Analyse fonctionnelle des génomes ex. génome humain 3.4Mb

Cours de Biologie Moléculaire
L2S3
Structure de l’ADN
Organisation des génomes
2ème cours (1h30)
Les propriétés physicochimiques de l’ADN
Structure des génomes
La chromatine
L’ADN est chargé négativement
• Electrophorèse sur gel d’acrylamide
L’ADN absorbe la lumière à 260nm (UV)
Le chauffage des solutions d'ADN produit une augmentation
d'absorbance à 260 nm. Ce phénomène correspond à la
dénaturation de l’ADN bicaténaire en 2 brins d’ADN
monocaténaires, d’ou le doublement de densité optique.
On peut caractériser la température de
fusion de l’ADN notée Tm qui
correspond à la température à la moitié
du phénomène.
double brin
simple brin
Les brins d’ADN s’hybrident
• Hybridation = Association spontanée, spécifique et
réversible de deux brins d’ADN complémentaires
(formant des paires WC)
• L’hybridation est :
– spécifique : une séquence d’ADN monobrin ne peut s’apparier
qu’à la séquence qui lui est complémentaire dans le génome.
– réversible : En jouant sur les conditions expérimentales
(température) on peut entrainer ou briser (dissociation)
l’hybridation de deux molécules d’ADN.
• Ce passage se visualise en mesurant la DO à 260 nm.
T > Tm
T = Tm
T < Tm
Organisation des génomes
Définition du mot génome
Ensemble de l’information héréditaire d’un organisme, présente en
totalité dans chaque cellule de l’organisme
Organisation des génomes
Définition du mot génome
Ensemble de l’information héréditaire d’un organisme, présente en
totalité dans chaque cellule de l’organisme
Taille
- Quelques dizaines de milliers de bases pour le génome d’un virus
- Quelques millions de bases pour une bactérie
- 3 milliards de bases pour le génome humain
-16 milliards de bases pour le génome du blé
Organisation des génomes
Définition du mot génome
Ensemble de l’information héréditaire d’un organisme, présente en
totalité dans chaque cellule de l’organisme
Taille
- Quelques dizaines de milliers de bases pour le génome d’un virus
- Quelques millions de bases pour une bactérie
- 3 milliards de bases pour le génome humain
-16 milliards de bases pour le génome du blé
Les individus d’espèces différentes ont des génomes différents par
leur taille, l’ordre et la nature des informations qu’ils contiennent.
Par contre 2 individus de la même espèce possèdent le même
génome même si au sens strict le génome de chaque individu est
unique. Chez l’homme le génome ne diffère que de 0.1% entre 2
personnes non apparentées
La ressemblance entre
génomes
• Homme/chimpanzé
– Codant: <1,5% de différence
– Non codant ~3% de différence
– Quelques duplications/délétions importantes de région de
quelques dizaines de kb
• Homme/souris
– Codant: 10% de différence
– Non codant: la plus grande partie des régions non codantes
est sans identité apparente, mais il y aurait ~2000nt
conservés dans chaque région intergénique chez l’ensemble
des mammifères
– Mutations : 0,6/site
• Homme/poulet
– Mutations : 1,5/site
Organism
HIV-1
Bp
10,000
Genes
ratio
10
1000
Haemophilus influenzae
1,830,000
1703
1075
Escherichia coli
4,600,000
4288
1072
Methanococcus jannashchii
1,660,000
1738
955
Amoeba dubia
~670,000,000,000
~5000?
134,000,000
Amoeba proteus
~270,000,000,000
~5000?
54,000,000
Saccharomyces cerevisiae
Erysiphe cichoracearum
(fungus)
~13,000,000
5885
2209
~1,500,000,000
~10,000?
150,000
~25,000,000,000
~5000?
5,000,000
Caenorhabditis elegans
~100,000,000
~14,000
7000
Drosophila melanogaster
~170,000,000
~12,000
14,000
Arabidopsis thaliana
~120,000,000
Coscinodiscus asteromphalus
(diatom)
Lilium formosanum
(lily)
~10,000
12,000
~36,000,000,000
~15, 000?
2,400,000
~5,000,000,000
~20,000?
250,000
~18,000,000,000
~20,000?
900,000
Protopterus aethiopicus
(lungfish)
~140,000,000,000
~40,000?
3,500,000
human
~3,400,000,000
~30,000
80,500
Zea mays
Allium cepa
(onion)
Espèce modèle
Taxon
Virus de la grippe
Virus
Bactériophage T4
Escherichia coli
Saccharomyces
cerevisiae
Arabidopsis
thaliana
Caenorhabditis
elegans
Nb de
chromosomes
Taille du
génome
Nb de
gènes
estimé
13 500 bp
12
Virus
Bactérie
ARN simple
brin
1 (circulaire)
1 (circulaire)
165 000 bp
4,7 Mb
200
4000
Ascomycète
16
14 Mb
6000
Crucifère
5
100 Mb
25000
Nématode
6
100 Mb
13500
Drosophila
melanogaster
Insecte
4
165 Mb
1200016000
Mus musculus
Mammifère
20
3400 Mb
Homo sapiens
Mammifère
23
3400 Mb
2500030000
2500030000
Codant et
non
codant…
Chabalina et al. Genome Biology, 2004
Génomes procaryotes et génomes eucaryotes
Caractéristiques des génomes procaryotes
-Chromosome circulaire unique
-Présence possible de petites séquences d’ADN circulaires indépendantes :
les plasmides.
-Contenu en G+C variable selon les espèces.
