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Une molécule d'ADN est-elle identique à un chromosome


Une molécule d'ADN = un chromosome ou une molécule d'ADN = tous les chromosomes, c'est-à-dire tout le matériel génétique de nos cellules ? Je l'ai googlé mais je n'obtiens pas de réponses claires ?


Considérant la définition encyclopédique d'une molécule…

Les molécules sont maintenues ensemble par des paires d'électrons partagées, ou des liaisons covalentes.

… une molécule d'ADN est un brin d'ADN.

En d'autres termes, une molécule d'ADN est un polymère de nucléotides reliés par des liaisons phosphodiester. Cela signifie qu'un intact double brin le chromosome est composé de deux molécules d'ADN interagissant par des liaisons hydrogène.

En pratique, cependant, un morceau d'ADN double brin est communément appelé molécule d'ADN.

Tous les chromosomes d'une cellule constituent un seul génome.

Pour ajouter encore à la confusion, on peut dire que des chromatides identiques composent un seul chromosome, de sorte qu'un chromosome répliqué composé de deux chromatides peut comprendre quatre Molécules d'ADN, selon la définition indiquée ci-dessus.


Notez que la même encyclopédie répertorie les liaisons ioniques comme étant sur le même "continuum" que les liaisons covalentes…

Les liaisons ioniques et covalentes peuvent donc être considérées comme constituant un continu plutôt que comme des alternatives.

… donc les atomes maintenus ensemble dans les interactions ioniques sont également considérés comme des molécules, par cette définition.


Séminaire Senior L'éthique médicale au 21e siècle

INSTRUCTEUR : Dr Henry Jakubowski

Structure de l'ADN

L'ADN est un polymère, constitué de monomères appelés nucléotides. Le monomère contient un sucre simple (désoxyribose), un groupe phosphate et un groupe organique cyclique qui est une base (pas un acide). Seul quatre les bases sont utilisées dans l'ADN, que nous abrégerons, pour simplifier, en A, G, C et T. Le polymère est constitué d'un squelette sucre - phosphate - sucre - phosphate, avec 1 base attachée à chaque molécule de sucre. L'ADN peut exister sous forme simple (avec un squelette sucre-phosphate), double brin (avec deux squelettes sucre-phosphate qui se lient l'un à l'autre par leurs bases) ou sous des formes mixtes. Il est en fait impropre d'appeler l'ADNdb une molécule, car il se compose en réalité de deux brins complémentaires différents maintenus ensemble par les IMF. Cependant, la plupart des gens parlent d'une molécule d'ADNdb, de même que I. L'ADNdb varie en longueur (nombre d'unités sucre-phosphate connectées), en composition en bases (combien de chaque ensemble de bases) et en séquence (l'ordre des bases dans les liens ci-dessous vous aideront à comprendre les propriétés de l'ADN.

Structure d'un chromosome

La plupart des gens ont vu des images de chromosomes vues au microscope. Découvrez cette étonnante photo d'un chromosome prise par Scientific American, septembre 1995.

Les chromosomes sont constitués d'une molécule d'ADNdb. Chaque cellule somatique (corps) de votre corps a 23 paires de chromosomes, un membre de chaque paire apporté par votre mère et l'autre par votre père. (Dans les cellules germinales - ovules et spermatozoïdes - il y a 23 chromosomes individuels, pas de paires de chromosomes.) Une paire correspond aux chromosomes sexuels, qui peuvent se présenter sous deux formes, X et Y. Une paire de X donne une femelle, et un XY est obtenu. chez un mâle.

Le génome humain contient environ 3 milliards de paires de bases d'ADN. Par conséquent, en moyenne, chaque chromosome d'une paire a environ 150 millions de paires de bases, qui se compose d'une molécule d'ADN et de nombreuses protéines qui lui sont liées. L'ADNdb est une molécule hautement chargée et peut être considérée, en première approximation, comme une longue molécule en forme de tige avec un grand négatif. charger. Cette très grosse molécule doit en quelque sorte être emballée dans un petit noyau. Le problème d'emballage est résolu en enroulant l'ADN et en l'emballant avec des protéines, qui ont généralement une charge positive nette. Les chromosomes sont généralement dispersés dans le noyau et ne sont pas visibles avec un microscope ordinaire. Lorsque la cellule est prête à se diviser, l'ADN des chromosomes se réplique et les chromosomes se condensent de manière à être visibles (lorsqu'ils sont colorés) à l'aide d'un microscope ordinaire. À ce stade, les chromosomes peuvent être colorés avec une variété de colorations (d'où le nom de chromosomes), dont certaines se lient de manière différentielle à différents chromosomes. Les différents chromosomes peuvent donc être distingués par leur taille, leur forme et leurs propriétés de fixation des colorants.

L'image standard d'un chromosome que vous connaissez, y compris celle présentée ci-dessus, est en fait un chromosome d'une paire qui vient de se répliquer !. L'un des chromosomes restera dans la cellule mère et l'autre ira dans la cellule fille. Ces deux chromosomes qui sont alignés et semblent joints en leurs centres sont appelés chromatides sœurs. Ces grands complexes ADN/protéine doivent être encore emballés dans le noyau, comme le montre la vue réductrice "Carl Saganesque" du chromosome, une molécule d'ADN double brin s'enroule autour d'un noyau de protéines.

Faits amusants sur l'ADN à connaître et à raconter

  • Plus grande séquence d'ADN continue connue (chromosome de levure 3) : 350 x 10 6 BP ?
  • Génome d'E. Coli : 4,6 x 10 6 BP (4,6 millions BP)
  • Génome de levure : 16 x 10 6 BP
  • Plus petit chromosome humain (Y) 50 x 10 6 BP
  • Ver : 100 x 10 6 BP
  • Mouche des fruits : 160 x 10 6 BP
  • Plus gros chromosome humain (1) 250 x 10 6 BP
  • Génome humain entier 3 x 10 9 (3 milliards) BP
  • Génome de souris : 3 x 10 9 BP
  • Longueur de l'ADNdb déroulé dans une cellule humaine : environ 2 mètres
  • Nombre de cellules humaines : environ 100 000 milliards
  • Nombre de fois où l'ADN de toutes les cellules humaines, s'il est étiré, pourrait atteindre le soleil et revenir : environ 700
  • Si elles étaient compilées dans des livres, les données rempliraient environ 200 volumes de la taille d'un annuaire téléphonique de Manhattan (à 1 000 pages chacun), et la lecture nécessiterait 26 ans de travail sans relâche (Fig.14). Le génome de la mouche des fruits ferait 10 livres, la levure 1 livre, E. Coli 300 pages et le chromosome 3 de la levure 14 pages.
  • Deux individus diffèrent d'environ trois millions - 3 x 10 6 bases (0,1%). La population est maintenant d'environ 6 x 10 9 (6 milliards). Un catalogue de toutes les différences de séquence nécessiterait 15 x 10 15 entrées. Ce catalogue peut être nécessaire pour trouver les gènes de maladies les plus rares ou les plus complexes.

Dogme central de la biologie :

L'ADN est le vecteur de l'information génétique dans les organismes. Qu'est-ce que ça veut dire? Les grosses molécules dans l'organisme peuvent avoir de nombreuses fonctions : elles peuvent fournir une structure, agir comme catalyseur de réactions chimiques, servir à détecter les changements dans leur environnement (conduisant à des réponses immunitaires aux envahisseurs étrangers et à des réponses neuronales à des stimuli tels que la lumière, la chaleur, le son, toucher, etc.) et assurer la motilité. L'ADN ne fait vraiment rien de tout cela. Vous pouvez plutôt le considérer comme un système de stockage d'informations. L'information doit être décodée pour permettre la construction d'autres grosses molécules. Les autres molécules sont généralement des protéines, une autre classe de gros polymères dans le corps. Les chromosomes sont situés dans le noyau d'une cellule. L'ADN doit être dupliqué dans un processus appelé réplication avant qu'une cellule ne se divise. La réplication de l'ADN permet à chaque cellule fille de contenir un complément complet de chromosomes.

Animation de la réplication : nécessite le plugin Hypercosm (disponible lorsque vous sélectionnez le lien)

L'information réelle dans l'ADN des chromosomes est décodée dans un processus appelé transcription par la formation d'un autre acide nucléique, acide ribonucléique ou ARN. L'ARN, fabriqué par l'enzyme ARN polymérase, est complémentaire à un brin de l'ADN. L'ARN diffère de l'ADN en ce que l'ARN contient un sucre ribose, et non désoxyribose, dans son épine dorsale. De plus, l'ARN manque de la base T. Il est remplacé à la place par la base U, qui est complémentaire de A (comme T est complémentaire de A dans l'ADN). L'ARN formé agit comme un messager, qui passe du noyau dans le cytoplasme de la cellule. En fait, ce type d'ARN est souvent appelé ARN messager, ARNm. L'information de l'ADN, maintenant sous la forme d'une séquence d'ARN linéaire, est décodée dans un processus appelé Traduction, pour former une protéine, un autre polymère biologique. Le monomère dans une protéine s'appelle un acide aminé, un type de molécule complètement différent d'un nucléotide. Il existe vingt acides aminés naturels différents qui diffèrent par l'un des 4 groupes connectés au carbone central. Dans un acide aminé, le carbone central (alpha) a un groupe amine (RNH2), un groupe acide carboxylique (RCOOH) et H, et un groupe R qui lui est attaché. Avec quatre groupes différents attachés au carbone central, tous les acides aminés (à l'exception de la glycine) sont chiraux et existent sous forme d'énantiomères ou d'images miroir. Une seule image miroir se trouve dans les protéines.

20 Acides aminés naturels - Modèles moléculaires : Notez les groupes bleu et rouge communs dans tous les acides aminés. Remarquez les différents groupes "R" pointés vers le bas dans chaque figure.

Les monomères se rassemblent pour former une longue chaîne appelée protéine. La séquence linéaire d'une protéine peut être représentée de plusieurs manières, comme indiqué ci-dessous.

Contrairement à la complémentarité de l'ADN et de l'ARN (1 base dans l'ARN complémentaire à 1 base dans l'ADN), il n'y a pas de correspondance 1:1 entre une base (partie de l'unité monomérique de l'ARN) dans l'ARN et le monomère dans une protéine . Après de nombreux travaux, il a été découvert qu'une séquence linéaire contiguë de 3 nucléotides dans l'ARN est décodée par la machinerie moléculaire du cytoplasme avec pour résultat qu'un acide aminé est ajouté à la protéine en croissance. Par conséquent, un triplet de nucléotides dans l'ADN et l'ARN a les informations pour 1 acide aminé dans une protéine. Qu'il n'y ait pas eu de correspondance 1:1 entre les nucléotides dans les acides nucléiques et les acides aminés dans les protéines était évident depuis longtemps puisqu'il n'y a que 4 monomères d'ADN différents (avec A, T, G et C) et 4 monomères d'ARN différents (avec A , U, G et C) mais il existe 20 monomères d'acides aminés différents qui composent les protéines.

