Le paradoxe de la variation génétique
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Origine et conséquences de la variation génétique Introduction Le paradoxe de la variation génétique Un alignement de séquence de souris Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.1 Les mécanismes limitant les erreurs pendant la réplication La relecture sur épreuve par la polymérase L'extrémité 3' mal appariée bloque l'élongation de l'ADN. C* forme modifiée de C capable de se lier à A. C* est incorporé par l'ADN polymérase. L'ADN polymérase dégrade l'ADN de 3' vers 5' jusqu'à ce que l'extrémité 3' soit appariée correctement. C* se transforme rapidement en C. L'ADN polymérase reprend la polymérisation de 5' vers 3'. Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.1 Les mécanismes limitant les erreurs pendant la réplication relecture L’excision produit une extrémité 5’ L’addition du nucléotide correct n’est pas possible puisqu’elle ne libérerait pas d’énergie L’excision produit une extrémité 3’ Synthèse de 5’ vers 3’ Synthèse hypothétique de 3’ vers 5’ La polymérisation de 5' vers 3' facilite la réparation Une liaison phosphate du nucléotide correct fournit l’énergie pour la polymérisation Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN Types d’altération 1 - Perte d’une base : site apurique ou apyrimidique 2 - Modification des bases Désamination Oxydation Adénine/hypoxanthine; guanine/xanthine; 5mCytosine/thymine 3 – Altérations dues à la lumière : dimères de thymine Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN Réversion directe de l’altération : Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN Hoeijmakers (2001) Nature 411: 366-374 Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN Réparation par excision de base (BER) : Hoeijmakers (2001) Nature 411: 366-374 Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN La réparation par excision de base (BER) Liaison ADN glycosylase à la base endommagée Coupure liaison sucre/base AP endonucléase coupe le Squelette de l’ADN Segment ADN enlevé et ADN pol Remplit la brèche Soudure par la ligase Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN Réparation par excision de nucléotides (NER) chez E. coli Complexe UvrB/Dimère UvrA Reconnaissance déformation ADN Dissociation UvrA Recrutement UvrC Et activation Coupure ADN, 7 nt En 5’ du dimère de Pyr UvrD, hélicase, déplace ADN endommagé et UvrC UvrB enlevée et brèche Remplie par ADN pol puis ligase Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN Réparation par excision de nucléotides (NER) chez l’homme Reconnaissance dimère Pyr Par XP-C Liaison au dimère de Pyr et recrutement d’autres protéines XP-B et XP-D, hélicases RPA garde les brins séparés XP-G et XP-F, endonucléases Coupant l’ADN de part et D’autre de la lésion Fragment d’ADN enlevé et Brèche remplie par ADN pol δ ou ε Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN La réparation par excision de nucléotide Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN La réparation des mésappariements (MMR) chez E. coli Dommages reconnus : mésappariements sauf C-C et petite insertion ou délétion ¾ Mut S scanne l’ADN et repère le mauvais appariement Après reconnaissance, induction Déformation ADN et changement Conformation Mut S Recrutement de Mut L qui active Mut H, enzyme introduisant une Coupure dans l’ADN Coupure suivie de l’action d’une Hélicase spécifique et d’une exonucléase Déroulement de l’ADN par hélicase À partir de l’incision vers la lésion Digestion du brin déplacé par L’exonucléase Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.1 Les mécanismes limitant les erreurs pendant la réplication La réparation des mésappariements Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN La réparation des mésappariements (MMR) chez les mammifères Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Hoeijmakers (2001) Nature 411: 366-374 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN La réparation par recombinaison de l’ADN Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Hoeijmakers (2001) Nature 411: 366-374 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.2 Les mécanismes de réparation de l'ADN