Génétique, comportement, biotechnologies

La génétique est l'étude de la transmission des traits d'une génération à une autre. Ce cours traite de l'essentiel de la génétique: l'adn, l'épigénétique et la reproduction.

Introduction à la génétique

La structure de l'ADN

ADN?  

  L’acide désoxyribonucléique autrement dit ADN contient l’information génétique de tous les êtres vivants. Il est organisé en gènes et se situe chez les eukaryotes dans le noyau de chaque cellule et chez les prokaryotes il est libre dans le cytoplasme des cellules. Le gène est un segment d’une molécule d’ADN codant la synthèse d’une autre molécule comme les protéines cellulaires. Chaque gène est caractérisé par sa séquence de nucléotides. 1 gène = 1 protéine

L’ADN est une macromolécule qui permet :

1) la transmission des traits au sein des organismes vivants

2) les reproductions sexuelle et cellulaire

3) le bon fonctionnement de l’organisme en fabriquant des protéines

  Sa structure est faite de deux chaines antiparallèles (une double hélice) maintenues entre elles par un enchaînement d’unités élémentaires, les nucléotides (appelés aussi bases azotées). Les nucléotides sont rangés par paire : l’adénine est liée à la thymine, la cytosine est liée à la guanine. Ils sont maintenus entre eux par des liaisons non convalentes (liaisons hydrogène). Ces bases sont représentées sur les schémas et en biotechnologie par leurs lettres respectives (A, T, C, G). Chaque chaine est composée d’une molécule de sucre ou désoxyribose, du phosphate et une base azotée. La double hélice est hautement chargée négativement à cause du phosphate. Cette charge doit être contre balancée par une charge positive afin que la structure de l’ADN puissent se compacter. Les protéines responsables de cette charge positive sont les histones. Il faut voir l’ADN comme un fil qui doit s’enrouler autour d’une bobine, les histones. Elles participent au processus de compaction, c’est-à-dire à la formation des chromosomes.


échantillon d'un bout d'ADN

 Double hélice d'ADN et hélice ARN

Les chromosomes et la reproduction sexuelle

      L’ADN compte 22 500 gènes compactés dans de longues chaines appelées chromosomes et qui se situent au sein du noyau des cellules. Chaque cellule contient plus de 2 mètres d’ADN et un ensemble de 46 chromosomes autosomes. La génétique joue un rôle essentiel dans la reproduction sexuelle et les futures descendances. Dans cet ensemble il y a 23 paires de chromosomes homologues (c’est-à-dire qu’ils se ressemblent dans la taille, la structure et portent des informations génétiques similaires dans chaque cellule pour le même genre de traits parce qu’ils proviennent à la fois des gènes de la mère et du père) dont 2 chromosomes sexuels XX s’ils viennent de la mère ou XY s’ils viennent du père.

  Lors de la reproduction sexuelle, les descendants héritent de la moitié des gènes de chaque parent. L’ovule et le spermatozoïde portent donc chacun la moitié de chaque paire sinon le bébé aurait trop de paires donc trop de chromosomes 46x2 (46 venant de la mère et 46 venant du père). Le bébé reçoit 23 paires de chromosomes portant un gène original et une version différente de ce même gène. Se crée alors une combinaison unique de gènes. Le phénomène de sélection des 23 chromosomes chez la mère ou le père pour former ceux du bébé est imprévisible. Il existe deux techniques de distribution des chromosomes. L’une où les chromosomes seront répartis de façon aléatoire en vrac. L’autre où ils sont sélectionnés un à la fois (d’abord un chez la mère, puis un chez le père et ainsi de suite). Le système de détermination du chromosome sexuel est créé par le gène appelé SRY. S’il est présent pendant la distribution alors le chromosome sexuel sera masculin. S’il est absent, il sera féminin. La détermination du sexe est donc un phénomène aléatoire chez l’espèce humaine, contrairement à l’espèce animale où l’environnement peut avoir un impact. Ces techniques n’ont aucune influence sur le potentiel du génotype.

Comment se produit la division cellulaire ?

Á quoi ressemble un chromosome ?

Ils sont souvent schématisés en forme de X ou en bâton divisé en plusieurs sections pour illustrer un gène comme ceci :

caryotype féminin avec chromosomes sexuels XX et caryotype masculin avec chromosomes sexuels XY

Chromosomes 1 à 4 représentant différents locus de gènes  

Caryotype humain représenté en bâtons 


Dans la réalité, ils n’ont pas de formes géométriques et ne sont pas du tout rangés et alignés comme sur un caryotype. Extrait, l’ADN ressemble à un long fil transparent très fin et très fragile à manipuler. Les chromosomes sont compactés pour former des « petits bouts » d’ADN.

Néanmoins il comporte différentes parties :

_le centromère (son centre)

_le télomère (l’extrémité où le chromosome a fini de se compacter). Ce bout est considéré comme inutile par l’ADN car il ne contient pas de réelles informations génétiques interprétables, donc il n’est jamais copié.

