Sais-tu que les gènes sont les éléments constitutifs de la vie sur terre? Ils sont les unités de base de l'hérédité dans toutes les cellules et ont été façonnés par l'évolution au cours de milliards d'années pour aider les organismes à répondre à leurs besoins de survie. Les gènes contiennent toutes les informations nécessaires à la fabrication des protéines, qui catalysent les réactions chimiques, permettent la communication entre les cellules, et permettent aux organismes à croître et à se développer.
Dans ce résumé de cours, nous commencerons par définir ce qu'est un gène et par étudier le code génétique qui s'y trouve. Ensuite, nous explorerons les complexités des mutations génétiques, ainsi que la façon dont l'expression génétique influence nos caractéristiques physiques. Enfin, nous verrons comment la thérapie génique peut être utilisée pour améliorer certaines maladies. Alors plongeons dans le vif du sujet !
Qu'est-ce-qu'un gène ?
Un gène est une courte section d'une séquence de bases d'ADN qui correspond au « code » nécessaire pour fabriquer un polypeptide (comme les protéines ou l'ARN). Ces polypeptides (à ne pas confondre avec les polynucléotides, qui sont l'ADN) sont constitués d'une longue chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Les types de protéines qui en résultent comprennent les enzymes, les hormones et les anticorps. Les types d'ARN qui sont fabriqués comprennent l'ARN de transfert (ARNt) et l'ARN ribosomal (ARNr), qui sont nécessaires à la synthèse des protéines.
Les polynucléotides sont constitués de nucléotides monomères. Les nucléotides de l'ADN sont composés d'un groupe phosphate, d'un sucre désoxyribose et d'une base azotée (adénine, thymine, cytosine ou guanine). C'est de cela que sont faits les gènes !
L'ADN
Il est important de comprendre le lien entre les gènes et l'ADN. Les gènes sont essentiellement des segments d'un brin d'ADN qui contiennent des informations qui définissent nos caractéristiques physiques, comme la taille et la couleur des yeux. Pour mettre les choses en perspective, l'ADN est comme un livre de cuisine contenant toutes les recettes pour différents types de protéines, tandis que les gènes sont des recettes individuelles.
Chaque gène fournit les instructions pour fabriquer une seule molécule de protéine, permettant aux cellules de créer les protéines nécessaires à leur fonctionnement et à leur développement. Par conséquent, cette relation entre les gènes et l'ADN permet de déterminer les caractéristiques physiques d'un individu de génération en génération, ce qui régit finalement l'apparence d'une personne.
Le génome
Le génome est un ensemble complexe d'instructions qui donnent naissance à la structure et à la fonction de chaque organisme vivant. Il est composé de molécules d'ADN qui contiennent des instructions génétiques codées dans une séquence particulière.
Le génome peut aussi être considéré comme un manuel d'instructions, montrant comment fabriquer une espèce spécifique qui contient tous les codes nécessaires à la survie et à la reproduction.
Chaque génome agit comme les plans nécessaires à chaque espèce, fournissant des informations essentielles telles que sa physiologie, son métabolisme, sa morphologie et même son comportement. En analysant les génomes, nous sommes en mesure de mieux comprendre l'histoire de l'évolution de l'humanité et de poser des questions importantes sur l'impact de la variation du génome sur la santé et les maladies au sein de différentes populations.
Eucaryotes
Une cellule eucaryote est un type de cellule qui contient des organites liés à une membrane, dont le noyau, qui contient son matériel génétique. Ces cellules sont généralement plus grandes que les cellules procaryotes et ont une structure interne plus complexe.
Les gènes eucaryotes sont légèrement différents des gènes procaryotes, car ils contiennent des régions appelées exons et introns. Les exons sont les régions codantes de l'ADN : ce sont les séquences de base qui contiennent le code nécessaire pour former le polypeptide. À l'inverse, les introns sont les régions non codantes : ils ne codent pas pour une séquence d'acides aminés. De nombreux manuels font référence à ces introns comme à de l'ADN « poubelle », mais ce sont des sites très importants pour réguler l'expression des gènes, c'est-à-dire quel gène est converti en un produit fonctionnel, tel qu'une protéine ou une molécule d'ARN.
Fig. 1 - La région codante dans un segment d'ADN eucaryote
Il est extrêmement difficile pour les généticiens de définir le nombre de gènes que possèdent les humains. À ce jour, les scientifiques ont identifié environ 22 000 gènes qui codent pour des protéines et de l'ARN fonctionnel. Cette découverte a été possible grâce au Projet Génome Humain, un effort international remarquable pour séquencer le génome humain. D'autres projets, notamment l'Encyclopédie des éléments d'ADN (ENCODE), ont également entrepris de déterminer les fonctions des gènes qui ont été découverts !
L'épissage de l'ARNm
Bien qu'ils ne soient pas nécessaires lors de la fabrication du polypeptide, les introns sont des composants importants d'un gène, car ils jouent un rôle dans la régulation des gènes. C'est pourquoi l'épissage de l'ARN messager (ARNm) a lieu après la transcription.
