II- 1 Structure, organisation, dynamique et polymorphisme du génome humain. Flashcards
Structure de la molécule d’ADN et fonction des nucléotides
- macromolécule constituées de polymères de nucléotides
- 1 nucléotide = sucre + base azotées / 1 à 3 groupements phosphate
• sucre = pentoses (5 carbones) - ARN ou acide ribonucléique = ribose + groupement -OH attaché au carbone 2
- ADN ou acide désocyribonucléiuqye = désoxyribonse, sans groupement -OH au carbone 2’
• base azotée
- 2 types de bases : purines et pyrimidines
- bases purines : adénine et guanine (1 cycle à 6 atomes + 1 cycle à 5 atomes)
(guanine a une cétone en C6, adénine, une amine en C6)
- bases pyrimidiques : cytosine et thymine (ADN) ou gracile (ARN) : 1 seul cycle à 6 atomes
(cytosine a une amine en C4, uracile et thymine une cétone en C4; thymine a un méthyle en C5)
(“C’était pire, j’arrange comme j’ai pu” = CT pyr, AG pu”)
NB : adénine = la seule base sans oxygène
La base azotée azotée forme une liaison covalente avec le carbone 1 du sucre.
L’ensemble sucre + base : nucléoside.
• groupement phosphate
- un atome de phosphore lié à 4 atomes d’oxygène.
- groupement sphopshates portent 3 fonctions acides
- 1 nucléotide libre monophosphate, il y a 2 groupements acides libre + liaison phospho-ester (estérification entre une fonction acide et une fonction alcool libre située en C5’ du sucre)
- les acides nucléiques ont des charges négatives (3e fonction acide de pKa 1,7 toujours libre)
- nucléotide di et tri-phosphate comportent un ou deux groupements phosphates supplémentaires liés par une liaison anhydride d’acide (riche en énergie)
☞ les nucléotides triphosphates (ATP, GTP, CTP et UTP servent de transporteur d’énergie pour différentes réactions métaboliques.
☞ les nucléotides cycliques AMPc, GMPc (sucre estérifié 2 fois par un même phosphate) sont des seconds messagers intracellulaires.
Bases modifiées
La 5-méthylcytosine est une base nucléique dérivée de la cytosine par méthylation sur l’atome de carbone nᵒ 5 du cycle pyrimidine. Ceci modifie sa structure sans pour autant altérer ses propriétés d’appariement avec la guanine.
hypoxanthine : provient d’une désamination de l’adénine, retrouvée dans les ARN de transfert (anticodon), aussi un élément de dégradation des bases puriques (qui sont ensuite transformées en xanthine puis en acide urique qui est excrété)
La xanthine dérive de la guanine.
NB :
• désamination de la cytosine → uracile
• désamination de la 5-méthylcytosine → thymine)
Structure primaire des polynucléotides
Les nucléotides sont liés entre eux, de manière covalente au moyen d’une liaison phosphodiester entre le groupement 5’-phosphate et l’atome de C3’ du nucléotide suivant.
☞ Ces liaisons ne mettent pas en jeu le C2’ donc elles sont identiques entre l’ADN et l’ARN
Les nucléotides doivent être sous forme tri phosphates avant leur incorporation (dATP, dGTP, dCTP, dTTP pour l’ADN) : l’énergie produite par la rupture des liaisons anhydride d’acide permet l’ajout du nucléotide monophosphate
Polarité 5’-3’ : un bout de la chaine comporte l’extrémité 5’ non liée d’un groupement phosphate tandis que l’autre bout comporte un groupe OH libre sur le C3’ du dernier sucre.
Structure secondaire des polynucléotides
- découverte par Watson et Crick (sur la base des travaux de diffraction X de Wilkins)
- ADN comporte 2 chaines polypeptidiques enlacées qui forment une double hélice
- squelette = alternance sucre/phosphate
- intérieur = bases perpendiculaires par rapport à l’axe de la chaîne
- les deux chaînes antiparallèles (de polarité opposée) sont maintenus par 2 types de forces moléculaires
• liaisons hydrogène se forment entre les bases complémentaires des brins opposées (CG = 3 liaisons / AT = 2 liaisons)
☞ appariement CG est plus fort que l’appariement AT : ces liaisons relativement faibles permettent aux 2 brains de se séparer (dénaturation) et s’hybrider à nouveau (pendant la réplication, la transcription)
Température de dénaturation = Tm = 69,5 + 0,41 (%GC)
Renaturation par retour à une température ambiante
Ces appariements de bases expliquent les règles de composition en nucléotides des ADN double brins : (A+G)/(T+C) = 1 et A/T = C/G = 1
L’interaction entre bases empilées ou starking interaction contribue aussi à la stabilité de la molécule d’ADN (interactions hydrophobes, interactions de Van der Walls), notamment en chassant les molécules d’eau présentes au centre de celle-ci.
