VII- Les variations de l`ADN

VII- Les variations de l’ADN
!  Concernent aussi bien les cellules somatiques
que germinales
!  Permettent l’évolution du contenu des
chromosomes
VI- Les variations de l’ADN
A- Les mutations : modifications
non systématisées
!  Les systèmes de réparation peuvent :
–  défaillir et laisser passer une mutation
–  être impuissants quand par exemple certaines
modifications de bases ne sont reconnues par
aucune enzyme
La mutation ne sera pas réparée et va se
transmettre
VI- Les variations de l’ADN
B- La recombinaison
!  La recombinaison implique l’échange physique
de régions correspondantes dans des molécules
d’ADN
!  Aboutit à la formation d’ADN double brin
contenant des régions provenant de duplex
parentaux différents reliés par un segment
hybride dans lequel un brin provient de chaque
parent
!  Permet :
–  le brassage des gènes et donc de garder les allèles
favorables et d’éliminer un allèle défavorable
!  A lieu entre des séquences correspondantes è
touche plusieurs paires de bases
!  Trois types de recombinaison:
–  Recombinaison homologue : réaction entre des
séquences homologues d’ADN : recombinaison
homologue ou généralisée
•  Eucaryotes : méïose
–  Recombinaison site-spécifique : réactions impliquent
des séquences spécifiques
–  Transposition (voir plus loin)
Etapes
!  La recombinaison débute par une coupure
double brin par une endonucléase dans la
molécule d’ADN dite receveuse
Etapes (2)
!   Puis élargissement de la brèche par une
exonucléase è extrémités 3’OH simple brin
5’
3’
5’
3’
5’
3’
3’
5’
Etapes (3)
!   L’ extrémité 3’ de l’ADN receveur migre
jusqu’à l’autre duplex (donneur)
3’
Boucle D
Etapes (4)
!   La synthèse réparatrice réalisée à partir de l’extrémité
3’ libre déplace un brin dans la région de la brèche
Etapes (5)
!   Le brin déplacé migre jusqu’à l’autre duplex
Etapes (6)
!   La synthèse réparatrice d’ADN débute à partir
de l’autre extrémité 3’
La brèche est remplacée par une séquence
provenant du donneur
Etapes (7)
!   La migration réciproque produit un double
crossing-over
!  Un ADN hybride est formé à chaque extrémité
de la région impliquée dans l’échange
!  Entre les segments hybrides, région
correspondant à la brèche qui contient à présent
la séquence de l’ADN du donneur dans les
deux molécules
!  L’ADN, dans lequel a lieu la coupure,
incorpore la séquence du chromosome qu’il
envahit;
!  d’où sa dénomination de receveur
a) Chez E. coli
!  Existence de points chauds qui stimulent la
recombinaison
!  Ces sites ont une structure asymétrique de 8pb
5’ GCTGGTGG 3’
3’ CGACCACC 5’
Séquence chi
!  Présence de séquence chi toutes les 5 à 10 kb
!  Stimule la recombinaison dans son voisinage
jusqu’à 10 kb de son site
!  Activée par une coupure double brin du côté
droit de la séquence
!  Les sites chi sont la cible d’une enzyme codée
par les gènes RecBCD
!  Le complexe RecBCD se fixe sur l’ADN du côté
droit de chi è se déplace le long de l’ADN en
le déroulant (activité hélicase)è dégradation
du simple brin qui possède l’extrémité 3’
!  Quand atteint la séquence Chi, marque une
pause è dissociation ou inactivation de
l’activité nucléasique (RecD)
!  Rec A s’empare de l’extrémité 3’ simple brin
libérée et empêche sa réassociation avec le brin
complémentaire
!  Puis Rec A permet la reconnaissance de la
séquence homologue ainsi que sa
déstabilisation è formation des hétéroduplexes
entre deux séquences homologues
!  Puis libération RecA
!  Mécanismes d’achèvement inconnus
b) Chez l’homme
!  Recombinaison générale mal connue
!  Seules données concernent la recombinaison
méïotique
b) Chez l’homme (2)
!  Les chromosomes homologues s’approchent
l’un de l’autre
!  Ils s’apparient en une ou plusieurs régions
jusqu’à un contact sur toute leur longueur
b) Chez l’homme (3)
!  Le complexe synaptonémal (chromosomes