Or, il s'avère que toutes les informations contenues dans la séquence d'ADN d'un organisme ne codent pas pour une protéine. En fait, seulement environ 2% des 3 milliards de paires de bases semblent être transcrits en ARN qui peut être traduit en protéine. La fonction du reste de l'ADN est actuellement incertaine. Comment la machinerie moléculaire de la cellule sait-elle quelle partie de l'ADN code pour les protéines. Il s'avère qu'il existe des séquences d'ADN uniques au début et à la fin de la partie de la séquence d'ADN qui code pour une protéine. Descendez l'ADN d'un chromosome et vous arrivez soudainement à ces signaux, qui sont reconnus par la machinerie cellulaire. Un ARN complémentaire est fabriqué à partir de cette section, et l'ARN complémentaire est ensuite décodé en une seule protéine. Continuez plus bas dans la séquence d'ADN et une autre séquence codante de ce type est trouvée, qui peut être transcrite en un ARNm, qui peut ensuite être traduit en une autre protéine unique. En tout, il y a environ 30 à 40 000 de ces sections d'ADN dans tous les chromosomes qui codent les informations pour 30 à 40 000 protéines uniques. Ces sections codantes uniques d'ADN qui sont finalement transcrites en ARNm unique qui sont traduites en protéines uniques sont appelées gènes. Par souci de simplicité, nous concluons qu'un gène a les informations pour une protéine. Chacune des protéines diffère les unes des autres à la fois par sa longueur et par la séquence spécifique d'acides aminés dans la protéine. L'ADN est en effet le modèle de la cellule. Ce qui détermine les caractéristiques réelles des cellules, ce sont les protéines réelles qui sont fabriquées par la cellule.

Non seulement l'ADN doit être transcrit en ADN, mais l'information génétique contenue dans l'ADN doit être répliquée avant qu'une cellule donnée ne se divise, de sorte que les cellules filles contiennent toutes les deux la même information génétique. Lors de la réplication, l'ADNdb se sépare et une enzyme, l'ADN polymérase, fait des copies complémentaires de chaque brin. Les deux brins d'ADNdb résultants se séparent en différentes cellules filles pendant la division. Le processus par lequel l'ADN est répliqué lorsque les cellules se divisent et est transcrit en ARN qui est traduit en protéine est appelé le dogme central de la biologie. (ne pas tenir compte de l'ARNt, de l'ARNr et de l'ARNsn dans le lien Web précédent)

Comme mentionné ci-dessus, chaque acide aminé est spécifié par une combinaison particulière de trois nucléotides dans l'ARN. Les trois bases sont appelées un codon. Le code génétique consiste en un tableau qui montre quelle séquence d'ARN triplet ou quel codon dans l'ARNm code pour lequel des 20 acides aminés. L'un des codons ne code pour aucun acide aminé et sert à arrêter la synthèse de la protéine à partir de la séquence d'ARNm. Le code génétique est présenté ci-dessous :

Détermination de la séquence protéique à partir d'une séquence d'ADN.

Pour un gène donné, un seul brin de l'ADN sert de matrice pour la transcription. Un exemple est montré ci-dessous. Le brin inférieur (bleu) dans cet exemple est le modèle brin, qui est aussi appelé le moins (-) brin, ou le sens brin. C'est ce brin qui sert de matrice pour la synthèse d'ARNm. L'enzyme ARN polymérase synthétise un ARNm dans la direction 5' à 3' complémentaire de ce brin matrice. Le brin d'ADN opposé (rouge) est appelé le codage brin, le non-modèle brin, le plus (+) brin, ou le antisens brin.

Le moyen le plus simple de trouver le correspondant séquence d'ARNm (affiché en vert ci-dessous) est de lire le codage, sans modèle, plus (+) , ou antisens brin directement dans la direction 5' à 3' en substituant U à T. Trouvez le triplet dans le brin codant, changez tout T en U et lisez dans le code génétique l'acide aminé correspondant qui serait incorporé dans la protéine en croissance.

Contrairement aux polymères linéaires d'ADN et d'ARN, les protéines (polymères linéaires d'acides aminés) se replient dans l'espace 3D pour former des structures de formes uniques. Chaque séquence protéique unique (d'une longueur et d'une séquence d'acides aminés données) se replie en une forme 3D unique. Par conséquent, il existe environ 30 à 40 000 protéines de formes différentes chez l'homme. Non seulement les protéines ont des formes uniques, mais elles ont également des coins et recoins et des poches uniques qui leur permettent de se lier à d'autres molécules. La liaison d'autres molécules aux protéines ou à l'ADN initie ou termine la fonction de la protéine ou du noyau, un peu comme un interrupteur marche/arrêt. L'exemple ci-dessous montre différentes structures de protéines, dont certaines ont de petites molécules ou de grosses molécules (comme l'ADN) liées à elles. Certains motifs communs se trouvent dans la structure 3D de la protéine. Cela inclut les hélices alpha et les feuilles bêta. Ceux-ci sont maintenus ensemble par des liaisons H entre le H légèrement positif sur le N dans le squelette protéique et un O légèrement négatif plus loin sur le squelette protéique. Dans les modèles Chime ci-dessous, utilisez les commandes de la souris pour faire pivoter la molécule. (Déplacez également le clic de souris L changera la taille de la molécule). Cliquez sur la commande dans le cadre de droite pour modifier le rendu des protéines. La vue cartoon permet d'interpréter simplement la structure globale de la chaîne principale.

Myoglobine - une protéine liant l'oxygène

(une enzyme protéique qui détoxifie le corps des sous-produits toxiques de l'oxygène et dont un niveau élevé de protéine a été associé à une durée de vie plus longue.)

Si la séquence d'ADN dans une région codante est modifiée, l'ARNm résultant sera également modifié, ce qui entraînera des modifications de la séquence protéique. Ces changements pourraient n'avoir aucun effet et être silencieux, si le changement dans la protéine n'affecte pas le repliement de la protéine ou sa liaison à une autre molécule importante. Cependant, si les changements affectent soit la région de repliement, soit la région de liaison, la protéine peut ne pas être en mesure de remplir sa fonction habituelle. Si la fonction était de mettre en pause la division cellulaire, le résultat pourrait conduire la cellule à devenir cancéreuse. De même, si la protéine normale a joué un rôle dans la mort de la cellule après sa durée de vie prévue, la cellule avec la protéine mutante pourrait ne pas mourir et devenir plus probablement une tumeur. Les scénarios opposés pourraient se produire et conduire la cellule à une mort prématurée.

Mutations ponctuelles : de la malchance et des analogues nucléotidiques

Grandes mutations : suppressions, insertions, duplications et inversions

En première approximation, nous avons décidé que les gènes sont des segments continus d'ADN qui sont transcrits en un seul brin continu d'ARN qui est traduit en une seule protéine. Le génome humain semble avoir environ 40 000 gènes, ce qui impliquerait alors que 40 000 protéines pourraient être fabriquées. Mais considérez ceci. Nous avons un système immunitaire qui peut reconnaître presque toutes les molécules étrangères qui lui sont lancées. Une réponse immunitaire est la production d'anticorps qui sont des protéines qui reconnaissent et se lient à des molécules étrangères. Combien de molécules d'anticorps différentes pouvons-nous fabriquer. Espérons que le nombre soit supérieur à 40 000, mais comment notre génome limité code pour tous ainsi que pour les autres protéines nécessaires. Une solution au problème serait si plus d'une protéine peut provenir d'une séquence de gène d'ADN. C'est un phénomène courant dans les cellules non bactériennes. Comment cela peut-il arriver?

Un mécanisme provient du fait qu'un seul "gène" est divisé en séquences d'intervention codantes (exons) et non codantes (introns). Le gène entier, y compris les introns, est transcrit en ARN. Les parties codantes de l'ARN doivent être découpées ensemble, avec élimination des séquences d'ARN non codantes, pour donner l'ARN mature. Si différents exons dans un "gène" donné sont épissés ensemble pour former différentes molécules d'ARN "mature", alors différentes protéines pourraient provenir de la même séquence initiale de "gène".

Gènes et maladie

ADN : Maîtrise d'une langue

Les quatre lettres de l'alphabet (A, G, C et T) qui composent l'ADN représentent un langage qui, lorsqu'il est transcrit et traduit conduit à la myriade de protéines qui font de nous ce que nous sommes en tant qu'espèce et en tant qu'individus. Continuons avec la métaphore que l'ADN est un langage. Pour maîtriser cette langue, comme toute autre langue, nous devons être capables de lire, écrivez, copie, et Éditer cette langue. Si vous utilisiez un traitement de texte pour trouver une ligne dans un document d'une centaine de pages, ou un article d'un livre de la Bibliothèque du Congrès ou de l'annuaire téléphonique de Manhattan, vous auriez également besoin d'un moyen de chercher la base en gros caractères disponible. Tu pourrais vouloir comparer deux copies différentes de fichiers pour voir s'ils diffèrent les uns des autres. À partir de cette discussion en ligne, vous apprendrez comment les scientifiques modernes lisent, écrivent, copient, modifient, recherchent et comparent la langue du génome. Ces capacités, acquises au cours des vingt dernières années, ont révolutionné notre compréhension de la vie et nous ont donné le potentiel de modifier, en bien ou en mal, la vie elle-même.

GÉRER L'ADN

L'ADN dans les chromosomes humains existe sous la forme d'une longue molécule double brin. Il est trop long à étudier physiquement et à manipuler en laboratoire. En utilisant une batterie d'enzymes, l'ADN des chromosomes peut être clivé chimiquement en fragments plus petits qui sont plus facilement manipulables. (Des techniques similaires sont utilisées pour séquencer les protéines, ce qui nécessite la fabrication de fragments polypeptidiques qui se chevauchent.) Une fois les fragments fabriqués, ils doivent être séparés les uns des autres afin de les étudier. Les fragments d'ADN peuvent être séparés sur la base d'une caractéristique structurelle qui différencie les fragments les uns des autres.La meilleure façon de séparer les fragments les uns des autres est de baser la séparation sur la taille réelle du fragment en séparant les molécules en fonction de leur charge en utilisant une technique appelée électrophorèse sur un gel d'agarose ou de polyacrylamide.

