Bases moléculaires de l’organisation du génome humain Régine MARLIN, PhD Ingénieur scientifique Génétique Moléculaire des cancers CHU Pierre ZODBA QUITMAN

Généralités Les Acides Nucléiques Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote Généralités sur le génome humain

I-Généralités Génome : matériel génétique d’un être vivant.

Vue d’ensemble d’une cellule eucaryote I-Généralités La cellule est une unité fondamentale, structurale et fonctionnelle des organismes vivants. Vue d’ensemble d’une cellule eucaryote

I-Généralités Le génome • Ensemble des gènes d’un organisme ou patrimoine génétique est localisé dans le noyau et stocké sur les chromosomes. • Les gènes contiennent les informations nécessaires pour que la cellule fabrique des protéines (ou des enzymes) et les hormones.

I-Généralités molécule

I-Généralités La molécule d’ADN universelle Acide désoxyribonucléique

II-Les acides nucléiques Quelques définitions Les nucléotides Les bases azotées Les sucres L’ADN Structure de l’ADN Propriétés de l’ADN L’ARN

II-Les acides nucléiques Définition : Macromolécules fournissant les informations nécessaires au développement et au maintien de la vie ADN (Acide DésoxyriboNucléique) = support de l'Information Génétique. ARN (Acides RiboNucléiques) = les vecteurs et médiateurs de l'Information. Fonctions : Transmission du patrimoine génétique de génération en génération (hérédité) Contrôle de la fabrication des protéines nécessaires à la vie. D'un point de vue chimique : Polymères obtenus par enchaînement de sous - unités appelées Nucléotides.

II-Les acides nucléiques 2-Les nucléotides Unité de structure des acides nucléiques. Un nucléotide est composé de 3 parties : Une BASE AZOTÉE - variable en fonction du nucléotide - de nature purine ou pyrimidine Un SUCRE à 5 atomes de carbone - Le désoxyribose pour l’ADN - Le ribose pour l’ARN Un GROUPEMENT PHOSPHATE (ou acide phosphorique) identique pour les nucléotides de l'ADN et de l'ARN.

Les acides nucléiques Les bases azotées  bases puriques : Noyau purine ADENINE (ADN/ARN) GUANINE (ADN/ARN)  bases pyrimidiques : Noyau pyrimidine THYMINE (ADN) CYTOSINE (ADN/ARN) URACILE (ARN)

Les acides nucléiques Les sucres Le ribose pour l’ARN Le désoxyribose pour l’ADN β ribofuranose β 2-désoxyribofuranose

Les acides nucléiques A G C U A G C T ribose désoxyribose ARN ADN

Les acides nucléiques Remarques La nature du nucléotide est déterminée par la base azotée qu’il contient. Dans la séquence d'un brin d'ADN ou d'ARN, on nomme donc les cinq nucléotides selon leur base azotée : A, G, C, T et U. Complémentarité des bases lors de la formation de doubles brins :

3-L’ADN Acide DésoxyriboNucléique Les acides nucléiques 3-L’ADN Acide DésoxyriboNucléique Support de l'information génétique héréditaire : Les gènes sont des segments d'ADN : message constitué de la combinaison des 4 nucléotides. C'est un des constituants des chromosomes. L'ADN forme des pelotes microscopiques : Situées dans le noyau chez les eucaryotes, Situées directement dans le cytoplasme de la cellule chez les procaryotes. Les molécules d'ADN déroulées s'étirent en un très long fil : enchaînement (séquence) précis d'unités élémentaires que sont les désoxy ribonucléotides. Structure l'ADN : formée de deux brins complémentaires enroulés en hélice (double hélice).

Les acides nucléiques Structure de l’ADN Structure primaire Structure secondaire

Les acides nucléiques Structure de l’ADN Structure secondaire Macromolécule double brin 2 brins antiparallèles Squelette désoxyribo-phosphate

Les acides nucléiques Structure de l’ADN La double hélice

Les acides nucléiques Propriétés de l’ADN

3-L’ARN Acide RiboNucléique Les acides nucléiques 3-L’ARN Acide RiboNucléique Molécule simple brin constituée par l'assemblage de ribonucléotides. L'ARN transporte l'information génétique des molécules d'ADN (noyau) aux ribosomes contenus dans le cytoplasme des cellules. Molécules ayant de très nombreuses fonctions dans la cellule : il existe de nombreuses familles d'ARN (ARNr, ARNm, ARNt, snARN...), chacune assurant une fonction particulière.

