constitution du genome expo6

Réalisé par:
BENMOHAMED Ryad
DERBAL Walid
MAHMOUDI Imene
Etudiants de 3eme année LMD Génétique
Faculté des Sciences Agro-veterinaire et biologie
a l’USD de Blida
I- La chronologie de la génétique
⇒ 1865 – autrichien Gregor Mendel: père fondateur de la
génétique. Il est à l'origine des lois de Mendel ou les lois de
l’hérédité, qui définissent la manière dont les gènes se
transmettent de générations en générations.
⇒ 1869 – l’ADN est isolé par Friedrich Miescher
(médecin suisse) en récupérant les bandages – il isole du pus
une substance riche en phosphore - la nucléine.
⇒ 1879 –Walter Flemming (allemand) décrit la mitose – la
division cellulaire
⇒ 1902 –Walter Sutton (américain): – observe la méiose,
propose la théorie chromosomique de l’hérédité. Il remarque
que le modèle de séparation des chromosomes supporte tout à
fait la théorie de Mendel.
⇒ 1909 –Wilhelm Johannsen (danois) – crée le terme
gène, fait la différence entre phénotype & génotype
⇒ 1911 – Thomas Morgan (américain) – démontre que les
chromosomes sont les supports physiques des gènes. Il
découvre la liaison génétique et les recombinaisons génétiques.
⇒ 1913 - Morgan & Sturtevant: carte génétique du
chromosome X
⇒ 1953 - Watson & Crick présentent le modèle en double
hélice d’ADN.
⇒ 1957 – Meselson & Stahl (américains) démontrent que la
réplication d’ADN est semi-conservative.
⇒ Les années 1960: Jacob & Monod (français) – la
régulation de l’expression des gènes. Le principe du code
génétique est admis, existence de séquences d’ADN non
traduites.
⇒ 1968 – Marshall Nirenberg (américain) – déchiffrage du
code génétique (Khorana & Holley).
⇒ 1975 – Fred Sanger (anglais) – séquençage de l’ADN
(‘chain termination method’)
⇒ 1976 –Walter Fiers (Belge – Gand) – premier génome
ARN viral séquencé (bactériophage MS2).
⇒ 1977 – Fred Sanger – premier génome ADN viral
séquencé (bactériophage Φ-X174).
⇒ 1995 – premier génome de bactérie séquencé
(Haemophilus influenza) par ‘Institute of Genomic research’
– 5368 bp.
⇒ 1996 – premier génome d’eucaryote séquencé – la levure
Saccharomyces cerevisiae
⇒ 1998 - premier génome d’eucaryote multicellulaire
séquencé – le nématode Caenorhabditis elegans.
⇒ 1990 – séquencer le génome humain – James
Watson (NIH) - The Human Genome Project (HGP).
⇒ 2000 – une version préliminaire du génome humain.
⇒ 2003 – génome complet (92.3%).
⇒ 2006 – publication de la séquence du dernier
chromosome humain dans Nature.
⇒ 2,858,015,675 bp (2.86 Gb) séquencé
⇒ ~25,000 gènes
II- Généralités et Définitions
1.Le génome: est l'ensemble du matériel génétique d'un
individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de
certains virus dont le génome est porté par des molécules d‘ARN).
Il contient en particulier toutes les séquences codantes (transcrites
en ARN messagers, et traduites en protéine) et non-codantes (non
transcrites, ou transcrites en ARN, mais non traduites).
Chez les eucaryotes :
Le génome
nonnucléaire
Le génome
Le génome
nucléaire
Le génome
mitochondrial
Le génome
chloroplastique
Le chercheur français Christian Vélot compare le
génome à une encyclopédie dont les différents
volumes, seraient les chromosomes. Les gènes
seraient les phrases contenues dans ces volumes
et ces phrases seraient écrites dans un langage
génétique représenté par quatre bases (adénine,
guanine, cytosine et thymine) abrégées en AGCT.
La science qui étudie le génome est la génomique.
=
2.Le gène
C’est quoi un gène chez
les eucaryotes?
C’est une séquence complète
d’ADN transcrit et traduit
(Exon), celle-ci interrompue
par des régions transcrites
non-codante (Intron), mais
éliminés lors de la maturation
de l’ARNm.
2.1.types de gènes
Par gène, on entendra ici une portion d'ADN génomique qui est
essentielle pour une fonction spécifique.
