Transcript Support moléculaire de l`information génétique

L'INFORMATION
GENETIQUE
à l'échelle
cellulaire
PLAN
I. Support et organisation de l'IG
II. Mécanismes moléculaires de conservation
de l'IG
III. Mécanismes moléculaires de l'expression
de l'IG
IV. Transmission de l'IG lors de la mitose
I. Support et organisation de l'IG
A. Support moléculaire de l'IG
B. Organisation fonctionnelle des
génomes
C. Support cellulaire de l'IG
A. Support moléculaire de l'IG : les
acides nucléiques
2 approches possibles :
Partir de l'observation cellulaire :
des chromosomes
à l'organisation moléculaire de
la double hélice d'ADN
Partir de l'observation moléculaire :
Récupération d'ADN
Hydrolyse
Etude des produits d'hydrolyse
Reconstitution de l'organisation
moléculaire
Extraction d'ADN d'oignon
A. Support moléculaire de l'IG
1- Les acides nucléiques : des polymères de
nucléotides
a) Produit d'hydrolyse de l'ADN : les nucléotides
 5 bases azotées principales
Nucléoside = Base + sucre (pentose)
Nucléotide = Base +
sucre +
phosphate(s)
Formes tautomériques des bases azotés :
Par transfert de liaisons doubles dans les cycles
 "céto" (=O) à pH physiologique ou forme "énol (-OH)
pour T et U
 "amino" (=O; NH2) ou "imino" (-OH; =N-H) pour C et G
 Associations non standard entre bases 
Mésappariements  Mutations dues à erreurs de
réplication de l'ADN
Fct OH réactive  molécule instable
Synthèse d'ADN à partir de dnt3P et départ de PPi
Possibilité de cyclisation interne 1-3 : AMPc
b) Autres dérivés de nucléotides remarquables : les
coenzymes
NAD(P), FAD , coA
c) Propriétés physicochimiques des nucléotides
- Propriétés acides des phosphates et charges négatives
- Réactifs spécifiques :
 réaction de Feulgen : HCl + Schiff rose
 vert de méthyl acétique
- Propriété : absorption de la lumière
1- Les acides nucléiques : des polymères de
nucléotides
2- L'ADN, une double hélice antiparallèle
a) Caractère double : association de paires de bases
 Règle d'équivalence de Chargaff : Appariement A/T et
G/C (1948-49)
Hydrolyse chimique de l'ADN + séparation + identification 
quantification des nucléotides A, T, C, G
Travaille sur grand nb d'organismes
Systématiquement %A=%T et %G=%C
(A+G) / (T+C) = 1
 Rapport (A+T)/(C+G) spécifique de l'espèce
(A+T)/(C+G) = 1,52 chez l'Homme (très variable chez bactéries)
 Mise en évidence d'interactions stabilisant des
empilements de bases
- Spectrométrie IR :
mélange G+A = somme des 2 spectres G et A calculés
mélange G+C différent
 G et C interagissent en solution
- Loi des gaz parfaits en solution PV=nRT
Nombre de particules observées par unité de volume trop faible
 les bases se comportent comme des aggrégats
(10 bases environ)
Appariements classique = type Watson et Crick entre bases par
liaisons faibles (Hydrogène)
L= 2,4 et 2,6 Å
DG°' = 6 à 9 kJmol-1
(mais il existe d'autres appariements des formes tautomèriques)
A=T
G C
a) Caractère double
b) Structure en hélice : fluidité
Mise en évidence : Diffraction aux RX
(Rosalind Franklin - 1952)
Caractéristiques structurales : Watson et Crick 1953
Grand Sillon
Petit Sillon
hélice A
hélice B
hélice Z
hélice droite
hélice droite
hélice gauche
sillon : grand
petit sillon : écrasé,
inaccessible grand
sillon : grand
grand petit sillon :
petit
Les 2 sillons sont équivalents
paires de bases
inclinées de 19° par
rapport au plan
perpendiculaire à
l'axe de l'hélice
paires de bases
perpendiculaires au
plan de l'axe de
l'hélice
paires de bases perpendiculaires
au plan de l'axe de l'hélice
Liaison osidique anti
Liaison osidique anti
Liaison osidique :
purine : syn
pyrimidine :anti
Présence
relativement
fréquente
Présence très
fréquente
Rare (dans zones alternant bases
purique/pyrimidique ou avec C
méthylées)
Liaisons de type Hoogsteen
Autres liaisons permettant triple ou quadruple hélice
(ex plasmides)
Souplesse et Fluidité de l'ADN
- Possibilité reploiement sur lui-même
- Possibilité de passer d'une hélice type A à B à Z fct des
paramètres du milieu (force ioniques ou prot).
