Ton QCM Paces ADN, Chromatides, Chromosomes, pendant l'épidémie de coronavirus.

L'ADN, Chromatides, Chromosomes

PLAN: ADN, Chromatides, Chromosomes

La vie dépend de la capacité des cellules à se reproduire.

Cette info héréditaire est passée: d’une cellule mère à sa cellule fille au moment de la division cellulaire, pour un organisme d’une génération a l’autre par les cellules reproductrices de cet organisme.
Dans chaque cellule vivante, ces instructions sont conservées dans les gènes.

Définition d’un gène

Eléments d’info qui déterminément les caractéristiques: d’une espèce comme un tout, de chaque individu en particulier.
L’ADN est responsable de la transmission de caractères pathogènes d’un individu à l’autre.

Gènes

Intéressement des gènes arrive au XXème siècle (années 1900). Les informations contenues dans les gènes sont transmises d’une cellule mère à une cellule fille.
Nécessité: de réplication précise et illimitée.

L’info génétiques et sous forme d’instructions pour fabriquer des protéines qui sont les acteurs de transfert d’information.

Protéines définition

Macromolécules qui exécutent la plupart des fonctions de la cellule.

A la fin du XIXème siècle (années 1800) on a trouvé que l’info héréditaire est contenue dans les chromosomes, ce sont des structures filamenteuses du noyau qui deviennent visibles quand la cellule se divise.

Chromosomes

Les chromatines se compensent pour former les chromosomes.
Les chromosomes sont composés De 50% d’acide désoxyribonucléique (ADN) et 50% de protéines.
La réplication (découvert James Watson et Francis Crick) permet d’expliquer le mécanisme par lequel l’info contenue dans cette molécule pouvait être copiée, ou répliquée.

I- Structure et fonction de l’ADN

L’ADN est composé de 2 brins de polymères enroulés en une hélice. Ces brins sont Antiparallèles entre eux. Ils sont reliés par des liaisons hydrogènes entre eux.

1- Une molécule d’ADN est composée de 2 chaines complémentaires de nucléotides

Comporte quatre types de sous unités de nucléotides. Composée: de phosphate+base (ATGC) + sucre= Nucléotide. Ce qui enroule (1er brin): alternance de sucre et de phosphate A l’intérieur (2eme brin): Base ATGC Il y a un sillon entre le 1er brin, afin de permettre à des protéines de venir se coller. Les bases sont quasiment toutes dans un plan horizontal. Les liaisons entre les bases se font non covalentes. Les liaisons se font entre A (adénine)-T (thymine) et C (cytosine)-G (guanine). Un tour complet est toutes les 10 paires. Remarque: L’uracyl se trouve seulement dans l’ARN, noté U. Elle n’est pas dans un nucléotide. Les nucléotides sont composés d’’un sucre à 5 carbones

2- La structure de l’ADN fournit un mécanisme à l’hérédité

Avec la réplication semi-conservative. Au cours duquel le brin S se sépare du brin S’. Chaque brin séparé sert ensuite de matrice pour produire un nouveau brin partenaire complémentaire, identique à son ancien partenaire. Réplication: capacité de chaque brin d’une molécule d’ADN à servir de matrice pour une nouvelle. Les organismes différent les uns des autres parce que leurs molécules d’ADN respectives ont des séquences de nucléotides différentes et par conséquent, portent des messages biologiques différents. Expression des gènes: les processus utilisé par une cellule pour traduire sont la séquence nucléotidique d’un gène, la séquence nucléotidique d’une molécule d’ARN puis une séquence d’acides aminés d’une protéine.

3- Chez les eucaryotes, l’ADN est enfermé dans le noyau cellulaire

Le noyau contient tout l’ADN de la cellule, il représente 10% de la cellule, il possède une enveloppe nucléaire, une double membrane, un RE, des pores. L’avantage du noyau: - L’enveloppe nucléaire permet aux nombreuses protéines qui agissent sur l’ADN de se concentrer là où elles sont utiles dans la cellule. - Sépare aussi les enzymes nucléaires des enzymes cytosoliques, caractéristique cruciale pour le bon fonctionnement des cellules eucaryotes. - Il y a donc des compartiments dans la cellule.

