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Sauter à un chapitre clé
La plupart du temps, les généticiens se sont concentrés sur l'identification de gènes uniques et la caractérisation de leurs fonctions. Depuis une vingtaine d'années, cependant, il est généralement accepté qu'il y a très peu de gènes agissant seuls, et que les gènes et les protéines interagissent continuellement les uns avec les autres. Le destin biologique de chaque organisme dépend en fait de réseaux complexes d'interactions entre les molécules. Dans ce résumé de cours, nous allons découvrir le processus de recombinaison génétique chez les eucaryotes, les bactéries et les virus, puis nous parlerons des taux de recombinaison. C'est parti !
Définition de recombinaison génétique
La recombinaison génétique est un événement moléculaire impliquant un échange de matériel entre deux molécules d'ADN double brin. Elle se produit généralement entre des séquences correspondantes afin d'assurer la conservation exacte du matériel génétique dans les filaments recombinés. Sa fréquence est affectée par des effets globaux et locaux au sein du génome et n'est donc pas constante.
La recombinaison génétique est l'échange physique de matériel génétique entre des éléments génétiques.
Recombinaison génétique chez les eucaryotes
Un eucaryote est un type de cellule dont le noyau et les organelles sont caractérisés par la présence d'une membrane. Les chromosomes de ce type de cellules sont composés d'ADN qui est associé à des protéines histones.
Les exemples d'eucaryotes sont les plantes, les animaux et les champignons ! Les cellules humaines sont des cellules eucaryotes ! Alors comment ces cellules recombinent-elles leurs gènes ?
L'échange de gènes entre les allèles se produit généralement au cours de la reproduction sexuelle. On peut donc supposer que le génotype résultant étend considérablement la variabilité génétique d'une population.
La recombinaison est un processus relativement aléatoire. La stabilité génétique, c'est-à-dire la préservation des séquences d'ADN au fil des générations, est cruciale pour la survie des individus et des espèces. Cependant, il est également crucial que l'ADN subisse des réassortiments qui peuvent changer la combinaison des gènes dans chaque génome.
Mais pourquoi cela ? Eh bien, réfléchis-y. Nous sommes tous différents les uns des autres (génétiquement parlant, bien sûr) et ce processus exige que nos corps fassent varier nos gènes. Par conséquent, la diversité génétique nécessite une recombinaison. En outre, cela garantit que les enfants héritent des gènes maternels et paternels des deux séries de grands-parents. Cela garantit à la fois la diversité et la continuité génétiques.
L'échange génétique se produit entre des paires de séquences d'ADN homologues. Les événements de recombinaison sont représentés par la rupture de deux molécules d'ADN double brin sur des sites correspondant exactement aux chromosomes homologues. C'est là que se produisent l'échange des deux brins et la reconstruction des doubles hélices en soudant les extrémités libres. L'ensemble du processus est si minutieux que le nombre de nucléotides dans les brins recombinés reste le même.
Chez les organismes à reproduction sexuée, la recombinaison génétique se produit pendant le processus méiotique, par croisement entre les chromosomes homologues.
D'autre part, la recombinaison spécifique au site peut également avoir lieu entre des brins d'ADN non homologues, et l'échange se produit généralement au niveau de courtes séquences nucléotidiques spécifiques reconnues par une série d'enzymes. Ce type de recombinaison modifie donc les positions relatives des séquences de nucléotides du génome. Les événements de recombinaison génétique ne sont pas toujours clairs, bien que l'on sache que les blessures causées par les rayons ultraviolets ou les mutagènes chimiques augmentent la fréquence à laquelle la recombinaison se produit.
Types de recombinaison en génétique
Comme nous l'avons appris ci-dessus, la recombinaison génétique implique l'échange physique de matériel génétique entre des éléments génétiques. Il existe plusieurs types de recombinaison :
La recombinaison impliquant une réaction entre des séquences d'ADN homologues est appelée recombinaison homologue (figure 1), et chez les eucaryotes, elle se produit généralement pendant la méiose chez les mâles (spermatogenèse) et les femelles (ovogenèse).
Recombinaison non-homologue : de telles interactions ont lieu entre des molécules d'ADN qui ne sont pas toujours apparentées. L'échange se produit généralement au niveau de courtes séquences nucléotidiques spécifiques reconnues par une série d'enzymes. Ce type de recombinaison modifie donc les positions relatives des séquences de nucléotides du génome.