- Fluidité de l'ADN (gènes sauteurs; recombinaisons = échanges
entre portions de gènes)  variabilité du génôme.
a) Caractère double
b) Structure en hélice
c) Hélice antiparallèle : extrémité 5'P et 3'OH
Josse, Kaiser et Kornberg :
- polymérisent ADN avec 4 types dnt3P dont un seul type à 32P
- hydrolyse en 5'-P (transfert 32P en 3' de la base adjacente)
- compare fréquence des dntP marqués en 5' par rapport à ceux
marqués en 3' après hydrolyse
- détermine fréquence de n'importe quel couple, sur chacun des
brins de la double hélice
- compare avec modèles parallèles ou antiparallèles.
- Pour les 16 combinaisons, résultats toujours compatibles avec la
structure antiparallèle
Convention : ADN avec l'extrémité 5'P sur le brin du bas à
gauche
1- Les acides nucléiques : des polymères de
nucléotides
2- L'ADN, une double hélice antiparallèle
3- Les ARN : intermédiaires de l'expression de l'ADN
a) Diversité des ARN
Localisation nucléaire et cytoplasmique
- Réactif : pyronine
- Localisation : noyau + cytoplasme
 Candidat comme intermédiaire entre IG nucléaire et protéines
cytoplasmiques (translocation via pores nucléaires)
Diversité des propriétés physicochimiques
- Certains sont solubles dans l'alcool (ARNt) d'autres associés
aux membranes du REG via des protéines (ARNr)
- Certains sont associés à protéines :
- de manière permanente (ARNr sur sous unités ribosomiales,
HnARN sur SNURPs du splicéosome par ex.)
- transitoire (ARNt et ARNm sur aminoacyltransacétylase
lors de traduction)
- Certains sont stables (ARNt, ARNr), d'autres non (ARNm)
- Certains sont gros, d'autres petits (certains HnARN de 50 nt
seulement)
Approche quantitative
- Globalement : dans une cellules (ex. fibroblaste), 2 à 5 fois plus
d'ARN que d'ADN (10 pg d'ADN et 20 à 50 pg d'ARN)
- Proportions
Accumulation :
ARNpré r 4%
ARNr cytoplasmique 71%
ARNm cytoplasmique 3% instables
Hn ARN nucléaire 7%
ARNt et ARN de petite taille 15%
- Vitesse de synthèse  30nt/s
a) Diversité des ARN
b) Propriétés structurales et fonctionnelles des ARN
ARNr
- Transcrits dans le nucléole : zone fibrillaire/granuleuse associée
aux prot
- ARNr peu variés (moins de 10 différents)
- Structure spatiale reployée
Le nucléole, modèle
de compartimentation
transcriptionnelle.
(A) noyau
(B) détails nucléolaires :
centre fibrillaire (FC),
composant fibrillaire
dense (DFC), composant
granulaire (GC)
(C) Noyau d’une cellule
HeLa in vitro ; transcrits
naissant en vert (Br-UTP),
autres acides nucléiques
rouges.
(D) Modèle d’organisation
spatiale de la synthèse
des ARNr.
- Chez procaryotes :
- 16, 23 et 5 Svedberg chez bactéries
(mito 70S : 16 / 23 / 5 / 3)
(CP 70S : 16 / 23 / 5 / 7 / 3)
- 16S de 1542 nt +21prot (riches en Lys et arg et peu
d'aromatiques) = 30S petite sous-unité (930 kDa)
- 16S porte séquence de Shine et Dalgarno sur extrémité 3' OH
UCCU
s'associe à ARNm et permet la précision de son insertion =
Ribosome Binding Site
- 23S de 2904 nt + 5S de 120nt + 31protéines = 50S grosse
sous-unité ribosomiale (1590 kDa)
- Chez eucaryotes :
- 18 / 28 / 5 / 6 S
- 18S 1800 nt + 33prot = 40S petite sous-unité (1400 kDa)
- 28S 4700 nt + 5.8 S 150 nt + 5S 120 nt +49 protéines=60S
grosse sous-unité (2820 kDa), ayant tous un précurseur commun
- Activité des ARNr : ribozymes
(nobel Altman : les enzymes ne sont pas toujours des prot.)