L'épissage de l'ARNm est un processus qui consiste à éliminer les séquences non codantes (introns) d'une molécule d'ARNm, ne laissant que les séquences codantes (exons). Cela ne se produit que dans les cellules eucaryotes, car elles contiennent des introns. Les cellules procaryotes ne contiennent pas d'introns et n'ont donc pas besoin de l'épissage de l'ARNm.
La transcription est le processus de transfert de la séquence de bases d'ADN d'un gène sur un brin d'ARNm complémentaire. C'est la première étape de la synthèse des protéines et elle a lieu dans le noyau. N'oublie pas que les gènes sont composés d'exons et d'introns, donc le brin d'ARNm contient aussi les deux (certains manuels parlent de pré-ARNm). Les introns ne sont pas souhaitables pour la synthèse des protéines, ainsi des enzymes spécialisées excisent la séquence d'ARN correspondant à l'intron, ce qui permet aux exons de s'assembler. Cela nous laisse avec un brin d'ARNm contenant uniquement des régions codantes qui correspondent à une séquence d'acides aminés.
Fig. 2 - Le processus d'épissage de l'ARNm
Les enzymes spécialisées qui catalysent l'épissage de l'ARNm sont appelées splicéosomes.
Code génétique
Les gènes codent pour une séquence d'acides aminés qui, à son tour, forme le polypeptide ou l'ARN fonctionnel. Mais comment nos cellules associent-elles un acide aminé spécifique à une séquence de bases d'ADN ? La réponse est le code génétique.
Le code génétique décrit comment les codons présents sur les molécules d'ARNm correspondent à des acides aminés spécifiques.
Les codons sont des séquences de trois nucléotides, et ils sont aussi connus sous le nom de triplets. Ces nucléotides sont l'adénine, l'uracile, la cytosine et la guanine. Les combinaisons de trois de ces bases codent pour des acides aminés individuels. Note que l'ADN, contrairement à l'ARN, ne contient pas l'uracile, mais la thymine.
Lorsque les codons sont lus successivement pendant la synthèse des protéines (traduction), une chaîne d'acides aminés se forme pour construire un polypeptide.
Le codon CCU code pour la proline et le codon ACA pour la thréonine.
Nous visualisons habituellement le code génétique sous la forme d'une roue ou d'un tableau.
Fig. 3 - La roue du code génétique affichant différents codons d'ARNm
Tu lis le codon en partant de l'intérieur vers l'extérieur lorsque le code génétique apparaît sous forme de roue.
Une molécule de polypeptide a un début et une fin, alors comment la synthèse des protéines sait-elle quand commencer et finir ? Cela se passe grâce aux codons de départ et d'arrêt. Comme leur nom l'indique, les codons de départ initient la traduction et marquent le début du polypeptide. Ce codon est AUG dans la plupart des organismes, qui code pour l'acide aminé méthionine. À mesure que la protéine lit les codons, elle finit par atteindre un codon stop, qui met fin à l'élongation du polypeptide. Le code génétique comporte trois codons stop : UGA, UAG et UAA. Contrairement aux autres codons, ils ne codent pas pour un acide aminé.
Il y a trois caractéristiques importantes du code génétique que tu dois connaître. Le code génétique est :
universel ;
non chevauchant ;
dégénéré (ou redondant).
Le code génétique est universel
Le code génétique est le même dans la plupart des organismes. Cela signifie que le codon CCU qui code pour la proline chez les humains codera également pour la proline dans d'autres organismes. Par exemple, chez les requins !
Le code génétique ne se chevauche pas
Il est important que chaque nucléotide ne fasse partie que d'un seul codon à la fois et qu'il n'y ait pas de chevauchement. Le terme « cadre de lecture » fait référence au début et à la fin de la séquence d'ARNm et cela est possible grâce aux codons de départ et d'arrêt que nous avons mentionné précédemment. Ces codons permettent de lire la séquence d'ARNm dans un cadre.
Le code génétique est dégénéré
Cette caractéristique décrit comment certains acides aminés peuvent correspondre à plus d'un codon. Comme il existe 4 types différents de nucléotides, il y a un total de 64 combinaisons de codons. Or, il n'y a que 20 acides aminés. Cela nous montre que plusieurs codons peuvent coder pour le même acide aminé, et tu peux clairement le voir dans la roue du code génétique.
Mutations génétiques
Les mutations sont des modifications apportées à une séquence de bases de l'ADN.
Elles nous laissent avec un codon différent sur le brin d'ARNm. Le plus souvent, les mutations génétiques apparaissent spontanément pendant la réplication de l'ADN. Cela se produit à cause de l'exposition cellulaire à des agents mutagènes et à des infections pathogènes. Les deux types de mutations sur lesquels nous allons nous concentrer sont les insertions/délétions et les substitutions.
Les autres types de mutations génétiques sont les inversions, les duplications et les translocations. Les inversions se produisent lorsque les nucléotides échangent leurs positions au sein de l'ADN. Les duplications se produisent lorsqu'une copie supplémentaire d'un gène ou d'un chromosome est produite. Les translocations se produisent, car des sections de différents chromosomes se détachent et changent de place.