On reconnait 3 types de gènes:
1
2
Gènes codant pour des
protéines
Gènes spécifiant
des ARN
3
Gènes de régulation
Gènes de
réplication
Spécifient les
sites d'initiation
et de terminaison
de la réplication
de l'ADN .
Gènes de
recombinaison
Sites de
reconnaissance
spécifique pour
des enzymes
impliqués dans la
recombinaison .
Gènes de
ségrégation
Sites d'attachement
des chromosomes
pendant la mitose
ou la méiose.
Sites d'attachement pour des protéines, des hormones, des
acides nucléiques, ou d'autres molécules.
III-Taille et composition du génome
des eucaryote
1.La taille du génome:
correspond à la quantité d´ADN contenue dans
une copie d´un génome. La taille d´un génome est
également appelé valeur C. Elle est mesurée soit
par sa masse où on utilise le picogramme, noté pg
comme unité, ou bien par le nombre de
nucléotides (paires de bases) avec le Mégabase,
notée Mb (1 million de nucléotides) comme unité.
1 pg correspond à 978 Mb.
Dolezel J, Bartoš J, Voglmayr H,
Greilhuber J, « Nuclear DNA content
and genome size of trout and
human », dans Cytometry A, vol. 51,
no 2, 2003, p. 127-128
Origine du terme
Le terme de "Taille du génome" est souvent attribué par
erreur à Hinegardner, puisque Hinegardner utilisa ce
terme en 1969 dans le sens "nombre de gènes". Par
contre, en février 1969, Wolf et al. utilisèrent le terme
"taille du génome" avec le sens actuel. Le terme de
"taille du génome" est devenu populaire au début des
années 1970 sans doute suite à la publication du livre de
Susumu Ohno, Evolution by Gene Duplication.
·
↑ (en) Hinegardner R, Molecular Evolution, Sinauer Associates, Inc., Sunderland, 1976, « Evolution of
genome size », p. 179-199
· ↑ Wolf U, Ritter H, Atkin NB, Ohno S, « Polyploidization in the fish family Cyprinidae, Order Cypriniformes.
I. DNA-content and chromosome sets in various species of Cyprinidae », dans Humangenetik, vol. 7, 1969,
p. 240-244
· ↑ (en) Ohno S, Evolution by Gene Duplication, Springer-Verlag, New York, 1970
2.Les mesures:
Il existe différentes mesures de la taille d'un génome. La taille est souvent
exprimée en paires de bases (pb ou bp), en milliers de paires de bases ou
kilobases (Kb), ou en picogrammes (poids). Un picogramme correspond
approximativement à1 milliard de paires de bases.
Est-ce que la taille du génome augmente avec la taille et la
complexité de l’organisme?
3.Le paradoxe de la valeur C:
3.1 définition de la valeur C:Le C désigne
une valeur Constante ou Caractéristique d'un génome d'une
espèce donnée. Cette mesure est commode car elle est
comparable entre organismes haploides et polyploides
3.2 le paradoxe:
Notion décrivant l'absence de correspondance entre le nombre
de gènes présent chez un organisme quelconque et la taille de
son génome haploïde (valeur de C). Ce paradoxe est largement
due a la présence de larges portions d'ADN non codant chez les
eucaryotes.
⇒ La taille du génome d’un organisme n’est
pas proportionnel a son nombre de gènes
exprimés, la complexité l’est!
BOE 2111 – SBOE M111
La taille (en nombre de paires de bases = pdb) de différents
génomes haploïdes, regroupés par grands groupes d'êtres
vivants est présentée sur le diagramme ci-dessous
NB : Les génomes des vers (non figurés sur le diagramme)
comprennent entre 5.107 et 108 pdb.
3.3. Explication du paradoxe
Les chercheurs ont montré que les différences de tailles entre
génomes sont majoritairement dues à :
1
l'ADN qui ne codent pas
pour des protéines et qui est
souvent répété . Ces
morceaux d'ADN répétés
sont, en grande partie, des
éléments transposables
capables de se multiplier
dans les génomes et donc
de les envahir petit à petit.
2
A cela s'ajoute le fait que les
gènes eucaryotes sont
formés d‘exons(parties
codantes) et d‘intros
(longues séquences noncodantes éliminées avant la
traduction de l'ARNm en
protéine)
1.↑ John, B. and Miklos, G.L.G. (1988) The Eukaryotic Genome in
Development and Evolution, Allen & Unwin
4.Nature composite du génome
des eucaryotes
Chez les eucaryotes, on a observé que différentes régions du
génome possédaient différents contenus en GC. Les différentes
régions possédants des densités relativement homogènes en % de
GC sont appelées isochores et couvrent de longs segments d'ADN.
