inconnu d’espèces sont éteintes
quelques chiffres qui évoluent au cours du temps!...et ce n’est pas fini
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Linné en 1758 connaissait 4163 espèces animales et un peuplus de plantesIl y aurait(!) actuellement plus de 1 800 000 espèces vivantes répertorièes. Mais...l’irréalisme d’une telle question, d’une réponse de sens....
la synonymie : Carabus cancellatus est décrit pour la première fois en 1758, cette espèce a depuis reçu211 synonymes !actuellement:- 30 000 nématodes répertoriés pour 1 million d’espèces supposées- 1 million d’insectes pour 3 à 30 millions (un facteur 10 !)- 99% des microorganismes ne sont pas cultivables au laboratoire et ne sont pas distinguables sur des critères morphologiques
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Un peu d’histoire
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
Il y a 3,8 milliards d’années
des éléments minéraux s’assemblent pour constituer:
- les premières molécules organiques
- les premières macromolécules
- donner naissance au métabolisme
11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP
LUCA
catalyse ARN
RNP
ribosome +code g.
métabolisme
archea eubactérie
ADN db (petit)
replication ADN
lipides et cellules
protéines
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Protéines
ARN
ADN
“dogme” central de la biologie
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Fixer la/une nouveauté, la stabiliser dans le temps: il y a sélection de la replication de l’ADN,
stabilité de l’information = transfert entre générations
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On parle de gène(s) avant de parler plus tard de génome:
Watson
Crick
(désoxyribo)nucléotide A, T, C ,G, on mesure les génomes en1000 nucléotides = 1Kb1000 Kb = 1 Mb1000 Mb = 1 Gb
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Gène = objet génétiquepour simplifier une fraction d’une grandemolécule d’ADN où l’on peut positionner
- un début- une fin
qui porte une information.
Cette dernière après “p” étapes de réactionsbiochimiques donnera une forme (phénotype)
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une protéine fait en moyenne 500 résidus (acide aminé) (de qq dizaines à rarement plus de 4500)
dans un cas simple la séquence de nucléotides pour faire cette protéine sera de 1500 nucléotides ou 1,5 Kb (X3)
et
la séquence codante du gène sera de 1500 nucléotides(ce n’est pas la définition d’un gène! avec ses séquences régulatrices un génesera toujours dans cecas simple plutôt voisin de 2 Kb)
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D’où dérive ce terme génome?le mot génome a été utilisé pour la
première fois en 1920 (H. Winckler) “l’ensemble des caractères
héréditaires d’un être biologique donné”
à cette époque cela signifiait le lot de chromosomes
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Les gènes (objets génétiques):
- se créent: fusions, délétions, éléments transposables
éléments répétés
- vivent : expréssion génique
- meurent/disparaissent : pseudogènes et reliques
mais
il faut d’abord savoir les identifier
- donc certains sont cachés...où ? comment les
détecter ?
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établir des règles de recherche, mais ces objets sonttrès variables en organisation et en taille: ces règles d’identification sont (et resteront sans doute longtemps) imparfaites
basées en partie sur la similarité, donc le connu
le nombre de gènes contenu dans l’ADN ,le génome, d’un organisme donné est toujours une question ouverte
par exemple la levure de boulanger
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Créer des gènes, nouveaux gènes, nouveautés génétiques:- duplication (compter les gènes)
= copier puis coller de l’ADN dans de l’ADN- gène entier ou fragment ou morceau d’ADN
mais il faut aussi réduire
- délétion (compter les gènes)= couper, déléter puis recoller l’ADN
- fusion entre deux gènes, deux fragments ou un fragment de gène et un morceau d’ADN
Inventaire
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Eléments transposables (objet génétique): “séquence d’ADN capable de se déplacer de façon autonome et de se multiplier dans le génome”
Ils s’insèrent au hasard dans le génome (+sens d’insertion) et vont parfois “détruire” l’organisation de gènes: mutations
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les éléments transposables peuvent être très nombreux:par exemple chez l’homme:quantification à partir du génome séquencé 2 869 000 éléments soit 42% du génome (110 familles, I)
En général,ces chiffres varient d’une espèce à l’autre et d’une population à l’autre dans une espèce donnée(voire d’un individu à l’autre!)
