medatlasqcmBases fondamentales ( Biologie moléculaire )
Introduction : génétique et biologie moléculaire
La génétique étudie l'hérédité, les variations entre organismes et la transmission des caractères d'une génération à une autre (entre géniteurs et descendants). Elle permet d'évaluer la transmission éventuelle de certains caractères et d'expliquer ou de prédire leurs modes de transmission.
Les organismes cellulaires se répartissent en deux grandes catégories selon la structure de leurs cellules :
| Type cellulaire | Taille | Noyau | Organisation |
|---|---|---|---|
| Procaryote | 1 à 10 µm | Absent | Un seul compartiment, limité par une membrane plasmique |
| Eucaryote | 10 à 100 µm | Présent, séparé du cytoplasme par une enveloppe nucléaire | Compartimentée |
Malgré leurs différences, cellules procaryotes et eucaryotes possèdent le même matériel génétique : les acides nucléiques.
Le matériel génétique : les acides nucléiques
Les acides nucléiques sont des polymères linéaires formés d'unités monomériques appelées nucléotides. Chaque nucléotide comporte 3 éléments : une base azotée, un sucre (pentose) et un groupement phosphate.
Structure d'un nucléotide : association d'un groupe phosphate, d'un sucre (pentose) et d'une base azotée.
L'association base + sucre (sans phosphate) est un nucléoside. L'ajout d'un, deux ou trois phosphates à un nucléoside donne un nucléotide (respectivement NMP, NDP, NTP).
Le sucre (pentose)
Le sucre est un pentose (5 atomes de carbone). Sa nature définit deux variétés d'acides nucléiques :
ADN : le sucre est un 2'-désoxyribose. Le « 2' » désigne l'atome de carbone qui a perdu son atome d'oxygène.
ARN : le sucre est un ribose (il conserve l'hydroxyle en position 2').
Les bases azotées
Il existe 5 bases azotées, réparties en deux familles selon leur noyau :
| Famille | Noyau | Bases | Présence |
|---|---|---|---|
| Puriques | Noyau purine | Adénine (A), Guanine (G) | ADN et ARN |
| Pyrimidiques | Noyau pyrimidine | Cytosine (C) | ADN et ARN |
| Pyrimidiques | Noyau pyrimidine | Thymine (T) | ADN uniquement |
| Pyrimidiques | Noyau pyrimidine | Uracile (U) | ARN uniquement |
Bases puriques : adénine et guanine (noyau purine à deux cycles).
Bases pyrimidiques : cytosine, uracile et thymine (noyau pyrimidine à un cycle).
La thymine (T) est simplement un uracile (U) portant un groupement méthyle (–CH₃) en position 5. Ne pas confondre : T dans l'ADN, U dans l'ARN.
Le groupement phosphate et la polymérisation
Un nucléoside peut porter un, deux ou trois phosphates, en position 5' ou 3' du pentose. Les acides nucléiques sont synthétisés à partir de nucléosides 5'-triphosphates.
La polymérisation se fait par une liaison 3'-5' phosphodiester : le groupement OH en 3' d'un nucléotide s'unit au groupement phosphate en 5' du nucléotide suivant. Cette liaison libère un pyrophosphate.
Squelette d'un brin d'ADN : les nucléotides sont reliés par des liaisons phosphodiester, le phosphate liant le carbone 3' d'un sucre au carbone 5' du suivant. Le brin possède une extrémité 5' (phosphate libre) et une extrémité 3' (OH libre).
Une séquence d'acide nucléique se caractérise uniquement par l'ordre des bases (le pentose et le phosphate ne varient pas). Par convention, une séquence s'écrit toujours dans le sens 5' → 3'. Exemple : 5'—AGGCTAATTTGCCATAATCGGTATCACGTCAAA—3'
L'ADN : support de l'information génétique
L'acide désoxyribonucléique (ADN) est le support de l'information génétique chez presque tous les organismes vivants.
Localisation
- Procaryotes : le matériel génétique est dans le cytoplasme.
- Eucaryotes : la quasi-totalité de l'ADN est dans le noyau ; une petite quantité (environ 1 %) est dans les mitochondries.
