Chapitre 1
L’approche génétique de la biologie
Variation génétique de la couleur des grains de maïs. Chaque grain représente un individu de constitution génétique distincte.
La sélection et l’amélioration génétique: un concept ancien!
Historique de la génétique
Gregor Mendel (1822-1884)
Découverte d’éléments
biologiques que nous
appelons désormais
gènes.
Quelques définitions
Génétique: La génétique est l’étude des gènes et de l’hérédité.
Gène: Fraction d’une molécule filiforme organisée en double hélice, appelée acide désoxyribonucléique, abrégé en
ADN.
ADN (acide désoxyribonucléique): Une double chaîne de nucléotides
liés les uns aux autres; la substance fondamentale dont sont composés les gènes.
Allèle: L’une des différentes formes d’un gène qui peuvent exister au niveau d’un même locus.
Chromosome: Un arrangement linéaire (ou circulaire) de gènes et d’autres types d’ADN, parfois associé à des protéines et de l’ARN.
Génome: Ensemble du matériel génétique contenu dans un jeu de
chromosomes.
De l’organisme au matériel génétique
Variations alléliques
ADN
Génétique et spéciation
Les gènes dictent les propriétés inhérentes à une espèce.
variation allélique
=
variation
protéique
Gènes et ploïdie
Jeux de chromosomes diploïdes humain
n n n 2n 2n
Chez les organismes diploïdes, deux
chromosomes possédant le même ensemble de
gènes sont dits
homologues.
1- La diversité de structure
2- La capacité de se répliquer 3- La capacité de muter
4- La traduction en forme et en fonction
Les propriétés qui caractérisent l’information génétique
1) La diversité de structure
Bien qu’il n’existe seulement que quatre types de nucléotides dans
un brin d’ADN, ces nucléotides peuvent être associés dans n’importe
quel ordre et le fragment d’ADN correspondant à un gène donné peut
être de n’importe quelle longueur.
L’acide désoxyribonucléique (ADN)
La double hélice d’ADN est composée de deux chaînes entrelacées de nucléotides.
Représentation en ruban de la double
hélice d’ADN
L’appariement des nucléotides
Les chaînes nucléotidiques
sont antiparallèles.
2) La capacité de se répliquer
L’ADN est répliqué grâce au déroulement des deux brins de la double hélice et la synthèse d’un nouveau brin complémentaire
de chacun des brins séparés constituant la double hélice originelle.
La réplication de l’ADN
La réplication de l’ADN a lieu grâce au déroulement et à l’ouverture des chaînes nucléotidiques (molécules mères d’ADN) qui deviennent ainsi chacune des
matrices. La polymérisation en de nouveaux brins (molécules filles d’ADN) est catalysée par l’enzyme ADN polymérase. La réplication est dite semi-conservative car chaque molécule fille est en fait composé à 50% d’une molécule mère.
Les ADN polymérases peuvent allonger une chaîne existante mais sont incapables d’en débuter une. Une amorce est donc essentielle pour débuter ce processus. Il s’agit d’un court fragment de 8 à 12 nucléotides
complémentaires à une région spécifique du chromosome. Les amorces sont synthétisées par une enzyme nommée primase.
Les ADN polymérases ne synthétisent de
nouvelles chaînes que dans le sens 5’ vers 3’ et, étant donné la nature antiparallèle de la molécule d’ADN, se déplacent dans le sens 3’ vers 5’ le
long du brin matrice. La conséquence de cette polarité est que tandis qu’un brin, le brin précoce, est synthétisé de manière continue, l’autre, le
brin tardif, doit être synthétisé par courts fragments discontinus.
La réplication de l’ADN
La réplication de l’ADN
La réplication de l’ADN procède grâce à la création
d’une fourche de réplication et l’action d’enzymes.
Les origines de réplication
Chez les procaryotes (a), l’origine de la réplication est souvent unique et la réplication procède dans les deux orientations à partir de ce point.
Chez les eucaryotes (b), la réplication a lieu à partir d’origines multiples. Des expériences récentes
ont démontrées que chez la levure on retrouve environ 400 origines de réplications réparties parmi les 16
chromosomes de cet
organisme. Chez l’humain,
on estime à plus de 10 000
le nombre de fourches de
réplications simultanées.
3) La capacité de muter
Au cours de la réplication, une base incorrecte peut être insérée
ou bien des bases peuvent être perdues ou dupliquées. Si un tel
événement se produit, la nouvelle copie de l’ADN et toutes les
copies qui en découleront seront différentes de la molécule
ancestrale. Il y aura alors apparition d’une mutation héréditaire.
