Chapitre 2 Gilles Bourbonnais Cours compensateurs Université Laval L'information génétique 1. Information génétique et protéines 50% du poids sec de la plupart des cellules = protéines Protéine = polymère (chaîne) d'acides aminés Insuline Chaque protéine est caractérisée par sa séquence d'acides aminés. Ex. le lysozyme (126 AA) Lys-Val-Phé-Gly-Arg-Cys-Glu-Leu-Ala-Ala-Ala-Met-Lys-Arg-His-Gly-Leu-AspAsn-Tyr-Arg-Gly-Tyr-Ser-Leu-Gly-Asn-Trp-Val-Cys-Ala-Ala-Lys-Phe-Glu-SerAsn-Thr-Gln-Ala-Thr-Asn-Arg-Asn-Thr-Asp-Gly-Ser-Thr-Asp-Tyr-Gly-Ilu-LeuGln-Ilu-Asn-Ser-Arg-Trp-Trp-Cys-Asn-Asp-Gly-Arg-Thr-Pro-Gly-Ser-Arg-AsnLeu-Cys-Asn-Ilu-Pro-Cys-Ser-Ala-Leu-Leu-Ser-Ser-Asp-Ilu-Thr-Ala-Ser-ValAsn-Cys-Ala-Lys-Lys-Ilu-Val-Ser-Asp-Gly-Asp-Gly-Met-Asn-Ala-Trp-Val-TrpArg-Asn-Arg-Cys-Lys-Gly-Thr-Asp-Val-Gln-Ala-Trp-Ilu-Arg-Gly-Cys-Arg-Leu Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA) Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Try-Gly-Lys-ValAsp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-TyrPro-Try-Thr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-Ser-Thr-Pro-AspAla-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-GlyAla-Phé-Ser-Asp-Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phé-AlaThr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-Val-Asp-Pro-Glu-Asp-PhéArg-Leu-Leu-Gly-Asp-Val-Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-LysGlu-Phé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-Val-Val-Ala-Gly-ValAla-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-His • On connaît actuellement ~ 8000 protéines différentes. • On en découvre une centaine de nouvelles par mois. • Nombre total de protéines que peut fabriquer l'organisme humain = ??? (quelque chose entre 50 000 et 150 000). • Chaque cellule fabrique les protéines dont elle a besoin. • Pour fabriquer une protéine, il faut deux choses: • Des acides aminés. • La recette: quels acides aminés il faut assembler et dans quel ordre. Où sont les recettes ??? "Recettes" contenues dans le noyau Noyau contient une matière appelée chromatine Chromatine = mélange de protéines appelées histones et d'ADN (environ moitié-moitié) ADN = recettes des protéines 2. Structure moléculaire de l'ADN Découverte de la structure de la molécule d'ADN Crick et Watson Acide DésoxyriboNucléique ADN = polymère de nucléotides Il y a quatre sortes de nucléotides : A, T, C et G NUCLÉOTIDE Base azotée Groupement phosphate Sucre : désoxyribose Base azotée Désoxyribose Phosphate Il y a quatre sortes de bases azotées: DONC quatre sortes de nucléotides: A, T, C et G Les nucléotides peuvent se lier les uns aux autres par leur sucre (désoxyribose) et leur groupement phosphate. Erwinn Chargaff (1947) Si on sépare une molécule d'ADN en nucléotides, on obtient toujours: A=T et C=G Il peut y avoir plus de AT que de CG ou l'inverse (ça varie selon les espèces), mais il y a toujours autant de A que de T et de C que de G. Pourquoi ? Hypothèse de Crick et Watson: A peut s'apparier avec T et C avec G: A avec T : deux liaisons hydrogène (liaisons faibles). C avec G : trois liaisons hydrogène DONC Deux chaînes de nucléotides peuvent s'unir l'une à l'autre si leurs bases sont complémentaires (A face à T et C face à G). CE QUI EST LE CAS POUR L'ADN L'orientation entre les liaisons donne une structure en forme de double hélice: Patron de diffraction aux rayons X de la molécule d'ADN obtenu en 1952 par Rosalind Franklin (1920-1958) et Maurice Wilkins. Nobel de médecine 1962 décerné à Crick, Watson et Wilkins 3. Les chromosomes et le code génétique 5 millions de paires de base. ~ 5000 paires de bases Longueur totale ~ 1,5 mm Bactérie E. coli "éclatée". Dans une bactérie: L'ADN s'est répandu autour 1 seule molécule d'ADN de la bactérie. Dans une cellule humaine : 46 molécules d'ADN Chaque molécule d'ADN s'enroule sur des protéines (histones) et forme un chromosome. Un chromosome = ADN une molécule d'ADN et les protéines sur lesquelles elle s'enroule. Histones L'ensemble des chromosomes forme la chromatine Petite portion d'un chromosome humain 50 000 X 150 000 X Portion du chromosome 4 L'ADN a été séparé des protéines qui y sont normalement associées (4nm DNA). Génome humain (toute l'information nécessaire pour fabriquer un humain) : 30 000 à 40 000 gènes Combien y aurait-il de nucléotides dans le gène d'une protéine de 100 AA ? Tous ces gènes sont répartis en 23 molécules d'ADN (chaque molécule comporte plus d'un millier de gènes "bout à bout"). 