  Les chromosomes sont formés d’allèles qui sont différentes versions du même gène. Lorsqu’on regarde les chromosomes de plus près, on voit qu’ils possèdent plusieurs allèles pour représenter différents gènes. Un chromosome à au moins 2 allèles pour 1 gène, c’est-à-dire deux versions du même gène : l’un vient de votre père et l’autre de votre mère. Ces gènes sont situés à des endroits spécifiques sur chaque chromosome qu’on appelle loci (mot latin signifiant place, pluriel locus, prononcé lotchi). Ces loci ou emplacement du gène sur le chromosome, sont importants car l’ADN est associé à d’autres séquences qui contrôlent et régulent l’expression du gène comme les promoteurs et les amplificateurs. Des allèles différentes peuvent être bénéfiques, dangereuses ou neutres. Prenons l’exemple de la couleur des yeux qui est définie sur quelques allèles. Il n’y a aucun avantage à avoir des yeux bleux ou marron contre des yeux noisettes ou verts. Cet allèle est presque toujours neutre.

Le mécanisme de l'ADN

Le dogme central de la biologie moléculaire

  Afin que l’organisme puisse fonctionner correctement, l’ADN doit se renouveler en permanence et se copier avant la division cellulaire. Pour ce faire il va suivre exactement ces 3 phases dans le même ordre : la réplication, la transcription, la traduction. Il faut voir l’ADN comme une minuscule machine qui répète toujours la même tâche. L’ADN copié est celui situé dans le noyau des cellules. Pour effectuer la copie, la double hélice de l’ADN s’ouvre et une région de gènes spécifique est sélectionnée sur l’une des chaines. Elle est utilisée comme support chimique ou modèle pour la phase de transcription durant laquelle est produit l’acide ribonucléique (ARN). L’ARN est donc composé de plusieurs chaines de nucléotides, de sucre, de phosphate, comme l’ADN. La différence réside dans la structure des paires de nucléotides qui sont toujours cytosine et guanine mais adénine et uracile. La thymine disparait. La transcription est faite grâce à une molécule appelée l’acide ribonucléique messager (mARN). Elle remplie sa fonction puis s’arrête lorsque la copie est terminée. Ensuite vient la phase de la traduction durant laquelle l’ARN code une séquence spécifique d’acides aminés qui seront liés ensemble pour former une protéine qui devra remplir un rôle au sein des cellules. Tous les différents types de cellules du corps ont tous de l’ARN transcript et en retour différents types de protéines traduit. 

Est-ce que chaque cellule du corps contient exactement le même ADN ?

 Non, parce que dans chaque cellule différentes séquences d’ADN peuvent être activées et désactivées au cours d’un processus appelé la différenciation. Notre corps peut contrôler quel gène sera activé et la quantité de ARN qui sera transcrite. Ceci fait parti du processus appelé l’expression du gène.

Comment le corps sait quels acides aminés utiliser et dans quel ordre doit-il les assembler ?

 C’est l’ADN qui prend les décisions. La chaine d’acides aminés est appelée la structure primaire de la protéine. La seconde structure détermine comment les acides aminés agissent entre eux. La troisième structure est la structure tridimensionnelle (3D) de la protéine qui indique sa fonction dans l’organisme. Ainsi les mutations de l’ADN peuvent avoir pour conséquence des séquences d’acides aminés non conformes et conduire à des formes irrégulières de protéines, puisque c’est lui qui se charge de coder la séquence linéaire d’acides aminés.

Division cellulaire et arrangement des chromosomes par étape

L'expression du gène

Pourquoi les gènes s’expriment et d’autres pas ?

  Pour résumer, le dogme central de la biologie moléculaire est que l’ADN est utilisé comme modèle pour transcrire l’ARN. Et que l’ARN est utilisé pour synthétiser les protéines, et que ces dernières vous donne votre unique phénotype de caractéristiques physiques.

  L’épigénétique est l’une des façons par laquelle le gène peut être controler. L’épigénétique altère l’expression du gène sans vraiment changer la séquence ADN. Pour y parvenir plusieurs voies existent.  

  L’une de ces voies est appelée méthylation. C’est le processus par lequel des groupes de methyle sont ajoutés à la séquence ADN et qui peut affecter la manière dont les gènes sont transcrits. Les chromosomes que vous héritez de votre mère ont des schémas de méthylation différents de ceux que vous héritez de votre père. C’est l’empreinte génomique. Ce qui signifie que l’ADN reçu de votre père sera exprimé différemment de l’ADN reçu de votre mère. Donc la méthylation affecte la structure de l’ADN et une méthylation forte sera associée à un ADN qui ne s’exprime pas ou qui n’est pas utilisé pour fabriquer de l’ARN, qui disons-le est transcriptionnellement de l’ADN inactif. C’est-à-dire que l’ADN ne peut pas être lu.