II- L’ADN chromosomique et son empaquetage dans la fibre de chromatine

Le génome de chaque eucaryote est divisé en chromosomes Nous verrons la disposition typique des gènes dans chacun d’entre eux. Le problème de l’empaquetage de l’ADN: - l’ensemble des doubles hélices d’ADN des 46 chromosomes étirées et mises bout a bout humains mesure environ 2 mètres de long. - Le noyau qui contient cet ADN ne fait que 6 micromètres Solution: - Protéines spécialisées qui se fixent sur l’ADN et le replient: série d’enroulements et de boucles - Qui produisent des niveaux d’organisation de plus en plus élevées - Evitent que l’ADN ne devienne un enchevêtrement inextricable - Toutefois reste facilement accessible aux nombreuses enzymes cellulaires qui le répliquent et le séparent et utilisent ses gènes pour produire des molécules d’ARN.

1- L’ADN eucaryote est empaqueté dans un ensemble de chromosomes

Chaque chromosome est composé: d’une seule molécule d’ADN linéaire, excessivement longue, associé à des protéines. La nomenclature des chromosomes se fait du plus grand au plus petit. La paire de chromosomes 21 est la plus petite et la paire de chromosome 1 est la plus grande. Chromatine: en plus des protéines impliquées dans l’empaquetage de l’ADN Autres protéines et molécules d’ARN nécessaires aux processus: -de réplication des gènes - de la réplication de l’ADN - de la réparation de l’ADN Ce complexe, formé par l’ADN et ses protéines, est appelé chromatine (du grec chrom, « couleur », du fait de ses propriétés de coloration). Remarque sur les chromosomes bactéries: la bactérie n’a pas de compartiment nucléaire car le procaryotes fait 1 micromètre, son ADN est généralement circulaire, et son ADN est aussi associé à des protéines qui l’empaquètent et le condensent, mais celles-ci sont différentes des protéines eucaryotes. Généralités chromosomes: Chaque cellule humaine contient deux copies de chaque chromosome: -une héritée de la mère -une héritée du père Chromosomes homologues: chromosomes maternels et paternels d’une même paire La seule paire de chromosomes qui n’est pas homologue sont les chromosomes sexuels. Chaque cellule humaine contient au total 46 chromosomes - 22 paires communes aux sexes masculin et féminin (autosomes) - Plus 2 chromosomes sexuels o X et Y chez les individus masculins o X et X chez la femme.

2- Les chromosomes contiennent de longues files de gènes

Les chromosomes portent les gènes: unités fonctionnelles de l’hérédité.
Un gène: fragment d’ADN qui contient les instructions nécessaires à la synthèse d’une protéine particulière.
Les ARN peuvent avoir une activité enzymatique.

Corrélation entre la complexité d’un organisme et le nb de gènes de son génome: - Moins de 500 pour les bactéries simples - Environ 30 000 pour l’homme et 25 milles protéines différentes. - Les bactéries et certain eucaryotes unicellulaires ont des génomes compactés alignés en rang d’oignon. o Il n’y a pas de relation entre le nombre de chromosomes et la diversité des espèces !! ADN intercalé: - Parfois appelé « ADN déchet » pour signifier que son utilisé pour la cellule n’a pas été démontrée, que la séquence particulière des nucléotides de cet ADN pourrait ne pas être importante - Cependant une partie de cet ADN est capitale pour l’expression correcte de certains gènes. Ainsi l’ADN intercalé reste un mystère.

3- La séquence des nucléotides du génome humain indique comment les gènes sont supposés chez l’Homme

Gènes codant pour des ARN et pas des protéines - En plus des 21 000 gènes qui codent pour les protéines - Milliers de gènes qui codent pour de l’ADN - Fonctions très importantes Chaos: - Les informations nécessaires pour reproduire un organisme humain sont dans un état de désordre.