Composition et règle de Chargaff
L'ADN contient deux purines (A, G) et deux pyrimidines (C, T). L'information ne dépend que de l'ordre dans lequel ces 4 bases se succèdent le long de la chaîne. Les analyses de Chargaff (1947) ont montré que la quantité de bases puriques est égale à celle des bases pyrimidiques :
Règle de Chargaff : A + G = C + T, donc (A+G)/(C+T) = 1. En revanche, (C+G)/(A+T) ≠ 1. Le pourcentage en G-C est caractéristique d'une espèce donnée.
Structure en double hélice (Watson et Crick, 1953)
Le modèle en double hélice proposé par Watson et Crick en 1953 repose sur des constatations expérimentales : diffraction aux rayons X (structure hélicoïdale, clichés de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins, 1952), densité suggérant deux chaînes, et composition en bases de Chargaff. Le prix Nobel de médecine 1962 fut décerné à Crick, Watson et Wilkins.
Les deux chaînes sont maintenues par une double logique de liaisons :
| Type de liaison | Nature | Rôle |
|---|---|---|
| Phosphate–désoxyribose (phosphodiester) | Liaison forte (covalente) | Assemble les nucléotides d'un même brin (squelette) |
| Liaisons hydrogène entre bases | Liaisons faibles | Apparient les deux brins, faciles à rompre par la chaleur ou l'alcalin |
L'appariement des bases est spécifique et complémentaire :
- A avec T : deux liaisons hydrogène.
- C avec G : trois liaisons hydrogène.
Grâce à la complémentarité, la séquence d'un brin permet de déduire celle de l'autre. Les deux brins sont antiparallèles : l'un orienté 5'→3', l'autre 3'→5'. 5'—AGCCTGAATCCTAGCGAAT—3' 3'—TCGGACTTAGGATCGCTTA—5'
Dénaturation et renaturation
Les liaisons hydrogène étant faibles, les deux brins peuvent être séparés par la chaleur ou en milieu alcalin (soude) : c'est la dénaturation, qui est réversible. La réassociation des deux brins complémentaires est la renaturation (ou hybridation).
Les trois formes hélicoïdales de l'ADN
Des changements de conformation du sucre et des bases produisent différentes hélices. L'ADN existe sous trois formes principales :
| Forme | Fréquence | Sens de l'hélice | Particularités |
|---|---|---|---|
| B | La plus fréquente | Droite | Forme hydratée présente dans la cellule ; grand sillon (contact des protéines de régulation) et petit sillon ; 10 pb/tour (3,4 nm) |
| A | Moins fréquente | Droite | ADN déshydraté/cristallisé ; forme spécifique de la transcription ; 11 pb/tour ; l'ADN reprend la forme B en fin de transcription |
| Z | La plus rare | Gauche | Courtes molécules riches en G-C ; squelette phosphate en zigzag ; 12 pb/tour |
En résumé : la double hélice est faite de deux brins complémentaires et antiparallèles, appariés par des liaisons hydrogène ; la forme B (droite, 10 pb/tour) est la forme physiologique dans la cellule.
L'ARN
L'acide ribonucléique (ARN) diffère de l'ADN par plusieurs points : structure simple brin, sucre = ribose, thymine remplacée par l'uracile, et synthèse à partir de l'ADN au cours de la transcription. L'enzyme transcriptase inverse permet à certains virus à ARN de synthétiser de l'ADN à partir de l'ARN.
La classification des ARN est liée à leurs fonctions. On distingue trois grands types :
| Type | Proportion | Rôle |
|---|---|---|
| ARN messager (ARNm) | ~5 % | Copie transcrite d'un gène ; matrice de la traduction ; monocaténaire, durée de vie courte ; intermédiaire entre ADN et protéines |
| ARN de transfert (ARNt) | ~15 % | Adaptateur ; apporte les acides aminés aux ribosomes lors de la traduction |
| ARN ribosomique (ARNr) | ~80 % | S'associe aux protéines pour former le ribosome, support de la synthèse protéique |
Particularités de l'ARNt
L'ARNt est de petite taille (73 à 93 nucléotides) et adopte une structure en trèfle. Il porte un anticodon (triplet complémentaire du codon de l'ARNm) et une extrémité 3'OH qui fixe l'acide aminé correspondant (séquence terminale CCA constante pour tous les ARNt). Il contient de nombreux nucléotides modifiés (environ 1 sur 10).