23 molécules d'ADN ~ 1 m de longueur si on les met bout à bout ~ 3 milliards de paires de bases Si chaque paire de bases est représentée par une lettre il faudrait l'équivalent de 800 bibles pour écrire le génome humain. Chaque cellule (sauf gamètes reproducteurs) contient deux exemplaires du génome humain (un qui vient du père et l'autre de la mère). DONC chaque cellule contient 46 chromosomes Le nombre de chromosomes est variable selon l'espèce: Chien………………….78 Chat………………...…38 Rat………..……………42 Les individus diffèrent les uns des autres par leur ADN. Il n'y a pas deux personnes (sauf jumeaux identiques) qui ont le même ADN. 4. Le code génétique ADN = information sous forme CODÉE = code génétique Code = faire correspondre un symbole ou un groupe de symboles à quelque chose d'autre. Ex. Code binaire des ordinateurs Code du français écrit Codes secrets des espions Etc. Exemple: supposons qu'on veuille écrire des mots en formant des colliers avec des perles de quatre couleurs différentes. On pourrait attribuer une lettre à chaque couleur: Problème : on ne peut pas désigner plus de 4 lettres sur 26. Regroupons les billes deux à deux: Ex. Problème : on ne peut désigner que 16 lettres (42) Regroupons les billes trois à trois: Combine y a-t-il de combinaisons possibles ? 64 (43) On pourrait donc écrire ce qu'on veut avec 4 billes différentes si on les regroupe 3 à 3. Pourrait-on utiliser ce code de 3 billes pour représenter des acides aminés (il y en a 20 différents) plutôt que des lettres ? On peut miniaturiser le code en remplaçant les billes par quelque chose de beaucoup plus petit: des nucléotides. On obtient alors un message de dimension moléculaire. Dans la cellule, chaque groupe de trois nucléotides désigne un acide aminé: Ce brin d'ADN correspond à la "recette" de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu Le message, la "recette" peut être porté par l'un des deux brins (le brin du bas dans ce cas). Le code génétique (déchiffré entre 1960 et 1964) AAA AAG AAT AAC GAA GAG GAT GAC TAA TAT TAG TAC CAA CAT CAG CAC Phénylalanine Phénylalanine Leucine Leucine Leucine Leucine Leucine Leucine Isoleucine Isoleucine Isoleucine Méthionine Valine Valine Valine Valine AGA AGG AGT AGC GCA GCG GCT GCC TGA TGG TGT TGC CGA CGG CGT CGC Sérine Sérine Sérine Sérine Proline Proline Proline Proline Thréonine Thréonine Thréonine Thréonine Alanine Alanine Alanine Alanine ATA ATG ATT ATC GTA GTG GTT GTC TTA TTG TTT TTC CTA CTG CTT CTC Tyrosine Tyrosine STOP STOP Histidine Histidine Glutamine Glutamine Asparagine Asparagine Lysine Lysine Asparagine Asparagine Ac. glutamique Ac. glutamique ACA ACG ACT ACC GCA GCG GCT GCC TCA TCG TCT TCC CCA CCG CCT CCC Cystéine Cystéine STOP Tryptophane Arginine Arginine Arginine Arginine Sérine Sérine Arginine Arginine Glycine Glycine Glycine Glycine N.B. 64 combinaisons pour 20 acides aminés. Code redondant (il est dit dégénéré): plusieurs triplets différents peuvent coder pour le même acide aminé. Trois triplets signifient la fin de la recette : triplets STOP Un segment d'ADN portant toute l'information nécessaire pour la synthèse d'une protéine = gène Ex. gène du lysozyme gène de l'anhydrase carbonique gène du collagène Gène de de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu 5. La réplication de l'ADN Lorsqu'une cellule se divise en deux