Support de cours Stabilité Variabilité

Génétique L1S2

Elaboré parDr. KHOUAJA FattoumaAnnée Universitaire 2019/2020

Chapitre 1 : Introduction et caractéristiques Génétiques du monde vivant

1. Stabilité du monde vivant1.a. La Méiose

1.b. La mitose

Les quatre phases successives du cycle d’une cellule eucaryote (Phases M : Division cellulaire, S : Synthèse (Réplication de l’ADN), G1: Croissance cellulaire, G2 : Espace de sécurité, G0 : Etat quiescent)

Evolution de la quantité d’ADN au cours de la Mitose et de la Méiose

3. Variabilité Prophase de la méiose I : Elle est constituée de 5 stades: a. Stade leptotène

Début de condensation des chromosomes. Ils sont si étirés qu’il est encore difficile de les distinguer individuellement.

b. Stade zygotène

Les chromosomes homologue s’apparient pour former un bivalent, cette organisation apparaît en microscopie électronique sous la forme d’un complexe synaptonémal.

c. Stade pachytène

La condensation des chromosomes se poursuit et c’est à ce stade que le crossing-over a lieu entre les homologues d’une paire. Au cours de ce stade se réalise le brassage intra-chromosomique.

d. Stade diplotène

Quantité ADN

Mitose Méiose

Temps

G1 S G2 M

Début de séparation des chromosomes appariés. Les échanges génétiques qui ont eu lieu auparavant entre les chromatides sont maintenant visibles au niveau où les paires d’homologues restent reliée. Le point où le crossing-over est visible s’appelle un chiasma.

e. Stade diacinèse

Les chromosomes présents à ce stade sont très fortement condensés et forment des structures en anneaux, en croix ou en losange: c’est la terminaison des chiasmas.

3. Polymorphysme 3.1. Introduction Le terme mutation désigne n’importe quel changement intervenu dans la séquence de l’ADN. Les mutations sont le moteur de l’évolution, et source de la diversité entre individus mais sont aussi à l’origine des maladies génétiques. La conséquence de toute mutation dépend de son effet fonctionnel, qui peut être neutre, conduire à l’amélioration d’une fonction (diversité, évolution) ou à l’altération d’une fonction (effet pathogène). Dans une cellule vivante, l’ADN est en permanence expose à différents types d’agression pouvant conduire à l’apparition de mutations. Il s’agit essentiellement d’agressions exogènes (radiations et agents génotoxiques de l’environnement), d’agressions endogènes (radicaux libres, …), d’erreurs de réplication et d’accidents de recombinaison. La cellule possède une machinerie de réparation, qui corrige la plupart des anomalies. Mais un échappement au système de réparation est possible: c’est l’origine des mutations.

● Mutations acquises Une mutation apparue dans une cellule somatique d’un tissu est appelée mutation somatique ou mutation acquise, puisqu’elle n’était pas présente initialement dans le génome de la cellule. Les mutations somatiques peuvent être à l’origine d’un clone cellulaire porteur de cette mutation, ne touchant qu’un seul ou quelques tissus, mais ne sont en revanche pas transmissibles à la descendance. Les mutations somatiques pathogènes sont notamment impliquées dans la formation de cellules tumorales. ● Mutations constitutionnelles Lorsqu’une mutation est présente ou survient avant la fécondation, ou lors des premières divisions du zygote, on parle de mutation constitutionnelle. Une mutation constitutionnelle sera présente dans toutes les cellules somatiques de l’individu, et également dans ses cellules germinales donc transmissible à la descendance. Certaines mutations surviennent lors de la méiose dans une cellule germinale, au niveau d’un gamète parental, et sont appelées mutations germinales. Les mutations germinales seront donc forcément présentes de façon constitutionnelle chez l’individu issu de ce gamète, qui sera donc porteur d’une mutation de novo ou néo-mutation (nouvellement apparue), non présente dans les cellules somatiques du parent qui lui a transmis cette mutation. 3.2. Polymorphysme du génome Les variations non pathogènes du génome dont la fréquence dans la population est >1% sont appelées polymorphismes. Un polymorphisme est une mutation qui peut se situer en région codante ou non codante. Différents types de polymorphismes ont été caractérises, parmi lesquels les plus importants : ● Les polymorphisms de restriction RFLP (Restriction fragment length polymorphism) Les RFLP apparaissent suite à des mutations qui créent ou détruisent les sites reconnus par des endonucléases de restriction spécifiques, conduisant à des variations entre les individus, de la longueur des fragments de restriction produits à partir de régions identiques du génome.

●Les SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) Il s’agit de polymorphismes de substitution au niveau d’un nucléotide (variation ponctuelle de la séquence). Les SNPs sont très nombreux (>107 par génome humain) et repartis dans tout le génome (environ 1 SNP tous les 300 pb). ● Les polymorphismes de répétition Il s’agit de séquences répétées en tandem de nombreuses fois, à partir de motifs de longueur variable, on site :

- Les Minisatellites : appelées aussi VNTR (Variable Number of Tandem Repeats). Il s’agit de répétition en nombre variable d’une séquence de 10 à 50 pb à un locus donné. Cette séquence va se retrouver à différents loci sur tout le génome.

- Les Microsatellites : appelées aussi SSR (Séquences Simples Répétées) Il s’agit de 1 à 6 pb répétés n fois (5≤n≤40) sur tout le génome : Ex : TGTGTGTGTG…..

Chapitre 2 : Nature du matériel génétique

1. Matériel Génétique des bactéries: Expériences de Griffith en 1928, et de Avery

Mc Leod et Mc Carthy en 1944)

L’expérience de Griffith en 1928 a pu mettre en évidence la capacité d’une souche de

pneumocoque non virulente dépourvue d’une capsule protectrice (R) de synthétiser une

capsule et donc de devenir virulente (S) (fig. A). En 1944, Avery, MacLoed et MacCarty ont

montré que l’information génétique transmise par transformation est portée par l’ADN et

non par les protéines ou l’ARN (fig. B).

Figure Démonstration de la transformation : (A) Transformation d’une souche de Streptococcus pneumoniae avirulente en souche virulente. (B) Démonstration de la mise en évidence de l’ADN comme facteur transformant.

2.

3. Matériel Génétique des virus

3.1. Expérience de Fraenkel-Conrat et Williams 1955 sur le TMV

Les décennies 1950 et 1960 ont été décisives pour la connaissance de la nature essentielle

des virus. Le TMV est le premier virus reconstitué in vitro à partir d’une préparation de

protéines de la capside et d’ARN. L’expérience a consisté à incuber, pendant la nuit et à

3°C, l’ARN viral et la protéine de la sous-unité de la capside virale, à des concentrations

adéquates, en présence d’une solution tampon (acétate 3M, pH6). La solution obtenue a

été inoculée à des feuilles de tabac saines qui ont développé ultérieurement des lésions

locales. L’inoculation par une solution de protéines de capside ou de d’ARN n’affecte

aucunement les plantes. Ils ont montré que l’activité virale de la solution apparait après au

moins une heure et que le traitement de l’acide nucléique par une ribonucléase empêche

son encapsidation. Par ailleurs, la substitution de l’ARN du TMV par le TYMV, rend cette

reconstitution impossible. L’étude a été couronnée par l’observation au microscope

électronique des particules reconstitué qui ont montré une morphologie identique à celle

de la particule virale normale.

