Maintenance et variations du matériel génétique
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Biochimie - Biologie moléculaire Chapitre 4 : Maintenance et variations du matériel génétique Professeur Joël LUNARDI MED@TICE PCEM1 - Année 2006/2007 Faculté de Médecine de Grenoble - Tous droits réservés. Chapitre 4. Maintenance et variations du matériel génétique I. Mécanismes de maintenance de l’ADN II. Variations du message génétique I. Mécanismes de maintenance de l ’ADN réactifs génotoxiques accidents spontanés erreurs de réplication DOMMAGES « by-pass » polymérases détection des dommages mutations maladies génétiques, cancers... systèmes de réparation ADN réparé check-point du cycle cellulaire apoptose 1. Altérations physiques : chaleur, rayonnement cosmique, radioactivité, UV ... UV dimère cyclobutane chimiques : -agents alkylants (EMS, diméthylnitrosamine…) - agents pontants interbrins (psoralène, cisplatine…) - agents intercalants - analogues de bases (5-bromouracile, 2-aminopurine….) physiologiques : - erreurs de réplication - phénomène de tautomérisation - oxydation (ion superoxyde, 8-OH guanine…) - déamination (adénine xanthine, cytosine - acidification cellulaire et dépurination uracile) 2. Correction des dommages 2.1. prévention O2°-, H2O2, OH° - superoxyde dismutase, catalase, peroxydases - tampons physiologiques acidification - NADPH, glutathion, vit E oxydations 2.2. mécanismes de correction correction immédiate excision de nucléotides (NER) excision de base (BER) excision excision longue courte TCR ADN (gènes) ADN total TCR lésions oxydatives adduits monofonctionnels correction des mésappariements lésions UV adduits chimiques réparation secondaire réparation des cassures 2.3. correction immédiate photolyases alkyltransférases (ex: O6-méthylguanine- DNA méthyl transférase = MGMT) activité exonucléase des polymérases erreurs d’incorporations ≈1/104 pb vs 1/108 pb final arrêt de la polymérase activité 3’-5’ exonucléase reprise de synthèse 5’- 3’ 2.4. correction secondaire 2.4.1. réparation par excision de bases (BER) 5’ 3’ 5’ OH 1. reconnaissance - excision de la base par une glycosylase spécifique: site AP - coupure du brin d ’ADN par AP endonucléases 3’ 5’ 3’ 2.a - réparation « short patch » : ADN pol β, XRCC1 2.b - réparation «long patch » : exonucléases, ADN pol δ, PCNA, RF-C, FEN1 endonucléase 5’ 3’ 5’ 3. DNA ligase 3’ 2.4.2. réparation par excision de nucléotides (NER) 5’ 1. 5’ 5’ 5’ phase de reconnaissance, d ’ouverture du double brin et excision par le complexe excinucléase : - nucléase ATP dépendante - ≈ 16 protéines chez l’homme (XPA-XPG, ERCC1ERCC6, TFIIH…) TFIIH : réparation liée avec la transcription (TCR: transcription coupled repair) 5’ 5’ 2. synthèse réparatrice et ligation (PCDNA, DNA pol δ et ε, ligase) 2.4.3. réparation des cassures double brin 2.4.3. réparation des cassures double brin raboutage double-brin Ku70, Ku80 DNA-PKcs Nbs1, Mre11, Rad50, XRCC4 ligase recombinaison homologue 2.4.3. réparation des cassures double brin raboutage double-brin Ku70, Ku80 DNA-PKcs Nbs1, Mre11, Rad50, XRCC4 ligase recombinaison homologue 2.4.4. correction des mésappariements G T 3’ Mut S G T 3’ 3’ Mut L Mut H 3’ Mut L 3’ Mut S Mut S 3’ G T Mut H 3’ 1. reconnaissance du mésappariement par Mut S, Mut L et Mut H 2. coupure du brin à réparer par mut H, puis digestion 3’-5’ par exonucléase 3. synthèse du brin par DNA pol III puis ligation Mut H G Mut L 3’ 3’ chez l’homme : Mut S = MSH 2, MSH6, MSH3 Mut L = MLH 1, PMS2, GTBP G C 3’ 2.5. « bypass » polymérases + les déficits des systèmes de réparation sont à l ’origine de prédispositions aux cancers - mutation des gènes XP et sensibilité aux UV : xeroderma pigmentosum - déficit du NER : syndrome de Cockaine, trichiodystrophie - déficit des