Le génome des eucaryotes présente donc une structure mosaïque.
Il existe ainsi plusieurs familles d'isochores chez les
mammifères, définies en fonction de leur densité en GC.
Familles L1 et L2 : pauvres en GC
Familles H1 et H2 : riches en GC
Famille H3 : très riche en GC
les régions chromosomiques riches en GC sont en moyenne
enrichies en gènes et les gènes sont alors plus compacts
(c'est-à-dire que la proportion d’introns par rapport aux exons
est plus faible). Les régions riches en GC sont aussi
appauvries en rétroélément en LINs Par ailleurs, les télomères
sont des régions riches en GC.
IV- Constitution répétitive des génomes
eucaryotes
Une proportion très importante du génome des eucaryotes est formée d'ADN répété.
La proportion d'ADN répété est variable selon les lignages.
On distingue 4 fractions dans le génome des eucaryotes.
ADN
autohybridant
ADN très répété
ADN moyennement
répété
ADN non répété
•5 à10 % du génome
•Palyndromes,
formant des
structures en épingle
à cheveux.
• 10 à 20 % du génome
• Courtes séquences
d'ADN (quelques
nucléotides à quelques
centaines de
nucléotides).
•En moyenne répétées
500'000 fois.
•20 à 30 % du
génome
•Quelques centaines
à quelques milliers de
nucléotides
•Quelques centaines
de copies
•40 à 70 % du
génome
•Copies uniques.
hautement répétées
modérément répétées
copie unique
CHMI 2227 - E.R. Gauthier, Ph.D.
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.1 ADN répétés en tandem localisés:
Ce sont des « blocs » (ou séries) de séquences d’ADN répétées en
tandem qui constitue les régions centromériques soit sur des
chromosomes particuliers, soit sur tous les chromosomes.
Selon la taille moyenne des blocs de séquences répétées, sont définies
trois sous groupes:
ADN satellite, ADN minisatellite, ADN microsatellite
MEDECINE/SCIENCES 2007 ; 23 : 729-34
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.1 ADN répétés en tandem localisés:
(MEDECINE/SCIENCES 2007 ; 23 : 729-34)
ADN satellite
Localisé en bloc de 100 Kb a plusieurs Mb de longueur dans les régions
d’hétérochromatine du génome.
Comporte de longues séries de répétitions en tandem.
Selon la composition en bases et après centrifugation, on distingue trois
bandes satellite à différente densité.
Satellite β
Satellite II et III
Satellite alphoide
Satellite I et
autres
répétitions
Chromosome 21
Chromosome 9
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.1 ADN répétés en tandem localisés:
ADN minisatellite (MEDECINE/SCIENCES 2007 ; 23 : 729-34)
Se sont de courte séquence en tandem hautement répétitive et hyper variable,
localisé dans le site euchromatine et prés des télomères.
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.1 ADN répétés en tandem localisés:
ADN microsatellite
(MEDECINE/SCIENCES 2007 ; 23 : 729-34)
Se sont de courte répétition d’une séquence en tandem de 1 a 4 nucléotides,
dispersés dans tout le génome:
ADN mono génique, intron, région flanquant, région inter génique, les gènes.
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.2 ADN répétés dispersé:
Se sont des séquences répétées dispersées représentées par:
transposons à ADN, SINE, LINE, rétrovirus
Arabette
Nématode
Drosophile
Souris
Homme
LINE/SINE
0,5 %
0,4 %
4,7 %
28 %
28 %
Séquences:
rétrovirus
4,8 %
0%
6,4 %
10 %
7%
Séquences:
Transposons
5,1 %
5,3 %
3,6 %
1%
3%
Total
10,5 %
6,5 %
14,9 %
38 %
38 %
Tableau des fréquences des séquences répétées dispersée chez différents eucaryotes
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.2 ADN répétés dispersé:
SINE (pseudo-gènes rétro transcrits):
Eléments courts dispersé.
Une quarantaine de famille a été identifiée, la plus fréquents est la séquence
Alu, avec environ 10^6 copies (soit en moyenne une copie tous les 4 bases).