Un extrait glucidique appelé agarose est fabriqué à partir d'algues. De l'eau est ajoutée à l'extrait, qui est ensuite chauffé. L'extrait glucidique se dissout dans l'eau pour former une solution visqueuse. La solution d'agarose est versée dans un moule (comme de la gelée chaude) et on la laisse se solidifier. Un peigne en plastique à dents larges a été placé dans l'agarose alors qu'il était encore liquide. Lorsque l'agarose est solide, le peigne peut être retiré, laissant à sa place de petits puits. Une solution de fragments d'ADN peut être placée dans les puits. La plaque d'agarose avec l'échantillon est recouverte d'une solution tampon et d'électrodes placées à chaque extrémité de la plaque. L'électrode négative est placée près de l'extrémité du puits de la plaque d'agarose tandis que l'électrode positive est placée à l'autre extrémité. Si une tension est appliquée à travers la plaque d'agarose, les fragments d'ADN chargés négativement se déplaceront à travers le gel d'agarose vers l'électrode positive. Cette migration de molécules chargées en solution vers une électrode de charge opposée est appelée électrophorèse. Imaginez que vous êtes l'un des fragments. Pour vous, le gel ressemble à une toile d'araignée enchevêtrée. Vous vous frayez un chemin à travers les ouvertures de la bande tout en vous déplaçant directement vers l'électrode positive. Plus le fragment est gros, plus vous vous déplacez lentement car il est difficile de traverser la toile enchevêtrée. Inversement, plus le fragment est court, plus vous vous déplacez rapidement. En utilisant cette technique et ses nombreuses modifications, des oligonucléotides différant d'un seul nucléotide peuvent être séparés les uns des autres. En lisant le reste de ce didacticiel, vous réaliserez en profondeur que toutes ces techniques sont basées d'une manière ou d'une autre sur le principe simple que les petits oligonucléotides interagissent avec l'ADN par le biais de forces intermoléculaires !

Pour déterminer la séquence d'un morceau d'ADN simple brin, le brin complémentaire est synthétisé à l'aide d'une enzyme, l'ADN polymérase. L'enzyme est ajoutée à l'ADN avec les 4 monomères qui sont utilisés pour fabriquer l'ADN avec les A, les C, les G et les T. Les monomères sont appelés dATP, dCTP, dGTP, dTTP. De plus, de petites quantités de didésoxyATP (ddATP) sont ajoutées à un tube de réaction. De même, de petites quantités de dd CTP, ddGTP et ddTTP sont ajoutées à trois autres tubes de réaction. Dans le tube contenant du dATP et de petites quantités de ddATP, le dATP et le ddATP se fixent de manière aléatoire à l'extrémité 3' en croissance du brin complémentaire. Si ddATP est ajouté, aucun autre nucléotide ne peut être ajouté par la suite puisque son extrémité 3' a un H et non un OH. C'est pourquoi ils l'appellent didéoxy. La nouvelle chaîne est terminée. Si dATP est ajouté, la chaîne continuera de croître jusqu'à ce qu'un autre A doive être ajouté. Ainsi, toute une série de fragments discrets de chaînes d'ADN seront fabriqués, tous terminés lorsque le ddATP a été ajouté. Le même scénario se produit pour les 3 autres tubes, qui contiennent respectivement dCTP et ddCTP, dTTP et ddTTP, et dGTP et ddGTP. Tous les fragments fabriqués dans chaque tube seront placés dans des voies séparées pour l'électrophorèse, où les fragments seront séparés par taille. Des méthodes plus modernes permettent l'utilisation de différentes balises fluorescentes à ajouter aux fragments synthétisés se terminant par G, T, A ou C.

Le projet du génome humain (un consortium public) et l'initiative privée de Celera ont récemment annoncé qu'ils avaient terminé un projet de travail de la séquence entière du génome humain. Le projet du génome humain séquence l'ADN collecté auprès d'un certain nombre de volontaires dont l'identité restera secrète pour protéger leur vie privée. Compléter la séquence d'ADN du génome humain fournira aux scientifiques un outil génétique semblable au tableau périodique des éléments. Au lieu de 100 éléments chimiques, cependant, le génome contient environ 30 à 40 000 éléments, les gènes humains. Une fois que vous avez le tableau des éléments, vous pouvez commencer à comprendre comment les gènes fonctionnent, comment les gènes interagissent et comment ils contribuent aux troubles courants. D'autres projets déterminent les séquences entières de nombreuses bactéries infectieuses et d'organismes supérieurs, notamment les mouches des fruits, les vers ronds, les souris et les chimpanzés, notre plus proche parent génétique (98,6 % identiques).

L'oligonucléotide peut être synthétisé sur une bille solide. En ajoutant un nucléotide à la fois, la séquence et la longueur de l'oligonucléotide peuvent être contrôlées.

Il existe plusieurs méthodes pour copier une séquence d'ADN des millions de fois. La plupart des méthodes utilisent des plasmides (qui se trouvent dans les bactéries) et des virus (qui peuvent infecter n'importe quelle cellule). L'ADN du plasmide ou du virus est modifié pour contenir une copie d'une séquence d'ADN spécifique d'intérêt. Le plasmide ou le virus est ensuite réintroduit dans la cellule où se produit l'amplification.

Initialement, un ADN contenant un gène est coupé à des endroits spécifiques avec une enzyme appelée endonucléase de restriction, ou enzyme de restriction en abrégé. L'enzyme, que vous pouvez penser à des ciseaux moléculaires, ne clive l'ADN à aucun endroit ancien, mais plutôt à des endroits "restreints" dans la séquence. L'endonucléase de restriction doit cliver les deux brins d'ADNdb. Il peut couper les brins proprement pour laisser des extrémités émoussées, ou de manière décalée, pour laisser de petites queues d'ADN ss. De nombreux sites de ce type existent au hasard dans le génome. Le gène d'intérêt doit être flanqué de part et d'autre d'une telle séquence. La même enzyme est utilisée pour cliver l'ADN plasmidique ou viral.

Le fragment étranger d'ADN peut ensuite être ajouté au plasmide ou à l'ADN viral comme indiqué pour former une molécule d'ADN recombinant. Cette technique de clonage d'ADN est à la base de tout le domaine de la technologie de l'ADN recombinant.

Animation de l'épissage des gènes - Nécessite le plugin Hypercosm (disponible lorsque vous sélectionnez le lien)

Le plasmide peut être ajouté à des bactéries, qui l'absorbent dans un processus appelé transformation. Le plasmide peut être répliqué dans les bactéries qui vont copier le fragment d'ADN d'intérêt. Une méthode similaire peut être utilisée pour copier l'ADN dans lequel le fragment étranger est recombiné avec l'ADN de bactériophage , un virus qui infecte des bactéries comme E. Coli. L'ADN recombinant peut être encapsidé dans des virus réels, comme indiqué ci-dessous. Lorsque le virus infecte la bactérie, il ordonne aux cellules de fabriquer des millions de nouveaux virus, copiant ainsi le fragment étranger d'intérêt.

Parfois, le "clonage" ou la copie d'un fragment d'ADN n'est pas vraiment ce qu'un chercheur souhaite. Une telle méthode possible existe dans laquelle vous commencez avec l'ARNm réel d'une protéine d'intérêt. Dans cette technique, une copie d'ADNdb est réalisée à partir d'une molécule d'ARNm ss. Un tel ADNdb est appelé ADNc, pour ADN complémentaire ou copie. Celui-ci peut ensuite être cloné dans un plasmide ou un vecteur bactériophage et amplifié comme décrit ci-dessus.

Au milieu des années 80, une nouvelle méthode a été développée pour copier (amplifier) ​​l'ADN dans un tube à essai. Il ne nécessite ni plasmide ni virus. Il suffit d'un fragment d'ADN, de quelques amorces (petits polynucléotides complémentaires de sections d'ADN sur chaque brin et chevauchant la section d'ADN à amplifier. Il suffit d'ajouter à ce mélange dATP, dCTP, dGTP, dTTP, et une ADN polymérase thermostable de l'organisme Thermophilus aquaticus (qui vit dans des sources chaudes), et c'est parti. Le mélange est d'abord chauffé à une température qui provoquera la séparation des brins d'ADNdb. La température est refroidie permettant aux amorces de se lier à l'ADNsb. La polymérase Taq thermostable (de Thermophile aquatique) polymérise l'ADN des amorces. La température est à nouveau augmentée, permettant la séparation des brins d'ADNdb. Lors du refroidissement, les amorces s'hybrident à nouveau à l'ADN d'origine et nouvellement synthétisé du dernier cycle et la synthèse de l'ADN se produit à nouveau. Ce cycle est répété comme indiqué sur le schéma. Cette réaction en chaîne est appelée réaction en chaîne par polymérase (PCR). L'ADN cible synthétisé est amplifié un million de fois en 20 cycles, ou un milliard de fois en 30 cycles, ce qui peut se faire en quelques heures.

En utilisant la technologie de l'ADN recombinant, le gène qui code pour la protéine peut être modifié au niveau d'un ou plusieurs nucléotides, d'une manière qui modifierait un ou plusieurs acides aminés, ou ajouterait ou supprimerait un ou plusieurs acides aminés. Cette technique, appelée mutagenèse spécifique au site, est largement utilisée par les chimistes des protéines pour déterminer l'importance d'un acide aminé donné dans le repliement, la structure et l'activité d'une protéine. Les techniques sont décrites dans le schéma ci-dessous

Où sur un chromosome se trouve le gène qui code pour une protéine donnée ? Une façon de trouver le gène est de synthétiser un petit oligonucléotide "sonde" qui est complémentaire à une partie de la séquence d'ADN réelle du gène (déterminée à partir d'expériences précédentes). Attachez une molécule fluorescente à la sonde d'ADN. Ensuite, prenez une préparation cellulaire dans laquelle les chromosomes peuvent être vus au microscope. À la cellule, ajoutez une base qui déroule l'hélice d'ADN double brin, ajoutez la sonde fluorescente à la cellule et laissez l'ADN double brin se reformer. La sonde fluorescente se liera au chromosome au site du gène auquel l'ADN est complémentaire, comme indiqué ci-dessous.

Un exemple de complexe ADN-ARN est présenté ci-dessous.

La séquence d'ADN de chaque individu doit être différente de celle de tous les autres individus dans le monde (à l'exception des vrais jumeaux). La différence doit être inférieure à la différence entre un humain et un chimpanzé, qui sont identiques à 98,5 %. Disons que chacun d'entre eux a des séquences d'ADN identiques à 99,9 % par rapport à certains "humains normaux". Étant donné que nous avons environ 4/3 milliards de paires de bases d'ADN, cela signifie que nous sommes tous différents d'environ 0,001 x 3 000 000 000, soit environ 3 millions de paires de bases différentes. Cela signifie qu'en moyenne, nous avons une différence de nucléotide pour chaque 1000 paires de bases d'ADN. Certains d'entre eux sont dans les gènes, mais la plupart sont probablement entre l'ADN, et beaucoup se sont avérés être regroupés dans des zones de séquences d'ADN hautement répétitives aux extrémités des chromosomes (appelées téléomères) et au milieu (appelées centromères).