  Prenons l’exemple d’un livre de cuisine et de sa recette. Si nous avons une forte méthylation sur une certaine séquence ADN : ce qu’il risque de se produire est que notre faculté à lire les pages de la recette sera affectée. Si on essaye vraiment d’ouvrir le livre et de le lire, les schémas de méthylation nous empêchent de le faire.

La méthylation se produit soit :

_par l’empreinte génomique

_par le style de vie incluant le tabac, le stress et la famine

  D’autres voies existent pour contrôler le gène et l’exprimer très fortement. Il y a des amplificateurs de séquences ADN qui améliorent la transcription. Aussi des activateurs qui se lient à la région à coder comme des amplificateurs et des promoteurs pour encore une fois améliorer la transcription.

Comment cette variation  génétique s’exprime-t-elle?

Comme vous pouvez le remarquer vous ne ressemblez pas exactement à vos  frères et sœurs ni à vos parents parce que la reproduction sexuelle génère des variations génétiques. Quand un gène s’exprime, concrètement ce qu’on peut observer est une caractéristique physique appelée phénotype. La variation génétique augmente par la reproduction sexuelle et le transfert de gène horizontal en créant de nouvelles combinaisons d’allèles. Cependant ces deux procédés ne peuvent pas créer de nouveaux allèles. Ces derniers sont uniquement créés par des mutations. Les mutations sont les dernières sources de variation génétique.

La variation génétique

La variation génétique est la différence dans l’ADN. Elle peut être considérée entre les individus d’une même population ou venant de différentes populations. Elle est la base de l’évolution génétique.

Variations génétiques de la carotte causées par des mutations

Le monde des mutations

Qu’est-ce qu’une mutation ?

  Les mutations sont des changements. D’une façon générale quand quelque chose est en mutation cela veut dire qu’un évènement va produire ou est en train de se produire. Pour l’ADN cela signifie un changement dans la séquence de nucléotides. Rappelez-vous les nucléotides et les 4 lettres de l’ADN, A, G, C, T. Un simple changement (ou une mutation) d’un ou plusieurs nucléotides peut conduire au changement du mARN (messager ARN) de la phase de transcription. Les conséquences d’une mutation peuvent être :

_une protéine non fonctionnelle

_une protéine avec une fonction partielle

_une protéine avec une toute nouvelle fonction

_aucune fabrication de protéine

_un changement à peine remarquable sur la fonction de la protéine, au point où la mutation passe inaperçue. Beaucoup de mutations ne se voient pas ou n’ont aucun effet sur l’organisme. Mutation n’est pas synonyme de malheur ou de perte.

Une mutation peut aussi affecter la croissance ou le niveau d’expression d’un gène. La protéine qui est le résultat d’une mutation peut donc avoir une formule moléculaire différente de celle qui devait être programmée au départ par l’ADN, avant la mutation.

  L’une des propriétés fondamentales des mutations est qu’elles apparaissent au hasard. On ne peut pas les prédire. Si les mutations apparaissent ce n’est pas du tout lié à un quelconque avantage fournit par celles-ci. Elles ne se lèvent pas parce qu’un organisme a besoin d’elles et ne se réveillent pas pour le blesser. Bien que l’ADN soit « vivant » les mutations ne sont pas des organismes vivants de types virus ou microbes. Elles sont spontanées et sont la conséquence d’un ADN en mouvement perpétuel. La sélection natuelle joue son rôle seulement si une mutation existe dans une population donnée car elle peut être sélectionnée pour améliorer ou détruire, handicaper l’organisme.

  Maintenant il faut penser à l’ADN et à l’ARN comme des phrases qui codent des gènes. Tous les gènes dans la phrase sont composés de 3 lettres qu’on appelle codons. De la même manière que trois lettres peuvent faire un mot unique, trois nucléotides fabriquent un codon unique. Les trois lettres d’un codon correspondent à des acides aminés spécifiques qui sont, souvenez-vous la base de construction des protéines. De cette façon le codon à trois lettres détermine quels acides aminés vont être rangés dans le bon ordre pour synthétiser la protéine.

   Dans les mutations il existe deux types importants : l’insertion et la délétion dans une séquence. Pour la mutation due à une insertion, un ou plusieurs nucléotides sont insérés. Pour la mutation due à une délétion, un ou plusieurs nucléotides sont supprimés. Ces mutations sont appelées Indel (mot anglais prononcé ine del), « in » pour insertion et « del » pour délétion. Pourquoi ? parce qu’en bioinformatique insertion et délétion sont relatifs en fonction du choix de la séquence de référence (celle qui sert de modèle pour savoir s’il y a mutation ou pas). Si dans la séquence choisie pour comparaison on trouve une délétion et qu’on la compare à une autre séquence de référence, on trouvera peut-être une insertion à la place de la délétion. La phase de la traduction devient alors impossible voire compliquée pour la fabrication des protéines.

Article BBC news online "Extraction de l'ADN"

Si vous souhaitez extraire votre ADN et jouer à l'expert scientifique à la maison, voici la recette:

(attention article en anglais)

http://www.bbc.co.uk/dna/place-london/A26560424