Exemples de mutation chez la drosophile
4) La traduction en forme et en fonction
D’une façon ou d’une autre, une séquence donnée de A, T, G et C, doit être utilisée par la cellule pour créer des protéines ayant des
séquences particulières d’acides aminés. De plus, une partie de l’ADN doit servir de signal pour prévenir la machinerie cellulaire que la
traduction d’un gène donné en une séquence d’acides aminées doit
se dérouler dans certaines cellules, dans des tissus particuliers et à
des moments précis du développement et de la vie d’un organisme.
La transcription et la traduction
ADN
ARN
Protéine
(
détermine la forme au niveau cellulaire)
Transcription de l’ADN en ARN
Un gène peut être défini comme un fragment d’ADN spécifiant un ARN fonctionnel.
ARN: 1) Composé de nucléotides comme l’ADN mais le sucre est le ribose.
2) À la place de la thymine (T), l’ARN contient l’uracile (U).
3) Addition de nucléotides de 5’ vers 3’ (comme avec la réplication d’ADN).
Le transcrit
Même séquence que le brin non matrice d’ADN
La traduction de l’ARNm en protéines
La structure primaire d’une protéine est composée d’une chaîne linéaire d’éléments appelés acides aminés. La synthèse protéique se déroule dans des organites
cytoplasmiques appelés ribosomes. Les ribosomes se fixent à l’extrémité 5’ de l’ARN.
Triplet de nucléotides
Anti-codon spécifique de l'ARNt
Acide aminé spécifique
Cheminement de l’information génétique
Complexe codon/anti-codon
présentant les orientations 5’ - 3’
Le code génétique
4 x 4 x 4 = 64 codons distincts, chacun correspondant à un acide aminé
ou à un signal de terminaison.
La variation génétique
•Variation génétique=variation allélique
•Comme la plupart des organismes ne possèdent qu’un ou deux jeux de
chromosomes par cellule, un organisme donné ne peut que porter un ou deux allèles pour un même gène.
•Les allèles d’un gène sont tous présents à la même position chromosomique.
Un albinos. Le phénotype résulte de l’homozygotie d’un allèle récessif a/a.
Quelques conventions
Par convention, les allèles d’un gène sont souvent désignés par des lettres. Par exemple, l’allèle codant pour la capacité de synthèse de la mélanine dans le cas de l’albinisme
est appelé A et l’allèle codant l’incapacité correspondante (qui aboutit à l’albinisme) est désigné par a.
La condition allélique d’un organisme est son génotype, qui est le pendant héréditaire de son phénotype.
Ainsi, dans cet exemple:
A/A = peau pigmentée A/a = peau pigmentée
a/a = peau non-pigmentée (albinisme)
L’origine moléculaire de la variation allélique
Gène Protéine -protéine de structure -enzyme
Types de mutations courantes:
-substitutions -délétions -insertions
tyrosinase
tyrosine mélanine
(pas un pigment) (pigment)
Variation génétique discontinue et continue
Variation discontinue Variation continue
Dans la variation discontinue, il y a une relation terme à terme prévisible entre génotype et phénotype.
Dans la variation continue, il y a une gamme ininterrompue de phénotypes dans la population. Les phénotypes intermédiaires sont généralement les plus courants.
Les méthodologies utilisées en génétique
1) L’isolement des mutants affectant un processus en cours d’étude.
2) L’analyse des descendants d’unions contrôlées (« croisements ») entre des mutants et des individus de type sauvage ou d’autres variants discontinus.
3) L’analyse génétique des processus biochimiques de la cellule.
4) L’analyse microscopique.
5) L’analyse directe de l’ADN.
Les méthodologies utilisées en génétique
L’analyse directe de l’ADN.
L’exemple du clonage:
Détecter des molécules spécifiques d’ADN, d’ARN et de protéines à l’aide de sondes.
ADN transfert de Southern ARN transfert de Northern Protéines transfert de Western
Les méthodologies utilisées en génétique
Les organismes modèles utilisés en génétique
Escherichia coli
Saccharomyces cerevisiae Neurospora crassa
Arabidopsis thaliana
Drosophila melanogaster
Caenorhabditis elegans
Mus musculus
Comparaison du génome des eucaryotes, procaryotes et des virus
Les gènes, l’environnement et l’organisme
Les gènes ne peuvent, seuls, dicter la structure d’un organisme. L’autre composant essentiel de cette détermination est l’environnement.
Des événements aléatoires au cours du développement conduisent à des variations du phénotype, que l’on nomme bruit de fond
développemental.
Les gènes et l’environnement
Les gènes et l’environnement Influencent tous deux la taille de l’oeil chez la drosophile.
Un grossissement montrant l’oeil normal, constitué de centaines d’unités appelées facettes.