appariés) serait la conséquence de l’initiation de
la recombinaison par des coupures double brin
et de leur conversion en intermédiaires pour des
étapes ultérieures de recombinaison
!  Echanges à ce niveau
b) Chez l’homme (4)
!  Recombinaisons indispensables pour le bon
déroulement de la méïose : une soixantaine par
méïose è large brassage d’information
génétique è modification des assortiments
d’allèles
VI- Les variations de l’ADN
C- La conversion génique
!  Recombinaison homologue : Formation
d’hétéroduplex entre des séquences qui se
recombinent
!  Risque de mauvais appariemment ou de non
appariemment entre des séquences proches ou
entre séquences alléliques (mismatch)
!  Reconnaissance par des systèmes de réparation
Réparation
Le brin modèle sera choisi par hasard
Modification des séquences sur l’ensemble des
brins: selon le brin, il y aura conversion ou pas
VII- Les variations de l’ADN
D- La recombinaison inégale
!  Un gène répété sur un chromosome
!  Appariemment possible au niveau de n’importe
quelle copie sur chaque chromosome
!  Conséquence : recombinaison inégale
!  Un des chromosomes aura un nombre supérieur
de copies
!  L’autre un nombre plus faible
Conséquence
!  Si l’augmentation du nombre de copies confère
un avantage sélectif aux cellules è elles seront
sélectionnées et le nombre de copies va
augmenter avec les générations
VII- Les variations de l’ADN
E- Les transposons
!  Les éléments transposables ou transposons sont
des séquences mobiles du génome = elles sont
capables de se transporter elle-même à
d’autres endroits du génome
Caractéristiques
!  Possèdent des répétitions inversées au niveau
de leurs extrémités et créent des répétitions
directes d’une courte séquence dans leurs sites
d’insertion
!  Chez procaryotes et eucaryotes
Caractéristiques (2)
!   Possèdent dans leur structure les gènes codant pour
les protéines nécessaires à leur insertion
!   Dans certains cas, nécessité de protéines cellulaires
!   Evénement rare
!   Ne sont jamais libres et individualisés dans la cellule
Exemple : les séquences d’insertion
(IS) de E. coli
!  Forme la plus simple
!  Une séquence centrale qui définit le type de
séquence IS
!  Longueur variable : proche de 1 kpb
Exemple : les séquences d’insertion
(IS) de E. coli (2)
!  Extrémités:
!  Séquence identique de 15 à 25 kb dont les
orientations sont inverses : répétitions terminales
inversées
Exemple : les séquences d’insertion
(IS) de E. coli (3)
!  Lors de l’insertion de l’IS, 1 petite fraction de
l’ADN cible est dupliquée et l’IS est insérée
entre les deux copies qui portent le noms de
répétitions directes (courtes : 4 à 10 pb)
ADN cible de l’insertion
CGCTC
5
’
GCGAG
Eléménts IS
Voir Schéma
Mécanisme chez les bactéries
!  ADN cible coupé sur chaque brin aux extrémités
de la séquence cible è bouts cohésifs entre
lesquels le transposon est positionné
!  Catalysé par la transposase
Mécanisme chez les bactéries (2)
!  Transposition avec réplication du transposon
–  Le transposé positionné est répliqué
–  La nouvelle copie s’insère au niveau de l’ADN cible
–  L’ancienne reste sur place
–  Rôle de la résolvase
Mécanisme chez les bactéries (2)
!  Transposition conservative
–  Le transposé transféré dans l’ADN cible
–  Le site donneur est délété
–  la résolvase achève le travail
eucaryotes
!  Mal connu chez l’homme
!  Drosophile
VII- Les variations de l’ADN
F- Les rétrotransposons
!  N’existe que chez les eucaryotes
!  Certaines séquences ont des caractéristiques
proches de celles des transposons +
caractéristiques des rétrovirus
!  Proviennent vraisemblablement de la
rétrotranscription des rétrovirus :
rétrotransposons
!  Transcrit en un ARN de structure proche de celle
de rétrovirus
!  Rétrotranscription par la transcriptase inverse è
ADN complémentaire è intégration