Les acides nucléiques Différence ADN/ARN ADN= desoxyribose plus stable, primordial compte tenu de l’importance de l’ADN ADN forme double brin pour la « sauvegarde » de l’information d’une chaîne par rapport à l’autre

III-Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote Génome nucléaire humain ADN et chromatine Structure de la chromatine De l’enchaînement nucléosomique au chromosome Structure de l’ADN ADN des bactéries

III-Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote 1-Génome nucléaire humain (eucaryote) ADN et chromatine L’ADN humain est fortement associé à des protéines : Protéines histones Protéines non histones ADN + protéines = la chromatine Ø 2 nm Fibre de 2 nanomètres

III-Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote 1-Génome nucléaire humain (eucaryote) ADN et chromatine Molécule condensée L'ADN est associé à des protéines appelées « histones ». Chez les eucaryotes il est localisé dans le noyau de la cellule et replié d'une manière ordonnée qui assure le stockage d'une grande quantité d'ADN. Dans le plus petit chromosome humain s’il était étendu il aurait une longueur de 14 000 microns (14 cm). Dans son état le plus condensé lors de la mitose il mesure 2 microns, soit une condensation d'un facteur 7 000.

III-Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote 1-Génome nucléaire humain (eucaryote) Structure de la chromatine Cette condensation ne se fait pas en une seule fois, mais par plusieurs niveaux Le premier niveau est constitué par l'enroulement de l'ADN autour d'un noyau protéique pour produire une "perle " appelée le nucléosome, Le second niveau est l'enroulement des perles dans une structure hélicoidale appelée la fibre

III-Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote 1-Génome nucléaire humain (eucaryote) De l’enchaînement nucléotidique au chromosome

III-Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote 1-Génome nucléaire humain (eucaryote) Structure de l’ADN Structure primaire La chaine polypeptidique est formée de condensation de nucléotides Structure secondaire Les 2 chaînes d’ADN sont Complémentaires AT/CG Antiparallèles Hélicoïdales Liaisons hydrogènes et forces de van der Waals entre les 2 chaînes d’ADN

Un procaryote (du latin pro, « avant », et du grec caryon, « noyau ») est un être vivant unicellulaire dont la structure cellulaire ne comporte pas de noyau Un eucaryote est un organisme vivant possédant un noyau isolé du cytoplasme par une membrane et qui contient de l'ADN.

III-Architecture de l’ADN procaryote et eucaryote 2-ADN des bactéries Pas de structure aussi régulière que chez les eucaryotes Présence de protéines qui ressemble à des histones : protéines HU Structure plus flexible et plus accessible que chez les eucaryotes (division cellulaire plus rapide)

IV-Généralités sur le génome humain ensemble du matériel génétique d’un individu ou d’une espèce codé dans son ADN. information héréditaire d’un organisme, présente en totalité dans chaque cellule de l’organisme Même espèce, 0.1% différence entre 2 génomes de personnes non apparentés

IV-Généralités sur le génome humain Le génome nucléaire Les chromosomes : 24 molécules différentes. 22 autosomes 2 chromosomes sexuels (X et Y) Code pour environ 30 000 gènes. Petit ADN circulaire (16,6 Kb) contenu dans la mitochondrie. Code pour 37 gènes. Plusieurs copies par cellule. Transmis par la mère. Le génome mitochondrial

IV-Généralités sur le génome humain Caractéristique ADN Taille (Mégabases) Bactéries (EC) : 4500 gènes 4.6 Insecte : 15 000 gènes 170 Plante : 25 000 gènes 140 Souris : 30 000 gènes 2500 Homme : 26 500 gènes 3000 Amoebia.. 675 000 gènes… La quantité d’ADN n’est pas proportionnelle à la complexicité d’un organisme

IV-Généralités sur le génome humain Organisation ADN = notion gène ADN codant (exons) : code pour ARNm (Protéines) ADN non codant : code pour ARNr et ARNt, séquences régulatrices, introns

IV-Généralités sur le génome humain Gène: Unité fonctionnelle et physique élémentaire de l’hérédité qui transmet l’information d’une génération à la suivante. Un fragment d’ADN, constitué d’une région transcrite et de séquences régulatrices. Promoteur Stop Procaryote Stop Promoteur Eucaryote Intron Exon1 Exon2 Codant

IV-Généralités sur le génome humain 1989 : Projet Génome humain 2001 : Séquençage des 3 milliards de bases du génome humain, dont seuls 3% correspondent à la partie "codante" des gènes Recherche des gènes impliqués dans les maladies génétiques connaissance d'un gène dont la mutation provoque une maladie génétique permet la mise au point d'un test diagnostic à partir de l'ADN Faciliter l'identification des facteurs génétiques de susceptibilité aux maladies communes (composante génétique et multitude de facteurs contribuant chacun pour une faible part, interagissant avec les facteurs de l'environnement de façon complexe) Séquençage Nouvelle Génération