4- Chaque molécule d’ADN qui forme un chromosome linéaire doit contenir un centromère, deux télomères et des origines de réplication

Il y a 3 conditions afin qu’un chromosome puisse se répliquer et faire une transcription: - UN centromère - DEUX télomères - LES origines de réplication Il faut que la réplication se fasse très rapidement, elle se fait au cours de ce qu’on appelle un cycle cellulaire. (Succession d’étape bien définie) - La mitose (30 min) est un processus de réplication. C’est la forme pour la quelle les chromosomes sont les plus facilement visibles. On parle de chromosome mitotique. o Un chromosome mitotique est un chromosome condensé répliqué dans lequel les deux nouveaux chromosomes appelés chromatides sœurs sont toujours liés ensemble. La région rétrécie indique la position du centromère. - Les 3 séquences nucléotidiques spécialisées dans les 3 fonctions de base: o Réplication o Séparation o Ségrégation Le centromère est une séquence d’ADN spécialisée, il permet à chaque copie d’ADN dupliquée et condensée d’être tirée vers chaque cellule fille. Le kinétochore est un complexe protéique qui se forme sur le centromère, il fixe les chromosomes dupliqués sur le fuseau mitotique, ce qui permet leur bonne séparation. Chez les eucaryotes: Séquence des télomères: assez courtes et simples Les centromères humains pourraient contenir 100 000 000 (100 millions) de paires de nucléotides.

5- Les molécules d’ADN sont très condensées dans les chromosomes

Empaquetage de l’ADN: Tous les orga eucaryotes ont élaboré leurs propres moyens pour empaqueter l’ADN dans les chromosomes.

Exemple du chromosome 22: 48 millions de paires de nucléotides, sa molécule d’ADN s’étendrait sur environ 1,5 cm. Or sous forme mitotique il ne mesure que 2 microm ; on le coupe plus de 7 000 fois.

6- Les nucléosomes sont les unités de structure de base des chromosomes eucaryotes

Protéines qui se fixent sur l’ADN pour former les chromosomes eucaryotes: - Traditionnellement divisées en 2 grandes classes o Histones (rôle de structure et d’empaquetage de l’ADN) o Protéines chromosomiques non histones (fonction de l’ADN) - Protéine + 1DN nucléaire des cellules eucaryotes = chromatine - La quantité d’histones présentes dans la cellule est si importante (environ 60 millions de molécules de chaque types par cellule humaine) que leur masse totale dans la chromatine est à peu près égale à celle de l’ADN Dans la chromatine il y a des histones est des protéines non histone. La masse de protéines histone est à peu prés égale à la masse totale des protéines non histone, mais les non histone sont composés de différentes protéines. Chaque protéine contient une molécule d’ADN. Le nucléosome: les histones sont responsables du premier niveau, le plus fondamental, de l’organisme chromosomique, le nucléosome, un complexe protéine-ADN- découvert en 1974. Un segment de chromatine déroulée expérimentalement après isolement, pour faire apparaître les nucléosomes: on parle d’un collier de perle. - Le fil est l’ADN et chaque perle est une particule d’ADN enroulé autour d’un noyau protéique formé d’histones. Cœur de nucléosome - complexe de 8 protéines histones: o 2 molécules de l’histone H2A o 2 molécules de l’histone H2B o 2 molécules de l’histone H3 o 2 molécules de l’histone H4 - Et d’un double brin d’ADN qui mesure 147 paires de nucléotides. Sémantique du nucléosome: - Le terme « nucléosome » se réfère o au cœur du nucléosome o Associé à l’un de ses ADN de liaison adjacents - Mais il est souvent utilisé comme synonyme du seul « cœur du nucléosome » Répartition des nucléosomes: de ce fait les nucléosomes de répètent à intervalles régulier d ‘environ 200 paires de nucléotides. Il y a des zones d’ADN qui ne sont pas nucléosomiales La formation des nucléosomes transforme une molécule d’ADN en un fil de chromatine mesurant environ un tiers de sa taille initiale.

