DNA

ORGANISATION MOLÉCULAIRE DES
GÈNES ET RÉPLICATION DE L ’ADN
I- Définition moléculaire du gène
“ Génos ” qui donne naissance Classe II (structure)
5 ’
3 ’
Gène A
mRNA
Classe III
Classe I
Gène B
Gène C
tRNA
rRNA
3 ’
5 ’
Protéines
Génome = ensemble des gènes d ’un organisme
Localisation : chromosomes = ADN taille variable (procaryotes ≠ eucaryotes)
organisme
Paires de base
(en millier ou kb)
virus
Virus du polyome Bactéries
E. coli
Eucaryotes
Homme II- Organisation des gènes
1- Virus = particules infectieuses Longueur (µm)
5, 1 1,7
4700 1760
2 900 000
990 000
- acide nucléique (DNA ou RNA)
- capside protéique
- enveloppe (membrane )
Compactage ++
- parasites obligatoires (produisent pas d ’énergie, pas de synthèse protéique)
- infection des bactéries (bactériophages), plantes, animaux hommes (spécificité d ’espèces, cellulaires)
Ex1 Bactériophages
Destruction chromosome
BactériophageT
de l ’hôte
Phage T
DNAdb
du phage
(20kb)
E. Coli
DNA E.coli
Pénétration du DNA
Protéines
virales
Réplication du DNA +
expression moléculaire
adsorption
Libération des virus
multiplication
Cycle lytique
Bactériophage λ
Phage λ
DNAdb
du phage
E. Coli
division
DNA E.coli
Ex : UV
Cycle lysogène
Ex 2 : virus de l ’hépatite B = virus à DNA
DNA db partiel = 5kb (≠ DNA virus herpes = 100 kb)
Capside protéique (HBc)
Brin long (3,2 kb) = brin - (= brin matrice)
Enveloppe (HbS)
Infecte les hépatocytes
Cytolyse
Brin court = brin +
(= brin codant)
Ex 3 : Virus à ARN (cas des rétrovirus)
Transcriptase inverse (rétro-transcriptase)
Définition : ARN monocaténaire
ADN db
Transcriptase
inverse
ARN
Transcriptase
inverse
Hybride ADN-ARN
ADN monocaténaire
ADN db viral
ARN viral
Infection par un rétrovirus
Transcriptase
inverse
ARN
ADN
rétrovirus
Synthèse de
protéines
ADN
chromosomique de
l ’hôte
mRNA viral
ADN viral
ADN
db
Exemples de rétrovirus : le VIH (virus de l ’immunodéficience humaine) responsable du
SIDA(Syndrome de l ’Immuno Déficience Acquise)
Structure du virus
Transcriptase
inverse
gp120
gp41
membrane
ARN viral
Interaction cellule hôte -VIH
Récepteur
CD4
Lymphocytes T4
membrane
ARN viral
Transcriptase
inverse
ADN db
Autre exemple : rétrovirus tumorigènes (virus du sarcome de Rous : responsable du sarcome du poulet = oncogènes)
Gènes cellulaires = proto-oncogènes
oncogènes (ex gène src : tyrosine kinase)
2- génome bactérien
DNA extrachromosomique
= plasmides
DNA chromosomique
= DNA db circulaire
Gènes de résistance
Vecteur de gènes
(4700 kb, 1,7 mm)
2 µm
3 - génome eucaryote
DNA linéaire : longueur dans une cellule humaine ± 2m
Compactage +++
Chez l ’homme : 46 chromosomes (23 x 2 : cellules somatiques)
Cellules germinales : 23 chromosomes
2n
Cellule pré-méiotique
1ère division méiotique
(réductionnelle)
2n
2n
2ème division méiotique
(équationnelle)
n
Spermatozoïde + ovule
n
n
Cellule 2 n
n
Gamètes ou cellules germinales
Développement d ’un organisme
Expression différentielle des gènes
Les chromosomes
télomères
Bras p
chromatides
centromère
Bras q
télomères
Caryotype humain Séquences uniques codantes = gènes de structure (protéines, ARN)
chromosome
Séquences régulatrices (interaction ADN + facteurs protéiques) Séquences répétitives : - DNA satellite non codants :centromère
Gènes morcelés
- séquences des télomères
Ex: gène de l ’ovalbumine
3 ’
5 ’
A
1
B 2
C
3 D
4
E
5 F 6
G
Introns (80%)
exons
Autre ex : gène du collagène de type I (>50 introns)
Séquençage du génome : 3 milliards pb, 30 000 gènes.
DNA extra-chromosomique
DNA des mitochondries et des chloroplastes (cellules végétales) = DNA circulaire
7
5 ’
3 ’
4 - différentes formes topologiques du DNA
Les différents niveaux de structure
Structure primaire (séquence en AA)
Structure secondaire (hélice α ou feuillet plissé ß)
Protéines
Structure tertiaire (repliement) Structure primaire (séquence nucléotidique)
DNA
Structure secondaire (double hélice)
Structure tertiaire (super-enroulement)
Exemple : combiné téléphonique
enroulement
super-enroulement
Cas du DNA
Topo-isomérase
Topo-isomérase
DNA super-enroulé
DNA relaché
Association DNA + protéine (histones) = chromatine
III - Réplication du DNA
Cellules filles : même
patrimoine génétique
Cellule mère
Réplication selon un mode semi-conservateur (Meselson et Stahl 1957)
15NH4Cl
E.coli
DNA avec 15N = DNA“lourd”
ADN parental
E.coli 14NH4Cl
Molécules filles à la
première génération
DNA “lourd” 15N
DNA avec 14N
DNA hybride
DNA“léger”
Molécules filles à la
deuxième génération
DNA hybride
Mécanisme de la réplication (chez les procaryotes)
Où débute la réplication ? Dans quel sens ?
origine
Fourche de réplication
bidirectionnelle
Fourche de réplication
3 ’
5 ’
origine
Brin directeur
hélicase
5 ’
Direction du mouvement de
la fourche de réplication
3 ’
5 ’
3 ’
3 ’
2
DNA ligase
1
3
5 ’
Fragments d ’Okazaki
Brin retardé
Mécanisme biochimique de la réaction d ’élongation
(DNA)n résidus + d NTP
(DNA )n+1 résidus + PPi
- dNTP : d ATP, d CTP, d GTP, d TTP
-Mg 2+
- DNA polymérase (III)
- Amorce (RNA)
- Chaîne matrice
Chaîne amorce
base
base
PPi
3 ’
5 ’
- DNA
polymérase III
γ ß α
5 ’
3 ’
base
Rque : Réaction de polymérisation en chaîne (PCR) et Taq polymérase
base
C
h
a
î
n
e
m
a
t
r
i
c
e
T
A
G
A
T
C
P
P
T
dGTP PPi
A
A
T
P
OH
3 ’
G
C
C
P
G
P
T
A
dTTP PPi A
T
OH
P
G
C
P
P
C
A
G
T
P
OH
5 ’
5 ’
3 ’
La réplication chez les eucaryotes
Identique : bidirectionnelle, sens 5 ’ 3 ’, discontinue pour l ’un des brins, avec amorce Différence : multiples points d ’initiation
Points d ’initiation
2n
G2
M
G1
Synthèse de DNA
S
4n
2n