2 expression du patrimoine génétique, stabilité et variation de l`adn

COURS ÉLÈVES
01/10/14
2 EXPRESSION DU PATRIMOINE GÉNÉTIQUE,
STABILITÉ ET VARIATION DE L'ADN
Le fonctionnement d'un être vivant est sous le contrôle de son ADN en interaction avec son
environnement. Nous nous intéresserons:
aux modalités de sa transmission de l'ADN de cellule en cellule
à la manière dont l'ADN contrôle le fonctionnement des cellules.
à l'origine de la variabilité de la molécule d'ADN
Dans le noyau, l'ADN est associé à des protéines formant ainsi un ensemble facilement colorable, la
chromatine. Lors des divisions cellulaires, la chromatine (état non condensé de l’ADN) s'enroule, se condense
en structures visibles au microscope ordinaire, les chromosomes , structures constantes des cellules à noyau
(eucaryotes). Les chromosomes sont donc dans des états de condensation variables au cours du cycle cellulaire.
2.1
Transmission de la molécule d'ADN de cellule en cellule: la reproduction conforme de la cellule
2.1.1 Les étapes de la mitose au niveau cellulaire (cytologique)
En général la division cellulaire est une reproduction conforme qui conserve toutes les
caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes = 23 paires de chromosomes
dans l'espèce humaine).
Le cycle cellulaire se déroule en 2 grandes étapes: l'interphase, étape du travail normal de la
cellule, puis mitose, étape de division de la cellule   . Ces 2 étapes comportent des phases dont
les caractéristiques expliquent cette reproduction conforme .
L' interphase comporte une phase où les chromosomes sont à l'état standard (2 brins
complémentaires de nucléotides au niveau de l'ADN), la phase G1, une phase de synthèse d'ADN, la
phase S et une phase de préparation de la division, phase G2. La mitose comporte 4 phases principales
décrites sur le schéma ci-dessous (étapes 2 à 7 du schéma) . les chromosomes se déplacent le long de
protéines tubulaires constituant une
structure appelée fuseau.
Les étapes de la
mitose, observation
cytologique
2.1.2 La mitose au niveau moléculaire
Comme vu en seconde, l'ADN est le support de l'information génétique. L'ADN est formé d'une
chaîne composée de deux brins complémentaires de nucléotides. Chaque nucléotide est formé par
l'association d'un phosphate, d'un sucre (le désoxyribose) et d'une base azotée. Il y a 4 bases azotées
différentes (adénine, guanine, cytosine, thymine) dans l'ADN donc 4 types de nucléotides. la séquence
nucléotidique de l'ADN détermine les caractéristiques de l'individu.
Chaque chromatide contient une molécule d’ADN. Au cours de la phase S, l’ADN subit la
réplication semi-conservative  . En l'absence d’erreur, ce phénomène préserve, par copie conforme,
la séquence des nucléotides.
Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois
1 Sur 7
COURS ÉLÈVES
01/10/14
Réplication de l'ADN
L'enzyme (= catalyseur biologique = accélérateur de réaction) est indispensable au bon
déroulement de la réplication.
Évolution du taux
d'ADN au cours du
cycle cellulaire
Schéma récapitulatif
du cycle cellulaire
Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois
2 Sur 7
COURS ÉLÈVES
2.2
01/10/14
Détermination du phénotype, rôles des protéines et de l'ADN:
2.2.1 Les molécules responsables du phénotype :
La drépanocytose est une maladie provoquée par la mutation du gène codant pour la 
hémoglobine (gène porté par le chromosome 11). Le phénotype malade comporte des aspects macroscopiques qui
s’expliquent par la modification d’une protéine. Ces protéines, en régissant la structure et les activités
cellulaires, contribuent à l'établissement du phénotype.
Protéine particulière 
propriétés particulières 
phénotype particulier
Les propriétés des protéines dépendent de leur séquence en acides aminés (structure primaire). La
structure primaire (20 acides aminés différents) détermine par repliements successifs la structure
spatiale de la protéine (forme) celle ci déterminant à son tour les propriétés de la protéine. Finalement, les
phénotypes alternatifs sont dus à des différences dans les protéines concernées .
Séquence en acides aminés 
forme de la protéine 
propriétés

phénotype
Influence de la séquence en
acides aminés sur la forme de
la protéine
La valine en position 6 sur l'hémoglobine
S permet la création de liaisons entre les
molécules d'hémoglobine S lorsque le globule
rouge est peu oxygéné ceq ui rigidifie les
globules rouges
Le phénotype macroscopique dépend du phénotype cellulaire, lui-même induit par le phénotype
moléculaire. Au niveau moléculaire, ce sont les protéines qui sont responsables du phénotype. Les
protéines sont les molécules réalisant l'essentiel du travail dans les cellules (les « ouvriers » de la cellule).