Figure : La particule de TMV. Sur ce schéma d’un segment de l’hélice, 5 spires (sur

132 ont été représentées. L’ARN est figuré par un ruban rouge coincé entre les sous-

unités, dessinées ici comme des volumes simples (d’après Cornut, 1987)

3.2. Expérience de Hershey et Chase en 1952 sur le phage T2

Hershey et Chase ont mené leurs expériences sur le phage T2, un virus dont la structure

avait été récemment élucidée par microscopie électronique. Le phage se compose d'une

capside (coque protéique) contenant son matériel génétique. Il infecte une bactérie en se

fixant à sa membrane externe et en injectant son matériel génétique dans la cellule

bactérienne, la coquille vide reste attachée à la bactérie.

Dans leur première série d'expériences, Hershey et Chase ont marqué l'ADN des phages

par du phosphore radioactif P-32, l'élément phosphore est présent dans l'ADN, mais dans

aucun des acides aminés composant les protéines qui sont ensuite fabriquées. Ils ont

ensuite infecté une souche d’Escherichia coli et ont pu observer le transfert de l'ADN du

phage marqué au P-32 dans le cytoplasme de la bactérie. Dans leur deuxième série

d'expériences, ils ont marqué les protéines du phage par du soufre radioactif S-35; le

soufre est en effet présent dans les acides aminés : cystéine et méthionine, mais pas dans

l'ADN. À la suite de l'infection de E. coli, ils ont ensuite détaché les capsides des cellules

infectées en utilisant un mélangeur à haute vitesse, puis séparé les uns des autres à l'aide

d'une centrifugeuse. Après la séparation, le traceur radioactif S35 a été observé dans les

capsides, mais pas dans les bactéries infectées, ce qui appuie l'hypothèse que le matériel

génétique qui infecte les bactéries était l'ADN et non les protéines.

4. Matériel Génétique des Eucaryotes

Au début des années 1900, Thomas Hunt Morgan travaille sur la mouche du vinaigre, Drosophila

melanogaster. Ces espèces possèdent quatre paires de chromosomes (dont une paire de

chromosomes sexuels). Un jour, il a découvert un mâle avec des yeux blancs (= phénotype

mutant) au milieu des mouches qui ont normalement des yeux rouges (= phénotype sauvage).

²

Figure : Le premier mutant de Morgan

Le croisement du mutant mâle aux yeux blancs avec une femelle aux yeux rouges a fourni

une F1 où tous les individus ont les yeux rouges. Ce résultat prouve que le caractère

sauvage est dominant. Le résultat du croisement F1 x F1 : F2 a montré que le phénotype

white est porté uniquement par les mâles. Ainsi, le gène est porté par le chromosome

sexuel d’où une preuve expérimentale que le gène est porté par un chromosome.

Chapitre 3 : Structure du Support de l'Information Génétique

Introduction

Le monde vivant est divisé en deux groupes :

* acellulaires : L’information génétique des particules virales est portée par une molécule

d’ADN ou d’ARN simple ou double brin.

*Organismes cellulaires : divisés en deux sous-groupes :

- Les procaryotes : Les bactéries avec un chromosome circulaire double brin

- Les eucaryotes : Inférieurs : Les champignons avec ADN linéaire double brin

Supérieurs : Végétaux + animaux

Chez ces organismes, l’information génétique est portée par une

molécule d’acide nucléique qui est un polymère d’acides nucléiques.

1. Les Nucléotides : Composition et Structure

1.1.Composition

Les acides nucléiques sont des macromolécules, qui sous forme d’ADN et d’ARN, sont les

éléments essentiel du stockage et de la transmission de l’information génétique. Les

nucléotides sont les sous-unités de l’ADN et de l’ARN. Ils participent à de nombreux

processus biologique, transportent l’énergie, sont les constituants essentiels des co-enzymes,

et sont responsables de la régulation de nombreux fonctions métabolique. Les nucléotides sont

composés de trois éléments principaux ; un groupement phosphate, un sucre et une base

purique ou pyrimidique.

1.1.1. Groupement phosphate

Dans les acides nucléiques et les nucléotides,

les groupements phosphates sont sous forme

soit de monophosphate H3PO4 (un atompe de

P), soit de diphosphate (2) soit de trois (3)

(Fig.1)

Figure1 : Groupements phosphates

1.1.2. Sucres

Les sucres présents dans les nucléotides sont généralement dérivés d’un ribose (-D-ribose

dans l’acide ribonucléique ARN) ou d’un désoxyribose (-D-désoxyribose dans l’acide

désoxyribonucléique, ADN) (respectivement ribonucléosides ou désoxyribonucléosides)

(Fig.2)

Figure2 : Sucres (Pentoses)

1.1.3. Bases pyrimidiques

Les trois bases pyrimidiques sont la cytosine (C), la thymine (T) et l’uracile (U). Elles se

différencient les unes des autres par leurs chaines latérales (-NH2 sur le C4 de la cytosine, -

CH3 sue le C5 de la thymine, O sur le C4 de l’uracile) de plus la cytosine présente une double

liaison entre N3 et C4 (Fig.3)

Figure 3 : Bases pyrimidique

1.1.4. Bases puriques

Les deux bases puriques sont l’adénine (A) et la guanine (G). Elles se distinguent par leurs

chaines latérales et l’existence d’une double liaison entre N1 et C6dans l’adénine, absente

dans la guanine (Fig.4).

Figures 4 : Bases puriques

1.1.5. Nucléosides et nucléotides

Un nucléoside est composé d’un sucre (Ribose ou désoxyribose) et d’une base nucléotidique.

La liaison se situe entre l’atome de carbone en position 1 du sucre et l’atome d’azote de la

base (liaison N-glucosidique). Un nucléotide résulte de la liaison d’un sucre à cinq atomes de

carbone (ribose ou désoxyribose), d’une base nucléotidique (base pyrimidique ou purique) et

d’un groupement phosphate (Fig.5).

Figure 5 : Nucléotides et Nucléosides

Les noms des nucléosides ont comme suffixe : -"osine" pour les nucléosides puriques -"idine"

pour les nucléosides pyrimidiques (Tab.1)

Tableau 1 : Nomenclature des nucléosides

Bases azotée Ribonucléosiodes Désoxyribonucléosides

Nom Symbole Nom Symbole Nom Symbole

Cytosine Cyt cytidine Cyd 2’-désoxycytidine dCyt

Uracile Ura uridine Urd - -

Thymine Thy - - 2’-désoxythymidine dThy

Adénine Ade adénosine Ado 2’-désoxyadénosine dAde

Guanine Gua guanosine Guo 2’-désoxyguanosine dGuo

2. Les Acides Nucléiques : Structure primaire et polarité

Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides, liés par des liaisons

phosphodiester entre l’atome de carbone en position 3’ d’un nucléotide et l’atome de

carbone en position 5’ du nucléotide suivant (La liaison phosphodiester correspond au lien

entre le phosphore d'un groupement phosphate avec deux autres molécules via deux

liens ester, il s'agit donc en fait de deux liaisons phosphoester) (Fig.6). La suite linéaire

(séquence) des nucléotides est généralement donnée dans le sens (5’→3’), en utilisant les

abréviations de ces bases.