!  Semblent contenir les gènes nécessaires à la
transcription inverse
VIII- Classification des gènes
A- En fonction de leur nombre de
copies
VIII- Classification des gènes
A- En fonction de leur nombre de
copies
1) Gènes uniques ou quasi
uniques
Gènes uniques
!  Grande majorité des gènes
!  Séquences CAAT souvent absentes
Gènes uniques (2)
!  Certains ont été dupliqués è deux copies
–  2 copies interchangeables : gènes α-globine
–  Les 2 copies ont divergé è 2 protéines différentes
aux propriétés proches (expression de l’une ou de
l’autre en fonction de l’ontogenèse ou de l’organe)
VIII- Classification des gènes
A- En fonction de leur nombre de
copies
2) Familles de gènes
!  Famille de gènes = présence de séquences
apparentées dans les exons de chacun des
gènes de la famille
Famille de gènes
!  Les familles de gènes évoluent par duplication
d’un ou de plusieurs gènes suivie d’une
divergence entre les exemplaires au cours de
l’évolution
!  Conséquence : série de gènes codant pour des
protéines analogues
Famille de gènes (2)
!  L’expression de chaque copie dépend du type
et de l’état cellulaire
!  Exemples :
–  Famille des gènes globines
–  Famille des gènes actine
!  Certains exemplaires deviennent des
pseudogènes du fait de mutations inactivantes
VIII- Classification des gènes
A- En fonction de leur nombre de
copies
3) Les superfamilles de gènes
Superfamille de gènes
!  Analogue au précédent mais plus précoce au
cours de l’évolution è divergence +++ des
différentes copies du gène áâ difficile de
mettre en évidence la relation entre les gènes
!  Ce qui est conservé c’est la structure tertiaire
de l’unité de base
Superfamille de gènes (2)
!  Exemples
–  Superfamille des immunoglobulines
•  Gènes codant pour les immunoglobulines
•  Gènes codant pour les récepteurs T
•  Gènes codant pour les protéines d’histocompatibilité
•  Dérivent du même motif ancestral
VIII- Classification des gènes
B- Les gènes domestiques
(House keeping genes)
Les gènes domestiques
!  Codent pour des protéines ubiquitaires
indispensables à la survie de chaque cellule
!  Exemple
–  Gènes des enzymes de la glycolyse
–  Gènes des enzymes de la respiration
Les gènes domestiques (2)
!   Caractérisés par :
–  Un taux de transcription en général faible et continu
–  Absence de TATA box
–  Grande richesse en doublets CG hypométhylées
–  La présence dans les régions 5’ non codantes d’une ou
plusieurs boîtes GC = sites potentiels de fixation pour le
facteur de transcription sp1
Les gènes domestiques (3)
!  Ces particularités ne sont pas obligatoires
VIII- Classification des gènes
C- Les pseudogènes
Les pseudogènes
!  Ces séquences possèdent une grande
homologie de séquence avec des gènes
fonctionnels
!  Mais ne sont pas fonctionnels (ni transcrits, ni
traduits)
Les pseudogènes (2)
!  Non fonctionnalité liée à :
–  L’absence de cadre de lecture ouvert (excès de
codons stop)
–  Absence de codon d’initiation
–  Ou à l’absence de régions promotrices
Les pseudogènes (3)
!   2 types de pseudogènes en fonction de leur mode de
création :
–  Création par duplication de gènes ayant perdu leur
fonctionnalité è pseudogènes avec intron
–  Création par introduction dans le génome d’un rétrotranscrit
è pas de promoteur, pseudogènes sans intron
Les pseudogènes (4)
!  Taux élevé de mutations
IX- Les pathologies de l’ADN
A- L’ADN peut subir une grande
variété de lésions
!  Macrolésions ou réarrangements : touche des
régions étendues
!  Lésions minimes : microlésions
IX- Les pathologies de l’ADN
A- L’ADN peut subir une grande
variété de lésions
1) Les macrolésions
a) Types de lésions
!  Délétions : excision d’un segment d’ADN avec
rétablissement de la continuité de la molécule
d’ADN
–  Perte de matériel de taille variable
–  Intérêt +++ pour la cartographie des gènes
!  Duplication d’un segment plus ou moins long
d’ADN.
