Matériel génétique








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Matériel génétique


 

 

Deux expériences fondamentales ont conduit à la découverte de l'ADN comme matériel génétique. En 1928 Griffith expérimente sur des souris. Il montre que les cellules contiennent un "principe transformant" qui permet à une cellule de léguer ses propriétés à une autre.

En 1944 Avery, Mac Leod et Mac Carthy prouvent que l'agent en cause est l'ADN.

Expérience de Griffith



Figure 1-1. Chez le pneumocoque (agent de la pneumonie chez la souris) on connaît deux types de souches : l'une possède une capsule polysaccharidique qui donne aux cellules un aspect lisse. Cette souche est pathogène. L'autre en est dépourvue et présente un aspect rugueux, de plus elle a perdu tout pouvoir pathogène.

En cultivant une souche SI pendant longtemps in vitro, on peut en isoler une souche RI vivante non pathogène qui inoculée à une souris la laise i,ndemne bien qu'hébergeant la bactérie. Par contre une souche lisse SII inoculée directement à une souris induit chez celle ci une pneumonie létale. Mais si l'on tue la bactérie SII par chauffage et si on l'inocule alors, la souris survit parfaitement.

Griffith mélangea une fraction de culture vivante de RI vivante (non pathogène) à une fraction de SII tuée par chauffage (inoffensive) et injecta le mélange à une souris. Il fit deux constatations.

la souris mourut de pneumonie.

sa dépouille contenait des bactéries vivantes de type SII.

Il en conclut qu'un "principe transformant" était passé des bactéries mortes SII aux bactéries RI vivantes et avait transformé celles-ci en type SII vivantes.

Expérience d'Avery, Mac Leod et Mac Carthy

De 1928 à 1944 une technique de transformation du pneumocoque in vitro a été mise au point, ce qui permet de se passer du passage dans la souris, et simplifie l'expérience. On cultive des cellules R en présence de S tuées et on récupère des S vivantes. On refait la même expérience mais en utilisant un extrait acellulaire de cellules S : les cellules R ont été transformées. L'agent transformant est donc un agent chimique provenant de l'extrait acellulaire de S. L'intégrité physique de la cellule n'est pas indispensable pour la transformation. L'extrait acellulaire peut être fractionné, ce qui permet de démontrer que l'agent transformant est de nature macromoléculaire, qu'il n'est constitué ni de poly saccharides ni de protéines ni d'acide ribonucléique (ARN). Par contre la fraction contenant l'acide désoxyribonucléique (ADN) est capable de réaliser la transformation. Afin d'éliminer la possibilité que cette fraction ait été contaminée par des impuretés, on prépare un extrait acellulaire que l'on répartit en trois fractions, la première est soumise à l'action des protéases qui dégradent les protéines, la seconde est soumise à l'action de l'ARNase qui dégrade l'ARN Figure 1-2. Expérience d'Avery, Mac Leod et Mac Carthy et la troisième est traitée par l'ADNase qui dégrade l'ADN. Alors que les deux premières fractions sont encore capables de transformer, la troisième est dépourvue de tout pouvoir transformant.



 

Figure 1-2 Expérience d'Avery, Mac Leod et Mac Carthy

Ces expériences démontrent que l'ADN programme la synthèse des polysaccharides de la capsule. Les descendantes des cellules R transformées eb S sont de type S donc l'ADN contrôle la multiplication à l'identique.

Structure de l’adn


 

Eléments constituants

L'ADN est constitué de 3 éléments qui constituent des nucléotides monophosphates.

un groupe phosphate

un sucre, le désoxyribose

4 bases azotées, Adénine XE "Adénine" , Guanine XE "Guanine" , Cytosine XE "Cytosine" et Thymine XE "Thymine" . Ces bases se ressemblent deux à deux : A et G sont des purines XE "purines" , C et T sont des pyrimidines XE "pyrimidines" .



Figure 1-3. Les éléments de l'ADN.

L'association de chaque base avec une molécule de sucre constitue un nucléoside, et l'ajout d'un groupe phosphate donne un nucléotide monophosphate.



Les nucléotides s'enchaînent dans un ordre qui paraît quelconque, Sur un squelette Phosphate-Sucre-Phosphate-Sucre- sont branchées les bases azotées. Leur ordre de succession constitue la strycture primaire de l'ADN que l'on appelle sa séquence.