Figure 6 : Liaison phosphodiester

3. Structure Tridimensionnelle de l'ADN

3.1. Structure secondaire : La petite histoire

En 1951, Rosalind Franklin, une biologiste au collège universitaire de Londres, obtient la

première photographie d'ADN prise aux rayons X (C'est la seule technique à cette époque

permettant d'observer la structure de cette grosse molécule). James Watson et Francis Crick,

du laboratoire de cristallographie de l'Université de Cambridge, le « Cavendish Laboratory »,

travaillent sur la question en cachette avec des fils de fer. La photographie de l'ADN obtenue

par Rosalind Franklin aux rayons X montre que cette macromolécule a une forme de croix.

Après un an et demi de recherches en équipe, Crick et Watson comprennent enfin que cette

forme de croix révèle que l'ADN est une double hélice (Fig.7). Leur article apparaît alors dans

le magazine Nature en avril. En 1954, Crick et Watson, poursuivant leurs recherches,

comprennent que l'ADN est composé de deux brins identiques de phosphates et de sucres

(désoxyribose) enroulés l'un autour de l'autre. Et entre eux, comme des barreaux d'échelle,

sont disposées les bases A, T, C et G. L'ordre de ces bases le long de la molécule d'ADN

définit l'information ou le code génétique. C'est alors que les biologistes comprennent qu'en

découvrant la structure de l'ADN, Crick et Watson permettent de décoder l'information

génétique d'un humain. C'est près de 50 ans plus tard, que le décodage du génome humain va

être réalisé. Pour cette formidable découverte, Francis Crick, James Watson et Maurice

Wilkins (de l’équipe de Rosalind) partagent en 1962 les honneurs du Prix Nobel de médecine.

Figure 7 : Sructure secondaire (double hélice)

3.2. Liaison hydrogène entre les bases

La structure chimique des bases nucléotidiques conditionnent les liaisons spéciales

spécifiques de l’ADN. Une purine (adénine ou guanine) fait toujours face à une pyrimidine

(thymine ou cytosine). La cytosine et la guanine sont unies par trois liaisons hydrogènes, la

thymine et l’adénine, par deux liaisons hydrogènes (G C ; A = T) (Fig.7). Ainsi, la guanine

est toujours associée à la cystéine et l’adénine à la thymine, formant les paires de bases

complémentaires G-C et A-T ; D’autres liaisons spatiales sont normalement impossibles.

3.3. ADN double brin

L’ADN est formé de deux brins se faisant face dans une double hélice (ADN double brin). La

séquence des bases nucléotidiques (ou plus simplement, séquence des bases) de l’un des brins

de l’ADN (dans le sens 5’→ 3’) détermine la séquence complémentaire des bases de l’autre

brin (dans les sens 3’→ 5’) (Fig.7).

La plus part des hélices sont de 20 Ǻ (2 x 10-6 mm). Les bases sur un même brin sont distantes

de 0,36 nm (3,6 Ǻ). Un pas d’hélice (tour) se répète tous les 3,6 nm, soit environ 10 paires de

bases par tour. C’est la forme B de l’ADN.

3.4. Superenroulement

Le surenroulement de l'ADN résulte de la présence de supertours positifs (dans le sens de

la double hélice) ou négatifs (dans le sens inverse) sur une double hélice d'ADN qui imposent

une contrainte sur cette molécule. Le surenroulement, qui correspond mathématiquement à la

torsade d'un ruban (Fig.8), joue un rôle important dans un grand nombre de processus

biologiques, notamment la condensation de l'ADN. D'une manière générale, l'ADN de la

plupart des êtres vivants est surenroulé négativement.

Figure 8 : Structure tertiaire de l’ADN

3.4. Le nucléosome, unité de base d’empaquetage de l’ADN

Un nucléosome est constitué d’un cœur formé de deux copies de chacune des quatre histones,

H2A, H2B, H3 et H4 (octamère), autour duquel s’enroulent environ 150 pb d’ADN.

L’octamère d’histone forme un centre en forme de disque (Représenté schématiquement par

la Fig. 9-1). L’ADN est enroulé 1,67 fois, en tournant vers la gauche, autour du centre

d’histone pour former un nucléosome (Fig. 9-2). L’ADN entre et sort du nucléosome en des

points proches l’un de l’autre. On trouve à ce point un 5ème type d’histone, H1 qui se fixe à

l’ADN entre deux nucléosomes (Fig.10). Les nucléosomes sont séparés les uns des autres par

un lien d’ADN. Pour la transcription ou la réparation de l’ADN, il est nécessaire de dissocier

les histones et l’ADN.

Figure 9 : Le nucléosome, unité de base d’empaquetage de l’ADN

3.5. Structure de la chromatine

L’ADN chromosomique est empaqueté et replié d’une manière très efficace. Les six niveaux

successifs de l’organisation hiérarchisée de l’empaquetage de l’ADN dans un chromosome en

métaphase sont représentés de façon schématique de haut en bas (Fig.10 et 11). D’abord, une

section condensée forme des boucles hors du chromosome en métaphase. Un plus fort

grossissement de cette section montre une partie un peu étirée dans une région associée à une

structure de soutien avec des boucles d’ADN attachées à cette structure. Ses boucles

correspondent à la fibre de 30 nm des nucléosome empaquetés montrés au-dessous sur le

niveau suivant. Un niveau de plus, c’est le collier de perles de 11nm. Enfin, une courte région

de double hélice d’ADN (5 tours) marque le niveau moléculaire de l’ADN.

Figure 10. Structure de la chromatine

Figure 11. Modèle d’empaquetage de l’ADN dans la chromatine

4. Structure Tridimensionnelle des ARN

La molécule d’acides ribonucléiques (ARN) est composée, chez les organismes cellulaires,

par un brin unique. L'ARN à deux brins appariés est l'exception de quelques rares virus. Les

principaux types de molécules d'ARN présentes dans les cellules d'organismes vivants sont :

- ARN génomiques : Virus (poliovirus, virus de la grippe, etc..), rétrovirus (oncogènes, sida,

herpès, etc..).

- ARN ribosomiques (ARNr) [80%] : Les ribosomes sont des complexes nucléo-protéiques

contenant 3 types d'ARNr, qui sont le siège de la biosynthèse des protéines (traduction).

- ARN de transfert (ARNt) [15%] : Interviennent dans l'élongation de la chaîne

polypeptidique, lors de la traduction.

