Réplication de l`ADN 1) réplication chez les procaryotes

Mutations et Mutagénèse
Mutations
I-Définitions :
Le terme mutation est utilisé pour désigner une modification irréversible de l’information génétique et
héréditaire dans la séquence d’un génome, donc ces des altérations des séquences habituelles de l’ADN
d’un organisme.
Elles sont soit naturelle suite à des erreurs dans la réplication (mutations naturelles). soit induites par des
agents mutagènes physiques, chimiques (mutations induites).
Une très grande partie des erreurs commises au cours de la réplication du génome sont corrigées
immédiatement par des mécanismes complexes et efficaces de réparation de l’ADN.
Les mutations qui touchent les cellules germinales sont transmises à la descendance. Les conséquences
sont variables selon que le produit du gène est affecté ou non.
Les mutations survenant sur les séquences non codantes n’ont en générale aucune répercussion sur
l’organisme. Celles qui touchent les séquences codantes sont à l’origine de maladies génétiques
héréditaires et du cancer.
II-Types de mutations :
II-1) les mutations ponctuelles : ce sont des altération qui mettent en jeu la modification d’une base
unique à une position quelconque du gène. Dont l’effet sur l’ADN est le suivant :
II-1- A :Effet sur l’ADN :
1- Délétion : perte d’une paire de base. Exp : TTAGGCAAGACT => TTAGCAAGACT
2- Addition : ajout d’une paire de base. EXp : TTAGGCAAGACT=>TTAGGACAAGACT
3- Substitution : échange de paire de base.
 Transition : substitution par base analogue : purine / purine (A/G)ou pyrimidine/
pyrimidine(T/C).
 Transversion : remplacement d’une purine par pyrimidine. A/T ; T/A ; C/A ; A/C ; G/T ;
T/G ; G/C ; C/G.
II- 1-B :Effet sur la protéine :
La mutation ponctuelle entraine le changement du codon cependant en raison de la dégénérescence
du code génétique il n’y aura aucune conséquence sur l’AA. Ces mutations n’ont pas d’effet sur la
protéine, et ne donne pas de phénotype mutant, elle se traduise par un polymorphisme de l’ADN.
1- Mutation faux sens : peut être conservatrice ou non : c’est le changement de la base donnant un
acide aminé différent, elles concernant la 1ère et la 2eme base, son effet est variable, exp : UCC(Arg)-------UGC (Cys)
si elle touche une protéine mutée entrant dans une chaine métabolique de fonction, elle s’exprime
obligatoirement (forcément )par une pathologie .
Si elle touche une protéine de structure, elle s’exprime par une pathplogie ou un polymorphisme
génétique.
2- Mutation non sens : le codon touché par la mutation et changé en codon stop, elle aboutit à l’arrête
prématuré de la traduction donc à la synthèse d’une protéine plus courte tronqué, non fonctionnelle,
elle conduit toujours à l’interruption des processus métabolique ou structurel et produit une
pathologie.
3- Mutation Frame shift : décalage du cadre de lecture, c’est une insertion de base surnuméraire
(addition) ou la délétion d’une base, le déphasage altère toute les séquences d’A.A en aval et aboutit à
une pathologie.
4- Mutation silencieuse : mutation est due à un changement du troisième nucléotide, substitution d’une
seule base qui ne change pas la nature de l’acide aminé (remplacement d’un codon par un codon
synonyme, les deux codent pour le même a. Aminé). Ce changement n’a pas d’effet sur la protéine.
Les mutations silencieuses contribuent à enrichir le polymorphisme de l’ADN.
5- Mutation conservatrice : le codon spécifie un acide aminé différent mais similaire chimiquement.
Exp : AAA(Lys) −−−−−−−−−−> AGA(Arg)
Basique
Basique
II-2) Mutations modulant l’expression du gène : ces mutations touchent les régions régulatrices du
gène (promoteur). Le codon d’initiation, le site de polyadénylation ou bien les gènes codant pour les
facteurs de transcription. Le gène peut devenir incapable de synthétiser la protéine ou la synthèse devient
insuffisante.
II-3) Les mutations de grande ampleur ou macro lésions de l’ADN :
Les mutations de grande ampleur touchent de longs segments d’ADN (mutations chromosomiques),
leurs conséquences sont généralement importantes. (Chapitre : cytogénétique)
A- Des délétions :
B- Les insertions : Les nucléotides insérés viennent en général d’un autre chromosome. Leur
étendu est variable.
C- Les duplications :
Un segment d’ADN de longueur variable est représenté deux fois dans le chromosome.
D- Les amplifications :
Des séquences plus au moins longues, qui se répètent en plusieurs exemplaires sur le
chromosome. Ces séquences s’attachent l’une à l’autre en tandem dont l’étendue est variable.
Exp : Syndrome de X fragile (Retard mental lié à X), le triplet de bases impliqué :
CGG (10- 50)……………..Sujet Sain , CGG(52- 500)…………….Sujet malade
Donc mutation par amplification de triplet de bases.