Nous avons ainsi parlé des récepteurs de neuromédiateurs ou de l'ADN polymérase qui réalisent chacune
un travail particulier fondamental pour l'organisme.
En conséquence se pose la question de ce qui détermine les caractéristiques des protéines.
Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois
3 Sur 7
COURS ÉLÈVES
01/10/14
2.2.2 De l'ADN à la protéine: le codage de l'information
Chaque acide aminé de la protéine est codé par 3 nucléotides successifs au niveau de l'ADN. Ce
triplet est appelé un codon. 64 codons codent pour 20 acides aminés (code redondant) . La séquence
des acides aminés d'une protéine dépend de la portion codante de la molécule d'ADN.
Un gène est une séquence de nucléotides, une série de codons, déterminant la séquence d'une
protéine donnée. La molécule d'ADN d'un chromosome est le support de très nombreux gènes (23000
gènes pour l'espèce humaine). Il se trouve à un endroit déterminé sur un chromosome (son locus)
ADN
codon
ATG TTT CAT AGT
Acide aminé Mét Phe His
Ser
Protéine
Séquence ADN 
Séquence en AA 
forme protéine 
propriétés
 phénotype
Rappel: Un gène donné peut présenter différentes séquences de nucléotides, chaque séquence
particulière est appelée un allèle. L'ensemble des allèles constituent le génotype.
Chaque chromosome comporte de nombreux gènes. Pour un gène donné, il existe généralement
dans une population de nombreuses versions différentes du gène: ce sont ses allèles. Lorsqu’un
chromosome est en 2 exemplaires dans la cellule (cas général sauf XY chez l’homme), la cellule
comporte 2 allèles pour le même gène. Ces 2 allèles peuvent être différents (individu hétérozygote) ou
identiques (individu homozygote). Un allèle confronté à un autre s'exprimer alors que l'autre ne s'exprime
pas, celui qui s'exprime est qualifié de dominant, celui qui ne s'exprime pas est qualifié de récessif .
2.2.3 Le rôle du milieu dans la détermination du phénotype
Les allèles fournissent un potentiel à l’organisme mais l’influence du milieu est déterminante dans
la détermination du phénotype de l'individu, dans la détermination de ses caractéristiques réelles. Les
effets du milieu peuvent être réversible ou irréversibles.
Ainsi en est il de l'influence du soleil sur la couleur de la peau des personnes à peau claire, de
l'influence de l'alimentation sur la masse corporelle, de l'influence de la cigarette sur les capacités
respiratoires … .
Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois
4 Sur 7
COURS ÉLÈVES
2.3
01/10/14
Les étapes de la synthèse des protéines à partir du message codé au niveau de l'ADN
2.3.1 De l'ADN a l'ARN messager: la transcription
La synthèse des protéines se fait dans le cytoplasme alors que l'information génétique est dans le
noyau. Une molécule assure le transfert de l'information du noyau vers le cytoplasme.
Dans le noyau (cellules à noyau = eucaryotes), un des brins de l'ADN est transcrit en une autre
molécule, l'ARN prémessager, ce brin d'ADN est qualifié de brin transcrit (l'autre brin est le brin
codant)  .
L'ARN prémessager est modifié en ARN messager (maturation) dans le noyau. Cette étape de
maturation va enlever des parties de l'ARN prémessager et recoller les morceaux restants pour former
l'ARN messager. Le découpage pouvant se produire de différentes manières, cela peut permettre de
fabriquer plusieurs ARN messagers à partir d'un même gène. L'ARN messager est ensuite chargé de
transporter l'information du noyau vers le cytoplasme .
L'ARN messager est constitué de 4 types de nucléotides correspondant à 4 bases azotées, adénine,
guanine, cytosine et uracile. La synthèse de l'ARN messager est catalysée (accélérée) par une ARN
polymérase (enzyme).
Séquence ADN (brin transcrit)  Séquence ARN
2.3.2 De l'ARN messager à la protéine: la traduction
La traduction est la synthèse cytoplasmique de chaînes protéiques . Elle est réalisée par les
ribosomes. La séquence des acides aminés dépend de celle des nucléotides de l'ARN messager suivant un
système de correspondance, le code génétique (commun à la plupart des êtres vivants). La traduction
débute au codon d'initiation AUG qui oriente la lecture du message au niveau de l'ARN messager et
s'arrête à un codon stop UAG … . En présence d'un codon donné, un ARN de transfert (transporteur
d'acide aminé) apporte un acide aminé précis. Exemple si le codon est AUG, l'acide aminé est la
méthionine.