- ARN messagers (ARNm) [5%] : Support de l'information transcrite à partir de l'ADN, qui

interviennent dans la traduction

- ARN hétérogène nucléaires (ARNhn) [< 2%] : Sont les précurseurs des ARNm (ARN

près-messager)

- Petits ARN stables [< 2%], soit cytosoliques (ARNsc), soit nucléaires (ARNsn) qui existent

sous forme de ribonucléoprotéines appelées snRNP (small nuclear ribonucleoproteins) et qui

assurent des rôles catalytiques.

3.5.1. Les hélices d'ARN

Les conformations stabilisantes sont des régions en double hélice que l'on trouve dans des

régions où deux segments distants du même brin d'ARN présentent une complémentarité

suffisante (un nombre d'appariements supérieur ou égal à 3). Ce type de conformation

implique des structures secondaires de type épingle à cheveux. Ces différents motifs de

structure secondaire ont été trouvés dans les ARN ribosomiques et les ARN de transfert :

- Les tiges sont des hélices dont la conformation est proche de celle de la conformation A de

l'ADN (Fig.12)

- Les boucles : Celles participant à un motif d'épingle à cheveux stabilisent cette structure

(Fig.12). On distingue:

*Les boucles terminales, situées à l'extrémité d'une tige.

*Les boucles internes, qui connectent deux tiges.

*Les boucles multiples, qui connectent trois tiges ou plus et constituent des points de

branchement de la structure.

*Les hernies (en anglais bulge) ou boucles latérales qui sont sur un seul des deux brins d'une

hélice. La continuité de l'hélice n'est en général pas affectée et l'ensemble des bases reste

empilé de manière coaxiale, de part et d'autre de la hernie (Fig.13).

Figure 12 : Structure en tige et en boucle formée sur l’ARN

T

F

igure 13 : Topologie des différentes structures secondaires rencontrées dans

l’ARN

1

Chapitre 4 : Fonctionnement du Matériel Génétique

I- LA REPLICATION

I-1- Le modèle semi-conservatif

La réplication est le mécanisme par lequel une molécule d’ADN donne naissance à

deux molécules d’ADN identiques entre elles et identiques à la molécule d’origine. Pour

expliquer la duplication d'un ADN bicaténaire, trois modèles ont été proposés. Ces modèles se

basent tous sur l'utilisation de la molécule d'ADN "mère" comme matrice pour sa réplication,

mais selon des modalités différentes (Fig.3)

ADN hybride

ADN lourd (15N)

et ADN léger

(14N)

ADN hybride (molécules

formées d'un brin lourd et

d'un brin léger)

ADN hybride

résultats attendus pour les modèles Conservatif semi-conservatif dispersif

Figure 3

Modèle conservatif : A partir d'une molécule d'ADN bicaténaire initiale, on forme

une nouvelle molécule d'ADN bicaténaire. On conserve donc une molécule "mère" non

modifiée tout en "créant" une nouvelle molécule "fille".

Modèle semi-conservatif : On dissocie les deux brins de la molécule d'ADN

biacténaire "mère". Chaque brin sert donc de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire,

l'ensemble reformant une molécule d'ADN bicaténaire. Chaque nouvelle molécule "fille" ne

conserve donc que la moitié de la molécule "mère".

Modèle dispersif : On ne conserve aucun brin intact. La copie se réalise par fragments

dispersés dans l'ensemble de l'ADN, permettant de former les deux molécules d'ADN

bicaténaires "filles".

Meselson et Stahl on put montrer en 1958 que la réplication s’effectue selon le modèle

semi-conservatif. En effet, Ils cultivent les bactéries dans un milieu où les substances

organiques utilisées comme source d'azote contiennent de l'azote lourd (15N). Au cours de la

2

culture, toutes les molécules azotées et en particulier l'ADN contiennent une forte proportion

d'azote 15N. Les bactéries sont ensuite repiquées sur un milieu contenant des molécules à

azote léger (14N) et permettant la synchronisation des divisions. Des fractions sont prélevées

après différents temps correspondant à 1, 2, 3,... divisions. L'ADN est ensuite extrait, placé

dans la solution de chlorure de Césium de densité moyenne 1,72 puis centrifugé 24h à

100.000 g. Ainsi, un gradient de densité (environ de 1,70 à 1,75) est obtenu et L'ADN "lourd"

ayant une densité de 1,724 pourra-être distingué de l'ADN "léger" dont la densité est de1,710.

La position des différents ADN est repérée par une mesure de la densité optique (Fig.4).

Figure 4

Après une génération, tout l'ADN est hybride (du point de vue de sa densité). Il n'y a

plus d'ADN 15N. L'ADN "hybride" disparaît progressivement au profit de l’ADN "léger"

(14N).

I-2- Division cellulaire chez les procaryotes

Les bactéries étant des organismes asexués, leur reproduction se fait par division

cellulaire ou scissiparité. La division cellulaire des bactéries comporte deux étapes:

- Une première étape, appelée croissance, au cours de laquelle la bactérie augmente de

taille, duplique son ADN et synthétise les protéines nécessaires à la division.

3

- Une deuxième appelée division, au cours de laquelle il y a formation d’une paroi

transversale (septum) qui va diviser la bactérie en deux cellules filles. Lors de la division, les

boucles d’ADN répliquées sont attachées à des points très proches de la paroi bactérienne.

La réplication de l’ADN chez les bactéries est rapide et se poursuit tout au long du

cycle de la division cellulaire, contrairement à la réplication dans les cellules eucaryotes qui

n’a lieu que lors d’une étape spécifique du cycle cellulaire. La connaissance des détails des

mécanismes de la réplication résulte de l’étude de mutants conditionnels présentant une

réplication normale à 37°C (température permissive) et un arrêt de la réplication à 42°C

(température non permissive). Les mutations touchent différentes protéines intervenant dans

le processus ce qui permet souvent d’évaluer leurs rôles dans la réplication par des

expériences de complémentations).

I-3- Mécanisme de la réplication chez les procaryotes

La réplication de l’ADN chromosomique circulaire bactérien débute à un site unique

spécifique appelé oriC pour origine de réplication. Il se forme ainsi un œil de réplication

constitué de deux fourches de réplication. La réplication est bidirectionnelle : elle progresse

simultanément et en sens opposés sur chacune des fourches (Fig.5).

Figure 5 : Formation de l’œil de réplication chez le chromosome des procaryotes

4

L’hélicase permet, avec l’aide d’un ensemble d’autres enzymes d’assurer le

déroulement de l’ADN. Des protéines de liaison à l’ADN simple brin SSB (single strand

binding proteins) s’associent à chaque simple brin d’ADN dès qu’il apparaît pour empêcher

son ré-enroulement en double hélice. Ainsi, les séquences de bases des simples brins sont

aptes à servir de modèle pour la réplication (Fig 6a).