Maintenant, rappelez-vous que leurs sites d'enzymes de restriction sont également dispersés de manière aléatoire le long de l'ADN. Si certaines des différences dans l'ADN entre les individus se produisent dans les séquences où l'ADN est clivé par des enzymes de restriction, alors chez certains individus, une enzyme particulière ne se clivera pas au site habituel, mais à un site plus distal. Par conséquent, la taille des fragments d'enzymes de restriction doit différer pour chaque personne. L'ADN de chaque personne, lorsqu'il est coupé par une batterie d'enzymes de restriction, devrait donner naissance à un ensemble unique de fragments d'ADN de tailles uniques à cet individu. L'ADN de chaque personne a un polymorphisme de longueur de fragment de restriction (RFLP) unique. Comment pouvez-vous détecter un tel polymorphisme ?

Vous savez déjà comment couper un échantillon d'ADN avec des enzymes de restriction, puis séparer les fragments sur un gel d'agarose. Une étape supplémentaire est cependant nécessaire, car des milliers de fragments pourraient apparaître sur le gel, ce qui serait observé comme un grand frottis continu. Si toutefois, chaque fragment pouvait réagir avec un ensemble de petites sondes d'ADN marquées qui sont complémentaires à certaines sections d'ADN hautement polymorphes (comme l'ADN téléomérique) puis visualisé, seuls quelques ensembles de bandes discrètes seraient observés dans le gel d'agarose. . Ces bandes discrètes seraient différentes des bandes d'ADN observées dans le gène d'un autre individu traité de la même manière. Cette technique est appelée Southern Blot et fonctionne comme indiqué ci-dessous. Les fragments d'ADN sont soumis à une électrophorèse dans un gel d'agarose. Les fragments d'ADN ds sont déroulés par chauffage, puis un morceau de papier filtre en nitrocellulose est placé sur le gel. L'ADN du gel est transféré sur le papier filtre. Ensuite, une petite sonde oligonucléotidique radioactive, complémentaire d'un site polymorphe sur l'ADN, est ajoutée au papier. Il se lie uniquement au fragment contenant l'ADN complémentaire de la sonde. Le papier filtre est séché et un morceau de film radiographique est placé sur la feuille. Un ensemble de fragments radioactifs (qui ne sont pas complémentaires de la sonde) sont également exécutés sur le gel et transférés sur la feuille, qui servent d'ensemble de marqueurs pour s'assurer que l'électrophorèse sur gel et le transfert sur le papier filtre étaient corrects. Cette technique est illustrée à la page suivante, avec une analyse RFLP d'une famille particulière.

Lorsque cette technique est utilisée dans des affaires médico-légales (comme le procès OJ Simpson) ou dans des affaires de paternité, on parle d'empreintes génétiques. Avec les techniques actuelles, les enquêteurs peuvent affirmer sans équivoque que les chances qu'un motif particulier n'appartienne pas à un suspect sont de l'ordre d'un million à un. Le film radiographique présenté ci-dessous est une copie de véritables preuves médico-légales obtenues à partir d'une affaire de viol. Les résultats du Southern blot du suspect 1, du suspect 2, de la victime et des preuves médico-légales sont indiqués. Analysez les données.

Les SNP sont des bases uniques dans l'ADN qui diffèrent dans au moins 1% de la population. Ils se produisent environ toutes les 1250 bases. Des travaux récents montrent qu'ils se trouvent principalement dans des régions du génome non codantes pour les protéines (dans les régions d'ADN entre les gènes et dans les introns). Venter a montré que "plus de 99% des SNP humains ne sont pas associés à la biologie. Seuls 2000 SNP modifient une séquence d'acides aminés d'un site régulateur. C'est quelques milliers sur 2-3 millions de SNP catalogués jusqu'à présent. » S'ils se produisent dans un gène, ils peuvent ne pas entraîner de changement dans la séquence d'acides aminés d'une protéine résultante. (Exemple : le CCA dans l'ARNm du CCG donne tous deux l'acide aminé Pro dans la protéine). Toutes les analyses d'ADN émergentes suggèrent que l'Homo Sapiens est né d'un ancêtre commun en Afrique il y a environ 200 000 ans et que les gens ont migré hors d'Afrique il y a environ 125 000 ans. La différence observée chez les personnes est apparue récemment. Il n'y a, en fait, aucune population génétiquement pure (contrairement à la mythologie arienne). .


Qu'est-ce qu'une chromatide ?

La chromatide est l'une des deux copies similaires d'ADN qui constituent un seul chromosome. Un chromosome a deux chromatides reliées par un centromère. Lors de la division cellulaire (méiose et mitose), elles sont séparées les unes des autres elles sont alors appelées chromatides sœurs puisqu'elles sont identiques entre elles.

Figure 02 : Chromatide et chromosome

Pour être plus précis, un chromosome est comme une structure en forme de X lorsqu'il est observé au microscope. Divisez le X par la moitié et il en résulterait deux parties identiques > et <. Un seul > ou < est ce que vous appelez une chromatide. Le point central de contact est le centromère et l'ensemble X est le chromosome.


A1. La structure de l'ADN

L'ADN peut exister sous forme simple, double brin ou mixte. Il est en fait impropre d'appeler l'ADNdb une molécule, car il se compose en réalité de deux brins complémentaires différents maintenus ensemble par les IMF. Cependant, la plupart des gens parlent d'une molécule d'ADNdb, et moi aussi. Par analogie avec la structure de la protéine, l'ADNdb a une séquence linéaire (structure primaire), une structure secondaire (double hélice droite) et une structure tertiaire/quaternaire (il est replié et emballé dans la cellule).

Structures d'ADN alternatives

Les liens ci-dessus montrent l'hélice dsDNA classique, dans laquelle l'ADN est sous la forme B. D'autres formes d'ADN existent, notamment l'ADN-A et l'ADN-Z. Des sections d'ADN simple brin peuvent, par appariement de bases intramoléculaires, former des structures en épingle à cheveux tige-boucle et des structures quadruplexes (trouvées aux extrémités des chromosomes (télomères).


L'organisation des séquences était révélatrice en chauffant l'ADN à un état simple brin, puis en permettant à l'ADN de se réhybrider par refroidissement.
Cela a révélé plusieurs types d'ADN répétitif.
De multiples "copies" de séquences répétitives fonctionnelles similaires peuvent être décrites comme des familles de gènes dispersés (gènes de globine, actines, tubulines).
Les copies non fonctionnelles de gènes sont appelées pseudogènes.
Les tableaux de familles de gènes en tandem sont constitués de plusieurs copies du même gène les unes à côté des autres (comme les histones).
L'organisateur nucléolaire, qui est cytologiquement distinct, est un ensemble de gènes en tandem qui codent pour l'ARN ribosomique.
Séquences fonctionnelles non codantes, telles que les courtes répétitions en tandem qui agissent pour maintenir les télomères aux extrémités d'un chromosome linéaire.

Il existe un certain nombre de séquences sans fonction connue, notamment
1) ADN centromérique hautement répétitif, y compris l'ADN satellite.
2) Répétitions en tandem à nombre variable (VNTR) ou ADN minisatellite qui fournissent les différences d'ADN utilisées dans les empreintes génétiques.
3) Microsatellites, régions de répétitions dinucléotidiques

Les séquences transposées sont des "gènes sauteurs" qui sont dispersés dans tout le génome.
Les transposons se déplacent au fur et à mesure que les éléments d'ADN et les rétrotransposons se déplacent via un intermédiaire d'ARN qui est transcrit à l'envers et réintroduit dans le génome.
Des exemples de rétrotransposons incluent les éléments intercalés longs de 1 à 5 kilobases (LINES) et les éléments intercalés courts beaucoup plus petits (> 200 paires de bases) (SINES).
Comme les séquences Alu humaines.
La présence de ces divers éléments offre une grande variété d'espacement et de localisation des gènes dans les génomes des organismes.


11.1 Structure et fonction de l'acide désoxyribonucléique

L'acide désoxyribonucléique (ADN) est une molécule composée de deux chaînes qui s'enroulent l'une autour de l'autre pour former une double hélice portant des instructions génétiques pour le développement, le fonctionnement, la croissance et la reproduction de tous les organismes connus et de nombreux virus. L'ADN et l'acide ribonucléique (ARN) sont des acides nucléiques aux côtés des protéines, des lipides et des glucides complexes (polysaccharides), les acides nucléiques sont l'un des quatre principaux types de macromolécules essentielles à toutes les formes de vie connues.

Figure 11.2 : La structure de la double hélice d'ADN. Une section d'ADN. Les bases se trouvent horizontalement entre les deux brins en spirale. Les atomes de la structure sont codés par couleur par élément (basés sur les coordonnées atomiques de PDB 1bna rendues avec l'outil de visualisation moléculaire open source PyMol.)

Les deux brins d'ADN sont également appelés polynucléotides car ils sont composés d'unités monomères plus simples appelées nucléotides. Chaque nucléotide est composé de l'une des quatre nucléobases azotées (cytosine [C], guanine [G], adénine [A] ou thymine [T]), d'un sucre appelé désoxyribose et d'un groupe phosphate. Les nucléotides sont liés les uns aux autres dans une chaîne par des liaisons covalentes entre le sucre d'un nucléotide et le phosphate du suivant, ce qui donne un squelette alternatif sucre-phosphate. Les bases azotées des deux brins polynucléotidiques séparés sont liées ensemble, selon les règles d'appariement des bases (A avec T et C avec G), par des liaisons hydrogène pour former un ADN double brin. Les bases azotées complémentaires sont divisées en deux groupes, les pyrimidines et les purines. Dans l'ADN, les pyrimidines sont la thymine et la cytosine les purines sont l'adénine et la guanine.

Figure 11.3 : La structure des quatre nucléotides et leur appariement de bases dans la double hélice d'ADN. Les atomes de la structure sont codés par couleur par élément (basés sur les coordonnées atomiques de PDB 1bna rendues avec l'outil de visualisation moléculaire open source PyMol.)

Les deux brins d'ADN stockent des informations biologiques. Cette information est répliquée au fur et à mesure que les deux brins se séparent. Une grande partie de l'ADN (plus de 98 % pour l'homme) est non codante, ce qui signifie que ces sections ne servent pas de motifs pour les séquences protéiques. Les deux brins d'ADN vont dans des directions opposées et sont donc antiparallèles.Attaché à chaque sucre se trouve l'un des quatre types de nucléobases (officiellement, les bases). C'est la séquence de ces quatre nucléobases le long du squelette qui code l'information génétique. Les brins d'ARN sont créés en utilisant des brins d'ADN comme matrice dans un processus appelé transcription, où les bases d'ADN sont échangées contre leurs bases correspondantes, sauf dans le cas de la thymine (T), que l'ARN remplace l'uracile (U). Sous le code génétique, ces brins d'ARN spécifient la séquence d'acides aminés dans les protéines dans un processus appelé traduction.

Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est organisé en longues structures appelées chromosomes. Avant la division cellulaire typique, ces chromosomes sont dupliqués dans le processus de réplication de l'ADN, fournissant un ensemble complet de chromosomes pour chaque cellule fille. Les organismes eucaryotes (animaux, plantes, champignons et protistes) stockent la plupart de leur ADN à l'intérieur du noyau cellulaire sous forme d'ADN nucléaire, et certains dans les mitochondries sous forme d'ADN mitochondrial ou dans les chloroplastes sous forme d'ADN de chloroplaste. En revanche, les procaryotes (bactéries et archées) stockent leur ADN uniquement dans le cytoplasme, dans des chromosomes circulaires. Au sein des chromosomes eucaryotes, les protéines de la chromatine, telles que les histones, compactent et organisent l'ADN. Ces structures de compactage guident les interactions entre l'ADN et d'autres protéines, aidant à contrôler quelles parties de l'ADN sont transcrites.

L'ADN a été isolé pour la première fois par Friedrich Miescher en 1869. Sa structure moléculaire a été identifiée pour la première fois par Francis Crick et James Watson au Cavendish Laboratory de l'Université de Cambridge en 1953, dont les efforts de construction de modèles ont été guidés par les données de diffraction des rayons X acquises par Raymond Gosling, qui était un étudiant de troisième cycle de Rosalind Franklin.

L'ADN est un long polymère composé d'unités répétitives appelées nucléotides, dont chacune est généralement symbolisée par une seule lettre : A, T, C ou G. La structure de l'ADN est dynamique sur toute sa longueur, étant capable de s'enrouler en boucles serrées. et d'autres formes. Chez toutes les espèces, il est composé de deux chaînes hélicoïdales, liées l'une à l'autre par des liaisons hydrogène. Les deux chaînes sont enroulées autour du même axe et ont le même pas de 34 angströms (Å) (3,4 nanomètres). La paire de chaînes a un rayon de 10 angströms (1,0 nanomètre). Bien que chaque nucléotide individuel soit très petit, un polymère d'ADN peut être très gros et contenir des centaines de millions, comme dans le chromosome 1. Le chromosome 1 est le plus gros chromosome humain avec environ 220 millions de paires de bases et mesurerait 85 mm de long s'il était redressé.

L'ADN n'existe généralement pas sous la forme d'un seul brin, mais plutôt sous la forme d'une paire de brins étroitement liés. Ces deux longs brins s'enroulent l'un autour de l'autre, en forme de double hélice. Le nucléotide contient à la fois un segment du squelette de la molécule (qui maintient la chaîne ensemble) et une nucléobase (qui interagit avec l'autre brin d'ADN dans l'hélice). Une nucléobase liée à un sucre est appelée nucléoside, et une base liée à un sucre et à un ou plusieurs groupes phosphate est appelée nucléotide. Un biopolymère comprenant plusieurs nucléotides liés (comme dans l'ADN) est appelé polynucléotide.

L'épine dorsale du brin d'ADN est constituée d'une alternance de résidus de phosphate et de sucre. Le sucre dans l'ADN est le 2-désoxyribose, qui est un sucre pentose (cinq carbones). Les sucres sont reliés entre eux par des groupes phosphate qui forment des liaisons phosphodiester entre les troisième et cinquième atomes de carbone des cycles de sucre adjacents. Ceux-ci sont connus sous le nom de carbones 3' (trois premiers) et 5' (cinq premiers), le symbole premier étant utilisé pour distinguer ces atomes de carbone de ceux de la base avec laquelle le désoxyribose forme une liaison glycosidique. . Lorsqu'on imagine l'ADN, chaque phosphoryle est normalement considéré comme "appartenant" au nucléotide dont le carbone 5' forme une liaison avec lui. Tout brin d'ADN a donc normalement une extrémité à laquelle il y a un phosphoryle attaché au carbone 5' d'un ribose (le 5' phosphoryle) et une autre extrémité à laquelle il y a un hydroxyle libre attaché au carbone 3' d'un ribose (le 3' hydroxyle). L'orientation des carbones 3' et 5' le long du squelette sucre-phosphate confère une directionnalité (parfois appelée polarité) à chaque brin d'ADN. Dans une double hélice d'acide nucléique, la direction des nucléotides dans un brin est opposée à leur direction dans l'autre brin : les brins sont antiparallèles. On dit que les extrémités asymétriques des brins d'ADN ont une directionnalité de cinq extrémités principales (5') et trois extrémités principales (3'), l'extrémité 5' ayant un groupe phosphate terminal et l'extrémité 3' un groupe hydroxyle terminal. Une différence majeure entre l'ADN et l'ARN est le sucre, le 2-désoxyribose dans l'ADN étant remplacé par le sucre pentose alternatif ribose dans l'ARN.

Les brins hélicoïdaux jumeaux forment le squelette de l'ADN. Une autre double hélice peut être trouvée traçant les espaces, ou rainures, entre les brins (Figure 11.4). Ces vides sont adjacents aux paires de bases et peuvent fournir un site de liaison. Comme les brins ne sont pas disposés symétriquement les uns par rapport aux autres, les rainures sont de dimensions inégales. Un sillon, le sillon principal, mesure 22 angströms (Å) de large et l'autre, le sillon mineur, mesure 12 de large. La largeur de la rainure principale signifie que les bords des bases sont plus accessibles dans la rainure principale que dans la rainure mineure. En conséquence, des protéines telles que des facteurs de transcription qui peuvent se lier à des séquences spécifiques dans l'ADN double brin entrent généralement en contact avec les côtés des bases exposées dans le sillon principal.

Figure 11.4 : Sillons majeurs et mineurs de l'ADN. PDB 1bna rendu avec l'outil de visualisation moléculaire open source PyMol.)

Dans une double hélice d'ADN, chaque type de nucléobase sur un brin se lie avec un seul type de nucléobase sur l'autre brin. C'est ce qu'on appelle l'appariement de bases complémentaires. Ici, les purines forment des liaisons hydrogène avec les pyrimidines, l'adénine se liant uniquement à la thymine dans deux liaisons hydrogène et la cytosine ne se liant qu'à la guanine dans trois liaisons hydrogène (figure 11.5). Cet arrangement de deux nucléotides se liant ensemble à travers la double hélice est appelé paire de bases Watson-Crick. Comme les liaisons hydrogène ne sont pas covalentes, elles peuvent être rompues et jointes relativement facilement. Les deux brins d'ADN dans une double hélice peuvent ainsi être séparés comme une fermeture éclair, soit par une force mécanique, soit par une température élevée. En raison de cette complémentarité de paires de bases, toutes les informations de la séquence double brin d'une hélice d'ADN sont dupliquées sur chaque brin, ce qui est vital pour la réplication de l'ADN. Cette interaction réversible et spécifique entre paires de bases complémentaires est critique pour toutes les fonctions de l'ADN dans les organismes.

Figure 11.5 : En haut, une paire de bases GC avec trois liaisons hydrogène. En bas, une paire de bases AT avec deux liaisons hydrogène. Les liaisons hydrogène non covalentes entre les paires sont représentées par des lignes en pointillés. Les deux types de paires de bases forment des nombres différents de liaisons hydrogène, AT formant deux liaisons hydrogène et GC formant trois liaisons hydrogène (voir les figures, à droite). L'ADN à haute teneur en GC est plus stable que l'ADN à faible teneur en GC.

Comme indiqué ci-dessus, la plupart des molécules d'ADN sont en fait deux brins polymères, liés ensemble de manière hélicoïdale par des liaisons non covalentes. Cette structure double brin (ADNdb) est maintenue en grande partie par les interactions d'empilement de bases intrabrin, qui sont les plus fortes pour les piles G, C. Les deux brins peuvent se séparer - un processus connu sous le nom de fusion - pour former deux molécules d'ADN simple brin (ADNsb). La fusion se produit à haute température, à faible teneur en sel et à pH élevé (un pH faible fait également fondre l'ADN, mais comme l'ADN est instable en raison de la dépurination acide, un pH faible est rarement utilisé).

La stabilité de la forme dsADN dépend non seulement de la teneur en GC (% de paires de bases G,C) mais aussi de la séquence (puisque l'empilement est spécifique à la séquence) et également de la longueur (les molécules plus longues sont plus stables). La stabilité peut être mesurée de différentes manières. Une manière courante est la "température de fusion", qui est la température à laquelle 50% des molécules ds sont converties en molécules ss. La température de fusion dépend de la force ionique et de la concentration d'ADN. En conséquence, c'est à la fois le pourcentage de paires de bases GC et la longueur totale d'une double hélice d'ADN qui déterminent la force de l'association entre les deux brins d'ADN. Les longues hélices d'ADN à haute teneur en GC ont des brins à interaction plus forte, tandis que les hélices courtes à haute teneur en AT ont des brins à interaction plus faible. En biologie, les parties de la double hélice d'ADN qui doivent se séparer facilement, comme la boîte TATAAT Pribnow de certains promoteurs, ont tendance à avoir une teneur élevée en AT, ce qui rend les brins plus faciles à séparer.

En laboratoire, la force de cette interaction peut être mesurée en trouvant la température nécessaire pour rompre les liaisons hydrogène, leur température de fusion (appelée aussi Tm valeur). Lorsque toutes les paires de bases d'une double hélice d'ADN fondent, les brins se séparent et existent en solution sous forme de deux molécules entièrement indépendantes. Ces molécules d'ADN simple brin n'ont pas de forme commune, mais certaines conformations sont plus stables que d'autres.

Une séquence d'ADN est appelée séquence « sens » si elle est la même que celle d'une copie d'ARN messager qui est traduite en protéine. La séquence sur le brin opposé est appelée séquence « antisens ». Les séquences sens et antisens peuvent exister sur différentes parties du même brin d'ADN (c'est-à-dire que les deux brins peuvent contenir à la fois des séquences sens et antisens). Chez les procaryotes et les eucaryotes, des séquences d'ARN antisens sont produites, mais les fonctions de ces ARN ne sont pas tout à fait claires. Une proposition est que les ARN antisens sont impliqués dans la régulation de l'expression des gènes par l'appariement de bases ARN-ARN.