cellules identiques, tout l'ADN doit aussi être reproduit. Chaque fois qu'une cellule se reproduit, elle commence par reproduire en deux exemplaires identiques chacun de ses chromosomes. L'ADN est séparé en deux brins Des nucléotides libres dans le noyau (pièces de constructions toujours présentes) viennent sapparier à chacun des deux brins (A avec T et C avec G) 6. Le génie génétique Le code génétique est le même pour tous les êtres vivants. Un même gène donnera toujours la même protéine, peu importe l'espèce de l'individu. On peut introduire un gène d'une espèce dans une autre espèce = génie génétique Ex. production d'insuline humaine par une bactérie : On prélève le gène de l'insuline humaine et on l'introduit dans le plasmide d'une bactérie. On extrait les plasmides de bactéries Une enzyme ouvre les plasmides On extrait ou on synthétise le gène à greffer On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme fusionne les brins d'ADN Les plasmides sont réintroduits dans des bactéries Le gène est reproduit quand la bactérie se reproduit Exemples: bactéries qui synthétisent: Insuline Facteurs de coagulation Hormone de croissance Enzymes pouvant métaboliser certains polluants (pétrole par exemple) Protéines synthétiques qui n'existent pas dans la nature ETC. On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires: Végétaux: Le gène est introduit dans une cellule du parenchyme ou méristématique. Cette cellule est multipliée en éprouvette pour former un nouvel individu (cloning). Animaux: Le gène est introduit dans un ovule fécondé. L'ovule fécondé est implanté dans l'utérus d'une mère porteuse. Plantes résistantes aux insectes. Résistantes aux herbicides. Résistantes au gel. Fruits et légumes qui se conservent plus longtemps. Nouvelles saveurs. Plantes plus riches en certains éléments nutritifs (vitamines par exemple). ETC. Animaux à croissance plus rapide. Animaux plus faibles en gras. Animaux plus productifs (en lait, en viande, en œufs). Production de protéines à usage pharmaceutique (insuline, par exemple). ETC. DANGERS ????? Pour la santé? Pour l'environnement ? Thérapie génique: corriger les gènes défectueux en introduisant dans les cellules le gène normal. Problème : comment introduire le gène dans chacune des cellules à corriger??? 7. La division cellulaire La mitose Au cours de la mitose: • Chaque chromosome est répliqué en deux copies identiques : les chromatides sœurs. • Les chromatides demeurent liées par le centromère. • Les copies se séparent. Chromatides sœurs • Chaque copie migre dans une cellule Centromère Mitose d'une cellule à 4 chromosomes. Les chromosomes se dédoublent Les chromosomes se spiralisent Les copies se séparent On obtient deux cellules identiques 6. Le cancer Une cellule peut perdre le contrôle de sa division. Elle peut alors former une tumeur. Tumeur bénigne : • Les cellules demeurent regroupées et ne se séparent pas. La tumeur n’envahit pas d’autres tissus. • La tumeur demeure bien circonscrite. Tumeur maligne: • La tumeur envahit d’autres tissus • Des cellules se détachent de la tumeur principale et vont former d'autres tumeurs dans le corps = cancer Principales anomalies des cellules cancéreuses: • Division anarchique (sans contrôle) et perpétuelle (cellules immortelles). • Perte d'inhibition de contact. • Perte de spécialisation. • Absence de cohésion entre les cellules : formation de métastases. Tumeur au cerveau Tumeur au sein Tumeur à la prostate 8. Le cloning B A On extrait une cellule ordinaire de la brebis A. On extrait un ovule de la brebis B. Le noyau de l'ovule est détruit et remplacé par le noyau de la cellule de la brebis A. C Clone de A L'ovule avec son nouveau noyau est implanté dans une brebis C. Qui donne alors naissance à un jumeau identique (clone) de A. Dolly 1996-2003 N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais avant de réussir. F I N Peut-être un jour ???