II-4) Les mutations dynamiques instables : c’est une expansion de répétition de codon. Elle engendre
l’allongement de la séquence d’ADN par augmentation du nombre de codon répété de génération an
génération, on l’appel instable à cause de l’instabilité méiotique et/ ou mitotique de triplet répétés associé
a des séquences pathologiques ( ne pas confondre avec les microsatellites : qui sont stables et extra
génique) ce type de mutation s’observe dans une douzaine de maladies humaines ( syndrome du X
fragile : CGGn fois).
II-5) Les mutations de l’ADN mitochondrial : l’hérédité mitochondriale est complexe et n’obéit pas
aux lois de Mendel. Comme exemple maladie respiratoire ,causée par diverses mutations des gènes de la
chaine respiratoire présents sur l’ADNmit .
Pour un caractère répondant à une hérédité mitochondriale. Il faut retenir :
 Transmission maternelle.
 Transmis uniquement par les femmes aux garçons et aux filles.
 L’homme ne transmis pas .
 Remarque : code génétique de l’ADN mit.
 En plus des exceptions citées déjà ; UGA n’est pas un codon stop mais code le tryptophane chez
l’espèce humaine.
Les mutagènes Chimiques et physiques
I-Les agents mutagènes chimiques :
1- Des analogues de bases comme le 5-Bromouracile et le 2- Aminopurine sont incorporés dans
l’ADN durant la réplication normale, subissent des modifications tautomériques similaires aux
bases normales mais à des fréquences plus élevées ce qui aboutit à une mutation.
2- Des agents intercalants sont des composés plats, à trois anneaux similaires en structure à une
paire de bases. Ils peuvent s’intercaler dans l’ADN, provoquant une distorsion de l’hélice et donc
un glissement durant la réplication et insertion et la délétion de bases. Des exemples : Le bromure
d’éthidium et l’orange acridine.
3- Des agents alkylants sont des composés qui modifient la structure d’une base et donc ses
propriétés d’appariement lors de la réplication suivante.
Par exp l’hypoxanthine qui transforme la cytosine en hydroxylaminocytosine qui s’apparie avec
l’adénine. Provoquant la transition de G-C en A-T.
II-Les mutagènes physiques :
1-Les radiation ionisantes :X et Gamma
Elles sont hautement énergétiques, elles provoquent des coupures des brins d’ADN et la
destruction de sucres et de bases.
2- Les radiations non-ionisantes : UV
Elles sont absorbées par les bases et peuvent induire des changements structuraux (des lésions
d’ADN). Utilisées au niveau des laboratoires pour induire des mutation , La lésion principale
provoquée par la lumière UV est la formation de dimère de pyrimidine. Les plus fréquents étant
les dimères de thymine. Entre des bases adjacentes ; ceci provoque une distorsion de l’hélice de
l’ADN. Ces mutations surviennent lorsque la cellule essaie de réparer la lésion en utilisant le
système de réparation SOS.
La mutagénèse :
in vitro est fréquemment utilisée pour modifier des séquences précises de L’ADN, lorsque la séquence
d’ADN est connue. Une copie de la séquence mutée est synthétisée chimiquement et utilisée pour
remplacer le type sauvage dans le génome.
Réplication de l'ADN
1) réplication chez les procaryotes :
- Synthèse de la nouvelle chaîne dans le sens 5'-3' : La synthèse de la nouvelle chaîne d'ADN est réalisée
par une ADN polymérase, qui ajoute les nucléotides présents dans le milieu à l'extrémité 3'OH d'un
nucléotide correctement apparié. La synthèse se fait donc dans le sens 5'-3' :
La synthèse du nouveau brin se fait dans le sens 5'-3' et l’activité correctrice dans le sens 3’- 5’. L'activité
correctrice consiste à exciser un nucléotide mal apparié qui vient d'être ajouté en bout de chaîne et à
reprendre l'élongation. Or, pour ajouter un nucléotide, il faut que le phosphate venant réaliser la fonction
diester soit activé, et l'excision d'un nucléotide laisse un phosphate inactivé. Si la synthèse se faisait dans
le sens 3'-5', le phosphate participant à la liaison diester serait celui de la chaîne en croissance, qui verrait
donc son élongation s'arrêter. Tandis que si la synthèse se fait dans le sens 5'-3', le phosphate désactivé est
celui du nucléotide, et l'extrémité 3' OH de la chaîne en croissance peut continuer à recevoir de nouveaux
nucléotides.
I-1 Initiation de la réplication : La fourche de réplication est initiée par des protéines d’initiation (gyrases)
qui se fixent sur une séquence particulière riche en AT : l'origine de réplication pour dérouler l’ADN par
un mécanisme de cassure et réunion. (Fig.1)
Explication de la figure 1 :
a : La double hélice avant l’action de la gyrase
b : La gyrase coupe le brin (en rouge sur le schéma) et le rabat en dessous du brin (noir) et le recolle.
c : ainsi sur deux sillons successifs le brin noir et au- dessus du brin rouge. La double hélice est donc
déroulée à cet endroit. (Fig. 1bis)
L' hélicase se lie ensuite à ce complexe et sépare les deux brins d'ADN en cassant les liaisons hydrogènes.
