L'information génétique

Chapitre 2Chapitre 2

Gilles BourbonnaisCours compensateursUniversité Laval

1. Information génétique et protéines

50% du poids sec de la plupart des cellules = protéines

Protéine = polymère (chaîne) d'acides aminés

Insuline

Chaque protéine est caractérisée par sa séquence d'acides aminés.

Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Try-Gly-Lys-Val-Asp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-Tyr-Pro-Try-Thr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-Ser-Thr-Pro-Asp-Ala-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-Gly-Ala-Phé-Ser-Asp-Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phé-Ala-Thr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-Val-Asp-Pro-Glu-Asp-Phé-Arg-Leu-Leu-Gly-Asp-Val-Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-Lys-Glu-Phé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-Val-Val-Ala-Gly-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-His

Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA)

Ex. le lysozyme (126 AA)Lys-Val-Phé-Gly-Arg-Cys-Glu-Leu-Ala-Ala-Ala-Met-Lys-Arg-His-Gly-Leu-Asp-Asn-Tyr-Arg-Gly-Tyr-Ser-Leu-Gly-Asn-Trp-Val-Cys-Ala-Ala-Lys-Phe-Glu-Ser-Asn-Thr-Gln-Ala-Thr-Asn-Arg-Asn-Thr-Asp-Gly-Ser-Thr-Asp-Tyr-Gly-Ilu-Leu-Gln-Ilu-Asn-Ser-Arg-Trp-Trp-Cys-Asn-Asp-Gly-Arg-Thr-Pro-Gly-Ser-Arg-Asn-Leu-Cys-Asn-Ilu-Pro-Cys-Ser-Ala-Leu-Leu-Ser-Ser-Asp-Ilu-Thr-Ala-Ser-Val-Asn-Cys-Ala-Lys-Lys-Ilu-Val-Ser-Asp-Gly-Asp-Gly-Met-Asn-Ala-Trp-Val-Trp-Arg-Asn-Arg-Cys-Lys-Gly-Thr-Asp-Val-Gln-Ala-Trp-Ilu-Arg-Gly-Cys-Arg-Leu

• On connaît actuellement ~ 8000 protéines différentes.

• On en découvre une centaine de nouvelles par mois.

• Nombre total de protéines que peut fabriquer l'organisme humain = ??? (quelque chose entre 50 000 et 150 000).

• Chaque cellule fabrique les protéines dont elle a besoin.

• Pour fabriquer une protéine, il faut deux choses:

• Des acides aminés.

• La recette: quels acides aminés il faut assembler et dans quel ordre.

Où sont les recettes ???

"Recettes" contenues dans le noyau

Noyau contient une matière appelée chromatine

Chromatine = mélange de protéines appelées histones et d'ADN (environ moitié-moitié)

ADN = recettes des protéines

2. Structure moléculaire de l'ADN

Découverte de la structure de la molécule d'ADN

ADN = polymère de nucléotides

Il y a quatre sortes de nucléotides : A, T, C et G

Acide DésoxyriboNucléique

Crick et Watson

NUCLÉOTIDE

Base azotée

Sucre : désoxyribose

Groupement phosphate

Base azotée

Désoxyribose

Phosphate

Il y a quatre sortes de bases azotées:

DONC quatre sortes de nucléotides: A, T, C et G

Les nucléotides peuvent se lier les uns aux autres par leur sucre (désoxyribose) et leur groupement phosphate.

Erwinn Chargaff (1947)

Si on sépare une molécule d'ADN en nucléotides, on obtient toujours:

Il peut y avoir plus de AT que de CG ou l'inverse (ça varie selon les espèces), mais il y a toujours autant de A que de T et de C que de G.

A = T

et

C = G

Pourquoi ?

Hypothèse de Crick et Watson:

A peut s'apparier avec T et C avec G:

A avec T : deux liaisons hydrogène (liaisons faibles).

C avec G : trois liaisons hydrogène

DONC

Deux chaînes de nucléotides peuvent s'unir l'une à l'autre si leurs bases sont complémentaires (A face à T et C face à G).

CE QUI EST LE CAS POUR L'ADN

L'orientation entre les liaisons donne une structure en forme de double hélice:

Patron de diffraction aux rayons X de la molécule d'ADN obtenu en 1952 par Rosalind Franklin (1920-1958) et Maurice Wilkins.

Nobel de médecine 1962 décerné à Crick, Watson et Wilkins

5 millions de paires de base.

Longueur totale ~ 1,5 mm

Bactérie E. coli "éclatée".