La recombinaison spécifique au site favorise la recombinaison entre des paires spécifiques de séquences et a été caractérisée pour la première fois chez les bactéries. Celle-ci est responsable de l'intégration des génomes de phages dans le chromosome bactérien.
Un autre type de recombinaison est utilisé par les virus, dans lequel la polymérase passe d'une matrice à une autre pendant qu'elle synthétise l'ARN. En conséquence, la molécule nouvellement synthétisée fusionne les informations de séquences qui proviennent de deux parents différents. Ce type de mécanisme est appelé copiage sélectif.
Recombinaison génétique chez les bactéries
L'augmentation de la variabilité génétique découlant du mélange des gènes est importante pour la survie d'organismes telles que les bactéries et les virus. Chez les procaryotes cependant, le processus est si distinct que dans certains cas la recombinaison ne nécessite même pas la participation de deux cellules entières. Bien qu'ils se reproduisent de manière asexuée, les procaryotes ont plusieurs façons de recombiner leurs gènes. Abordons-les !
Transformation
Il s'agit d'un type de recombinaison qui se produit lorsqu'une bactérie acquiert de l'ADN libre dans l'environnement. Ce phénomène se produit naturellement chez certaines espèces de bactéries, lorsque les cellules meurent et que leur ADN s'échappe. Une fois que l'ADN transformateur se trouve dans la cellule hôte, le chromosome de la cellule hôte peut incorporer de nouveaux gènes (figure 2).
Le premier exemple expérimental de transformation remonte à plus de 75 ans, grâce à Frederick Griffith. Aujourd'hui, nous sommes en mesure d'expliquer les résultats obtenus par Griffith : de l'ADN s'est échappé des cellules mortes des pneumocoques pathogènes, qui a ensuite été pris comme ADN libre par les pneumocoques vivants non virulents et les a rendus virulents. Cette expérience a démontré que le matériel génétique d'une cellule bactérienne peut être transféré d'une cellule à une autre au moyen d'un principe transformant, apportant ainsi la preuve de l'existence de l'ADN.
Transduction
Il s'agit du mécanisme de transfert de l'ADN d'une bactérie à une autre par un virus. Lorsque les phages subissent un cycle lytique, ils emballent leur ADN dans la capside. Les capsides se forment généralement avant que l'ADN n'y entre, donc parfois un fragment d'ADN bactérien peut être introduit dans une capside vide ; lorsque le nouveau virion (particule infectieuse du virus) infecte une autre cellule bactérienne, le fragment d'ADN étranger y sera injecté et pourra se recombiner avec le chromosome hôte, ce qui entraînera le remplacement de certains gènes de l'hôte par des gènes bactériens provenant de la cellule qui a précédemment accueilli le virus (figure 3).
Ce type d'étape est appelé transduction généralisée, car il peut transférer au hasard n'importe quel morceau d'ADN d'une bactérie à une autre.
Il existe également un mécanisme de transduction spécialisée qui implique les prophages : lorsque le prophage se détache du chromosome qui l'héberge, il emporte avec lui un fragment contigu de l'ADN bactérien.
Un phage est un virus qui infecte les bactéries en laissant ses propres gènes à l'intérieur des cellules.
Une capside est une enveloppe qui contient le matériel génétique du virus et qui permet à ce dernier de se retrouver dans son environnement extérieur.
Un prophage est une copie du virus dormant intégrée à l'ADN de la bactérie hôte et qui peut se réveiller pour causer l'infection par le phage correspondant (c'est la forme latente d'un phage).
Conjugaison
Il s'agit d'un processus dans lequel deux bactéries entrent en contact direct, et la copie d'une partie de l'ADN passe d'une bactérie donneuse à une bactérie receveuse.
Le processus commence par l'apparition d'une ou plusieurs petites excroissances, appelées pili sur la bactérie donneuse. Une fois que les pili ont mis les deux bactéries en contact physique, un mince pont cytoplasmique se forme entre les deux cellules, appelé tube de conjugaison. Seul un des deux brins d'ADN de la molécule du donneur passe par ce pont, tandis que le brin restant sert de matrice pour reconstruire la molécule entière.