Séquence ADN  Séquence ARN  Séquence en AA  forme protéine  propriétés phénotype
L’ensemble des protéines qui se
trouvent dans une cellule (phénotype
moléculaire) dépend :
- du patrimoine génétique de la
cellule (une mutation allélique
peut être à l’origine d’une protéine
différente ou de l’absence d’une
protéine) ;
- de la nature des gènes qui
s’expriment sous l’effet de
l’influence de facteurs internes et
externes variés (localisation des
cellules par exemple).


Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois
5 Sur 7
COURS ÉLÈVES
01/10/14
2.4
La variabilité génétique et ses conséquences
L’ADN peut présenter des erreurs spontanées, rares et aléatoires, les mutations (addition délétion
substitution)  . Elles apparaissent en particulier lors de la réplication de l'ADN et leur fréquence est
augmentée par l’action d’agents mutagènes (UV dont soleil, benzopyrène dont fumée de cigarette, chaleur,
virus ...) .
Le plus souvent l’erreur est réparée par des systèmes enzymatiques . Quand elle ne l’est pas, si les
modifications n’empêchent pas la survie de la cellule, elle pourra être transmise si la cellule se divise (voir
mécanisme de la mitose).
2.4.1 Conséquences d'une mutation en fonction du type de cellule touchée
Si une mutation affecte une cellule germinale du parent (cellule intervenant lors de la
reproduction), en raison du mécanisme des mitoses, toutes les cellules de l'organisme sont touchées. Elle
est donc héréditaire.
Si une mutation affecte une cellule somatique du parent (cellule non germinale), en raison du
mécanisme des mitoses, seules les cellules descendant de la cellule touchée sont affectées. Elle n'est donc
pas héréditaire.
Cellule germinale
Œuf
affectée
Cellule somatique
mitoses
affectée
2.4.2 Mutations et biodiversité
Une mutation peut conduire à un nouvel allèle fonctionnel et n'affectant pas de manière notable le
fonctionnement de l'organisme. Elle devient alors source de la diversité des allèles, fondement de la
biodiversité.
Ainsi le gène MC1-R (porté par le chromosome 16) code pour une protéine contrôlant la formation de
pigments bruns au niveau de la peau et des poils. Si la mutation de ce gène inactive le récepteur MC1R, il
n'y a pas de fabrication de pigment brun, donc les individus ou animaux auront une couleur claire.
Ces variations peuvent présenter des implications en matière de santé :
Biodiversité humaine constituant une protection de la population contre les changements de milieu.
Exemple des contrôleurs pour le SIDA
L’enzyme apobec3 est capable de provoquer des mutations inactivant l‘ADN viral
Le virus du SIDA est généralement insensible à cette enzyme
Une mutation de l’enzyme apobec3 (sur le chromosome 22) peut rétablir sa capacité à inactiver l’ADN du VIH
La personne est ainsi protégée contre le développement du VIH
Biodiversité microbienne expliquant la résistance des populations de microbes aux médicaments
Exemple de la résistance de certaines bactéries contre les antibiotiques.
Le médicament tue toutes les bactéries sauf celles ayant muté, résistantes.
Si les antibiotiques sont trop utilisés, les bactéries résistantes, n’ayant plus de concurrentes, se multiplient.
Il y a eu sélection « naturelle » des bactéries résistantes
Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois
6 Sur 7
COURS ÉLÈVES
01/10/14
2.4.3 Mutations et maladies
Une mutation peut conduire à un nouvel allèle non fonctionnel ou à un allèle fonctionnel mais dont
le nouveau fonctionnement altère le fonctionnement de l'organisme. Elle devient alors source de maladie.
Le cancer est ainsi une maladie issue d'une mutation d'un gène contrôlant la division cellulaire 
. Les divisions cellulaires deviennent incontrôlées ce qui perturbe le fonctionnement de l'organisme.
La présence d'une mutation peut augmenter le risque de maladie sans la déclencher de manière
systématique (le mode d'action de la mucoviscidose n'est donc pas le cas le plus général). En général les
modes de vie et le milieu interviennent également, et le développement d’une maladie dépend alors de
l’interaction complexe entre facteurs du milieu et génome. Un exemple de maladie (maladie cardiovasculaire, diabète de type
II) permet d’illustrer le type d’études envisageables
gènes
protéines
phénotype
environnement
La connaissance de la nature des perturbations du génome responsable d’un cancer permet d’envisager
des mesures de protection (évitement des agents mutagènes, surveillance, vaccination).
Par des actions sur l'environnement
par des actions sur les gènes
Dans le cas de la mucoviscidose, on limite les effets de la maladie en agissant sur des paramètres du
milieu. La thérapie génétique (ajout d'un allèle fonctionnel dans les cellules malades) constitue un espoir de
correction de la maladie dans les cellules pulmonaires atteintes.
Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois
7 Sur 7