Riche en GC.
se sont des rétro séquences non-fonctionnelle.
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.2 ADN répétés dispersé:
LINE (rétro transposons)
Long éléments dispersés.
Existent trois familles: LINE 1, LINE 2, LINE 3.
les LINE humains sont essentiellement représentés par les éléments L1 ou
LINE 1.
La L1 est constituée d’environ 60 000 a 100 000 répétitions dispersées, parmi
elles, de nombreux membres sont activement transposable.
1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.2 ADN répétés dispersé:
Se sont des séquences répétées dispersées représentées par:
rétrovirus endogènes et éléments de type rétrovirus
Virus dont le génome est constitué d'ARN. Sa particularité est de posséder une
"transcriptase inverse", enzyme qui permet la transcription de l'ARN viral du
génome en molécule d'ADN "complémentaire" (ADNc) capable de s'intégrer à
l'ADN de la cellule hôte. Il utilise ensuite la machinerie cellulaire pour se
répliquer. Le rétrovirus est utilisé comme vecteur pour le transfert de gène,
notamment à visée thérapeutique.
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1. ADN répété
1.1 ADN répété non codant
1.1.2 ADN répétés dispersé:
Se sont des séquences répétées dispersées représentées par:
transposons à ADN
Tous les eucaryotes possèdent dans leur génome des éléments transposables.
(exception: rotifères bdelloides – Arkhipova & Meselson, 2000)
Découverte des transposons chez le maïs
(Barbara McClintock, Nobel 1983 exposé dans les années
50) decouverts 10 ans après chez les bactéries....
les transposons
provoquent des
instabilités
génétiques
1. ADN répété
1.2 ADN répété codant
1.2.1 Mécanisme permettant la répétition de l’ADN codant:
La transposition de l’ADN: 2 type d’éléments transposables, transposons, se déplace a l'intérieur du génome par l'intermédiaire d’un ADN (mécanisme de
type « couper-coller » ou « copier-coller »)
BOE 2111 – SBOE M111
et Rétrotransposons, transportés a l'intérieur du génome par l'intermédiaire
d’un ARN.
BOE 2111 – SBOE M111
La duplication de gènes en tandem: est souvent le résultat d’un Crossing
Over inégal ou d’échanges inégaux entre les chromatides sœurs , les gènes
dupliqués peuvent dégénérés en pseudogénes.
Cosmology, 2009, Vol 1, In Press Peer Reviewed
1. ADN répété
1.2 ADN répété codant
1.2.2 Les conséquences de la duplication:
(in)stabilité de la duplication: elle est du soit a la non transmission du
génotype, soit a une délétion d’une des copie s, et soit au maintien des deux
copies.
Pseudogènes: se sont des copies non fonctionnelle qui s’expriment pas sois
parce qu’ils sont non transcrits, soit parce qu’ils sont non traduits
(non) divergence des copies:
divergence des séquences régulatrices codante ou séquences
codantes:
2.ADN non répété
L'ADN non répété correspond essentiellement aux
gènes qui codent pour des protéines. Comme ces
gènes sont parfois apparentés car provenant
d'anciennes duplications ils forment des familles qui
ont des séquences présentant plus ou moins de
ressemblance.
V- Les familles multigénique
C’est quoi une famille
multigénique?
C’est un ensemble de gènes qui présentent un fort degré de
similarité.(à partir de 20% de ressemblances on peut
considérer que cela n'est pas le fruit du hasard) issus d'un
gène ancestral. Ainsi les protéines produites par ces gènes
auront globalement les mêmes fonctions, c'est par exemple
le cas de l’hémoglobine et du CMH.
NB: En général, les membres d'une famille multigénique
résident sur le même chromosome.
1. Famille des gènes
classique rassemblés en
clusters:
Caractérisée par un degré extrêmement élevé de
similitude entre les membres de la même famille ,
il s’agit de gènes devant êtres transcrit en grand
nombre en un temps restreint .
Gènes des
ARNr 18s,
28s, 8,5s.
Gènes des
ARNr 5s.
Gènes spécifiant,
les ARNt.
Gènes des
histones
2.Famille qui contiens des
répétitions variables
regroupées:
Évolution de la famille de la globine
⇒ Une comparaison entre les séquences de gènes de cette famille
multigénique laisse entrevoir l’ordre dans lequel les gènes sont apparus
L’évolution des divers gènes de la globine :
⇒ La similitude entre les séquences des acides aminés de la a-globine et
de la b-globine corrobore au modèle de duplication et mutation des
gènes, c.a.d.:
3. Fonction des génes
dupliqués
ils peuvent conduire à :
Des produits qui sont exprimés de façon prédominante dans certains
environnements.