L'ADN s'est répandu autour de la bactérie.

~ 5000 paires de bases

3. Les chromosomes et le code génétique

Dans une bactérie: 1 seule molécule d'ADN

Dans une cellule humaine : 46 molécules d'ADN

Chaque molécule d'ADN s'enroule sur des protéines (histones) et forme un chromosome.

ADN

Histones

L'ensemble des chromosomes forme la chromatine

Un chromosome = une molécule d'ADN et les protéines sur lesquelles elle s'enroule.

50 000 X 150 000 X

Petite portion d'un chromosome humain

Portion du chromosome 4

L'ADN a été séparé des protéines qui y sont normalement associées (4nm DNA).

Génome humain (toute l'information nécessaire pour fabriquer un humain) : 30 000 à 40 000 gènes

Combien y aurait-il de nucléotides dans le gène d'une protéine de 100 AA ?

23 molécules d'ADN

~ 1 m de longueur si on les met bout à bout

~ 3 milliards de paires de bases

Tous ces gènes sont répartis en 23 molécules d'ADN (chaque molécule comporte plus d'un millier de gènes "bout à bout").

Si chaque paire de bases est représentée par une lettre il faudrait l'équivalent de 800 bibles pour écrire le génome humain.

Chaque cellule (sauf gamètes reproducteurs) contient deux exemplaires du génome humain (un qui vient du père et l'autre de la mère).

DONC chaque cellule contient 46 chromosomes

Le nombre de chromosomes est variable selon l'espèce:

Chien………………….78

Chat………………...…38

Rat………..……………42

Les individus diffèrent les uns des autres par leur ADN.

Il n'y a pas deux personnes (sauf jumeaux identiques) qui ont le même ADN.

4. Le code génétique

ADN = information sous forme CODÉE = code génétique

Code = faire correspondre un symbole ou un groupe de symboles à quelque chose d'autre.

Ex.

Code binaire des ordinateurs

Code du français écrit

Codes secrets des espions

Etc.

Exemple: supposons qu'on veuille écrire des mots en formant des colliers avec des perles de quatre couleurs différentes.

On pourrait attribuer une lettre à chaque couleur:

Problème : on ne peut pas désigner plus de 4 lettres sur 26.

Regroupons les billes deux à deux:

Ex.

Problème : on ne peut désigner que 16 lettres (42)

Regroupons les billes trois à trois:

Combine y a-t-il de combinaisons possibles ? 64 (43)

On pourrait donc écrire ce qu'on veut avec 4 billes différentes si on les regroupe 3 à 3.

Pourrait-on utiliser ce code de 3 billes pour représenter des acides aminés (il y en a 20 différents) plutôt que des lettres ?

On peut miniaturiser le code en remplaçant les billes par quelque chose de beaucoup plus petit: des nucléotides.

On obtient alors un message de dimension moléculaire.

Dans la cellule, chaque groupe de trois nucléotides désigne un acide aminé:

Le message, la "recette" peut être porté par l'un des deux brins (le brin du bas dans ce cas).

Ce brin d'ADN correspond à la "recette" de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu

Le code génétique (déchiffré entre 1960 et 1964)

AAA Phénylalanine AGA Sérine ATA Tyrosine ACA CystéineAAG Phénylalanine AGG Sérine ATG Tyrosine ACG CystéineAAT Leucine AGT Sérine ATT STOP ACT STOPAAC Leucine AGC Sérine ATC STOP ACC TryptophaneGAA Leucine GCA Proline GTA Histidine GCA ArginineGAG Leucine GCG Proline GTG Histidine GCG ArginineGAT Leucine GCT Proline GTT Glutamine GCT ArginineGAC Leucine GCC Proline GTC Glutamine GCC ArginineTAA Isoleucine TGA Thréonine TTA Asparagine TCA SérineTAT Isoleucine TGG Thréonine TTG Asparagine TCG SérineTAG Isoleucine TGT Thréonine TTT Lysine TCT ArginineTAC Méthionine TGC Thréonine TTC Lysine TCC ArginineCAA Valine CGA Alanine CTA Asparagine CCA GlycineCAT Valine CGG Alanine CTG Asparagine CCG GlycineCAG Valine CGT Alanine CTT Ac. glutamique CCT GlycineCAC Valine CGC Alanine CTC Ac. glutamique CCC Glycine

N.B. 64 combinaisons pour 20 acides aminés.

Code redondant (il est dit dégénéré): plusieurs triplets différents peuvent coder pour le même acide aminé.

