Transcript Structure : ADN et ARN

BIOLOGIE MOLÉCULAIRE
(COURS DE 1ÈRE ANNÉE)
PLAN DU COURS
INTRODUCTION GÉNÉRALE
- Définition : biologie moléculaire
STRUCTURE ET PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES DES ACIDES NUCLÉIQUES
- Structure : ADN et ARN
- Propriétés biologiques et chimiques du DNA
ORGANISATION DES GÈNES ET RÉPLICATION DU DNA
- Comparaison cellules procaryotes et eucaryotes
FLUX DE L ’INFORMATION GÉNÉTIQUE : MÉCANISMES MOLÉCULAIRES DE
L ’EXPRESSION DES GÈNES
- TRANSCRIPTION DU DNA OU BIOSYNTHÈSE DU mRNA
- TRADUCTION OU BIOSYNTHÉSE DES PROTÉINES
EXPLORATION ET MANIPULATION DES GÈNES : BIOTECHNOLOGIE DE L ’ADN
RECOMBINANT
- Clonage des gènes
- Transgénèse
NOTIONS SUR LA PATHOLOGIE DU DNA
- Mutation
- notion de thérapie génique (gène médicament)
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Définition de la biologie moléculaire = étude de la vie à l ’échelon moléculaire : domaine très
vaste (trop?) de la biologie.
= commande, mise en œuvre et régulation des fonctions moléculaires (cellule, tissu, organisme)
Biologie du gène = biochimie génomique
(Réplication de
l ’ADN)
S1
division
Biosynthèse des
protéines = traduction
S2
Survit
S3
S4
différenciation
Mort cellulaire
physiologique
(apoptose)
Expression de gènes
spécifiques
Fragmentation
de l ’ADN
ADN = molécule universelle de l ’hérédité chromosomique (excepté certains virus)
méiose Cellules germinales
= gamètes
n=23
mâle
n=23
Cellules haploides
femelle
fécondation
2n=46
Cellule diploide
Transmission de l ’ADN = caractères génétiques d ’un individu
Transmission d ’une altération de l ’ADN = pathologies moléculaires (mucoviscidose,
drépanocytose, myopathies …)
Flux de l ’information génétique
ARN t
Effets biologiques
Gènes = ADN
transcription
ARN m
traduction
protéines
-développement
-différenciation
-métabolisme ...
réplication
Régulation : activation
ou répression
ADN et ARN = commande la vie cellulaire
Altération de l ’ADN ou ARN
protéine défectueuse
Protéines = effecteurs
situation pathologique (ex. cancer)
Grandes étapes des avancées en biologie moléculaire
Naissance du concept de gène
1865 : Travaux de Mendel : (publiés par De Vris en 1900) théorie de l ’hérédité
particulaire
1880-1920 : hérédité chromosomique (travaux de Morgan sur la drosophile)
Gène = élément sur chromosome, responsable d ’un caractère
Évolution du concept de gène : hérédité moléculaire
1944 et 1952 : Travaux de Avery (pneumocoques) et Hershey et Chase
(bactériophages) : ADN = support physique et chimique des gène
1953 : Watson et Crick : double hélice de l ’ADN
1957 : gène et structure primaire d ’une protéine
Naissance de la
Biologie
moléculaire
1961 : Concept de l ’ARN messager “ un gène -une enzyme ” (Jacob et Monod)
1963 : découverte du code génétique (Niremberg, Ochoa et Khoranea)
Gène = segment d ’ADN codant une protéine
Depuis 1970 : développement techniques : la révolution génomique
(gène =outil = entité manipulable)
découverte :
- des enzymes de restriction
- la transcriptase inverse (ARN
ADN)
- Techniques de Séquençage des gènes (application au génome humain)
- Clonage moléculaire des gènes (≠ clonage organismes)
- Trans-genèse animal (souris KO) et végétal (OGM)
- Usine cellulaire : production de protéines recombinantes (depuis 1980)
- Identification de gènes responsables de maladies (mutations : diagnostic)
- Traitement des maladies du gène : thérapie génique (maladies génétiques,
cancers)
- Thérapie cellulaire
STRUCTURE ET PROPRIÉTÉS DES ACIDES
NUCLÉIQUES
ADN = Acide désoxyribonucléique
Acide nucléique (noyau) (+ mitochondries, chloroplastes, procaryotes)
= polymères de nucléotides
ARN = Acide ribonucléique
Nucléotide = base azotée + sucre (pentose) + acide phosphorique
nucléoside
Bases
Purine
pentose
Pyrimidine
Bases puriques
Adénine (A)
pentose
Bases pyrimidiques
Guanine (G)
Thymine (T)
(ADN)
Cytosine (C)
Uracile (U)
(ARN)
Les différents nucléotides
Groupement
phosphate
Base purique ou
pyrimidique
N9 : base purique
N1 : base pyrimidique
= liaison N-glycosidique
Pentose
- ribose (RNA) OH en 2 ’
- désoxyribose (DNA) H en 2 ’
ADN : 4 types de nucléotides
Désoxyadénylate
Désoxyadénosine 5 ’ monophosphate
(dAMP) (dGMP)
Désoxythymidilate
Désoxythymidine 5 ’monophosphate (dTMP)
(dCMP)
ARN
Adénylate, adénosine
5 ’monophosphate (AMP)
(GMP)
AMPc et GMPc
Uridylate, uridine
5 ’monophosphate (UMP)
Union de plusieurs nucléotides : formation des polynucléotides
Extrémité 5 ’
PO4 libre
Liaison
phosphodiester
5’
5’
(liaison covalente)
DNA pol
RNA pol
3’
3’
Extrémité
3 ’OH libre
A
Extrémité 5 ’
(à gauche)
ADN
ARN
T
C1 ’
C
G
A
Extrémité 3 ’
C3 ’
P
P
C5 ’
P
5’
P
P
3’
p ATCGAOH ou ATCGA : ordre des bases = information génétique
Oligonucléotide ≠ polynucléotide
OH
(à droite)
Structure tridimensionnelle du DNA: la double hélice (Watson et Crick 1953 prix Nobel en 1962))
- 2 chaînes nucléotidiques (2 brins) antiparallèles
5’
3’
3’
5’
Appariement des bases
- complémentarité des bases
En face de : A on a : T
En face de : C on a : G
5’ A
C
G
A
.