Autres ARN
D'autres ARN non codants jouent un rôle important : les petits ARN nucléaires (snRNA, épissage du pré-ARNm), les petits ARN nucléolaires (snoRNA, maturation des ARNr), et les microARN (miRNA, ~22 pb, régulation post-transcriptionnelle et de la traduction).
Comparaison ADN / ARN
| Caractéristique | ADN | ARN |
|---|---|---|
| Structure générale | Deux brins en double hélice | Un seul brin |
| Sucre | Désoxyribose | Ribose |
| Bases azotées | A, G, C, T | A, G, C, U |
| Fonction | Support de l'information génétique | Aide à fabriquer les protéines |
| Localisation | Dans le noyau | Commence dans le noyau, peut se déplacer dans le cytoplasme |
Organisation du matériel génétique chez l'Homme
Chez l'Homme, la longueur totale de l'ADN est estimée à 3,2 milliards de paires de bases (environ 2 m par génome haploïde). Pour tenir dans le noyau, l'ADN s'associe à des protéines et subit un haut degré de condensation.
La chromatine et le nucléosome
La chromatine est le complexe ADN + protéines (histones et non-histones) des eucaryotes ; c'est la substance nucléaire qui fixe les colorants basiques.
Les histones sont de petites protéines basiques (riches en histidine, lysine, arginine). L'unité de base de la chromatine est le nucléosome : un ADN qui s'enroule environ 1,65 fois (~147 pb) autour d'un cœur (octamère) contenant deux molécules de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4. L'histone H1 lie l'extrémité de chaque nucléosome (nucléosome + H1 = chromatosome). Les nucléosomes s'organisent en « collier de perles », puis la fibre s'enroule (liaisons entre H1) en une structure de 30 nm de diamètre (6 nucléosomes par tour).
Les niveaux successifs de compaction de l'ADN : double hélice (2 nm) → chromatine en « collier de perles » (11 nm) → fibre de nucléosomes empilés (30 nm) → boucles étalées (300 nm) → partie condensée (700 nm) → chromosome métaphasique (1 400 nm), forme la plus compacte de la chromatine.
Euchromatine et hétérochromatine
| Critère | Euchromatine | Hétérochromatine |
|---|---|---|
| Aspect en interphase | Décondensée, dispersée | Condensée |
| Activité | Génétiquement active | Inactive (pauvre en gènes) |
| Localisation | Chromatides, diffuse | Péricentromérique et télomérique, périphérie/nucléole |
| Réplication | Phase S précoce et moyenne | Phase S tardive |
| Type d'ADN | Séquences uniques (SINE, LINE) | Séquences répétées (ADN satellites) |
| Recombinaison méiotique | Normale | Absente |
Le chromosome
L'ADN est compacté en chromosomes. La cellule humaine comporte 23 paires : 22 paires d'autosomes et une 23ᵉ paire de chromosomes sexuels (X et Y). Les chromosomes n'ont pas la même taille : le plus petit est le chromosome 21, le plus grand le chromosome 1 (près de cinq fois plus gros).
Chaque chromosome métaphasique est constitué de deux chromatides sœurs réunies par un centromère (constriction primaire), dont la position définit les bras courts (p) et les bras longs (q). Les extrémités distales sont les télomères.
Caryotype humain : 22 paires d'autosomes (numérotées de 1 à 22) et la paire de chromosomes sexuels (ici X et Y, caryotype masculin). L'interprétation d'un caryotype repose sur le nombre, la taille et la structure des chromosomes.