La réparation par recombinaison de l’ADN Hoeijmakers (2001) Nature 411: 366-374 Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 2 La transmission des variations génétiques 2.1 Les mutations somatiques Nom Phénotype Enzyme ou processus affecté MSH2, 3, 6 MLH1, PMS2 Cancer du colon Réparation des mésappariements Xeroderma pigmentosum (XP) groupes A à G Cancer de la peau, sensibilité cellulaire aux UV, anomalies neurologiques Réparation par excision des nucléotides Variant du XP sensibilité cellulaire aux UV ADN polymérase Ataxia telangiectasia (AT) Leucémie, lymphome, Protéine kinase activée sensibilité cellulaire aux par les cassures doublerayons gamma, instabilité brin du génome BRCA-2 Cancer du sein et des ovaires Réparation par recombinaison homologue Syndrome de Werner Vieillissement prématuré, cancer en de multiples endroits, instabilité du génome 3’-exonucléase et hélicase Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation La mutation par substitution de base Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation La mutation par délétion Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation La mutation par insertion/délétion : exemple des microsatellites A A T C C T A G G T G C T T A A T T A G G A T C A G T A A T C C T T A G G A T C A A T C C T A G G T G C T T A A G T G C T T A A T T A G G A T C A G T A A T C C C A C G A A T T A A T C C T A G T T A G G A T C G T G C T T A A T T A G G T G C T T A A G A T C Décalage vers la gauche du brin néo-synthétisé puis réparation. Si mauvaise réparation… Addition d’un motif TA Décalage vers la gauche du brin matrice puis réparation. Si mauvaise réparation… Délétion d’un motif TA (slipped strand mispairing) Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation Les transposons Les transposons sont capables de « sauter » d’un endroit du génome à un autre code pour la transposase éléments répétés inversés Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation Les transposons Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation Les transposons Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation Les transposons Les transposons sont aussi capables de « sauter » en se répliquant. Type Exemples Structure A. nucl. Mode transposition Bactérien IS, Tn E. coli ADN db avec 2 séq. IR Transpo. Réplicative ou conservative Rétrotransposon s type I Ty levure IAP, souris ADN db codant pour reversetranscriptase, 2 LTR Par intermédiaire d’un ARN Elts F et I, Drosophile ADN db, pas de LTR ARN probable Rétrotransposon s type II Copia, drosophile Elts LINE , mammifères Alu, homme Pseudogènes A-tubuline du rat Cours Pascale PERRIN - Copies + ou – mutées d’un gène cellulaire FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation Transposons et mouvements d'exons exon 1A exon 2A exon 3A copie maternelle copie paternelle exon 1B exon 2B exon 3B excision incorrecte l'exon 2B est emmené avec les séquences répétées des transposons + insertion la copie maternelle du gène a maintenant un exon 2B en plus de son exon 2A Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation Transposons et duplications de gènes gène transposon copie maternelle copie paternelle en métaphase I, les chromosomes s'apparient de façon incorrecte... la recombinaison a tout de même lieu... un des chromosomes porte maintenant deux copies du gène. Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.3 Les différents types de mutation Importance évolutive des duplications de gènes D'autres sont spécifiques à un groupe. Par exemple les myosines de type XIV ne sont représenté ci-dessous que chez Plasmodium et Toxoplasma. IX VII III VI V XI XIII XIV I II Cours Pascale PERRIN - Domaine moteur FLBI399 1000 acides aminés Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.4 Le déterminisme du taux de mutation Effets cumulés des systèmes de vérification de la réplication et de réparation de l'ADN Nombre d'erreurs par nucléotide Étape de la réplication Polymérisation de 5' vers 3' Relecture sur cadre Réparation des mésappariements Total 10-5 10-2 10-2 10-9 Les effets conjugués de la relecture sur épreuve et de la réparation de mésappariements permettent de diviser le taux