Trois triplets signifient la fin de la recette : triplets STOP

Un segment d'ADN portant toute l'information nécessaire pour la synthèse d'une protéine = gène

Ex.

gène du lysozyme

gène de l'anhydrase carbonique

gène du collagène

Gène de de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu

5. La réplication de l'ADN

Lorsqu'une cellule se divise en deux cellules identiques, tout l'ADN doit aussi être reproduit.

Chaque fois qu'une cellule se reproduit, elle commence par reproduire en deux exemplaires identiques chacun de ses chromosomes.

L'ADN est séparé en deux brins

Des nucléotides libres dans le noyau (pièces de constructions toujours présentes) viennent sapparier à chacun des deux brins (A avec T et C avec G)

6. Le génie génétique

Le code génétique est le même pour tous les êtres vivants.

Un même gène donnera toujours la même protéine, peu importe l'espèce de l'individu.

On peut introduire un gène d'une espèce dans une autre espèce = génie génétique

Ex. production d'insuline humaine par une bactérie :

On prélève le gène de l'insuline humaine et on l'introduit dans le plasmide d'une bactérie.

On extrait les plasmides de bactéries

Une enzyme ouvre les plasmides

On extrait ou on synthétise le gène à greffer

On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme fusionne les brins d'ADN

Les plasmides sont réintroduits dans des bactéries

Le gène est reproduit quand la bactérie se reproduit

Exemples: bactéries qui synthétisent:

Insuline

Facteurs de coagulation

Hormone de croissance

Enzymes pouvant métaboliser certains polluants (pétrole par exemple)

Protéines synthétiques qui n'existent pas dans la nature

ETC.

On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires:

Végétaux:

Le gène est introduit dans une cellule du parenchyme ou méristématique.

Cette cellule est multipliée en éprouvette pour former un nouvel individu (cloning).

Animaux:

Le gène est introduit dans un ovule fécondé.

L'ovule fécondé est implanté dans l'utérus d'une mère porteuse.

Plantes résistantes aux insectes.

Résistantes aux herbicides.

Résistantes au gel.

Fruits et légumes qui se conservent plus longtemps.

Nouvelles saveurs.

Plantes plus riches en certains éléments nutritifs (vitamines par exemple).

ETC.

Animaux à croissance plus rapide.

Animaux plus faibles en gras.

Animaux plus productifs (en lait, en viande, en œufs).

Production de protéines à usage pharmaceutique (insuline, par exemple).

ETC.

DANGERS ?????

Pour la santé?

Pour l'environnement ?

Thérapie génique: corriger les gènes défectueux en introduisant dans les cellules le gène normal.

Problème : comment introduire le gène dans chacune des cellules à corriger???

7. La division cellulaire

La mitose

Au cours de la mitose:

• Chaque chromosome est répliqué en deux copies identiques : les chromatides sœurs.

• Les copies se séparent.

• Chaque copie migre dans une cellule

Chromatides sœurs

• Les chromatides demeurent liées par le centromère.

Centromère

Mitose d'une cellule à 4 chromosomes.

Les chromosomes se dédoublent

Les chromosomes se spiralisent

Les copies se séparent

On obtient deux cellules identiques

6. Le cancer

Une cellule peut perdre le contrôle de sa division. Elle peut alors former une tumeur.

Tumeur bénigne :

• Les cellules demeurent regroupées et ne se séparent pas. La tumeur n’envahit pas d’autres tissus.

• La tumeur demeure bien circonscrite.

Tumeur maligne:

• La tumeur envahit d’autres tissus

• Des cellules se détachent de la tumeur principale et vont former d'autres tumeurs dans le corps = cancer

Principales anomalies des cellules cancéreuses:

• Division anarchique (sans contrôle) et perpétuelle (cellules immortelles).

• Perte d'inhibition de contact.

• Perte de spécialisation.

• Absence de cohésion entre les cellules : formation de métastases.

Tumeur au cerveau

Tumeur au sein Tumeur à la prostate

On extrait une cellule ordinaire de la brebis A.

A B

C

Clone de A

On extrait un ovule de la brebis B.

Le noyau de l'ovule est détruit et remplacé par le noyau de la cellule de la brebis A.

L'ovule avec son nouveau noyau est implanté dans une brebis C.

Qui donne alors naissance à un jumeau identique (clone) de A.

8. Le cloning

Dolly 1996-2003

N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais avant de réussir.

Peut-être un jour ???

FIN

FIN