Le contact entre les deux cellules est court et ne dure généralement pas assez longtemps pour permettre le passage de l'ensemble du génome du donneur dans la cellule réceptrice.
Une fois à l'intérieur de la cellule réceptrice, le fragment d'ADN de la cellule donneuse peut se recombiner avec le génome de la cellule réceptrice. L'ADN du donneur est placé côte à côte avec les gènes homologues de l'ADN du receveur, ce qui permet au croisement de se produire.
Le mécanisme de conjugaison est décomposé en trois phases (figure 4) :
- formation du couple de bactérie donneuse et receveuse (F+ / F-);
- mobilisation de l'ADN ;
- séparation des cellules conjuguées.
Toutes les bactéries n'ont pas la capacité de construire le pilus et le tube de conjugaison. Pour ce faire, elles doivent posséder des gènes spécifiques qui ne sont pas normalement présents dans le chromosome bactérien. Ces gènes se trouvent sur une petite molécule d'ADN appelée plasmide F (ou facteur de fertilité), qui est présente dans les bactéries donneuses.
Recombinaison génétique des virus
La recombinaison génétique peut se produire dans les virus par le biais de plusieurs mécanismes. Le mécanisme le plus courant est la recombinaison homologue, qui consiste à échanger du matériel génétique entre deux brins d'ADN qui ont des séquences similaires. Ce type d'échange génétique se produit généralement pendant le processus de réplication, lorsque deux molécules d'ADN qui se répliquent se croisent et échangent des segments de leur génome.
Un autre mécanisme est la recombinaison non-homologue, qui implique le transfert de matériel génétique d'un virus à un autre sans aucune similitude de séquence entre eux. La recombinaison non-homologue peut se produire à la suite d'une infection virale ou lorsqu'un virus est exposé à des contraintes environnementales telles que les rayons UV ou des températures extrêmes.
L'impact de la recombinaison génétique sur l'évolution des virus
La recombinaison génétique joue un rôle important dans l'évolution des virus en leur permettant d'acquérir rapidement de nouveaux traits et de s'adapter à des environnements changeants plus rapidement que s'ils ne comptaient que sur la mutation. Lorsque deux virus de génotypes différents combinent leurs génomes par recombinaison homologue ou non homologue, cela aboutit à la création d'un virus chimérique dont le génotype combine des éléments des deux virus de départ. Ce virus peut posséder des traits qui le rendent plus apte à survivre et à se reproduire que l'un ou l'autre des virus parents seuls.
Exemples de recombinaison génétique
La recombinaison génétique fait partie de nous. L'un des exemples les plus importants de recombinaison dans les organismes à reproduction sexuée se produit pendant le processus méiotique par le croisement entre les chromosomes homologues. Bien que la méiose ne se produise que chez les eucaryotes, l'augmentation de la variabilité génétique dérivée du mélange des gènes est si importante pour la survie des espèces que les processus de recombinaison sont également courants chez les bactéries et les virus.
Un autre exemple est celui de la cellule qui se guérit de manière naturelle : si, par exemple, la cellule remarque qu'il y a une cassure dans l'ADN, il se produira un échange entre un tronçon homologue d'ADN, qui comblera la section manquante de l'ADN cassé.
Taux de recombinaison génétique
Les taux de recombinaison génétique peuvent varier considérablement selon l'espèce concernée et le mécanisme spécifique utilisé. En général, les taux de recombinaison chez les eucaryotes sont beaucoup plus faibles que chez les procaryotes. Par exemple, chez les organismes eucaryotes tels que les humains, la recombinaison génétique se produit généralement à un taux de 1 à 2 croisements par paire de chromosomes, tandis que chez les procaryotes tels que les bactéries, elle peut se produire à un taux allant jusqu'à 100 croisements par paire de chromosomes.
En outre, le mécanisme exact par lequel la recombinaison génétique se produit est très spécifique et dépend d'un large éventail de facteurs, notamment de facteurs tels que le type d'organisme (eucaryote vs. procaryote, etc.) et les gènes spécifiques impliqués.
Importance de la recombinaison génétique
Pourquoi la recombinaison génétique est-elle si importante ? Eh bien, les différences génétiques entre les individus sont la base sur laquelle la sélection naturelle opère pour mettre en œuvre l'évolution et l'adaptation des espèces aux conditions environnementales.