a) Types de lésions (2)
!  Amplification : multiplication soit en tandem, de
séquences normalement uniques. Peut è
l’expansion +++ d’une même séquence è
mini chromosomes surnuméraires au caryotype
!  Fusion de gènes : cas particulier de
réarrangements
a) Types de lésions (3)
!   Fusion de gènes : cas particulier de réarrangements
–  Double cassure dans deux gènes è transposition
de l’un dans l’autre sur le même chromosome ou
sur deux chromosomes différents
–  Si concerne 2 chromosomes différents :
translocation détectable par cytogénétique
(caryotype)
–  Les 2 gènes ont soit la même orientation, soit une
orientation opposée
a) Types de lésions (4)
!  Inversion de gènes : changement d’orientation
tête bêche d’un segment plus ou moins long
d’ADN
!  Insertion : introduction dans un gène d’une
séquence soit mobile, soit virale
b) Déterminisme des lésions
!  Accident de recombinaison méïotique
!  Recombinaison inégale :
- è délétions et duplications
- èExplique en grande partie l’évolution des gènes
(familles et superfamilles de gènes à partir d’un
gène ancestral
-  èChangements quantitatifs
-  Conversion génique èchangements qualitatifs
IX- Les pathologies de l’ADN
A- L’ADN peut subir une grande
variété de lésions
2) Les microlésions
Microlésions
!  Dues à l’action de facteurs physiques ou
chimiques, endogènes ou exogènes
!  Les lésions sont le plus souvent réparées
!  Sinon retrouvées dans la réplication suivante
Microlésions (2)
!  Responsables de mutations ponctuelles (cause
la plus fréquente de maladies génétiques), de
substitutions, de suppressions, d’addition de
bases
Déterminismes des microlésions
!
!
!
!
 Erreur de réplication
 Erreur de réparation
 Dépurination spontanée
 Désamination spontanée
IX- Les pathologies de l’ADN
A- L’ADN peut subir une grande
variété de lésions
3) Les insertions d’éléments
mobiles
Eléments mobiles à l’intérieur d’un
gène
!  Certains cas d’hémophilie : insertion de
séquences LINE dans l’exon 14 du gène codant
pour le facteur VIII
!  Rétrotransposition
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
1) Sur les régions non codantes
Sur les régions non codantes
!  Rares è perturbation de l’expression
!  Peu d’exemples
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
2) Dans les régions codantes
a) Mutations faux-sens
!  Modification signification d’un codon è
possibilité de modification d’un acide aminé de
la protéine è conséquences variables selon la
nature et l’emplacement
a) Mutations faux-sens (2)
!  Mutations sur codon stop è poursuite de la
traduction jusqu’au prochain stop è élongation
chaîne polypeptidique
b) Mutations non-sens
!  Formation d’un codon stop è interruption de la
traduction +/- tôt è souvent non expression de
la protéine finale
c) Mutations iso-sémantique
!  Modification de la séquence sans modification
de la signification d’un codon è mutations
silencieuses
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
3) Mutations perturbant le cadre de
lecture
!  Insertion ou délétion d’une taille non multiple de
trois dans un exon è modification du cadre de
lecture
–  è souvent codon non-sens prématuré
–  Si en région 3’ è allongement jusqu’à un stop
!   Si multiple de trois è pas de décalage du
cadre de lecture :
–  Exemple : mutation ΔF508 de la mucoviscidose è
suppression d’une Phe
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
4) Mutations perturbant l’épissage