Quelques séquences d'ADN chez les procaryotes et les eucaryotes, et plus encore dans les plasmides et les virus, brouillent la distinction entre les brins sens et antisens en ayant des gènes qui se chevauchent. Dans ces cas, certaines séquences d'ADN ont une double fonction, codant pour une protéine lorsqu'elle est lue le long d'un brin, et une seconde protéine lorsqu'elle est lue dans la direction opposée le long de l'autre brin. Chez les bactéries, ce chevauchement peut être impliqué dans la régulation de la transcription des gènes, tandis que chez les virus, les gènes qui se chevauchent augmentent la quantité d'informations pouvant être codées dans le petit génome viral.

L'ADN peut être tordu comme une corde dans un processus appelé superenroulement de l'ADN. Avec l'ADN dans son état « détendu », un brin fait généralement le tour de l'axe de la double hélice une fois toutes les 10,4 paires de bases, mais si l'ADN est tordu, les brins deviennent plus serrés ou plus lâches. Si l'ADN est tordu dans le sens de l'hélice, il s'agit d'un superenroulement positif et les bases sont maintenues plus étroitement ensemble. S'ils sont tordus dans le sens opposé, il s'agit d'un surenroulement négatif et les bases se séparent plus facilement. Dans la nature, la plupart de l'ADN a un léger superenroulement négatif qui est introduit par des enzymes appelées topoisomérases. Ces enzymes sont également nécessaires pour soulager les contraintes de torsion introduites dans les brins d'ADN au cours de processus tels que la transcription et la réplication de l'ADN.

L'expression des gènes est influencée par la façon dont l'ADN est emballé dans les chromosomes, dans une structure appelée chromatine. Les modifications des bases peuvent être impliquées dans l'empaquetage, avec des régions qui ont une expression génique faible ou inexistante contenant généralement des niveaux élevés de méthylation des bases de cytosine. L'encapsidation de l'ADN et son influence sur l'expression des gènes peuvent également se produire par des modifications covalentes du noyau de la protéine histone autour duquel l'ADN est enroulé dans la structure de la chromatine ou encore par des remodelages réalisés par des complexes de remodelage de la chromatine. Il existe en outre une interférence entre la méthylation de l'ADN et la modification des histones, de sorte qu'elles peuvent affecter de manière coordonnée la chromatine et l'expression des gènes.

Par exemple, la méthylation de la cytosine produit de la 5-méthylcytosine, qui est importante pour l'inactivation X des chromosomes. Le niveau moyen de méthylation varie selon les organismes—le ver Caenorhabditis elegans manque de méthylation de la cytosine, tandis que les vertébrés ont des niveaux plus élevés, avec jusqu'à 1% de leur ADN contenant de la 5-méthylcytosine. Malgré l'importance de la 5-méthylcytosine, elle peut se désaminer pour laisser une base de thymine, de sorte que les cytosines méthylées sont particulièrement sujettes aux mutations. D'autres modifications de base incluent la méthylation de l'adénine dans les bactéries, la présence de 5-hydroxyméthylcytosine dans le cerveau et la glycosylation de l'uracile pour produire la «base J» dans les kinétoplastides.

11.1.1 Dommages à l'ADN

L'ADN peut être endommagé par de nombreuses sortes de mutagènes, qui modifient la séquence de l'ADN. Les mutagènes comprennent les agents oxydants, les agents alkylants et également les rayonnements électromagnétiques à haute énergie tels que la lumière ultraviolette et les rayons X. Le type de dommages à l'ADN produits dépend du type de mutagène. Par exemple, la lumière UV peut endommager l'ADN en produisant des dimères de thymine, qui sont des liaisons croisées entre les bases pyrimidiques. D'autre part, les oxydants tels que les radicaux libres ou le peroxyde d'hydrogène produisent de multiples formes de dommages, y compris des modifications de bases, en particulier de la guanosine, et des cassures double brin. Une cellule humaine typique contient environ 150 000 bases qui ont subi des dommages oxydatifs. Parmi ces lésions oxydatives, les plus dangereuses sont les cassures double brin, car elles sont difficiles à réparer et peuvent produire des mutations ponctuelles, des insertions, des délétions de la séquence d'ADN et des translocations chromosomiques. Ces mutations peuvent provoquer le cancer. Des dommages à l'ADN qui se produisent naturellement, dus aux processus cellulaires normaux qui produisent des espèces réactives de l'oxygène, aux activités hydrolytiques de l'eau cellulaire, etc., se produisent également fréquemment. Bien que la plupart de ces dommages soient réparés, dans n'importe quelle cellule, des dommages à l'ADN peuvent subsister malgré l'action des processus de réparation. Ces dommages à l'ADN s'accumulent avec l'âge dans les tissus postmitotiques des mammifères. Cette accumulation semble être une cause sous-jacente importante du vieillissement.

De nombreux mutagènes s'insèrent dans l'espace entre deux paires de bases adjacentes, c'est ce qu'on appelle l'intercalation. La plupart des intercalants sont des molécules aromatiques et planes, par exemple le bromure d'éthidium, les acridines, la daunomycine et la doxorubicine. Pour qu'un intercalateur s'adapte entre les paires de bases, les bases doivent se séparer, déformant les brins d'ADN par le déroulement de la double hélice. Cela inhibe à la fois la transcription et la réplication de l'ADN, provoquant une toxicité et des mutations. Par conséquent, les intercalants d'ADN peuvent être cancérigènes et, dans le cas de la thalidomide, être tératogène. D'autres tels que l'époxyde de benzo[a]pyrène diol et l'aflatoxine forment des adduits d'ADN qui induisent des erreurs de réplication. Néanmoins, en raison de leur capacité à inhiber la transcription et la réplication de l'ADN, d'autres toxines similaires sont également utilisées en chimiothérapie pour inhiber les cellules cancéreuses à croissance rapide.

L'ADN se présente généralement sous forme de chromosomes linéaires chez les eucaryotes et de chromosomes circulaires chez les procaryotes. L'ensemble des chromosomes d'une cellule constitue son génome. Le génome humain contient environ 3 milliards de paires de bases d'ADN disposées en 46 chromosomes. La transmission de l'information génétique dans les gènes se fait par appariement de bases complémentaires. Par exemple, en transcription, la séquence d'ADN est copiée dans une séquence d'ARN complémentaire. Habituellement, cette copie d'ARN est ensuite utilisée pour créer une séquence protéique correspondante dans un processus appelé traduction. De manière alternative, une cellule peut simplement copier son information génétique dans un processus appelé réplication de l'ADN.

11.1.2 Gènes et génomes

L'ADN génomique est emballé étroitement et de manière ordonnée dans le processus appelé condensation d'ADN, pour s'adapter aux petits volumes disponibles de la cellule. Chez les eucaryotes, l'ADN est situé dans le noyau cellulaire, avec de petites quantités dans les mitochondries et les chloroplastes. Chez les procaryotes, l'ADN est contenu dans un corps de forme irrégulière dans le cytoplasme appelé nucléoïde.

Chez de nombreuses espèces, seule une petite fraction de la séquence totale du génome code pour une protéine. Par exemple, seulement environ 1,5% du génome humain est constitué d'exons codant pour des protéines, avec plus de 50% de l'ADN humain constitué de séquences répétitives non codantes. Les raisons de la présence de tant d'ADN non codant dans les génomes eucaryotes et les différences extraordinaires de taille du génome, ou valeur C, entre les espèces, représentent un casse-tête de longue date connu sous le nom d'« énigme de la valeur C ». Cependant, certaines séquences d'ADN qui ne codent pas pour une protéine peuvent toujours coder pour des molécules d'ARN fonctionnelles non codantes, qui sont impliquées dans la régulation de l'expression des gènes.

Certaines séquences d'ADN non codantes jouent des rôles structurels dans les chromosomes. Les télomères et les centromères contiennent généralement peu de gènes mais sont importants pour la fonction et la stabilité des chromosomes. Une forme abondante d'ADN non codant chez l'homme est constituée de pseudogènes, qui sont des copies de gènes qui ont été désactivés par mutation. Ces séquences ne sont généralement que des fossiles moléculaires, bien qu'elles puissent parfois servir de matériel génétique brut pour la création de nouveaux gènes par le biais du processus de duplication et de divergence de gènes.

11.1.3 Transcription et traduction

Un gène est une séquence d'ADN qui contient des informations génétiques et peut influencer le phénotype d'un organisme. Au sein d'un gène, la séquence de bases le long d'un brin d'ADN définit une séquence d'ARN messager, qui définit alors une ou plusieurs séquences protéiques. La relation entre les séquences nucléotidiques des gènes et les séquences d'acides aminés des protéines est déterminée par les règles de traduction, connues collectivement sous le nom de code génétique. Le code génétique se compose de « mots » de trois lettres appelés codons formés à partir d'une séquence de trois nucléotides (par exemple ACT, CAG, TTT).

Lors de la transcription, les codons d'un gène sont copiés dans l'ARN messager par l'ARN polymérase. Cette copie d'ARN est ensuite décodée par un ribosome qui lit la séquence d'ARN en appariant les bases de l'ARN messager pour transférer l'ARN, qui transporte les acides aminés. Puisqu'il y a 4 bases dans des combinaisons de 3 lettres, il y a 64 codons possibles. Ceux-ci codent les vingt acides aminés standard, donnant à la plupart des acides aminés plus d'un codon possible. Il existe également trois codons « stop » ou « non-sens » signifiant la fin de la région codante, ce sont les codons TAA, TGA et TAG.

11.1.4 Réplication de l'ADN

La division cellulaire est essentielle à la croissance d'un organisme, mais lorsqu'une cellule se divise, elle doit répliquer l'ADN de son génome afin que les deux cellules filles aient la même information génétique que leur parent. La structure double brin de l'ADN fournit un mécanisme simple pour la réplication de l'ADN. Ici, les deux brins sont séparés, puis la séquence d'ADN complémentaire de chaque brin est recréée par une enzyme appelée ADN polymérase. Cette enzyme fabrique le brin complémentaire en trouvant la base correcte par appariement de bases complémentaires et en la liant au brin d'origine. Comme les ADN polymérases ne peuvent étendre un brin d'ADN que dans une direction 5' à 3', différents mécanismes sont utilisés pour copier les brins antiparallèles de la double hélice. De cette façon, la base de l'ancien brin dicte quelle base apparaît sur le nouveau brin, et la cellule se retrouve avec une copie parfaite de son ADN.

En biologie moléculaire, la réplication de l'ADN est le processus biologique de production de deux répliques identiques d'ADN à partir d'une molécule d'ADN originale. La réplication de l'ADN se produit dans tous les organismes vivants et sert de base à l'hérédité biologique.