Une ARN polymérase appelée primase synthèse une amorce ARN de 10 pb dans le

sens 5’3’ complémentaire du brin d’ADN matrice : C’est l’initiation. L’ADN

polyméraseIII continue par la suite la réplication toujours dans le sens 5’3’ à partir de

l’extrémité 3’OH libre de l’amorce ARN et en utilisant l’ADN comme matrice (Fig.6a) : c’est

l’élongation.

Les deux brins sont donc synthétisés dans le sens 5’3 ; mais la synthèse ne peut être

continue que sur l’un des deux brins, le brin directe orienté 3’5’. L’enzyme située sur

l’autre brin (brin retardé) synthétise de l’ADN de manière discontinue sous forme de petits

fragments (1000 à 2000 pb) appelés fragments d’Okasaki du nom du chercheur qui les a

caractérisés pour la première fois. L’ADN à répliquer est ensuite ouvert sur une nouvelle

longueur par les hélicases, une nouvelle amorce est synthétisée sur le brin d’ADN matrice

5’3’ les synthèses reprennent et ainsi de suite jusqu’à ce que la totalité du réplicon soit

dupliquée (Fig.6b).

Les amorces d’ARN sont par la suite remplacées grâce à l’activité exonucléase 5’3’

de l’ADN polymérase I qui comble également les lacunes ainsi engendrées par l’ADN. Enfin

une ligase effectuera la soudure du brin, puisque les AND polymérases ne sont capables de

créer une liaison phosphodiester qu’entre une extrémité 3’OH libre et un nucléotide

triphosphate libre.

Lorsque l’ADN polymérase III introduit un nouveau nucléotide, le taux d’erreur est

d’environ 10-4. Or le taux d’erreur de l’ADN néo-synthétisé est de 10-8. Cette divergence vient

du fait que les ADN polymérases sont capables de détecter les erreurs qu’elles ont commises

et les corriger immédiatement grâce à une action 3’ exonucéasique qu’elles possèdent.

La réplication du chromosome bactérien circulaire se termine lorsque les deux fourches de

réplication se rencontrent. L’ADN ayant une structure en hélice, il subit une rotation pour

permettre la progression des fourches de réplication, ce qui conduit à des super-enroulements

excessifs et une tension au sein de la molécule d’ADN. Le relâchement partiel de la molécule

est assuré par des ADN topoisomérases. Elles assurent la libération des concatémères (deux

5

cercles entrelacés) à la fin de la réplication, permettant ainsi la séparation de chaque

chromosome dans chaque cellule fille au cours de la division cellulaire.

Figure 6a : Fourche de réplication de l’ADN

Figure 6b : [1], L’hélicase sépare les deux brins de de l’DNA. [2], les protéines de liaison

empêchent les deux brins de se recoller. [3], les polymérases synthétisent les nouveaux bras de 5’ en

3’. [4], le brin direct est retranscrit directement. [5], le brin retardé est synthétisé sous forme

d’éléments d’Okazaki, qui sont reliés entre eux grâce à une ligase.

6

I-4- Remarques

Les mécanismes de base de la réplication de l’ADN semblent être identiques chez les

procaryotes et les eucaryotes malgré que des expériences de réplications in vitro aient montré

qu’il existe chez les eucaryotes plusieurs types de polymérases. Les différences majeures

résident dans le fait que :

L’ADN des eucaryotes est répliqué non comme un ADN dénudé, mais sous la forme

de chromatine dans laquelle l’ADN est associé à des protéines étroitement liées appelées

histones et qui peuvent agir comme des barrières en gênant la progression des molécules

d’ADN polymérases ce qui explique la raison pour laquelle la fourche de réplication des

eucaryote est moins rapide. Il faut également rappeler que les molécules d’ADN des

eucaryotes sont plus longues que celle des procaryotes.

Il existe plusieurs origines de réplication sur un même chromosome chez les

eucaryotes supérieurs. L’existence de plusieurs réplicons va remédier à la lenteur de la

fourche de réplication. Là encore des bulles de réplication sont crées progressant jusqu’à ce

qu’elles rencontrent une autre fourche de réplication ou en atteignant l’extrémité du

chromosome (Fig.7).

Les extrémités des molécules d’ADN linéaires sont difficiles à répliquer par voie

classique. Ce problème est résolu par un système enzymatique ingénieux, la télomérase.

Figure 7 : Fonctionnement de deux réplicons voisins chez les eucaryotes

7

II-EXPRESSION DES GENES

II-1 La transcription chez les procaryotes

Chez les procaryotes, la transcription de toutes les classes des ARN est effectuée par

une ARN polymérase unique, formée de 5 sous-unités (2’ L’initiation de la

transcription est assurée par la reconnaissance et la fixation de L’ARN polymérase à une

séquence spécifique d’ADN non transcrite qui définie le début du gène : le promoteur. Les

séquences promotrices présentent généralement deux zones particulièrement similaires : une

séquence TATAAT (en amont du site d’initiation de la transcription à -10 pb et une séquence

TTGACA à –35 pb ; la première base copiée en ARN est définie comme la base +1). La

séquence TATAAT ou boîte TATA (TATA box) est égalment appelée Prinbnow box, du nom

du chercheur qui a identifié le rôle de cette séquence dans la transcription (Fig.8).

Un seul brin d’ADN de la double hélice appelé brin « sens » est ainsi copié au cours

de la phase d’élongation. L’ARN polymérase doit donc déplacer le brin complémentaire (brin

anti-sens) pour permettre l’incorporation des nucléotides dans le brin d’ARN en cours de

polymérisation. Cependant le duplex d’ADN se reforme immédiatement après le passage de

l’appareil de transcription.

L’ARN polymérase reconnaît un ou plusieurs signaux de terminaison portés par le brin

d'ADN matrice et qui annoncent la terminaison de la transcription. Ces signaux peuvent-être :

- Une séquence signal présente sur l’ADN qui entraîne une pause (un arrêt) dans la

progression de l’ARN pol. Une protéine spécifique de terminaison appelée intervient à ce

moment et est responsable du déroulement du complexe ADN : ARN (Fig.9 terminaison).

- Des séquences de terminaison correspondant à des séquences répétées (tandem) et

inversées au niveau de l’ARN suivie d’une succession de poly-uridines. Un auto-appariement

de ces séquences confère à la molécule une structure en boucle et tige qui entraîne la

séparation de l’ARN polymérase de l’ADN et donc la terminaison de la transcription

(Fig.10).

L’information génétique codée par l’ADN correspond presque toujours à des

protéines. La molécule qui permet le transfert de l’information génétique de l’ADN aux

protéines est la molécule d’ARNm. Cependant, des classes différentes d’ARN (ARN

ribosomiques ou ARNr et ARN de transfert ou ARNt) ne sont pas traduites en protéines mais

sont impliquées dans la machinerie de synthèse des protéines. Chez les procaryotes, toutes ces

classes sont transcrites par la même ARN polymérase ADN dépendante.