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Impact sur les génomes des éléments transposables:
- séquences répétées identiques = peuvent se remanier on dit recombiner
- insertion dans un gène = mutation(s) selon p déclinaisons = évolution du génome
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AnimauxBactéries Végétaux
jusqu’en 1960
L’organisation du monde vivant
Eubactéries Eucaryotes
Archées
depuis 1990
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Les génomes de procaryotes sont relativements petits
(600 à 13000 kb)
Les génomes d’eucaryotes sont de tailles extraordinairement variables
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Les génomes d’eucaryotes sont de tailles extraordinairementvariables:
- en taille “haploïde”: de qq Mb à qq centaines de Gb
- des organismes “proches”ont des tailles de génomes très différentes
- pas de relation entre taille du génome et “complexité” de l’organisme
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Musa domestica insecte/mouche 900 Mb
Anopheles gambiae insecte/moustique280 Mb
Drosophila melanogaster insecte/mouche 125 Mb
Amoeba dubia amibe 670 Gb
Pinus resinosa conifère 68 Gb
Gallus gallus oiseau 1,2 Gb
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Il existe une bonne corrélation entre taille du génome et taille des cellules et de leur noyau
et on observe en général
- grands génomes = grandes cellules = divisions lentes
- petits génomes = petites cellules = divisions rapides
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Forces évolutives, contraires, agissant sur la taille des génomes d’eucaryotes
Diminutiondélétions = pertes d’ADN+ sélection pour réduire le “coût” de la X
Augmentationduplications = gain d’ADN+ sélection pour augmenter l’adaptation à un biotope donné
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Phylogénie
classer, relier
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PRIMATESLorisiformes
Lémuriformes
Tarsiiformes
Platyrrhiniens
Cercopithécoïdes
Hylobatoïdés
Hominines
Panines
Gorillinés
Pongidés
3
4
6
8
10
12
19
18
16
14
2
1
5
7
11
13
17
15
9
Strepsirrhiniens
Haplorriniens
Simiiformes
Catarrhiniens
Hominoïdes
Hominoïdés
Hominidés
Homininés
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Comparer
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Quels types d’outils pour explorer les génomes?
- séquencer l’ADN (moderne et ancien) depuis 1977 (ancien = archéologie et domestication)
- la génétique, seule discipline de la biologie qui ne fait pas appel à la physico-chimie mais à la statistique:
croiser X des parents différents (ressemblance
dissemblance)
compter la descendance (test statistique)
en tirer une loi (comment ceci ségrège)
Gregor Mendel 1864
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QuickTime™ et un décompresseurPhoto - JPEG sont requis pour visualiser
cette image.
Bonobo Le Condottierepar Antonello de Messine 1430-1479 99% identité en
ADN 24
23
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le chromosome 2 de l’homme résulte de la fusion de deux chromosomes du chimpanzé (23 paires/24 paires)
d’autres montrent des différences de tailles (5, 6, 9 et 12)
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le chien, un loup (Canis lupus) domestiqué il y a environ
15000 ans
variabilité à partir “d’un” génome- sélection par l’homme- quels sont les gènes qui permettent ces différences?- comment?
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Beauceron Berger Allemand
Caniche moyen Coton de Tuléar
Westie Yorkshire
Cocker Anglais
Whippet
Bouviers BernoisBorders Collies
Setter GordonShih TzuLhassa-ApsoLabrador
Pointer
Boxer