Figure 1-4.Un simple brin d'ADN.

Si cette séquence semble être au hasard, elle évoque néanmoins certains systèmes de transferts d'information tels que le système binaire rencontré dans l'alphabet morse. De telles séquences ont donc un potentiel informatif considérable.



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Structure de la molécule d'ADN

 

Bien que les acides nucléiques aient été découverts en 1868 par Michener, il a fallu attendre1953 pour que les progrès techniques permettent à Watson et Crick de découvrir la structure de la molécule d'ADN.

Deux observations qui paraissaient contradictoires avaient été faites concernant les quantités des 4 bases dans l'ADN des êtres vivants :

des quantités relatives apparemment quelconques des 4 bases dans un polymère : 13 a 8 c 13 g 22 t dans un fragment et 1291 a 1157 c 1254 g 1684 t dans X174.

des quantité comparables de A et T, de G et C lorsqu'on étudie la composition en bases de l'ensemble des êtres vivants.

Figure 1-6. Composition de l'ADN de quelques êtres vivants.

organisme

tissu

A

T

G

C

Mycobacterium

 

15,1

14,6

34,9

35,4

Levure

 

31,3

32,9

18,7

17,1

Oursin

sperme

32,8

32,1

17,7

18,4

Hareng

sperme

27,8

27,5

22,2

22,6

Rat

moelle osseuse

28,6

28,4

21,4

21,5

Homme

thymus

30,9

29,4

19,9

19,8

Homme

foie

30,3

30,3

19,5

19,9

Homme

sperme

30,7

31,2

19,3

18,8


Pour résoudre cette contradiction Watson et Crick ont proposé l'hypothèse (et l'ont vérifiée par des expériences de diffraction aux rayons X) qu'une molécule d'ADN n'est pas constituée d'un seul polymère mais de deux polymères. Ces deux polymères appelés brins sont le reflet l'un de l'autre .Quand sur un brin la base est A, l'autre porte T, quand il y a un G sur le premier brin, l'autre brin porte un C.

Les bases sont associées par paires . Dans chaque paire il y a toujours une purine associée à une pyrimidine. L'association se fait par des liaisons faibles : les liaisons hydrogènes, deux liaisons pour une paire AT ; trois liaisons pour une paire GC. Lorsque l'on connaît la séquence d'un brin on peut en dédire la séquence de l'autre brin. Les deux brins sont orientés de manière opposée par rapport aux extrémités 3' et 5'(les brins sont dits antiparallèles).



Figure 1-7. Les deux paires de bases de l'ADN

.

Figure 1-8. La double hélice de l'ADN.

Propriétés de l’adn


 

 

Les propriétés de cette molécule support de l'hérédité sont la conséquence de sa structure en double hélice de deux brins de séquence complémentaires.

Dénaturation

Une première conséquence physique est la sensibilité de la molécule native d'ADN à la chaleur. Les liaisons hydrogène qui assurent la structure en double hélice sont sensibles à la chaleur et le chauffage au-delà de 80°C suffit à les rompre on voit alors l'ADN natif se dénaturer en deux simples brins qui ne sont plus maintenus ensemble. Ces liaisons labiles vont cependant se rétablir si le refroidissement des brins est lent et les deux brins vont se repositionner en respectant les règles d'appariement en sorte que l'on peut retrouver l'ADN natif initial. Par contre, si le refroidissement est brutal les simples brins sont " figés " et restent sous la forme simple brin.



Figure 1-9. Dénaturation renaturation de l'ADN.

Reproduction



Figure 1-10. Réplication de l'ADN

La structure en double hélice permet d'envisager la pérennité du matériel génétique d'une génération à l'autre. Le détail des mécanismes de la réplication XE "réplication" , aujourd'hui assez bien connu vous est détaillé dans le cours de biochimie. La réplication se fait par séparation des brins anciens qui servent de moule pour la synthèse des nouveaux brins en respectant la complémentarité des bases. Les deux double hélices sont donc identiques à la double hélice initiale. La réplication est dite semi conservative puisque sur les deux brins l'un est ancien et l'autre est nouveau.

Information

Comment l'ADN assure-t-il son rôle directeur du métabolisme et de l "aspect de la cellule ou de l'organisme. Ces mécanismes font l'objet du cours de biochimie. Seuls les grandes lignes sont ici rappelées car indispensables pour comprendre les développements génétiques suivants.