Différentes structures secondaires polynuclotides ?
- Structure B = prédominante, est celle décrite par Watson et Crick. Il s’agit d’une molécule sans séquence de bases inhabituelles et placées dans un environnement aqueux (proche de celui rencontré dans la cellule). Il s’agit d’une hélice dextrogyre (s’enroulant sur la droite = sens horlogique si on regarde dans l’axe).
→ 10 paires de bases par rotation
→ distance entre les paires de bases : 0,34 nm.
→ diamètre de l’hélice : 2 nm
→ enroulement des chaines et la configuration de fixation des paires de bases créent un petit sillon et un grand sillon (surface importante pour la fixation de protéine régulatrice) - Structure A = degré d’hydratation plus faible. Dextrogyre aussi mais est plus tassée que la structure B. Elle ne semble pas exister dans les conditions physiologiques
- Structure Z : hélice lévogyre avec un squelette sucre- phosphate décrivant des zigzags (d’où son nom). Elle se forme en conditions de salinité élevée ou lorsque l’ADN contient des régions avec une alternance de nucléotide CG. Cette structure particulière pourrait jouer un rôle dans l’expression des gènes.
Condensation nécessaire de l’ADN : structure tertiaire
- 23 paires de chromosomes du génome humain contiennent la quasi-totalité de l’information génétique encodée par environ 3,2 milliards de paires de nucléotides. S’il était déroulé, l’ADN d’une cellule humaine mesurerait 2 m de longueur, il nécessite donc une compaction importante pour tenir à l’intérieur du noyau d’une cellule.
Ce degré de condensation est dynamique et évolue au cours du cycle cellulaire ou il peut passer d’un degré de condensation relativement faible à une compaction extrême (au cours de la mitose par exemple).
Cette variabilité de condensation se voit aussi localement au cours de phénomènes tels que la réplication ou la transcription où il est nécessaire que l’ADN soit accessible à la machinerie de ces 2 processus.
Chromatine
☞ structure
Elle résulte de l’association étroite de l’ADN et de protéines. Il existe 2 types de chromosomes, correspond aux régions transcrites
• euchromatine : dont le degré de condensation varie avec le cycle cellulaire : majeure partie des chromosomes correspond aux régions transcrites
• hétérochromatine qui reste dans un état hautement condensé : située au niveau des centromères et des télémètres, sur l’intégralité du chromosome X inactivé (lyonisation)
☞ protéines associées
- Histones sont les constituants protéiques majeurs de la chromatine.
- 5 types : H1, H2A, H2B, H3 et H4.
- contiennent toutes une quantité importante d’arginine et de lysine qui leur confèrent une charge positive et permet l’association avec l’ADN chargé négativement.
- autres protéines chromosomiques hétérogènes : participent à l’armature centrale du chromosome, à la formation du kinétochore, à la coiffe des télomètres, aux mouvements des chromosomes, à certains processus génétiques (réplication, transcription).
☞ nucléosome
- unité structurale de base d cela chromatine
- continent de l’ADN enroulé deux fois autour d’un octamère d’histone (2 répétitions d’H2A, H2B, H3 et H4). Chaque histone possède une queue à l’extérieur du noyau qui a un rôle dans l’interaction avec l’ADN et avec les nucléosomes voisins. Ces queues peuvent subir des modifications changeant la structure de la chromatine et nécessaire pour la régulation de l’expression des gènes.
L’histone H1 est en dehors de l’octamère mais a un rôle de verrou en se fixant à l’ADN enroulé autour du nucléosome. L’ensemble H1 + nucléosome = chormatosome.
Des portions d’ADN internucléosomique de 30-40 paires de bases font le lien entre les nucléosomes successifs.