La recombinaison génétique est essentielle à ce processus, car elle permet de « brouiller » les gènes dans différentes combinaisons et de réorganiser des séquences d'ADN spécifiques.
La plupart des altérations du système génétique d'une personne par recombinaison génétique sont principalement supportées par celles qui participent à la réparation des dommages causés par l'ADN. En fait, de l'autre côté du spectre, le rôle fondamental de la recombinaison génétique dans ces processus est mis en évidence par la gravité des maladies génétiques qui y sont associées. Souvent, ces maladies sont également caractérisées par une incidence accrue de tumeurs, en raison de l'instabilité génétique. Nous pouvons donner comme exemple le Xeroderma pigmentosum.
Le Xeroderma pigmentosum est une maladie génétique rare qui affecte la peau et les yeux, provoquant une sensibilité aux rayons ultraviolets et un risque accru de cancer de la peau.
La recombinaison génétique peut aussi se produire artificiellement. Cela se fait par le biais de la biotechnologie. La biotechnologie est une technique qui permet de produire à la fois des substances et des services (par exemple, des analyses, la purification de l'eau, etc.) en utilisant des organismes vivants, des cellules et leurs constituants, ou en les manipulant génétiquement.
Les techniques qui permettent de modifier le patrimoine génétique des organismes portent le nom de génie génétique. Contrairement à la recombinaison naturelle, le génie génétique modifie le génome d'un organisme de manière ciblée, en isolant certains de ses gènes et en les insérant dans des cellules d'une autre espèce, où leurs protéines se synthétisent. La cellule hôte (dans laquelle on introduit les gènes) est normalement une bactérie. Les avantages de l'utilisation des bactéries sont nombreux : simplicité de la cellule, connaissance des mécanismes de recombinaison naturels et vitesse de croissance.
L'une des méthodologies les plus importantes du génie génétique utilise l'ADN recombinant. Cette technique utilise des enzymes de restriction, capables de couper l'ADN bactérien et humain à des séquences précises, afin que les extrémités des deux chaînes soient complémentaires et puissent s'apparier. La molécule d'ADN recombinée est formée lorsque les molécules d'ADN-ligase lient fermement les extrémités de l'ADN humain à celles de l'ADN bactérien.
L'ADN recombiné est ensuite introduit dans une cellule bactérienne, où il produit la protéine correspondant au gène humain inséré. Comme elle se reproduit par division cellulaire, un clone de cellules génétiquement identiques est formé avec l'ADN recombinant.
Recombinaison génétique - Points clés
- La recombinaison génétique est l'échange physique de matériel génétique entre des éléments génétiques. La recombinaison est un processus relativement aléatoire.
- L'échange génétique se produit entre des paires de séquences d'ADN homologues.
- La transformation est la recombinaison qui se produit lorsqu'une bactérie acquiert de l'ADN libre dans l'environnement.
- La transduction est un mécanisme de transfert d'ADN d'une bactérie à une autre par un virus.
- La conjugaison est un processus dans lequel deux bactéries entrent en contact direct, et la copie d'une partie de l'ADN passe d'une bactérie donneuse à une bactérie receveuse.
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Questions fréquemment posées en Recombinaison génétique
Comment fonctionne la recombinaison génétique ?
La recombinaison génétique est le processus de brassage du matériel génétique entre les chromosomes. Elle se produit pendant la reproduction sexuée, lorsque des morceaux d'ADN provenant de deux parents différents sont combinés pour créer un nouvel individu avec un ensemble unique de gènes. Durant ce processus, les gènes peuvent être échangés, supprimés, dupliqués ou réarrangés.
Quand a lieu la recombinaison génétique ?
La recombinaison génétique a lieu généralement pendant la méiose, le processus de division cellulaire qui produit les ovules et les spermatozoïdes.
Quand a lieu le cross-over ?
Le crossing-over à lieu généralement lorsque les deux chromosomes homologues sont alignés et que leurs séquences nucléotidiques peuvent s'apparier.
Comment calculer la fréquence de recombinaison ?
Pour calculer la fréquence de recombinaison, il faut compter le nombre de fois où la recombinaison s'est produite dans un échantillon de population et diviser cela par le nombre total de paires de gènes. Le pourcentage obtenu peut alors être utilisé pour estimer la probabilité de recombinaison génétique pour différents individus ou populations.
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