8

Figure 9 : Initiation, Elongation et Terminaison de la Transcription

Figure 10 : boucle de terminaison

Promoteur

Chromosome bactérien

3’ -35 -10 +1 TTGACA TATAAT CAT

Figure 8 : Initiation de la transcription

5’

ARN polymérase

Core enzyme

9

II-2 La transcription chez les eucaryotes

Chez les eucaryotes, trois ARN polymérases (ARNpol) interviennent dans la

transcription : l'ARNpol I pour les ARNr transcrits dans le nucléole (28S, 18S et 5,8S),

l'ARNpol III pour les ARNt et l'ARNpol II pour les ARNm. Cette dernière est formée selon

les organismes de 10 à 12 sous-unités.

Le transcrit primaire de l’ARN messager n'est pas utilisé tel quel pour la synthèse protéique. Il

doit subir des modifications post-transcriptionelles permettant l’augmentation de la demi-vie

et la modification de la séquence. Toutes ces modifications sont réalisées au fur et à mesure

de la progression de la synthèse de l’ARN pré-messager dans le nucléoplasme. Il existe trois

grands types de modifications.

II-1-a L'addition d'une coiffe (cap) en 5'

Elle a lieu dès le début de la transcription avant que la chaîne ne compte plus de 30

nucléotides. Elle consiste en l'ajout d'un nucléotide à guanine sur l'extrémité 5' de l'ARN. Il en

résulte que l'extrémité 5' de l'ARNm n'est pas porteuse des trois acides phosphoriques libres

habituels, mais d'un GMP, qui sert de coiffe protectrice à l'extrémité 5' de l'ARNm (limite la

reconnaissance de cette extrémité par les exonucléase) (Fig.11). Elle est également nécessaire

à l'exportation de l'ARNm vers le cytoplasme et à la liaison de ce dernier avec la petite sous-

unité du ribosome lors de l'étape d'initiation de la traduction.

II-1-b L'excision-épissage

Chez les eucaryotes les gènes sont morcelés c’est-à-dire constitués d'une alternance

d'exons (parties codantes du gène) et d'introns (parties non codantes). Ainsi, les gènes sont

d'abord intégralement recopiés dans l'ARN près-messager, puis subissent une opération

d'excision des introns suivi d'un épissage (splicing), c'est à dire la réunion bout à bout des

exons restants qui constituent l'ARNm (Fig.12). Ce remaniement se déroule au fur et à mesure

de la progression de la transcription.

II-1-c L'addition d'une queue polyA en 3'

La poly(A) polymérase, va ajouter une séquence poly(A) (de 100 à 250 nucléotides A)

à l’extrémité 3’OH de l’ARNm. Cette queue polyA qui sera la cible des nucléases va assurer

une stabilité au futur ARNm au cours de sa traduction : elles peuvent rester fonctionnelles

pendant plusieurs heures. À l'opposé des ARNm bactériens qui sont relativement labiles : leur

demi- vie est seulement d’une minute trente à deux minutes (Fig.13).

10

Figure 11 : Formation de la coiffe d'un ARNm

Figure 12 : L'excision-épissage de l’ARN pré-messager

Figure 13 : Formation de la queue polyA

ARNm AAAAAAAAAA--OH3’ CAP

11

III- La traduction

Une des découvertes majeures de la biologie a eu lieu au début des années 1960 avec

la mise en évidence du code génétique et des correspondances entre les codons et les acides

aminés. Il existe 61 codons différents qui spécifient les 20 acides aminés constituant les

protéines. L’usage des codons est donc redondant et le code génétique est dis dégénéré.

Exemple : les six triplets UUA, UUG, CUU, CUC, CUA et CUG sur l’ARNm codent pour

l’incorporation de la leucine dans la chaîne polypeptidique alors que le tryptophane est codé

par un codon unique UGG (Tab. 1).

Tableau 1 : Le code génétique : Un acide aminé est codé par trois bases prises dans l'ordre suivant: la base initiale à gauche, la base centrale dans l'une des quatre colonnes du centre, et la base terminale à droite.

Base initial Base central Base final

U C A G U Phe

Phe Leu Leu

Ser Ser Ser Ser

Tyr Tyr

non-sens non-sens

Cys Cys

non-sens Trp

U C A G

C Leu Leu Leu Leu

Pro Pro Pro Pro

His His Gln Gln

Arg Arg Arg Arg

U C A G

A Ileu Ileu Ilet Met

Thr Thr Thr Thr

Asn Asn Lys Lys

Ser Ser Arg Arg

U C A G

G Val Val Val Val

Ala Ala Ala Ala

Asp Asp Glu Glu

Gly Gly Gly Gly

U C A G

Ala : alanine Arg : arginine Asp : acide aspartique AspN : asparagine Cys : cystéine

Glu : acide glutamique GluN : glutamine Gly : glycine His : histidine Ileu : isoleucine

Leu : leucine Lys : lysine Met : méthionine Phe : phénylalanine Pro : proline

Ser : sérine Thr : thréonine Tryp : tryptophane Tyr : tyrosine Val : valine

12

Plusieurs codons signaux déterminent le début et la fin de la chaîne polypeptidique. Le

codon d’initiation AUG définie le début (extrémité N-terminale) de celle-ci et code pour la

méthionine. L’extrémité C-terminale du polypeptide est déterminée par les codons de

terminaison : UAA, UAG et UGA, appelés codons stop ou non-sens. Ces trois codons ne

correspondent à aucun acide aminé mais leur présence individuelle ou en combinaison

entraîne l’arrêt de l’ARN polymérase donc l’arrêt de la traduction.

La séquence des codons entre les signaux d’initiation et de terminaison constitue le

cadre de lecture ouvert (open reading frame ORF). Chaque séquence nucléotidique de

l’ARNm contient trois ORF possibles, suivant la position utilisée comme point de départ

(Fig.14).

Figure 14: Différents cadres de lectures possibles pour une même séquence d’ARNm

III-1 Constituants de la machinerie de synthèse des protéines

La synthèse protéique a lieu au niveau de particules appelées ribosomes (Fig.15). Ces

dernières sont formées chez les procaryotes de sous-unités complexes d’ARN et de protéines

(Tab.2).

Tableau 2 : Les composants structuraux des ribosomes de E. coli

13

Figure 15: Les deux sous-unités fonctionnelles d’un ribosome

Les composants les plus critiques de l’appareil de traduction sont les ARN de transfert

ou ARNt qui sont les « traducteurs » du processus. Il est constitué de 70 nucléotides où quatre

régions de complémentarité sont formées, et trois boules ouvertes sont présentes. L’une

d’elles constitue la boucle anticodon contenant une séquence exactement complémentaire à la

séquence codon située sur l’ARNm (Fig.16). La fixation d’un acide aminé sur l’ARNt

correspondant est une réaction spécifique assurée par une enzyme aminoacyl-tRNA

synthétase.

Figure 16: Structure de l’ARNt-Met de E. coli

14

III-2 Mécanisme de synthèse des protéines

L’initiation de la synthèse protéique commence par la fixation de la petite sous-unité

ribosomale (30S) à l’ARNm au niveau d’une séquence spécifique appelée site de liaison au

ribosome ou séquence Shine-Delgarno. Cette séquence est située 4 à 6 nucléotides en amont

du codon initiateur AUG (région N-terminale). Par la suite, le premier ARNt porteur de

méthionine se lie au complexe formé. Finalement, la grande sous-unité (50S) s’associe à

l’ensemble et le ribosome est prêt à se déplacer le long de l’ARNm pour synthétiser

progressivement la chaîne polypeptidique (Fig.17a).