☞ Niveaux de compaction supérieurs
Lorsque la chromatine est condensée, les nucléosomes se rapprochent pour former une structure compacte ayant l’apparence d’un filament de 30 nm de diamètre.
Ce filament est organisé en boucles attachées à des protéines de l’armature centrale. Les boucles se replient pour former un filament de 250 nm de diamètre.
A la métaphase, un enroulement de ce filament produit une structure plus condensée : une chromatine de 700 nm de diamètre.
Structures particulières de l’ADN
CENTROMERE
Région chromosomique où s’attachent les microtubules du fuseau mitotique, nécessaires aux mouvements normaux des chromosomes.
Rôle dans la régulation du cycle cellualire, en inhibant sa progression tant que les microtubules ne sont pas attachés.
TELOMERES
Extrémités des chromosomes
Rôle dans la stabilisation du chromosome
Ils se présentent sous forme de motifs répétés.
Réplication de l’ADN
Mécanisme de copie du matériel génétique = réplication semi-conservative
-repose sur la complémentarité des bases nucléotidiques → synthèse de brins complémentaires de chacun des brins initiaux après désappariemment
→ mécanisme d’une grande fidélité = moins d’une erreur pour 10 millions de nucléotides
- Ajout des dNTP à l’extrémité 3’ du brin en cours d’élongation par une ADN polymérase
- Déroulement de la double hélice au fur et à mesure par les hélices : création d’une fourche de réplication
- L’élongation se fait toujours dans le sens 3’ : par conséquent seul un des brins (brin précoce) possède un sens de réplication dans le même sens que le déplacement de la fourche : réplication continue.
- L’autre brin est synthétisé par fragments d’environ 200 nucléotides chez les eucaryotes : fragments d’Okazaki. Ces fragments sont ensuite reliés par une ADN ligase formant le brin tardif.
- L’initiation de la réplication se fait au moyen d’amorces synthétisées par une primase, cette amorce est ensuite éliminée et remplacée par les bases complémentaires.
Des complexes nucléoprotéiques s’associent à l’ADN polymérase et permettant l’activation et la régulation de la réplication de l’ADN à de nombreux niveaux : synthèse des amorces, déroulement de la double hélice, stabilisation des brins néo-formés
Différentes classes d’ADN
Les régions codantes (exons) ne représentent que 1,5% du génome humain;
L’ADN dit à séquence unique est constitué de séquences ayant une seule occurence dans le génome : on retrouve dans cette famille de nombreux gènes mais aussi des séquences dont la fonction est encore inconnue.
A contrario, l’ADN répétitif est présent en nombreux exemplaires dans le génome. Dans la plupart des cas, il n’a pas de fonctions cellulaires connues.
Dans la classe de l’ADN moyennement répétitif, on distingue :
- les séquences répétées en tandem, qui se regroupe en longues séries
- les séquences répétées dispersées, réparties dans tout le génome : les répétitions peuvent être courtes (Short INterspersed Element ou SINE) ou beaucoup plus longues (Long INterspersed Element ou LINE)
l’ADN hautement répétitif ou ADN satellite est composé quant à lui de séquences courtes (environ 10 pb) répétées en centaines de milliers d’exemplaires. On retrouve ces régions notamment au niveau des centromères et des télomères.
Polymorphisme du génome humain
Le terme mutation ou variant désigne tout changement de la séquence de l’ADN sans notion de pathogénicité.
Les variations non pathogènes de l’ADN appelés polymorphismes sont donc aussi des mutations pouvant se situer dans les régions codantes ou non codantes.
Le terme polymorphisme sous-entend aussi une notion de fréquence dans la population > 1%
Les mutations sont à l’origine de la diversité de l’espace et ont un rôle moteur dans son évolution;
Deux principaux types de polymorphisme sont à retenir :
- SNP : Single Nucleotide Polymorphism = mutation ponctuelle de la séquence d’ADN (un seul nucléotide). Ils sont très nombreux, environ 10 millions par génome humain, c’est-à-dire, toutes les 300 paires de bases
- CNV : Copy Number Variations = variation du nombre d’exemplaire de grands segments génomiques (de quelques Kb à q Mb). Il peut s’agir de duplication ou de délétion.