L'ADN est constitué d'une double hélice de deux brins complémentaires. Lors de la réplication, ces brins sont séparés. Chaque brin de la molécule d'ADN d'origine sert alors de matrice pour la production de son homologue, un processus appelé réplication semi-conservatrice.À la suite d'une réplication semi-conservatrice, la nouvelle hélice sera composée d'un brin d'ADN original ainsi que d'un brin nouvellement synthétisé. Les mécanismes de relecture cellulaire et de vérification des erreurs assurent une fidélité presque parfaite pour la réplication de l'ADN.

Dans une cellule, la réplication de l'ADN commence à des emplacements spécifiques, ou origines de réplication, dans le génome. Le déroulement de l'ADN à l'origine et la synthèse de nouveaux brins, hébergés par une enzyme connue sous le nom d'hélicase, entraînent des fourches de réplication qui se développent de manière bidirectionnelle à partir de l'origine. Un certain nombre de protéines sont associées à la fourche de réplication pour aider à l'initiation et à la poursuite de la synthèse de l'ADN. Plus particulièrement, l'ADN polymérase synthétise les nouveaux brins en ajoutant des nucléotides qui complètent chaque brin (modèle). La réplication de l'ADN se produit pendant le stade S de l'interphase.

La réplication de l'ADN (amplification de l'ADN) peut également être réalisée in vitro (artificiellement, en dehors d'une cellule). Des ADN polymérases isolées de cellules et des amorces d'ADN artificielles peuvent être utilisées pour démarrer la synthèse d'ADN au niveau de séquences connues dans une molécule d'ADN matrice. La réaction en chaîne par polymérase (PCR), la réaction en chaîne par ligase (LCR) et l'amplification médiée par la transcription (TMA) en sont des exemples.

Le réplisome est une machine moléculaire complexe qui effectue la réplication de l'ADN. Le réplisome déroule d'abord l'ADN double brin en deux brins simples. Pour chacun des simples brins résultants, une nouvelle séquence complémentaire d'ADN est synthétisée. Le résultat net est la formation de deux nouvelles séquences d'ADN double brin qui sont des copies exactes de la séquence d'ADN double brin originale.

En termes de structure, le réplisome est composé de deux complexes de polymérase réplicative, dont l'un synthétise le brin leader, tandis que l'autre synthétise le brin retardé. Le réplisome est composé d'un certain nombre de protéines, notamment l'hélicase, la RFC, la PCNA, la gyrase/topoisomérase, la SSB/RPA, la primase, l'ADN polymérase III, la RNAse H et la ligase.

Pour les procaryotes, chaque nucléoïde en division (région contenant du matériel génétique qui n'est pas un noyau) nécessite deux réplisomes pour une réplication bidirectionnelle. Les deux réplisomes continuent la réplication aux deux fourches au milieu de la cellule. Enfin, lorsque le site de terminaison se réplique, les deux réplisomes se séparent de l'ADN. Le réplisome reste à un emplacement fixe au milieu de la cellule, attaché à la membrane, et l'ADN matrice s'y glisse. L'ADN est alimenté par la paire stationnaire de réplisomes situés au niveau de la membrane cellulaire.

Pour les eucaryotes, de nombreuses bulles de réplication se forment aux origines de réplication tout au long du chromosome. Comme pour les procaryotes, deux réplisomes sont nécessaires, un à chaque fourche de réplication située à l'extrémité de la bulle de réplication. En raison des différences significatives dans la taille des chromosomes et des complexités associées des chromosomes hautement condensés, divers aspects du processus de réplication de l'ADN chez les eucaryotes, y compris les phases terminales, sont moins bien caractérisés que chez les procaryotes.

Le réplisome est responsable de la copie de l'intégralité de l'ADN génomique dans chaque cellule proliférative. Ce processus permet le passage haute fidélité des informations héréditaires/génétiques de la cellule parentale à la cellule fille et est donc essentiel à tous les organismes. Une grande partie du cycle cellulaire consiste à garantir que la réplication de l'ADN se déroule sans erreur.

Dans la phase G1 du cycle cellulaire, de nombreux processus de régulation de la réplication de l'ADN sont initiés. Chez les eucaryotes, la grande majorité de la synthèse de l'ADN se produit pendant la phase S du cycle cellulaire, et le génome entier doit être déroulé et dupliqué pour former deux copies filles. Pendant G2, toute erreur d'ADN endommagé ou de réplication est corrigée. Enfin, une copie des génomes est ségréguée dans chaque cellule fille à la mitose ou à la phase M. Ces copies filles contiennent chacune un brin de l'ADN duplex parental et un brin antiparallèle naissant.

11.1.5 Réplication de l'ADN eucaryote

La réplication de l'ADN eucaryote est un mécanisme conservé qui limite la réplication de l'ADN à une fois par cycle cellulaire. La réplication de l'ADN eucaryote de l'ADN chromosomique est essentielle à la duplication d'une cellule et est nécessaire au maintien du génome eucaryote.

La réplication de l'ADN est l'action des ADN polymérases synthétisant un brin d'ADN complémentaire du brin matrice d'origine. Pour synthétiser l'ADN, l'ADN double brin est déroulé par des hélicases à ADN avant les polymérases, formant une fourche de réplication contenant deux matrices simple brin. Les processus de réplication permettent la copie d'une seule double hélice d'ADN en deux hélices d'ADN, qui sont divisées en cellules filles lors de la mitose. Les principales fonctions enzymatiques réalisées au niveau de la fourche de réplication sont bien conservées des procaryotes aux eucaryotes, mais la machinerie de réplication dans la réplication de l'ADN eucaryote est un complexe beaucoup plus vaste, coordonnant de nombreuses protéines sur le site de réplication, formant le réplisome.

Une fois que l'hélicase réplicative a déroulé le duplex d'ADN parental, exposant deux matrices d'ADN simple brin, des polymérases réplicatives sont nécessaires pour générer deux copies du génome parental. La fonction de l'ADN polymérase est hautement spécialisée et accomplit la réplication sur des matrices spécifiques et dans des localisations étroites. Au niveau de la fourche de réplication eucaryote, il existe trois complexes polymérases réplicatifs distincts qui contribuent à la réplication de l'ADN : la polymérase , la polymérase et la polymérase ε. Ces trois polymérases sont essentielles à la viabilité de la cellule.

Parce que les ADN polymérases nécessitent une amorce sur laquelle commencer la synthèse d'ADN, la polymérase (Pol α) agit comme une primase réplicative. Pol α est associé à une ARN primase et ce complexe accomplit la tâche d'amorçage en synthétisant une amorce qui contient une courte séquence de 10 nucléotides d'ARN suivie de 10 à 20 bases d'ADN. Il est important de noter que cette action d'amorçage se produit lors de l'initiation de la réplication aux origines pour commencer la synthèse du brin principal et également à l'extrémité 5 'de chaque fragment d'Okazaki sur le brin retardé.

Cependant, Pol α n'est pas capable de poursuivre la réplication de l'ADN et doit être remplacée par une autre polymérase pour poursuivre la synthèse de l'ADN. La commutation de la polymérase nécessite des chargeurs de pince et il a été prouvé que la réplication normale de l'ADN nécessite les actions coordonnées des trois ADN polymérases : Pol α pour la synthèse d'amorçage, Pol ε pour la réplication du brin principal et Pol δ, qui est constamment chargé, pour générer Fragments d'Okazaki lors de la synthèse des brins retardés.

  • Polymérase (Pol α) : forme un complexe avec une petite sous-unité catalytique (PriS) et une grande sous-unité non catalytique (PriL). Premièrement, la synthèse d'une amorce d'ARN permet la synthèse d'ADN par l'ADN polymérase alpha. Se produit une fois à l'origine sur le brin avant et au début de chaque fragment d'Okazaki sur le brin arrière. Les sous-unités Pri agissent comme une primase, synthétisant une amorce d'ARN. L'ADN Pol α allonge l'amorce nouvellement formée avec des nucléotides d'ADN. Après environ 20 nucléotides, l'allongement est pris en charge par Pol ε sur le brin leader et Pol δ sur le brin retardé.
  • Polymérase δ (Pol δ) : hautement processive et a une activité de relecture, 3'->5' exonucléase. In vivo, c'est la principale polymérase impliquée à la fois dans la synthèse des brins retardés et des brins principaux.
  • Polymérase ε (Pol ε) : hautement processive et a une activité de relecture, 3'->5' exonucléase. Très lié à pol δ, il fonctionne in vivo principalement dans le contrôle d'erreur de pol δ.

La réplication de l'ADN, comme tous les processus de polymérisation biologique, se déroule en trois étapes catalysées et coordonnées par voie enzymatique : initiation, élongation et terminaison.

11.1.6 Initiation

Pour qu'une cellule se divise, elle doit d'abord répliquer son ADN. La réplication de l'ADN est un processus tout ou rien une fois que la réplication commence, elle se termine. Une fois la réplication terminée, elle ne se reproduit plus dans le même cycle cellulaire. Ceci est rendu possible par la division de l'initiation en deux étapes temporellement distinctes : la formation du complexe de pré-réplication et le complexe de pré-initiation.

11.1.7 Complexe de pré-réplication

À la fin de la mitose et au début de la phase G1, un grand complexe de protéines initiatrices s'assemble dans le complexe de pré-réplication à des points particuliers de l'ADN, appelés « origines ». Dans E. coli la principale protéine initiatrice est l'ADNA dans la levure, c'est le complexe de reconnaissance d'origine. Les séquences utilisées par les protéines initiatrices ont tendance à être « riches en AT » (riches en bases adénine et thymine), car les paires de bases A-T ont deux liaisons hydrogène (plutôt que les trois formées dans une paire C-G) et sont donc plus faciles à séparer. Chez les eucaryotes, le complexe de reconnaissance d'origine catalyse l'assemblage des protéines initiatrices dans le complexe de pré-réplication. Cdc6 et Cdt1 s'associent ensuite au complexe de reconnaissance d'origine lié à l'origine afin de former un complexe plus grand nécessaire pour charger le complexe Mcm sur l'ADN. Le complexe Mcm est l'hélicase qui va démêler l'hélice d'ADN au niveau des origines de réplication et des fourches de réplication chez les eucaryotes. Le complexe Mcm est recruté à la fin de la phase G1 et chargé par le complexe ORC-Cdc6-Cdt1 sur l'ADN via un remodelage protéique ATP-dépendant. Le chargement du complexe Mcm sur l'ADN d'origine marque l'achèvement de la formation du complexe de pré-réplication.

Si les conditions environnementales sont bonnes à la fin de la phase G1, les complexes cycline-Cdk G1 et G1/S sont activés, ce qui stimule l'expression des gènes qui codent les composants de la machinerie synthétique de l'ADN. L'activation de G1/S-Cdk favorise également l'expression et l'activation des complexes S-Cdk, qui peuvent jouer un rôle dans l'activation des origines de réplication selon l'espèce et le type cellulaire. Le contrôle de ces Cdk varie en fonction du type cellulaire et du stade de développement.