Figure 17a: Initiation

Le ribosome ainsi fixé contient deux sites : Un contenant l’ARNt-Met (site P), et un

site libre où un codon correspondant au deuxième acide aminé de la chaîne polypeptidique est

exposé (site A). L’ARNt porteur de l’acide aminé correspondant à ce codon vient alors se

fixer sur ce dernier (ex : acide glutamique). La première liaison peptidique entre Met et Glu

(Fig.17b) est formée grâce à l’activité peptidyl transférase du ribosome libérant ainsi le

premier ARNt fixant la méthionine. L’étape finale de l’élongation est appelée translocation :

le ribosome progresse de trois nucléotides libérant ainsi le site A. Les étapes suivantes

d’élongation sont exactement identiques à la réaction décrite entre les deux premiers acides

aminés (Fig.17b).

Figure 17b : Elongation

15

La terminaison de la chaîne polypeptidique est définie par la présence d’un codon

stop immédiatement en aval de l’acide aminé de l’extrémité C-terminale. Les codons stop ne

codent pour aucun acide aminé, leur présence va provoquer la dissociation du ribosome et la

libération du polypeptide (Fig.17c).

Figure 17c: Terminaison

III-3- Remarques

1- Il est important de noter que les bactéries synthétisent fréquemment des ARNm

polycistroniques, c’est à dire des ARNm correspondant à plusieurs gènes.

2- Chez les procaryotes, souvent de nombreux ribosomes travaillent à la suite sur une

même molécule d'ARNm, synthétisant ainsi plusieurs protéines. Cela permet une

amplification de la production des protéines par rapport à la quantité d'ARNm présente et

dont la demi-vie est courte. Ces polyribosomes sont bien visibles en microscopie

électronique (Fig.18).

3- Finalement, il est aussi important de noter que chez les procaryotes le mécanisme

de transcription et de traduction sont couplés (Fig.19).

4- Chez les eucaryotes, le complexe d’initiation se fixe à l'extrémité 5' de l'ARNm

monocystroniques (un ARNm correspond à une protéine) en reconnaissant sa coiffe, et se

déplace jusqu'au premier AUG. Le ribosome, dans ce cas aussi, est formé de deux sous-

unités : une grande (60S : ARNr 28S, ARNr 5,8S et ARNr 5S) et une petite (40S : ARNr 18S).

5- Par ailleurs, chez les eucaryotes, une protéine subit souvent des modifications post-

traductionnelles avant d'être opérationnelle.

a- Elle doit tout d'abord adopter la conformation dans laquelle elle est active par

l’établissement de liaisons hydrogène et parfois la formation de ponts disulfure entre les

acides aminés cystéines.

16

b- D'autre part, il peut y avoir des modifications post traductionnelles par l’ajout de

molécules non protéiques, comme des lipides, des glucides ou des groupements phosphate,

ainsi que de petits peptides.

c- Finalement, Il y a parfois clivage d'un peptide appelé peptide signal situé à

l'extrémité N-terminale une fois qu’il aurait accompli son rôle en dirigeant la protéine non

mature dans un compartiment particulier de la cellule.

Figure 18 : Polyribosomes observés en microscopie électronique

gèneADN

gènegèneADN

Terminateur

TranscriptionTranscription

Traduction

Production de protéines

Initiation

ARN polymérase

Initiation

ARN polymérase

stop

stop

Initiation

Ribosome

Initiation

Ribosome

Initiation

Ribosome

ARNmARNm

Figure 19: Couplage transcription traduction chez les procaryotes

NB : les polyribosomes

17

IV. Mutations et variabilité

De point de vue génétique, les mutations sont des modifications permanentes du

matériel génétique décelable par un changement aléatoire, brusque et d’emblée héréditaire

intervenant au niveau d’un ou plusieurs caractères. Elles peuvent être somatiques ou

germinale (voir chapitre I). Elles ont lieu à la reproduction conforme (mitose chez les

Eucaryotes et bipartition chez les Procaryotes) et peuvent avoir des conséquences délétères ou

avantageuses. Une mutation est rarement réversible : le plus souvent le gène muté est réparé

ou détruit. Elles peuvent êtres spontanée (Taux de l’ordre de 10-6 à 10-9 selon l’espèce) ou

induite par des agents physiques ou chimique (jusqu’à 10-4). Il existe différentes sortes de

mutations : géniques (ou alléliques) et chromosomiques.

IV.1. Mutations géniques et leurs conséquences

Elles affectent la séquence des nucléotides à l’intérieur de gènes individuels et

conduisent à l’apparition d’allèles. On distingue trois types de mutations géniques:

IV.1.a. Mutations ponctuelles

Il s’agit d’une modification d’une ou plusieurs bases d’un seul codon (Fig.20). Les principales

mutations ponctuelles sont l’échange de base :

La substitution : Il s’agit du remplacement d’une base par une autre ; on distingue :

- La transition : Substitution d’une base purique par une base purique (A↔G) ou d’une

base pyrimidique par une base pyrimidique (T↔C).

- La transversion : Substitution d’une purine par une pyrimidine (A↔T ou C) ou

inversement (C↔G ou A)

Une substitution reste sans effet sur le cadre de lecture. Toutefois, elle peut

altérer un codon ce qui aura pour conséquence l’introduction d’un acide aminé erroné: on

parle alors d’une mutation faux-sens. Le polypeptide modifié contient un acide aminé faux au

site de la mutation.

Si la mutation est sans effet sur la protéine on parle de mutation silencieuse. La

mutation est neutre grâce à la dégénérescence du code génétique (plusieurs triplets codent

pour le même acide aminé).

Si par contre la mutation fait apparaître un codon stop prématuré, on parle de

mutation non-sens.

18

Insertion ou délétion (mutations décalantes) : Il s’agit d’une addition ou d’une

suppression de nucléotides non multiple de trois. On les appelle également mutations

frameshift (Fig.21).

Ceci provoquera un décalage du cadre de lecture au moment de la traduction, et générera

le plus souvent une protéine tronquée par l'apparition d'un codon-stop prématuré (mutation

non-sens). Si non, ce type de mutation peut engendrer la modification de toute la séquence du

polypeptide à partir du site de la mutation (Fig.22).

Figures 20 : Mutations Ponctuelles

Figure 21 : Mutation décalantes (frameshift)

19

Figure 22 : Conséquences des mutations frameshift

IV.1.b. Les mutations instables Il s’agit de mutations qui évoluent d'une génération à l'autre. Le génome humain contient

des répétitions de trinucléotides en tandem (ex : CAG). Ces triplets peuvent s’accroitre de

façon anormale à l’intérieur ou à proximité de certains gènes et être responsable des maladies

à extension de triplets.