(Fig.2).
Une fois la double hélice ouverte par l’hélicase, des protéines de liaison à l'ADN simple brin
(SSB) maintiennent l'hélice déroulée à l’état simple brin, en empêchant l’appariement des bases
complémentaires. (Figure3)
I-2 élongation des nouvelles chaînes d’ADN
La réplication commence au milieu de l’œil de réplication (Fig. 5), qui est divisé en deux fourches de
réplications.
Pour que la synthèse de la nouvelle chaîne puisse commencer, il faut une amorce ( (qui est une courte
séquence d’ARN qui se termine par un OH libre, car l'ADN polymérase III
ne peut pas commencer
une réplication "dans le vide" c'est-à-dire sans extrémité OH sur le brin à allonger.
1-La réplication commence donc par l’action d’une ARN polymérase appelée Primase
synthétise l’amorce. (Fig.6)
qui
2- l’ADN polymérase III prolonge l’amorce par de l’ADN grâce à son activité polymérasique 5’-3’ Sur le
brin matrice qui commence par 3’ et se termine par 5’ le brin nouvellement synthétisé est un brin continu
ou précoce, orienté dans le sens 5’-3’. Sur le brin matrice qui commence par 5’ et se termine par 3’ le brin
nouvellement synthétisé ne peut pas démarrer à partir de l’extrémité 3’ car il n’existe pas d’activité
polymérasique 3’-5’, le point de départ de la réplication doit être décalé de façon à trouver une extrémité
3’sur la matrice pour faire une réplication dans le sens 5’-3’ du nouveau brin, ce décalage est réalisé par
la formation d’une boucle au niveau du brin orienté dans le sens contraire du déplacement de l’ADN
polymérase III. (Fig. 7) Au niveau de chaque boucle est synthétisé un fragment d’ADN de 100
nucléotides appelé fragment d’Okazaki. Les fragments d’Okazaki forment le brin tardif ou discontinu
(succession de courtes séquences d’ADN séparées par des amorces (ARN).
3- L’ADN polymérase I remplace les amorces par de l’ADN grâce à ses activités exonucléasique 5’-3’ et
polymérasique 5’-3’.
4- La ligase lie les fragments d’Okazaki grâce aux liaisons phosphodiesters.
II -Réplication chez les eucaryotes : chez l’homme il existe environ une origine de réplication tout les
150 nucléotides. La vitesse de réplication est de 50 nucléotides/seconde pour chaque brin et il faut 6 à 7
heures pour répliquer les 6.109 nucléotides pendant la phase S. Les contraintes topologiques sont les
mêmes que pour les procaryotes lors de l’initiation où il y a intervention de topoisomérases qui éliminent
ces contraintes grâce à l’activité endonucléasique qui provoque une coupure d’une liaison phosphodiester
et rotation des deux extrémités libres. Les brins séparés sont ensuite stabilisés par des protéines RP-A
(replication protein A) qui forment un manchon autour des monobrins.
Il existe chez les eucaryotes 5 ADN polymérases : alpha, delta, bêta, gamma, epsilon.
Alpha : elle a une activité polymérasique 5’-3’ et une activité Primase. Elle intervient en premier lors de
la réplication pour synthétiser une amorce(ARN) qu’elle prolonge grâce à son activité ADN
polymérasique par 30 desoxyribonucléotides.
Delta : elle a une activité polymérasique 5’-3 et une activité exonucléasique 3’-5’, elle a une forte
processivité (nombre de nucléotides polymérisés par moment de fixation) .Cette processivité est
augmentée par un cofacteur appelé ‘PCNA’ ou Proliferation cell nuclear antigen. Le complexe
Delta/PCNA synthétise la majeure partie de l’ADN.
Bêta : elle comble les vides causés après l’élimination des amorces par la RNAse H.
Gamma : elle intervient dans la réplication de l’ADN mitochondrial.
Epsilon : son rôle n’est pas bien défini.
Réplication des télomères
Dans la plupart des cellules somatiques différenciées les télomères, (séquence répétée GGTTAG
GGTTAG associée à une protéine) situés aux extrémités des chromosomes se raccourcissent à chaque
réplication d’environ 100 nucléotides. Ce raccourcissement est dû à l’incapacité de l’ADN polymérase
de remplacer l’amorce éliminée par la RNAse H. il subsiste un monobrin à l’extrémité 3’ qui est alors
dégradé. Les télomères passent de 12000 nucléotides chez un nouveau né à 4000 nucléotides chez une
personne de 80 ans. Le raccourcissement conduit la cellule vers la sénescence. Au bout d’une certaine
limite, la cellule cesse de se diviser, elle est orientée vers l’Apoptose et meure.
Dans les cellules embryonnaires, les cellules souches, les cellules germinales et cancéreuses, les
télomères sont rallongés grâce à une enzyme de type transcriptase réverse. Cette enzyme TERT
(télomérase retrotranscriptase) n’a pas besoin d’une matrice de l’ADN chromosomique, car elle possède
elle-même une matrice ARN appelée TERC (télomérase RNA component) (fig.8)