D.Bordeaux
Epagneul Breton
°°°
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partir de la séquence
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CTAATAAAAAGAAATGGTATTCTGCCAAACACCAAAGTGCCAAATAAGCATTATTTTACATAGTACGAAATGGAAATTACGTCAATTATCGACATTATGACATAAAATTGGATTTAACAAGATGTCTGAATCTGATATGCTTCTTTCATTAGGGTGGAAATAACAGCATTTGAGAGAAGCAATTGCCAAGCTTCTATGAAAATTTTCTAGAAGGCAAGAGTATTTCAGACTTTCCTAATATGAAAGGACAAATTGACACTAATGTCTGATTATGGCCAATTCCTGCGGTAAATTACACGGCGATTACGGCGACATGAGCTCACATTCATCACTCTATGGGACAAATGTTTCCAAACTGGGCGCAACAAACACCTGATGTGACTCCTACCCTTTGGACAATGCAGATCCACGCTACGGCAAATTAGTCAAATGCACTAGAACATGGCGCAAGTACTTATTGTGACCTTTGGGGTACCGTTACCGTCAGTTTTCTTCAGCTAAGGCGCGCGCGCCAGATAACTAAAAAAAAATATAGTTGCTGCTTAAAAAACAATACACCCGTACTCTCTTGCCTGTAAAAACCTCGAAGGACCAAAGATACCCTCAAGGTTCTCATCTGTGCGGTATTCTTCAAATTACAATGACATTTCCCAAAATTATCAGATGTGCTCAGGTATCTTCTCTCCAATGAGATGAGACAGATGAACATATTTGACCTTGAAGGTCATGGAAAGTAGGTTGAGAGCAAATGTGTAGAACGAAATTAAGAAAAAAAGAAATTACGCACGGCATTAGCTCGATGACTTAGTTATAAATAGAGGCCTGGTATCGGCTGTCATGATCTCATCTCTTCCCTATTTACAAAAAAACTGCAAGTATAGACAATAAAACAACAGCACAAATATCAAAAAAGGAATTATGAGCAACGTTACTACGCCGTGGTGGAAACAATGGGACCCTTCTGAAGTTACACTTGCCGATAAAACCCCTGATGATGTGTGGAAGACCTGTGTTTTGCAAGGTGTTTACTTTGGTGGAAACGAGTACAATGGTAACTTAGGTGCCAGAATATCTTCCGTCTTTGTTATTCTTTTCGTGAGTACTTTTTTCACCATGTTCCCATTAATCTCAACAAAAGTGAAAAGATTGAGAATTCCTCTATATGTTTACCTTTTCGCAAAGTATTTTGGTTCCGGTGTTATTGTTGCAACCGCATTTATCCACTTAATGGACCCTGCTTATGGTGCGATTGGTGGTACCACTTGTGTAGGACAAACCGGTAACTGGGGTCTTTATTCATGGTGTCCTGCCATTATGCTAACGAGTTTGACCTTCACTTTCCTTACTGATCTATTCAGTAGCGTCTGGGTTGAAAGAAAGTATGGTCTTTCCCATGACCATACCCACGATGAAATTAAAGACACTGTTGTGAGAAACACTGCAGCTGTTTCAAGTGAGAATGACAATGAGAATGGTACTGCAAATGGATCTCATGACACCAAGAACGGAGTAGAGTATTATGAAGATTCAGACGCTACATCCATGGATGTTGTTCAATCATTTCAAGCACAATTTTATGCCTTTTTAATTTTAGAATTCGGTGTGATTTTCCACTCCGTTATGATCGGTCTAAACCTGGGAAGTGTTGGTGATGAGTTCTCCTCCCTATACCCTGTCTTAGTGTTCCATCAATCATTTGAAGGTTTAGGTATTGGTGCAAGATTGTCAGCCATTGAATTCCCTAGATCAAAGAGATGGTGGCCATGGGCCCTATGTGTTGCGTATGGGTTAACCACACCAATCTGTGTGGCCATCGGTTTGGGTGTTCGTACCAGATACGTCAGCGGTTCTTACACTGCGCTTGTTATCTCTGGTGTTTTGGATGCCATTTCTGCTGGTATCTTATTGTACACTGGTTTGGTTGAACTACTAGCAAGAGACTTTATATTCAATCCTCAAAGAACAAAGGATCTAAGAGAATTGTCCTTCAACGTTATATGCACTCTTTTCGGTGCTGGTATCATGGCTTTGATCGGTAAGTGGGCTTAAACCAAAGCGAAATTCTGCATGTTCCATATAGATTCTATTTCATATTTTATAGTTATTTATTCTTTAGTAATAGCAAAAAAACAGTAATAATTTTTCTTTAACAGTCTCGGACAATAAATACGCTAAAGAAGATGAAAATGACAACTTTTACGCTGGTGTGCACAAGTGGTACCAGAATACGTGGCCACCAAAACAATGACGGATATAGGGAGAACCAAGTCTAGAAATTACAAATGTTCTTTTGACGGTTGTGAGAAAGTCTACAACAGACCTAGTTTGCTTCAGCAACACCAAAATTCGCATACCAATCAAAAGCCGTATCATTGTGATGAGCCGGGATGTGGCAAAAAATTTATAAGACCGTGCCATCTACGAGTTCACAAATGGACTCATTCACAAATCAAGCCCAAAGCGTGCACATTATGTCAAAAAAGATTTGTCACAAATCAGCAATTAAGAAGGCATTTAAATAGTCATGAAAGAAAAAGCAAGCTTGCATCAAGAATTGACCGTAAACACGAAGGAGTGAATGCGAATGTGAAAGCAGAACTCAATGGCAAGGAGGGAGGTTTTGACCCAAAATTACCTTCCGGCTCTCCAATGTGTGGTGAAGAATTCTCGCAAGGTCATTTGCCTGGATATGATGACATGCAAGTGCTACAATGCCCATACAAATCATGTCAAAAAGTTACCAGCTTCAATGACGATCTAATAAATCATATGTTGCAACATCATATAGCAAGTAAGCTTGTTGTACCATCTGGAGAT
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pour aboutir à une carte physique
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Dans génomique on retrouve:
- gène - génétique
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Un peu d’histoire de la
génétique
- loi de Mendel 1864 (1903)- ADN est le matériel génétique 1944- structure de l’ADN 1953- code génétique 1961- l’ADN recombinant 1973- les introns 1977- séquençage de l’ADN 1977
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Des questions déjà posées
- qu’est ce qu’un gène?- comment(méthode) détecter un
gène ? mais aussi- comment identifier la fonction d’un
gène (stratégies) ?