!  Si touche une région consensus d’épissage :
è exon en amont du site donneur muté ou
région en aval du site accepteur muté est éliminé
!  Possibilité de modification du cadre de lecture
è interruption prématurée de la traduction si les
exons restant ne sont pas en phase
!  è protéine tronquée
–  Valeur fonctionnelle fonction de la nature du
domaine manquant
–  Instabilité ARNm et/ou Protéine
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
5) Fusion de gènes par
translocation
!  Si fusion respecte le cadre de lecture è gène
chimère è protéine chimère
!  Niveau d’expression et la spécificité dépendent
des séquences restées en 5’
!  Fréquent en pathologie oncologique
(cancérologie)
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
6) Mutations à effet quantitatif
!   Mutations perturbant quantitativement l’expression du
transcrit primaire et sa maturation
!   Pathologies des gènes de l’hémoglobine
(thalassémies)
–  Mutations dans le promoteur
–  Mutations du codon d’initiation
–  Mutations dans les sites d’épissage
–  Mutations dans les sites de polyadénylation
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
7) Mutations perturbant la
longévité des ARNm
!  Touchent la stabilité de l’ARNm
–  Augmentation stabilité
–  Ou diminution
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
8) Beaucoup de mutations sont
silencieuses
!  La plupart des mutations introniques si ne
perturbent pas l’épissage
!  Mutations hors des gènes et des séquences
régulatrices
!  Entraînent des polymorphismes
IX- Les pathologies de l’ADN
B- Les conséquences
9) Transmission des mutations
!  Macrolésions non réparées
!  Mutations ponctuelles fixées
è transmission à la descendance cellulaire
è Si cellule somatique : touche un clone
cellulaire : 1 cellule et sa descendance cellulaire
somatique
!  Cellule somatique :
–  Si la mutation est défavorable (amoindrissement
fonctionnel de la cellule) è le clone va s’éteindre
spontanément
–  Si sans effet è le clone se dilue et passe inaperçu
–  Si effet favorable sur croissance et prolifération è
avantage sélectif è peut s’amplifier : un des
évènements à l’origine des cancers
!  Cellule germinale
–  Se retrouve dans gamète
–  Si utilisé pour fécondation è transmission à la
descendanceè
•  Hétérozygote (autosome)
•  Lié à l’X
–  Hétérozygote : sexe féminin
–  Hémizygote : sexe masculin
!  Mutation de novo:néomutation
–  Non retrouvées dans les générations antérieures
IX- Les pathologies de l’ADN
C- La fréquence des mutations
!  Procaryotes :
–  Moyenne : 10-5 à 10-6 :taux de mutations spontanées
par locus et par génération
!  Eucaryotes
–  Pas d’indications
–  N’est pas le même pour tous les gènes
–  Fonction de leurs structures
IX- Les pathologies de l’ADN
D- Conséquences pathologiques
des mutations
Maladies monogéniques :
monoallélisme
!
!
!
!
 Un gène è 1 allèle è 1 maladie
 Monomorphisme moléculaire
 Diagnostic spécifique
 Exemple: la drépanocytose
Polyallélisme
!  Diversité moléculaire des mutations à l’origine
d’une pathologie
–  Myopathies
–  β-thalassémies
Non allélisme
!  Plusieurs gènes candidats :
!  Atteinte alternative d’un seul gène parmi
plusieurs candidats
Maladies polygéniques
!  Diabète sucré
!  Hypertension artérielle
!  Maladies multifactorielles
!  Notion de terrain, de prédisposition, de formes
familiales, d’environnement
!  Défi pour la biologie moléculaire