.
3’ C
Brin 1
T 3’
G
C
T
.
.
G 5’
Brin 2
Raisons de cette complémentarité : 1 - encombrement stérique (purine + pyrimidine)
2 - formation de liaisons hydrogène
T
A
6
7
5
8
P
4 3
2
5
3
2 1
6
9
désoxyribose
G
P
1
désoxyribose
P
C
désoxyribose
désoxyribose
P
- appariement des bases (stabilité relative, possibilité de dénaturation)
- séquence des bases = information génétique
Ex :
5 ’ CTAGCGGA 3 ’
3 ’ GATCGCCT 3 ’
Produit = protéine
Produit = son musical
- conformation spatiale de l ’ADN
Chaîne sucre
phosphate
Interaction avec
des protéines
(Facteurs de
transcription)
5’
3’
Petit sillon
3,4 nm (10 pdb)
d entre 2 bases = 34A°
Grand sillon
Paires de bases
3’
5’
2,0 nm
Mise en évidence des propriétés biologiques de l ’ADN
Travaux de Morgan : hérédité chromosomique
Expérience de transformation des pneumocoques (Avery-Mc Leold-Mc Carty) (1944)
Capsule
polyosidique
Forme S (« smooth »)
virulente
Forme R (« rough »)
Non virulente
Mort de la souris
Forme S
La souris reste vivante
Forme R
Forme S tuées
par la chaleur
La souris reste vivante
Mort de la souris
Mélange forme R + forme S tuées par la chaleur
Conclusion : existence d ’un principe transformant R en S
Expérience complémentaire : préparation d ’extrait acellulaire de S tuées par la chaleur
+ Protéines
Forme R
+ ADN
Forme R
Conclusion : le principe transformant est l ’ADN
La souris reste
vivante
Mort de la souris
Expérience de Hershey et Chase (1952)
Capside protéique
ADN
Bactériophage T2
Problème : ADN ou Protéine qui infecte ? Utilisation de T2 marqués au 32P ou au 35S
Protéine
ADN marqué au 32P
marquée au 35S
Eschérichia coli
Séparation bactérie et phages et analyse du contenu de la bactérie : présence de 32P pas de 35S
ADN pénètre dans la bactérie
Multiplication de T2 : 32P retrouvé dans la descendance
ADN = support de l ’information génétique
Structure des acides ribonucléiques (ARN ou RNA)
Monocaténaire
≠ ADN
+ court
Sucre = ribose
Bases A, C, G et U (≠ T)
A
U
C
G
Appariement possible
- épingles à cheveux (mRNA)
- tRNA
ARN ribosomial (rRNA) (80%)
Ribosomes = “ usine à protéines “ de la cellule : RNA (65%) + protéines (35%)
Procaryotes (E.coli)
Eucaryotes
rRNA 5S et 23 S
50 S
60S
34 protéines
mRNA
30S
70 S (S = Svedberg)
r RNA 16S
(1542 nucléotides)
21 protéines
40S
80 S
ARN messager (mRNA) (F. Jacob et J. Monod 1961)
= copie de l ’un des deux brins ADN d ’un gène (transcription)
Message = Code à trois lettres 3 nucléotides (triplet) = codon spécifique d ’un acide aminé
Décodage : grâce aux tRNA
ARN de transfert = tRNA
tRNA (adaptateur)
AA
codon
mRNA
Acide aminé
Extrémité 3 ’
Bras acide
aminé
Extrémité 5 ’
Bras DHU
ribose
Bras Ty C
ribose
1-méthylguanine
Dihydrouridine
(DHU)
ribose
Bras anticodon
Structure en feuille de trèfle d ’un tRNA
Pseudouridine (y)
Propriétés Physico-chimiques des acides nucléiques
Absorbance dans l ’UV
absorbance
DO ADN db [1mg.ml-1] = 20
DO ARN ou ADN monocaténaire = 25
Simple brin
Effet hyperchrome
Double brin
Intérêt : quantification ADN et ARN
220
260
300
l (nm)
pureté des Acides nucléiques
Dénaturation thermique
Chaleur
ADN dénaturé
Température de
fusion
Absorbance 260nm
Tm fonction :- de la taille de l ’ADN
Tm
Température °C
80° 100°
renaturation
- nombre GC
refroidissement