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Déterminer les objets génétiques:
suivre des régles identifier le début et la fin d’un objet pour conclure,- gène codant pour une protéine- gène d’ARN,...- transposon, ...- etc
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On parle alors de génomique
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La domestication du chien deux hypothèses:
- une seule en Eurasieou
- deux indépendantes en Eurasie et en Amérique
L’analyse del’ADN de squelettes de chiens venant des sites archéologiques Alaska, Mexique, Pérou,Bolivie comparée à celles issues de 250 loups actuels (30 sites de part le monde) et de 140 chiens actuels (67 races) indique que les chiens d’Amérique dérivent de 4 types (haplotypes) de chiens actuels.Qu’il n’y a eu qu’une seule domestication en Eurasie, qu’il y a eu une divergence significative parmi les lignées de chiens d’Eurasie avant qu’ils n’accompagnent les humains dans leursmigrations pré-Colombienne vers l’Amérique
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La malaria résulte de l’infection de H. s. s. par un parasite le Plasmodium falciparum(Apicomplexés). Le génome de P. falciparum révèle la présence d’ADN chloroplastique (non photosynthetic chloroplaste like)et indique que cet organisme résulte en fait d’une endosymbiose, très lointaine, avec une algue.Il se multiplie dans le sang de l’hôte et n’a pas de rapportavec les végétaux. Aplication recherche de drogues spécifiques (action surle chloroplastes par sur H. s. s.)
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On observe et on observera dans tous les génomes que :
- la redondance génique est élevée
- il existe des gènes de fonction inconnue
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S’il y a duplication,
il y a évolution biologique (histoire)
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- les êtres vivants ont une histoire- cette histoire est transmise....- cette histoire est lue grâce à la
génétique et aux génomes
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- grâce à la génomique on peut :étudier des organismes réfractaires à une analyse expérimentale
taille, cycle de reproduction, milieu atypique, etc...
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étudier des organismes qui ne sont pas analysables/cultivables sous forme isolées (non clones, populations, )
métagénomique
ADN d’organismes présents dans les boues des stations d’épuration
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séquence d’anammox : anaerobic ammonium oxidation
la bactérie anammox a: - un temps de division long deux
semaines- - elle n’est pas cultivable sous forme
de culture pure mais d’associations complexes de microorganismes
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expérience:- un bioréacteur de laboratoire, - UN AN de culture, - le DNA total, mélange, est extrait, séquençé, x étapes...
29 types taxonomiques identifiés sous
forme de génomes
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la biodiversité est très faiblement explorée et mesurée, mais la génomique va permettre
,en partie, cette exploration et de façon peu
coûteuse
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Eucaryotes (gène codant pour une protéine)
- Saccharomyces cerevisiae 5807
- Caenorhabditis elegans 14824
- Drosophila melanogaster 13600
- Schizosaccharomyces pombe 4824
- Arabidopsis thaliana 25498
- Homo sapiens sapiens 23000
- Oryza sativa 30-50000
- Ratus norvegicus 22400
- Tetraodon negroviridi 22400
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Quel est l’impact du début de la période génomique? Qu’avons nous appris ?
- le nombre de gènes est limité - la redondance génique est élevée - dans chaque génome on observe
des gènes de fonction inconnue
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Merci de votre intérêt pour l’analyse des génomes