7- La structure du nucléosome révèle le mode d’empaquetage de l’ADN

Assemblage du nuclésome - Les replis d’histones s’unissent d’abord l’un à l’autre pour former o un dimère H3-H4 o Un dimère H2A-H2B - 2 dimères H3-H4: tétramère H3-H4

8- Les nucléosomes ont une structure dynamique et sont souvent soumis à des modifications catalysées par des complexes de remodelage de la chromatine dépendant de l’ATP

Structure dynamique: capable de se faire et de se défaire, de bouger grâce à des protéines (complexes protéiques) qui vont remodeler la chromatine à l’aide d’Energie ATP. Le glissement du nucléosome est catalysé par des complexes de remodelage de la chromatine dépendants de l’ATP. Les chaperonnes vont se fixer sur la protéine. Un nucléosome est remplacé sur l’ADN toutes les deux heures ou toutes les heures. Il n’y a donc pas un remplacement à chaque changement.

9- Les nucléosomes sont généralement compactés en une fibre de chromatine compacte.

Fibre de 30 nanomètre Histone H1: C’est une histone de liaison ; elle est plus grosse que celles des histones du cœur des nucléosomes et elle est considérablement moins bien conservée au cours de l’évolution. C’est une espèce d’agrafe entre 2 nucléosomes. La plupart des organismes eucaryotes produisent différentes protéines histones H1 dont les séquences en acides aminés sont apparentées mais distinctes.

Résumé

L’ADN est enroulée autour de nucléosome ( à l’intérieur des nucléosomes il y a les histones). Les histones H1 etc sont des prototypes il peut y avoir des variations !!

III- Structure et fonction de la chromatine

L’Hérédité épi génétique est une génétique qui ce superpose à l’hérédité génétique basé sur l’ADN donc pas que sur l’ADN. L’ADN est empaqueter dans les nucléosomes au sein des fibres chromatinienne. On va voir les mécanismes qui créent différentes structures chromatiniennes dans différentes régions du génome cellulaire.

1- L’hétérochromatine est hautement organisée et résistante à l’expression des gènes

Deux types de chromatine dans le noyau cellulaire en interphase: - Une forme très condensée, hétérochromatine - Et tout le reste, beaucoup plus lâche, eurochromatine L’hétérochromatine est une force compacte de la chromatine et est hautement concentrée en des endroits stratégiques: centromères et télomères. • L'ADN de l'hétérochromatine comprend très peu de gènes • Quand des régions euchromatiques sont converties pour donner de l'hétérochromatine leurs gènes deviennent muets après ce conditionnement • Cependant, nous savons maintenant que le terme hétérochromatine sous-entend plusieurs types distincts de structures chromatiniennes compactes qui ont différentes implications pour l’expression des gènes • On ne doit pas penser que l'hétérochromatine est un moyen d'encapsuler de l'ADN « mort » mais plutôt une forme compacte de domaines de chromatine habituellement tous résistants à l’expression des gènes • L’hétérochromatine a été découverte par Heitz au XXeme siècle.

2- L’état hétérochromatique peut s’auto-propager

Effet de position: • On peut transloquer un fragment de chromosome normalement euchromatique au voisinage d’hétérochromatine • Par cassure recollement 1- Accident génétique naturel 2- Ou artifice expérimental • Les gènes actifs cessent alors de s'exprimer et deviennent muets, réprimés • L'activité d'un gène dépend de sa position par rapport à une région proche d'hétérochromatine sur le chromosome • C’est la propagation de l’état hétérochromatique vers la région qui était euchromatique au départ • Observé pour la première fois chez la drosophile, les effets de position ont maintenant été observés chez beaucoup d'eucaryotes, y compris les levures, les plantes et l'homme Une fois la « condition hétérochromatine » formée sur une portion de chromosome dans chaque cellule, elle tend à être transmise à toutes les cellules filles. Stratégie de formation de l’hétérochromatine - L’hétérochromatine engendre l’hétérochromatine. L’hétérochromatine code plus les protéines non histones.