Télomères et centromère
| Structure | Caractéristiques et rôle |
|---|---|
| Télomères | Extrémités terminales des chromosomes, indispensables à l'intégrité du matériel génétique. Riches en séquences répétées en tandem 5'-TTAGGG (~1000 répétitions), se terminant par une extrémité 3' simple brin riche en G coiffée d'un « chapeau » protecteur. Rôles : protection contre la dégradation, prévention des recombinaisons aberrantes, ségrégation des chromosomes, attachement à la matrice nucléaire. Leur raccourcissement (après ~40 à 60 cycles de réplication) explique en partie la mort naturelle de la cellule. |
| Centromère | Zone de constriction, site de fixation des microtubules lors de la division. Assure l'alignement en métaphase et la ségrégation correcte des chromosomes en anaphase. Constitué d'ADN satellites (séquences répétées). Sa perte entraîne une instabilité chromosomique. |
Le génome humain
Le génome humain est constitué de deux génomes : le génome nucléaire (dans le noyau, appelé par défaut « génome humain ») et le génome mitochondrial (dans les mitochondries).
Le génome nucléaire comporte environ 3,2 milliards de paires de bases et un nombre de gènes codant pour des protéines estimé entre 20 000 et 25 000 (ce nombre n'inclut pas les gènes codant pour les ARN non codants). La quasi-totalité de la séquence a été publiée en 2001-2003 ; en avril 2022, le consortium Telomere-to-Telomere (T2T) a séquencé les 8 % restants.
Seule une faible partie du génome (environ 5 %) code pour des protéines ; environ 0,5 % correspond à des pseudogènes, le reste étant constitué d'introns et d'ADN intergénique.
Le gène
Un gène est un segment d'ADN contenant l'information nécessaire à la production d'un ARN (transcription) qui pourra être traduit en protéine (traduction). Un gène peut coder plusieurs protéines par épissage alternatif.
Un gène est une entité discontinue : les parties codantes (exons) sont séparées par des parties non codantes (introns), éliminées lors de la maturation de l'ARNm. En amont (en 5') se trouve le promoteur, région régulatrice de la transcription.
Le code génétique
La séquence des bases est lue par triplets (codons). Une lecture par doublets ne donnerait que 16 combinaisons (4²), insuffisantes pour 20 acides aminés ; la lecture par triplets offre 64 combinaisons (4³).
64 codons pour 20 acides aminés : le code génétique est dit dégénéré (redondant). Le codon initiateur ATG code la méthionine initiatrice ; trois codons-stop (TAA, TAG, TGA) signalent la fin de la traduction.
Les polymorphismes génétiques
Les polymorphismes résultent de mutations et peuvent se situer dans les régions codantes, non codantes ou intergéniques. On distingue schématiquement :
| Classe | Description |
|---|---|
| Polymorphismes bi-alléliques | Un nucléotide différent sur chacun des deux chromosomes d'une paire (ex. SNP : single nucleotide polymorphism) |
| Polymorphismes multi-alléliques | Courtes séquences répétées de taille variable. Microsatellites (STR) : répétitions mono- à pentanucléotidiques (~100 à 300 pb), points chauds de mutation, informatifs, amplifiables par PCR, utilisés en diagnostic moléculaire indirect et pour les empreintes génétiques (tests de paternité, criminalistique). Minisatellites (VNTR) : séquences de 15 à 70 pb répétées en tandem |
Le génome comporte aussi des éléments répétés dispersés : SINE (courts, < 500 pb), LINE (longs, ~6 à 7 kb) et les ADN satellites α (centromériques, ~171 pb) et β (~68 pb, hétérochromatine des chromosomes acrocentriques et du chromosome 9).
L'ADN mitochondrial
L'ADN mitochondrial est un ADN nu, double brin, circulaire, non lié aux histones, d'environ 16,5 kb. Il n'a ni introns ni système de réparation, d'où un taux de mutation environ dix fois plus élevé que l'ADN nucléaire. Sa transmission est maternelle.
| Critère | Génome nucléaire | Génome mitochondrial |
|---|---|---|
| Taille | ~3,2 × 10⁹ pb | ~16 559 pb |
| Gènes codants | ~20 000 | 13 |
| Introns | Présents | Absents |
| Hérédité | Mendélienne | Maternelle |
Ne pas confondre les deux hérédités : le génome nucléaire suit une hérédité mendélienne (contribution des deux parents), tandis que le génome mitochondrial suit une hérédité maternelle (transmis par la mère).
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