Des produits différents.
Des à des produits différents qui sont les isoformes tissu-spécifique ou
isozymes.
Des produits complètement différents après duplication , transposition
et mutation.
3.1. Localisation de gènes
dupliqués
Les membres d’une famille multigénique peuvent êtres soit :
-Dispersés sur plusieurs Chromosomes ( tableau 4 )
- Regroupés à un endroit spécifique d’un chromosome ( tableau 5 )
Famille
Nombr
e de
copies
caractéristiques
-Adolase
5
-PAX
-Chaine lourde de la
ferritine
9
>15
-Glycéraldéhyde3phosphate
deshydrogénase
-Actine
>18
-Trois gènes fonctionnels et deux pseudogènes répartis sur cinq chromosomes
différents.
-Au moins huit gènes exprimés.
-Un gène fonctionnel connu sur le
chromosome 11 ; la plupart sont des pseudogènes rétrotranscrits.
-Un gène fonctionnel en 12p ; de nombreux
pseudo-gènes rétrotranscrits .
-Quatre gènes fonctionnels et de nombreux
pseudo-gènes rétrotranscrits.
>20
Tableau 4 :
Exemple de familles
de gènes dispersés
Famille
Nombre de
copies
Organisation
Localisation
chromosomique
-Groupe des gènes du
complément C.
2
6p21.3
-Groupes de gènes de
l’hormone de croissance
5
-Groupe des gènes de l’αglobine
7
-Gènes des histones
100
-Répétition en tandem de
30kb ; les deux sont
exprimés.
-Regroupés sur 67 Kb ; trois
gènes fonctionnels , un gène
exprimé de fonction
inconnue ; trois pseudogènes.
-Regroupés sur 50kb; trois
gènes fonctionnels , un
exprimé de fonction
inconnue , trois pseudogènes.
-Regroupement de quelques
localisations , notamment
groupe sur le chromosome
1p21
17q22.24
16p13.3
1p21 , 6 , 12q.
Tableau 5 : Exemple de famille de gènes regroupés
4. Superfamilles de gènes
Dans certaines familles , les gènes codent des produits que l’on sait proche
sur le plan fonctionnel , mais qui ne présentent qu’une faible
homologie de séquence sur de longs fragments , sans acides aminés
conservé significatif . Il existe une parenté commune distante au cours
de l’évolution ex :
• Gènes des immunoglolines.
• Gènes HLA.
• Gènes des récepteurs T4 et T8.
VI- Carte génétique:
1.Définition :
•Une carte génétique est un alignement linéaire des gènes sur un
chromosome, basé sur les fréquences de recombinaison (carte de
liaison) ou sur l’emplacement physique (carte physique ou
chromosomique). Les termes de carte factorielle, ou de carte
statistique, sont également fréquemment employés comme synonymes
de carte génétique.
2. Le concept des
cartes génétiques
Plus deux gènes sont proches moins ils recombinent.
La fréquence de recombinaison entre deux gènes est une
ESTIMATION de la distance qui les sépare sur le chromosome sur
lequel ils sont localisés.
1 % = 1 cM ~ 1 Mb
10 % = 10 cM ~ 10 Mb
3.Objectif de la
carte génétique
L'action de cartographier consiste à déterminer
les positions relatives des loci (gènes ou
séquences d’ADN) sur un chromosome
4. Le marqueur
génétique
C’est une séquence polymorphe d'ADN aisément détectable, utilisée en
cartographie génétique pour « baliser » le génome.
Jusqu'en 1980, les marqueurs génétiques étaient uniquement des
gènes polymorphes, cartographiés à partir de l'analyse des
phénotypes. Les nouvelles biotechnologies (PCR…) permettent une
analyse directe du polymorphisme des séquences d'ADN pour dresser
une carte génétique.
Il existe différentes sortes de marqueurs : STS, RFLP, microsatellites,
minisatellites, RAPD, SNP, EST, gènes...
1.↑ Daniel Prat & al, Analyse du génome et gestion des ressources génétiques forestières [lire en
ligne [archive]], pp. 73-74, éd. Quae, 2006, 456 p. (ISBN 2738012272).