3- Les histones du cœur subissent des modifications covalentes sur de nombreux sites différents

Les chaînes latérales des acides aminés des quatre histones du cœur du nucléosome sont soumises à des remarquables variétés de modification covalentes. Les modifications des histones sont réversibles. La modification est héréditaire. • Les protéines recrutées agissent avec les protéines histones modifiées pour déterminer – comment et quand les gènes vont s’exprimer – d’autres fonctions chromosomiques Þ la structure précise de chaque domaine de chromatine gouverne la lecture de l’information génétique ® – Structure et fonction de la cellule eucaryote

4- La chromatine acquiert une variété supplémentaire par l’insertion de petites quantités de variant d’histones sur des sites particuliers

Variété d’histones: En plus des quatre histones très conservées les eucaryotes peuvent aussi avoir d’autres variantes d’histones (SAUF POUR LE H4) or elles seront présentes en plus petites quantité. Synthèse des histones: Les principales histones sont principalement synthétisées au cours de la phase S du cycle cellulaire et assemblées en nucléosomes, sur les hélices de l'ADN des cellules filles, juste après la fourche de réplication. En revanche les variantes d’histones sont synthétisées tout au long de l’interphase.

5- Les modifications covalentes et les variantes d’histones agissent de concert pour contrôler les fonctions du chromosome

Dynamique du marquage des nucléosomes: - Le marquage des nucléosomes, qui est le résultat d'additions par liaisons covalentes sur les histones, est dynamique car il est constamment modifié en plus ou en moins, à des vitesses qui dépendent de sa localisation sur le chromosome lui-même - Du fait que les queues des histones pointent vers l'extérieur du cœur du nucléosome et qu'elles sont donc facilement accessibles même lorsque la chromatine est sous forme très condensée, elles semblent être appropriées pour porter ces marquages, sous une forme qui peut être facilement altérée, en fonction des besoins cellulaires C’est pas un modification des histones qui donnent un code mais il y en a plein qui seront reconnus par les modules des protéines.

6- Un complexe de protéines de lecture et d'écriture du code peut propager des modifications précises de la chromatine, le long d'un chromosome

Ecriture/ lecture du code: Il y a une enzyme qui écrit et une autre qui lit ; cette dernière est située dans le complexe multienzymatique ; Les deux modules de lecture et d’ecriture sont dans un même complexe multiprotéique. • Beaucoup de ces complexes de lecture-écriture contiennent aussi des protéines de remodelage de la chromatine ATP-dépendantes • Les protéines de lecture, • Les protéines d'écriture et • Les protéines de remodelage • travaillent de concert pour • soit décondenser, • soit condenser • de longues séquences de chromatine quand le module lecteur se déplace le long de l'ADN empaqueté dans des nucléosomes

7- Des séquences d’ADN garde-fou bloquent la propagation des complexes de lecture-écriture et séparent deux domaines voisins de la chromatine

Séquences garde-fou: plusieurs de ces séquences garde-fou ont maintenant été identifiées et caractérisées, grâce aux techniques du géni génétique qui permettent de supprimer, ou au contraire, d’ajouter des régions données de séquence ADN aux chromosomes. Les séquences garde-fou peuvent se fixer à des protéines barrières pour hétérochromatiliser la chromatine

8- La chromatine des centromères révèle comment les histones modifiées peuvent créer des structures particulières

Chez l’Homme le centromère est une région contenant une répétition. Les centromères sont des conformations, un centromère peut se former et disparaître. L’Alpha satellite de l’ADN n’est pas nécessaire à la présence d’un centromère.

9- Certaines structures chromatiniennes peuvent être directement transmises par hérédité

10- des expériences chez l’embryon de grenouille suggèrent que les structures chromatiniennes activantes et répressives s’héritent épigénétiquement

Au cours d’une série d’expériences réalisées en 1968, on a montré qu’on pouvait ainsi reprogrammer le noyau d’une cellule donneuse différenciée pour assurer le développement de la totalité d’un nouveau têtard.

11- Les structures chromatiniennes sont importantes pour la fonction du chromosome eucaryote

IV- Structure globale des chromosomes

Dynamisme du compactage: cependant la chromatine ainsi compactée reste cependant fluide, changeant fréquemment de niveau d’empaquetage.
1 chromosome comprend 2 molécules d’ADN.