La séquence de l'ADN porte un message qui doit être traduit comme tout langage codé. l'intermédiaire qui va assurer la traduction du message codé par les nucléotides en mots des protéines est l'ARN de transfert (ARNt XE "ARNt" . De plus l'ADN lui même ne va pas être utilisé directement pour être traduit mais c'est une copie qui va être utilisée. Cette copie pourra être plus ou moins multiple ce qui permettra de moduler le niveau final de la protéine (voir le cours de régulations). Cette copie est l'ARN messager (ARNm XE "ARNm" ) qui est ,comme l'ADN un polymère nucléotidique qui ne se distingue du précédent que par quelques caractéristiques.

Il est constitué de 2 bases puriques (A et G) et de 2 bases pyrimidiques C et Uracile XE "Uracile" à la place de T. Le désoxyribose est remplacé par le ribose.

Il est monobrin



Figure 1-11. Constituants de l'ARN

La copie se fait sur l'ADN dont les deux brins se séparent localement. Seul un brin (toujours le même pour une zone donnée) est copié (brin transcrit) en respectant la complémentarité des bases à ceci près que les appariements AT sont remplacés par des appariements AU. L'ARNm a donc la même séquence que le brin non transcrit à condition de remplacer les T par des U. Après cette synthèse ou transcription la molécule de messager va subir des modifications post transcriptionnelles diverses (épissage XE "épissage" , capping XE "capping" , queue poly U XE "queue poly U" , editing XE "editing" ...) selon les cas.



Figure 1-12. Principales étapes de la transcription.

Une fois que l'ARNm a atteint le cytoplasme il va servir pour synthétiser un polypeptide, avec le concours de l'ARNt XE "ARNt" et du ribosome XE "ribosome" .

Le ribosome est constitué de deux sous unités. Chacune comprend une molécule d'ARN ribosomiques (ARNr XE "ARNr" )et de nombreuses molécules protéique, l'ensemble constituant un ribozyme (enzyme à ARN). Les protéines sont codées par des parties du génome (les gènes de structure) et les ARNr par d'autres parties (gènes des ARNr).

L'ARNt est un petit ARN d'une centaine de nucléotide qui est apte à transporter un acide aminé particulier. Chaque ARNt est codé par un gène particulier.



Figure 1-13. Le code XE "code" génétique et les ARNt qui assurent la traduction.



Figure 1-14. Mécanisme de la traduction.

L'unité élémentaire d'information est faite de 3 nucléotides (le codon XE "codon" ).Lors de la traduction, le message est lu sans chevauchement, un polypeptide de 200 acides aminés est codé par un message de 600 (+3 pour le codon stop) nucléotides. Lorsque l'on a déterminé une séquence nucléotidique, on peut essayer de déterminer si elle peut correspondre à un polypeptide. Dans ce but on applique le code génétique. Il n'est pas dit que la séquence commence sur le premier nucléotide du codon, on a donc le choix entre 3 phases de lecture. De plus il n'est pas sûr que le brin dont la séquence déterminée soit celui qui correspond à la séquence de l'ARNm (brin non transcrit). Si tel est le cas il existe également trois phases possibles de lecture sur l'autre brin.

Dans l'exemple ci-dessus une seule phase n'est pas interrompue par un ou plusieurs codons stop(en gras) : la phase +2 qui est qualifiée de phase ouverte de lecture. C'est la seule qui soit suceptible d'être fonctionnelle. Si une phase ouverte est suffisamment longue c'est un bon candidat pour coder un polypeptide.

Dans le code génétique il faut distinguer 4 codons particuliers

AUG qui précédé d'un signal particulier (TATA box) et situé en début de phase indique précisément le début de la traduction.

UAG, UAA et UGA qui sont des codons stop et indiquent la fin de la chaîne polypeptidique.



Figure 1-15. Les six phases possibles de lecture d'une séquence d'ADN

En conclusion une définition du gène XE "gène" peut être proposée :

Un gène est un fragment d'ADN qui code pour un polypeptide et qui occupe une place unique dans le génome.

La succession des bases possède un caractère informatif qui contrôle la synthèse d'un polypeptide qui peut être doué d'activité catalytique (ou autre), c'est l'unité de fonction biochimique.

La structure double brin permet que le message entier soit reproduit fidèlement de génération en génération.
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