b) Propriétés structurales et fonctionnelles des ARN
ARNt
- solubles ds alcool
- Transcrits par polymérase de type pol I
- 80 nt de 200 types différents
- 100 000 copies dans 1 cellule (facteur limitant de synthèse prot)
- Pas associés à prot
- StructureII stable (qq heures à qq semaines)
en trèfle
stabilisée par triplex (association G46/C13/G22),
liaisons H et forces d'empilement des bases
- Structure III en L
boucle Tpsi fixe
l'aminoacyltransférase
boucle dihydroU fixe
ribosome
boucle anticodon
s'associe dans petit
sous unité au codon
constitué de 3 nt de
l'ARNm pour mettre en
correspondance un
acides aminés
Fonction
ACC de
l'extrémité
OH 3' :
liaison
covalente
à aa
Maturation des ARN pré-t en ARNt
b) Propriétés structurales et fonctionnelles des ARN
ARNm
- Durée de demi-vie breve :
- 2 à 5 min chez proca
- 30 min ou plus chez euca
- mise en évidence par Test de Monod et Jacob et Lwoff (1960)
sur système inductible (utilisation du lactose par bactéries qui
utilisent normalement le glucose; marquage à l'uridine tritiée pour
repérer ARN néosynthétisés
 Apparition d'une nouvelle enzyme (bêta galactosidase) +
 Apparition d'un nouvel ARN (ni r ni t mais m)
à durée de vie courte (demi vie de 2 min chez E.coli)
- ARNm en partie complémentaire de ADN
- Dénaturation ADN et ARN radioactif à 85°C
- Renaturation aléatoire à 60°C
- Hydrolyse des ARN libres par RNase
- Filtration
- Résultat sur filtre = molécules d'ARN associées à ADN
(protégées par association avec ADN)
- SI = SIII : chaine simple non reployée,non associée à prot
- coiffe
- 7mG (méthylguanosine) en 5' (lien 5'-5' par estérification de sa
fonction libre ribose en 5') plus 2 nt méthylés en 2'OH.
- Intérêts de la coiffe : Stabilise ARNm, protège ARNm des
ribonucléases et reconnu par petite sous unité ribosomiale
Méthylations pdt ou
juste après ajout de
coiffe
 reconnaissance par
sous-unité ribosomiale
- Queue polyA en 3' (Polyadénylation) :
- Transcrits par pol II qui se détache sur séquence riche en A / T.
- Coupure spécifique (facteurs tissu spécifiques et intervention de
SNURP)
- Polymérase met 40 à 400 résidus polyA
- Destruction par nucléase RNase (reconnait séquence de 10 à
1000 nt non traduite entre codon STOP et queue Poy A)
Hybride ADN / ARNm
 Mise en évidence de
l'épissage des introns
(lors du passage dans
les pores nucléaires)
Maturation de l'ARN
pré-m en ARN
Ex. de l'ovalbumine
- Durée de vie : de plusieurs jours à moins d'une seconde (si
moins de 40 A par ex.)
- Modulations par protection par PABP
Poly A Binding Protéines = 600 aa avec 4 domaines de liaison
Nterminal à l'ARN très conservés de la levure à l'Homme.
-  gènes dont ARN non polyA = histones, interféron, petits ARN
nucléaires
- Partie non traduite des ARNm peut se reployer en boucles
 mime portions d'ADN ou ARN (= leurres à protéines)
ex : ARNm des prot ribosomiales se replient et peuvent fixer les
prot ribo à la place des ARNr, bloquant traduction
b) Propriétés structurales et fonctionnelles des ARN
Hn ARN, Micro ARN et autres petits ARN non codants
Heterogenus nuclear Ribonucleoparticules : 50 à 300 bases
riches en U
- Transcrits par ARNpol III
- Participent à formation de complexes protéiques : Small NUclear
RiboParticules (SNURP) et CYtoplasme RiboParticles (CYRP)
- S'associent aux ARNprém lors de passage des pores nucléaires
- Positionnent enzymes capables de modifier les ARNprém :
soit en les méthylant (petits ARN de la famille C)
soit en isomérisant U en pseudo-uridine
participent donc aux mécanismes d'EPISSAGE
- D'autres ont un rôle cytosolique  participent à reconnaissance
par les ribosomes de la séquence signal des protéines destinées
à être exportées (ds cytoplasme)
b) Propriétés structurales et fonctionnelles des ARN
MicroARN
- Mee 1993 Victor Ambros
Anomalie du developpement de Caenorhabditis elegans
MicroARN lin4 s'associe à ARNm du gène lin14
(qui assure passage stade larvaire L1  L2)
MicroARN let7 s'associe sur ARNm du gène lin41
(régulant le passage L3  L4)
- Transcrits par Pol II
- Taille : 21 à 25 nt
- Diversité : 207 identifié chez l'Homme
- Plus ou moins fortement exprimés (jusqu'à 50 000 copies/ cell)
MicroARN
- A partir de gènes ( 10 000 nt) non codants
 priARN (en boucle à une extrémité)
 Coupé par DROSHA  prémicroARN
(en épingle à cheveux)
 Exporté (par exportine5) ds cyto.
 DICER coupe en dble brin décalé d'un nt
 les 2 brins se séparent  microARN mature
 Association avec prot =microNucléoRiboParticule
capable de s'associer avec ARNm
le dégrade (si parfaite complémentarité)
l"'éteind" ss le dégrader
(n'empeche pas l'association avec ribosomes
ni la progression de celui-ci sur l'ARNm!)
Autres petits ARN
- ARN non codant
Ex : ARN 6S bactérien
- Se replient en double brin  imite portion d'ADN reconnue par
ARN pol  Inhibition compétitive!
A. Support moléculaire de l'IG : les acides
nucléiques
B. Organisation fonctionnelle des génomes
1- Le génome bactérien : circulaire