Ex : 22% chez un parasite Wiggleworthia glossinidia
67% chez deinicoccus radiodurans
Répartition des gènes procaryotes
– Longueur gène 950 nt. en moyenne (coli)
– Densité en gènes. 95% du génome est
transcrit chez E. coli.
– Gènes organisés en opérons. 600 opérons
dans le génome de Coli.
Les gènes procaryotes
Séquences qui contiennent les informations nécessaires au développement, au
fonctionnement, au maintien de l’intégrité et à la reproduction de la cellule.
fraction codante des génomes procaryotes élevée de 85 à 90%.
Ex. :97% chez Bacillus subtilis
49.5% chez Mycobacterium leprae
Les séquences codantes codent des protéines ou des ARNs (ribosomiques et
de transfert)
- Chez les procaryotes la séquence des gènes est continue. Pas d’intron
-Le nombre de pseudogènes (gènes mutés, non transcrits ou non traduits est
faible (1 à 2%).
-Les domaines non codants sont représentés par les régions intergéniques
contenant les séquences régulatrices
- Les séquences répétées sont beaucoup plus rares chez les procaryotes que
chez les eucaryotes.
Fig1348a.jpeg
les génomes eucaryotes, caractéristiques
-noyau
-taille
-plusieurs chromosomes,
plusieurs origines de réplication/chromosome
-notion de gène, disloqués (exons, introns)
-grandes régions intergéniques, fonction inconnue
Pendant la division cellulaires les chromosomes individualisés
sont observables au microscope
leur nombre, leur taille et leur forme sont caractéristiques
d’une espèce donnée
Chez homme: 23 paires de chromosomes
Chez la vache et la chèvre: 30
Chez le porc: 19
Chez le cheval: 32
Répartition des gènes eucaryotes
– Densité: humain: 1 gène
tous les 100kb en
moyenne;
– C.elegans: 1gène/5-6kb
(25%);
– S. Cerevisiae: 1
gène/2kb.
From « Genomes 2 », T.A. Brown
Le gène de mammifère
–Gène humain moyen: 9 introns, 27 kb, 3'UTR:770bp,
5'UTR:300bp, CDS:1340bp, exon moyen: 145 bp (218 bp
pour C. elegans), intron moyen:3365 bp.
–Gènes "monstres": dystrophine: 2,4 Mb; Facteur de
coagulation VIII: 186 kb, 26 exons; Tinine: CDS de 80780
bp, 178 exons
Analyse fonctionnelle des génomes
ex. génome humain 3.4gb
• 80 à 85% de fonction inconnue:
- régions intergéniques
- régions intragéniques: les introns
• 15 à 20% de fonction connue:
- les gènes qui codent les protéines
- les gènes qui codent les ARNs
- les séquences régulatrices
- Télomères, centromères, MAR..
Junk DNA: les séquences répétées
dans le génome humain
• Les principales séquences répétées
– Répétition de type transposon
– Répétition simples de k-mères courts, p. ex. (A)n, (CA)n ou
(CGG)n
– Segments dupliqués: blocs de 10–300 kb copiés d'une
région à l'autre ou en tandem
• Un ADN pas si "poubelle" que ça qui joue un grand rôle dans la
transformation des gènes et l'apparition de nouveaux gènes.
• Les répétitions humaines sont relativement anciennes
comparées à celles qu'on trouve dans le génome de drosophile.
Notre génome a des difficultés pour se débarasser des
répétitions.
Pseudogènes et retrotransposons
• Deux mécanismes proches
From « Genomes 2 », T.A. Brown
Séquences répétées de type
transposon
•
•
Les séquences répétées de type transposon représentent plus
de 1/3 du génome des vertébrés
Génome humain: 45% !!
LINES (Long interspersed repeated
sequences)
– 21% du génome humain (850.000 copies). Le plus commun de ces éléments
est L1: 6kb.
– Contiennent un promoteur et 2 ORFs.
– Après traduction, l'ARN LINE s'assemble avec ses propres protéines et se
déplace vers le noyau où l'ARN est reverse transcrit et s'insère dans le
génome au niveau d'une coupure simple brin. La transcription inverse
s'interrompt souvent avant terme, créant de nombreux inserts tronqués (la
plupart en fait)
– La machinerie LINE est responsable également de la retrotranscription des
éléments SINE.
– Il y a en fait trois familles de LINE dans le génome humain (LINE1, LINE2,
LINE3), mais seule L1 est active.
SINEs (Short interspersed repeated
sequences)
–
–
–
–
Contiennent un promoteur pol-III mais pas d'ORF
Vivent « sur le dos » des LINE
13% du génome humain. 3 types: Alu, MIR et Ther2/MIR3.
(1 500 000 SINEs par génome humain haploide, dont 1 000
000 Alu)
– La plus connue est ALU, la seule SINE active: 290 bp
constitué de 2 répétitions en tandem de 130 bp.
– On ne trouve pas ces séquences dans les régions codantes,
mais souvent dans l'unité de transcription, soit dans les
introns, soit dans les parties non traduites des ARNm.
Autres séquences répétées
• Les répétitions simples (Simple Sequence Repeats - SSR)
–
–
–
–
Répétition parfaite ou non d'un fragment de longueur k (k-mère).
Fragment court (1 à 13b): microsatellite
Fragment long (14 à 500b): minisatellite
Représentent 3% du génome humain, 0,5% provenant des
répétitions de dinucléotides (85% AC ou AT).
La chromatine
Taille du génome humain: 3,4 Mpb soit une taille de 1m contenue
dans une cellule de 6 µ de diamètre. Nécessité d’empaquetage de
l’ADN