systèmes de réparation des cassures: syndrome de Bloom, syndrome de cassure de Nijmegen - déficit des systèmes de réparation des mésappariements (gènes MLH1, MSH2, MSH6 …) : HNPCC - déficit des systèmes de reconnaissance: - gène ATM & ataxie télangiectasique - mutation du gène p53 & tumeurs multiples - déficit du contrôle du cycle cellulaire : gènes BRCA1, BRCA2 & cancers du sein II. Variations de l ’ADN 1. Variants moléculaires modifications entre 2 génomes pris au hasard chez 2 individus non apparentés ≈ 1 variation / 1000-2000 pb mise en défaut des systèmes de sauvegarde : méthylation ---T-C-G-T---A-G-C-A- modifications : désamination CH3 ---T-C-G-T---A-G-C-A- - substitutions - délétions - insertions ---T-T-G-T---A-A-C-A---T-C-G-T---A-G-C-A- A ou G > T ou C = transversion A > G, C > T = transition 2. Conséquence d’une variation la modification ne change pas le message exprimé : allèle polymorphe (polymorphisme) gène A gène B la modification change le message exprimé : allèle muté (mutation) 3. Polymorphismes 3.1. Les SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) : variation d’1 nucléotide (≈ 1 tous les 2000 pb ! ). La modification peut éventuellement altérer le site de reconnaissance d’un enzyme de restriction : polymorphisme de restriction (voir chapitre 8) ----GAATTC-------CTTAAG---- Eco RI ----GAGTTC-------CTCAAG---- Eco RI ----G AATTC-------CTTAA G-------GACTTC-------CTGAAG---pas de coupure (restriction) 3.2. Les polymorphismes de répétitions de type microsatellites 5’3’ 5’3’ allèle 1a = 99 CA 5’ ---ATCGTCACACACA--CACACACACTGGTCA-----TAGCAGTGTGTGT--GTGTGTGTGACCAGT---5’ 5’ ---ATCGTCACACACA--CACACACACACACACTGGTCA-----TAGCAGTGTGTGT--GTGTGTGTGTGTGTGACCAGT---5’ chr 1a chr 1b allèle 1b = 102 CA - motifs de 2, 3 ou 4 nucléotides - nombreux ( > 50 000 dans le génome humain) - le nombre de répétition varie suivant le microsatellite étudié - le nombre d’allèles est généralement compris entre 2 et 10 - le nombre de répétitions ne varie généralement pas lors de la transmission - les séquences de part et d’autre du microsatellite sont identiques pour les différents allèles d’un microsatellite 3.3. Les polymorphismes de répétitions de type minisatellites (VNTR*) 5’3’ allèle 7a = 3 répétitions 5’3’ 5’ 5’ chr 7a chr 7b 5’ 5’ allèle 7b = 5 répétitions - séquences de 9 à 80 de paires de bases - un motif central commun : --GGGCAGGAXG-- le nombre de répétition varie suivant le mini satellite étudié - le nombre de répétitions ne varie généralement pas lors de la transmission entre 2 générations - concentrés au niveau des extrémités télomériques et sub-télomériques * : Variable Number Tandem Repeats 4. Recombinaison 4.1. Recombinaison générale : modèle procaryote A 5’ a 5’ 5’ 5’ 5’ 5’ A a 5’ B 5’ b 5’ 2 double brins (A-B et a-b) comportant d’importantes homologies de séquence fixation de Rec B,C,D 5’ 5’ déroulement du double brin puis coupure d’1 brin et fixation de Rec A 5’ B b appariement entre simples brins en raison de l’homologie importante de séquence A B a b A B a structure en chi de Holliday rotation de 180° de A-B b A B b a coupure dans le plan oblique coupure dans le plan horizontal B a B A A b a b ADN recombiné (a-B et A-b ) échange partiel d’une partie de simple brin b. Recombinaison lors de la prophase meïotique chez l’homme chr 1 paternel « crossing-over » par recombinaison entre deux chromatides (2 chromatides sœurs) chr 1 maternel (2 chromatides sœurs) divisions méïotiques I et II formation de 4 gamètes gamètes recombinés ≈ 60 recombinaisons / meïose pour les 2n chromosomes existence de « points chauds » de recombinaison distance génétique : f (nb de recombinaisons vs nb de méïoses) c. Recombinaison équilibrée 1 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA---GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT-- 