V.2. Mutations géniques et variabilité

Les mutations sont source de biodiversité. En effet, la mutation est le mécanisme à

l’origine des différentes versions possibles d’un gène, c'est-à-dire à l’origine des allèles d’un

gène ou polyallélisme des gènes. (ex : allèle du gène des groupes sanguins). Cette diversité

des allèles au sein d’une espèce conduit à une diversité des phénotypes.

IV.3. Les grandes mutations

Il s’agit des séquences répétées au niveau des gènes et le plus fréquemment au niveau

des introns et des régions non codantes.

Les microsatellites

Il s’agit de répétition de motif d’ADN de 2 à 6 nucléotides :

Ex : (AG)10 : AG AG AG AG AG AG….. 10x

On les appelle aussi les SSR (Séquences Simples Répétées) et on les retrouves chez l’homme,

les animaux et les végétaux.

Les minisatellites

On les appelle VNTR : Séquences répétées en tandem en nombre variable. Il s’agit de

séquences moyennement répétées. La longueur de leurs motif varie de 15 à 100 pb et sont à

l’origine d’un polymorphisme important qui est utilisé en médecine légale (criminologie, test

de paternité). Ils sont également présents chez l’homme, les animaux et les végétaux.

20

Les transposons

Il s’agit de séquences d’ADN moyennement répétées sur tout le génome mais qui est capable

de se déplacer d’un endroit à un autre sur le génome : Ce sont des gènes sauteurs ou des

transposons.

IV.2.. Définition des chromosomes

Le chromosome est une structure composée d’une molécule d’ADN très longue et de

protéines associées qui porte une partie (ou l’intégralité) de l’information héréditaire d’un

organisme. Particulièrement évident dans les cellules animales et végétales subissant la

mitose ou la méiose, ou chaque chromosome se condense en un filament compact,

facilement visible. Il existe quatre types de chromosomes selon la position du centromère

et la longueur des bras (p : bras cours : q : bras long). On distingue les chromosomes

métacentriques, submétacentriques, acrocentiques et télocentriques (Fig.22)

Figure 22 : Les différents types de chromosomes

IV.3. Mutations chromosomiques

Les aberrations chromosomiques sont des perturbations qui affectent le chromosome

et elles touchent soit leurs nombre soit leur structure. Chez les plantes, elles se manifestent

par l’apparition des organes géants par contre chez les animaux et l’homme elles se

manifestent par des perturbations physiologiques et des malformations. Elles sont

détectables lors de la réalisation du caryotype.

IV. 3.a. Mutations de nombre

Aneuploïdie : on parle d’aneuploïdie quand le nombre de chromosomes est

anormal. Il peut s’agir de la perte ou du gain d’un ou plusieurs chromosomes individuels de

l’ensemble des diploïde. Il s’agit d’une absence de disjonction (non disjonction) au moment

de la méiose. Celle-ci peut avoir lieu soit en méiose I et engendre des gamètes qui ont soit

21

deux chromosomes (disomie) soit aucun (nullisomie), ou en méiose II et engendre sur les

quatre cellules, une cellule disomique et une cellule nullisomique (Fig.22.A).

On appelle la perte de chromosomes monosomie, le gain trisomie. La polyploïdie correspond

au cas où la cellule, le tissus ou l’individu est caractérisé par la présence de plus que deux

jeux chromosomiques haploïdes (ex : triploïdes, tétraploïdes ; non viable chez l’homme).

Cette situation est très fréquente chez les plantes (Fig.21.B). L’hétéroploïdie : Anomalie de

nombre de chromosomes présents dans des cellules ou des tissus isolés.

Figure 22 : Aneuploïdie

III.3.b. Mutations de structure

Il s’agit d’anomalies qui portent sur une partie du chromosome qui apparaissent à la

méiose suite à des cassures et la réunion des fragments de chromosomes. Elles peuvent

être intra et ou inter-chromosomiques (Fig.23).

22

Figure 23 : Les mutations de structure

Les différentes mutations de structure sont :

La délétion : C’est le résultat d’une cassure unique avec perte d’un fragment du

chromosome (délétion terminale), ou de deux cassures avec perte du segment intermédiaire

(délétion interstitielle) (Fig.24).

Figure 24 : Délétions terminale (a) et interstitielle (b)

23

La duplication : C’est l’augmentation du nombre de copie d’une séquence ou

d’un gène suite à une erreur d’appariement au moment de la réalisation des crossing-over au

cours de la méiose (Fig.25)

Figure 25 : La duplication

L’inversion : C’est un changement de direction de 180° d’un segment

chromosomique, due à la cassure, en deux points différents, suivie du recollage du fragment

en sens inverse. Selon que le centromère est impliqué ou non, on distingue les inversions

pericentriques (le centromère est situé dans le segment inversé) et paracentriques (Fig.26).

Figure 26 : Inversions pericentriques (b) et paracentriques (c)

La translocation : Elle fait référence à un processus au cours duquel une partie

(ou la totalité) d’un chromosome se déplace d’un segment à un autre. Il peut s’agir d’une

translocation simple (c’est le transfert d’un fragment d’un chromosome vers un autre) mais le

plus souvent il s’agit d’une translocation réciproque (un segment est échangé contre un autre

sans qu’il n’ait ni perte ni gain).

La translocation réciproque entre deux chromosomes est généralement équilibrée

et ne comprend pas de risque de maladies sauf si l’un des points de cassures interrompt la

24

fonction d’un gène. Cependant au cours de la méiose les chromosomes ayant subi la

translocation forment une structure en crois caractéristique (Fig.26.A). Ainsi plusieurs

situations sont possibles au niveau de la formation des gamètes selon le type de

ségrégation (Fig.26.A):

Ségrégation alternée,

Ségrégation adjacente-1,

Ségrégation adjacente-2

Figure 26 : La translocation

25

La translocation Robertsonienne (par fusion centrique de chromosome acrocentrique)

implique soit une paire de chromosomes homologues soit deux chromosomes acrocentriques

non homologues. La fusion homologue ne donne naissance qu’à des gamètes disomiques ou

nullisomiques. Le zygote sera donc trisomique (syndrome de dawn) ou monosomique

(léthale). Cependant la fusion de deux chromosomes acrocentriques non homologues est

beaucoup plus fréquente. Les chromosomes 14 et 21 sont les plus impliqué dans ce genre

d’aberration. La fusion du bras long du chromosome 21 (21q) et du bras long du chromosome

14 (14q) conduit à la formation d’un chromosome 14q21q. Les bras cours de ces deux

chromosomes sont perdus mais ceci n’a pas de conséquence sur le phénotype puisqu’ils sont

porteurs d’ADN satellites. Quatre types de gamètes peuvent se former (normale, équilibré,

disomique ou nullisomique) (Fig.26.B).

26

Figure 19: régulation de l’opéron lactose (lac)

27

Figure 20: régulation de l’opéron tryptophane (trp)

Figure 21: Régulation des opérons maltose (mal)