d’erreur par 104 Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.4 Le déterminisme du taux de mutation La dysgénèse hybride Dans cellules somatiques : deux premiers introns épissés et synthèse d’un répresseur de 66 kD, se liant à l’ORF3 ¾ Dans cellules germinales : excision des 4 introns et synthèse d’une protéine de 87 kD, la transposase ¾ Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.4 Le déterminisme du taux de mutation La réponse SOS chez E. coli Si on endommage l’ADN d’E. coli (par des rayonnements UV) on observe une réponse dite SOS : •Activation d’enzymes de réparation •Production d’une ADN polymérase faible fidélité lexA, RecA et UvrA exprimés à un faible niveau z quantité de lexA permet de réprimer les autres gènes z si ADN endommagé, RecA en liaison avec l’ABN sb dissocie lexA z Induction du système SOS induction gène UvrA z Synthèse RecA qui induit sa propre activation z Synthèse protéines UmuC et UmuD qui jouent un rôle dans la mutagénèse z Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.4 Le déterminisme du taux de mutation La réponse SOS chez E. coli Réplication fautive induite par le complexe Umu D’2C Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 1 Les mécanismes limitant la mutation 1.4 Le déterminisme du taux de mutation La réponse SOS chez E. coli On connaît chez E. coli des gènes qui augmentent le taux de mutation (gènes dit mutateurs). Ces gènes peuvent être sélectionnés si la bactérie fait face à un nouvel environnement. Bactérie « normale » Les descendants ressemblent fortement à la bactérie mère. Ils ne sont donc pas adaptés à l’environnement. Bactérie « mutatrice » Les descendants sont différents de la bactérie mère. Certains sont mieux adaptés au nouvel l’environnement, d’autres le sont moins bien. * * Cours Pascale PERRIN FLBI399 * * * mutant favorisé dans le nouvel environnement * Origine et conséquences de la variation génétique 2 La transmission des variations génétiques 2.1 Les mutations somatiques Mutations dans les mitochondries et les chloroplastes mitochondrie cellule ADNmt sauvage ADNmt mutant ségrégation mitotique hétéroplasmie homoplasmie Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 2 La transmission des variations génétiques 2.2 La production de nouvelles combinaisons génétiques par recombinaison La recombinaison au sens génétique – le déséquilibre de liaison A B Cours Pascale PERRIN - FLBI399 A a B b a b A b a B Origine et conséquences de la variation génétique 2 La transmission des variations génétiques 2.3 Les variations génétiques des caractères phénotypiques La plupart des mutations délétères sont récessives L’effet d’une mutation délétère est la plupart du temps une perte de fonction… Souche Sauvage 1 2 3 MM + - + ornithine + citrulline + + + arginine + + + + + + + Ex. de perte de fonction après mutation chez Neurospora crassa. Expériences historique de Beadle et Tatum (1941) AA phénotype « normal » Toutes les protéines fabriquées sont parfaitement fonctionnelles Aa aa phénotype mutant Toutes les protéines fabriquées sont non fonctionnelles phénotype « normal » Un des allèles possédés par l’individu permet de fabriquer des protéines fonctionnelles Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 2 La transmission des variations génétiques 2.3 Les variations génétiques des caractères phénotypiques Une petite mutation peut avoir de gros effets: notion d'épistasie L’effet d’un allèle pour un gène donné ne dépend pas des allèles pour les autres gènes. Les gènes ont des effets additifs. L’effet d’un allèle pour un gène dépend des allèles pour les autres gènes. Les gènes ont des effets épistatiques. Gène 1 Gène 2 --- -++ ++ -- ++ ++ 0.25 1.25 0.5 1.5 0.25 1.25 0.5 2.5 Les gènes ont des effets additifs Les gènes ont des effets épistatiques Cours Pascale PERRIN - FLBI399 Origine et conséquences de la variation génétique 2 La transmission des variations génétiques 2.3 Les variations génétiques des caractères phénotypiques Une petite mutation peut avoir de gros effets: notion d'épistasie Exemple de mutation à effet fort : les mutations homéotiques (mutations dans les gènes du développement) Cours Pascale PERRIN - FLBI399