5’ 1b 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA---GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT--5’ x 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA---GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT-- 5’ 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA---GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT-- 5’ la quantité de matériel échangé entre 1 et 1b est la même d. Recombinaison non-équilibrée 1 2 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA------------------CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA-----GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT------------------GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT- 5’ 1b 2b 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA---------------- --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA-----GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT---------------- --GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT- 5’ Recombinaison entre la séquence répétée 2 et 1b ’ 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA------------------CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA---------CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA-----GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT------------------GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT---------GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT- 5’ 5’ --CATCTATGCGTACAAGTCTCCTA-------------------------------GTAGATACGCATGTTCAGAGGAT------------------------------ 5’ + Une recombinaison illégitime non équilibrée au niveau du gène du récepteur des LDL est à l’origine de certaines formes d’hypercholestérolémie familiale : 1 8 9 18 présence de séquences alu dans introns 1 et 8 1 2 18 si recombinaison entre la séquence alu de l’intron 8 et celle de l’intron 1: 1 8 9 18 x 1 2 1 18 8 2 18 Récepteur des LDL anormal 19 18 + une recombinaison spécialisée est à l’origine de la grande diversité des immunoglobulines nombreux antigènes nécessité de nombreux anticorps région de reconnaissance de l ’antigène nombre de gènes ? partie variable: V partie de jonction: J partie constante: C chaîne légère chaîne lourde exemple des chaînes légères de type k 300 gènes V 5 gènes J 1 gène C réarrangement somatique dans les lymphocytes par recombinaison ADN du lymphocyte 1 chaîne k n° 1 ADN du lymphocyte 1018 chaîne k n° 1018 300 x 5 x 1 = 1500 combinaisons possibles… 4. Transposition éléments mobiles de contrôle chez le maïs transposons procaryotes et résistance aux antibiotiques transposons des cellules eucaryotes - éléments P - transposons d’ADN, rétrotransposons < 2000 pb a. Transposition d’ADN séquences cibles à répétition directe éléments IS : séquences inversées transposase 5’--TACGTACATCG-----ATGCATGTAGC---- 5’--ATCGCATGCAT-----TAGCGTACGTA---- transposase gènes additionnels éléments Tn IS région centrale IS transposons composites N gènes type de transposition conservative réplicative b. Rétrotransposition rétrotransposon réverse transcription transcription ADNc réintégration ARN copie de rétrotransposon LTR gag pol env LTR Éléments répétés de type LTR gag ? pol poly A LINE poly A SINE + L’activation et la rétrotransposition d’une séquence de type rétrotransposon peut être à l’origine de mutations lorsque l’insertion se fait dans un gène L'ensemble de ce document relève des législations française et internationale sur le droit d'auteur et la propriété intellectuelle. Tous les droits de reproduction de tout ou partie sont réservés pour les textes mais aussi pour l'ensemble des documents iconographiques, photographiques, vidéos et sonores. Ce document est interdit à la vente ou à la location. 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