Les insertions décrivent l'ajout d'un ou plusieurs nucléotides, tandis que les délétions sont la suppression d'un ou plusieurs nucléotides.
Ces événements provoquent une mutation de type décalage de cadre. Cela signifie que chaque codon qui suit la mutation change, ce qui a pour effet de décaler le cadre de lecture. Comme tu peux le voir, l'ajout ou le retrait d'un seul nucléotide modifie considérablement la séquence d'ADN et, par conséquent, le polypeptide à synthétiser. Cela nuit généralement à l'organisme.
Les substitutions décrivent le remplacement du nucléotide correct par un nucléotide incorrect.
Par exemple, le triplet CCA code pour l'acide aminé proline. Si une substitution se produit et que le triplet devient CGA, un tout nouvel acide aminé appelé arginine est codé à la place. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Si CCA devait muter en CCG, les deux triplets correspondent à la proline en raison de la nature dégénérée du code génétique. Ce type de mutation par substitution n'affecte pas le polypeptide et a donc un effet neutre sur l'organisme.
Expression génétique
Nous avons environ 22 000 gènes, mais nous ne voulons pas que tous les produits polypeptidiques s'expriment dans toutes nos cellules ! L'expression génétique contrôle ces gènes grâce à l'action de protéines appelées facteurs de transcription. Ces facteurs de transcription peuvent déterminer si un gène est actif ou silencieux sur le plan transcriptionnel, et donc ils régulent le type d'ARNm produit.
Les cellules de notre foie ont besoin du gène codant pour l'alcool déshydrogénase, qui métabolise l'éthanol. Cependant, d'autres cellules comme celles de la peau n'en ont pas besoin. Par conséquent, le gène de l'alcool déshydrogénase est activé dans les cellules du foie, mais réduit au silence dans les cellules de la peau.
L'expression génétique peut être régulée au niveau de la transcription (l'étape où la séquence de bases de l'ADN donne un brin d'ARNm complémentaire) et au niveau de la traduction (l'étape où le brin d'ARNm donne une séquence d'acides aminés).
Au niveau de la transcription, les facteurs de transcription régulent les gènes qui sont activés et désactivés en aidant la liaison de l'ARN polymérase à la région promotrice du gène. Le promoteur est situé dans le gène et est l'endroit où l'ARN polymérase doit se lier pour que la transcription soit lancée.
Il existe deux types de facteurs de transcription : les activateurs et les répresseurs. Les activateurs lient l'ARN polymérase au site du promoteur pour activer la transcription. À l'inverse, les répresseurs inhibent la liaison de l'ARN polymérase, réduisant ainsi au silence la transcription du gène.
Fig. 4 - La présence de facteurs de transcription au site du promoteur facilite la liaison de l'ARN polymérase
L'épigénétique joue également un grand rôle dans l'expression des gènes. Cela implique des changements dans le complexe ADN-histone. Ce complexe aide l'ADN à s'insérer dans le noyau, et il est composé d'ADN enroulé autour de protéines appelées histones. Lorsque l'ADN est étroitement enroulé autour des histones, l'ARN polymérase ne peut pas accéder au promoteur, ce qui réprime la transcription. Lorsque le complexe ADN-histone est sous cette forme, on l'appelle aussi hétérochromatine. Une autre forme appelée euchromatine implique l'ADN enroulé de façon lâche autour des histones, ce qui permet à l'ARN polymérase de se lier au promoteur et d'activer la transcription.
Au niveau de la traduction, le polypeptide produit est modifié pour altérer ses fonctions. Cela implique généralement l'ajout de groupes chimiques tels que des lipides et des groupes phosphates, catalysé par des enzymes spécialisées.
Thérapie génique
La thérapie génique consiste à retirer un allèle défectueux et à le remplacer par un allèle sain. Ce type de traitement est effectué sur des patients atteints de maladies d'origine génétique comme l'hémophilie et les myélomes.
Les médecins utilisent des vecteurs viraux, car ces agents sont porteurs des allèles normaux et infectent la cellule, permettant aux allèles d'être délivrés dans le noyau. L'allèle sera transcrit et traduit pour produire la protéine fonctionnelle en utilisant la machinerie de synthèse des protéines du patient.
Un vecteur est un agent qui délivre un gène dans une cellule cible.
Gène - Points clés
- Un gène est une courte section d'une séquence de base d'ADN correspondant à un polypeptide. Les gènes eucaryotes contiennent des exons et des introns, tandis que les gènes procaryotes ne contiennent que des exons.
- Le code génétique décrit les règles par lesquelles les codons codent pour des acides aminés spécifiques. Le code génétique est universel, non chevauchant et dégénéré.
- Les mutations génétiques sont des modifications de la séquence de base de l'ADN. Parmi les types de mutations, on trouve les insertions, les délétions et les substitutions.
- La régulation de l'expression génétique est importante, car elle détermine quels polypeptides sont présents dans une cellule. La régulation peut se faire au niveau de la transcription et de la traduction.
- La thérapie génique est une technologie avancée qui permet de remplacer un allèle défectueux par un allèle normal.
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