1) Les chromosomes sont repliés en large boucles de chromatine

Chromosomes en écouvillon: il comprend environ 10 000 boucles de chromatine. Il y a 3 états chromatines. Structure des chromosomes en écouvillon - Une boucle donnée contient toujours la même séquence d’ADN et elle reste ainsi déroulée de la même façon pendant toute la croissance de l’ovocyte. - Ces chromosomes produisent de grandes quantités d’ARN pour les ovocytes et la plupart des gènes sont très activement exprimé. Mode de détermination de la position des boucles dans les chromosomes d’interphase: - C’est la 3C (Capture de Conformation des Chromosomes). On coupe l’ADN avec une enzyme de restrictions, on recolle mais il faut diluer les bouts pour que ca soit les bouts pas découpés qui se recollent. On peut donc voir la position. Sur l’ADN humain une boucle type pourrait contenir de 50 000 à 200 000 paires de nucléotides d’ADN.

2) Les chromosomes polytènes sont exceptionnellement utiles pour visualiser la structure de la chromatine

Chromosome polytène: - Dans de nombreuses organismes certaines cellules peuvent grossir jusqu’à atteindre des tailles énormes suite à de multiples cycles de synthèse d’ADN. - On les appelle polytléïdes. ATTENTION DIFFERENCE ENTRE POLYTEIDES ET POLYPLOIDES Bandes et interbandes: il y a une alternance les bandes sont sombres (ADN condensée = hétérochromatine) et les interbandes sont claires (ADN décondensé = eurochromatine). la bande sombre se décondense et devient claire quand elle transcrit. Intérêt des chromosomes polytènes: permet de comprendre le fonctionnement de la chromatine. Ils nous permettent de voir au micro optique les détails de cette mosaïque de domaines. Ils permettent d’observer certaines modifications qu’on subit les gènes.

3) Il existe de nombreuses formes de chromatine

Elles ont été mises en évidence en colorant les chromosomes polytènes de drosophile avec des anticorps ou avec la technique ChIP. Il existe 3 principaux types de chromatine dans l’organisme. En plus de 2 principaux types de chromatine sur les gènes activement transcrits. Donc il existe 5 types de chromatine.

4) Les boucles de chromatine se décondensent quand les gènes qu’elles contiennent sont exprimés

Chromosomes puffs: -1 puffs est une zone de décondensation d’une bande pour synthétiser l’ARN. 1 puff permet donc l’expression des gènes Les chromosomes ne sont pas enchevêtrés les uns dans les autres, en effet les 46 chromosomes occupent un territoire bien précis qui leur est propre dans le noyau. Organisation se fait dans nœuds qui facilitent au max l’empaquetage maximal tout en préservant la capacité de la fibre chromatinienne à se déplier et de se replier.

5) La chromatine peut se déplacer vers des sites particulier du noyau afin d’altérer l’expression de ses gènes

Ils peuvent aller en périphéries: ils seront donc off car hétérochromatine tandis que d’autres reste à leur place.

6) Un réseau de macromolécules forme un ensemble d’environnements biochimique distincts à l’intérieur du noyau

Il existe une sorte de compartimentation SANS membrane, on a donc un environnement biochimique qui est un ensemble de molécules biochimiques regroupés par thème. Donc le noyau est organisé en environnement qui représente des fonctions. Exemple: le nucléole. Le nucléole est la traduction d’une unité sous laquelle se forment les ribosomes. Création de ribosomes -> on obtient des nucléoles. Les régions nucléolaires sont composées d’un réseau d’ARN et de protéines, organisé autour e la transcription des gènes d’ARN ribosomaux en cours de transcription active. Chez les eucaryotes le génome contient de nombreuses copies des gènes d’ARN qui peuvent se trouver sur différents chromosomes séparées.

7) Les chromosomes mitotiques sont formés à partir de chromatine dans son état le plus condensé.

Enseignement ADN, Chromatides, Chromosomes pour la faculté de médecine