De la même manière, Cdc7 est également requis via la phase S pour activer les origines de réplication. Cdc7 n'est pas actif tout au long du cycle cellulaire et son activation est strictement programmée pour éviter une initiation prématurée de la réplication de l'ADN. À la fin de G1, l'activité de Cdc7 augmente brusquement en raison de l'association avec la sous-unité régulatrice Dbf4, qui se lie directement à Cdc7 et favorise son activité de protéine kinase. Cdc7 s'est avéré être un régulateur limitant l'activité d'origine. Ensemble, les G1/S-Cdks et/ou S-Cdks et Cdc7 collaborent pour activer directement les origines de réplication, conduisant à l'initiation de la synthèse d'ADN.

11.1.8 Complexe de préinitiation

Au début de la phase S, l'activation de S-Cdk et de Cdc7 conduit à l'assemblage du complexe de pré-initiation, un complexe protéique massif formé à l'origine. La formation du complexe de pré-initiation déplace Cdc6 et Cdt1 du complexe de réplication d'origine, inactivant et désassemblant le complexe de pré-réplication. Le chargement du complexe de pré-initiation sur l'origine active l'hélicase Mcm, provoquant le déroulement de l'hélice d'ADN. Le complexe de pré-initiation charge également la -primase et d'autres ADN polymérases sur l'ADN.

Une fois que la α-primase a synthétisé les premières amorces, les jonctions amorce-matrice interagissent avec le chargeur de pince, qui charge la pince coulissante sur l'ADN pour commencer la synthèse d'ADN. Les composants du complexe de pré-initiation restent associés aux fourches de réplication lorsqu'ils s'éloignent de l'origine.

11.1.9 Allongement

L'ADN polymérase a une activité 5′–3′. Tous les systèmes de réplication d'ADN connus nécessitent un groupe hydroxyle 3' libre avant que la synthèse puisse être initiée (remarque : la matrice d'ADN est lue dans la direction 3' à 5' alors qu'un nouveau brin est synthétisé dans la direction 5' à 3' - c'est souvent confus). Quatre mécanismes distincts pour la synthèse de l'ADN sont reconnus :

Toutes les formes de vie cellulaire et de nombreux virus à ADN, phages et plasmides utilisent une primase pour synthétiser une courte amorce d'ARN avec un groupe 3' OH libre qui est ensuite allongé par une ADN polymérase. L'extrémité 5' du brin coupé est transférée sur un résidu tyrosine sur la nucléase et le groupe 3' OH libre est ensuite utilisé par l'ADN polymérase pour synthétiser le nouveau brin. Le premier est le plus connu de ces mécanismes et est utilisé par les organismes cellulaires. Dans ce mécanisme, une fois les deux brins séparés, la primase ajoute des amorces d'ARN aux brins de la matrice. Le brin principal reçoit une amorce d'ARN tandis que le brin retardé en reçoit plusieurs. Le brin principal est prolongé en continu à partir de l'amorce par une ADN polymérase à haute processivité, tandis que le brin en retard est prolongé de manière discontinue à partir de chaque amorce pour former des fragments d'Okazaki. La RNase élimine les fragments d'ARN d'amorce et une ADN polymérase à faible processivité distincte de la polymérase réplicative entre pour combler les lacunes. Lorsque cela est terminé, une seule entaille sur le brin principal et plusieurs entailles sur le brin en retard peuvent être trouvées. La ligase s'efforce de combler ces entailles, complétant ainsi la molécule d'ADN nouvellement répliquée.

Plusieurs ADN polymérases jouent des rôles différents dans le processus de réplication de l'ADN. Dans E. coli, l'ADN Pol III est l'enzyme polymérase principalement responsable de la réplication de l'ADN. Il s'assemble en un complexe de réplication au niveau de la fourche de réplication qui présente une processivité extrêmement élevée, restant intact pendant tout le cycle de réplication. En revanche, l'ADN Pol I est l'enzyme responsable du remplacement des amorces d'ARN par l'ADN. L'ADN Pol I a une activité exonucléase de 5 'à 3' en plus de son activité polymérase, et utilise son activité exonucléase pour dégrader les amorces d'ARN devant elle lorsqu'elle étend le brin d'ADN derrière elle, dans un processus appelé translation de coupure. Pol I est beaucoup moins processif que Pol III car sa fonction principale dans la réplication de l'ADN est de créer de nombreuses régions d'ADN courtes plutôt que quelques régions très longues.

Chez les eucaryotes, l'enzyme à faible processivité, Pol α, aide à initier la réplication car elle forme un complexe avec la primase. Chez les eucaryotes, on pense que la synthèse des brins principaux est menée par Pol ε, cependant, ce point de vue a récemment été contesté, suggérant un rôle pour Pol δ. L'élimination de l'amorce est complétée par Pol δ tandis que la réparation de l'ADN pendant la réplication est complétée par Pol ε.

Au fur et à mesure que la synthèse d'ADN se poursuit, les brins d'ADN d'origine continuent de se dérouler de chaque côté de la bulle, formant une fourche de réplication à deux dents. Chez les bactéries, qui ont une seule origine de réplication sur leur chromosome circulaire, ce processus crée une « structure thêta » (ressemblant à la lettre grecque thêta : θ). En revanche, les eucaryotes ont des chromosomes linéaires plus longs et initient la réplication à de multiples origines au sein de ceux-ci.

11.1.10 Fourche de réplication

La fourche de réplication est une structure qui se forme dans l'ADN hélicoïdal long lors de la réplication de l'ADN. Il est créé par des hélicases, qui rompent les liaisons hydrogène maintenant les deux brins d'ADN ensemble dans l'hélice. La structure résultante a deux « dents » ramifiées, chacune constituée d'un seul brin d'ADN. Ces deux brins servent de matrice pour les brins principaux et retardés, qui seront créés lorsque l'ADN polymérase fait correspondre les nucléotides complémentaires aux matrices. Les matrices peuvent être correctement appelées matrice de brin principal et matrice de brin retardé.

L'ADN est toujours synthétisé en ajoutant des nucléotides à l'extrémité 3' d'un brin. Étant donné que les modèles de brins avant et arrière sont orientés dans des directions opposées au niveau de la fourche de réplication, un problème majeur est de savoir comment réaliser la synthèse du (nouveau) brin d'ADN en retard naissant, dont la direction de synthèse est opposée à la direction de la fourche de réplication en croissance.

11.1.11 Réplication du brin principal

Le brin principal est le brin d'ADN naissant qui est synthétisé dans la même direction que la fourche de réplication en croissance. Ce type de réplication de l'ADN est continu.

11.1.12 Réplication du brin retardé

Le brin retardé est le brin d'ADN naissant dont la direction de synthèse est opposée à la direction de la fourche de réplication en croissance. En raison de son orientation, la réplication du brin retardé est plus compliquée que celle du brin leader. En conséquence, l'ADN polymérase sur ce brin est considérée comme "à la traîne" par rapport à l'autre brin.

Le brin retardé est synthétisé en segments courts et séparés. Sur la matrice du brin retardé, une primase « lit » l'ADN matrice et initie la synthèse d'une courte amorce d'ARN complémentaire. Une ADN polymérase étend les segments amorcés, formant des fragments d'Okazaki. Les amorces d'ARN sont ensuite retirées et remplacées par de l'ADN, et les fragments d'ADN sont réunis par l'ADN ligase.

Dans tous les cas, l'hélicase est composée de six polypeptides qui s'enroulent autour d'un seul brin de l'ADN en cours de réplication. Les deux polymérases sont liées à l'heximère d'hélicase. Chez les eucaryotes, l'hélicase s'enroule autour du brin principal et chez les procaryotes, elle s'enroule autour du brin retardé.

Au fur et à mesure que l'hélicase déroule l'ADN à la fourche de réplication, l'ADN en avant est forcé de tourner. Ce processus entraîne une accumulation de torsions dans l'ADN à venir. Cette accumulation forme une résistance à la torsion qui finirait par arrêter la progression de la fourche de réplication. Les topoisomérases sont des enzymes qui brisent temporairement les brins d'ADN, soulageant la tension causée par le déroulement des deux brins de l'hélice d'ADN. Les topoisomérases (y compris l'ADN gyrase) y parviennent en ajoutant des superbobines négatives à l'hélice d'ADN.

L'ADN simple brin nu a tendance à se replier sur lui-même en formant des structures secondaires, ces structures peuvent interférer avec le mouvement de l'ADN polymérase. Pour éviter cela, les protéines de liaison simple brin se lient à l'ADN jusqu'à ce qu'un deuxième brin soit synthétisé, empêchant la formation de structure secondaire.

Les protéines de pince forment une pince coulissante autour de l'ADN, aidant l'ADN polymérase à maintenir le contact avec sa matrice, facilitant ainsi la processivité. La face interne de la pince permet à l'ADN d'être enfilé à travers elle. Une fois que la polymérase atteint la fin de la matrice ou détecte l'ADN double brin, la pince coulissante subit un changement de conformation qui libère l'ADN polymérase. Les protéines de chargement de la pince sont utilisées pour charger initialement la pince, reconnaissant la jonction entre la matrice et les amorces d'ARN.

11.1.13 Protéines de réplication de l'ADN

Au niveau de la fourche de réplication, de nombreuses enzymes de réplication s'assemblent sur l'ADN dans une machine moléculaire complexe appelée le réplisome. Voici une liste des principales enzymes de réplication de l'ADN qui participent au réplisome :

Tableau 9.1 : Liste des principales enzymes de réplication de l'ADN qui participent au réplisome
Enzymes Fonction dans la réplication de l'ADN
ADN hélicase Également connue sous le nom d'enzyme déstabilisant l'hélice. L'hélicase sépare les deux brins d'ADN au niveau de la fourche de réplication derrière la topoisomérase.
ADN polymérase L'enzyme responsable de catalyser l'ajout de substrats nucléotidiques à l'ADN dans la direction 5' à 3' pendant la réplication de l'ADN. Effectue également la relecture et la correction d'erreurs. Il existe de nombreux types différents d'ADN polymérase, dont chacun remplit des fonctions différentes dans différents types de cellules.
Pince à ADN Protéine qui empêche les ADN polymérases allongées de se dissocier du brin parent d'ADN.
Protéine de liaison à l'ADN simple brin Se lie à l'ADNsb et empêche la double hélice d'ADN de se re-hybrider après que l'hélicase d'ADN l'ait déroulée, maintenant ainsi la séparation des brins et facilitant la synthèse du brin naissant.
Topoisomérase Détend l'ADN de sa nature super enroulée.
ADN-gyrase Soulage la souche de déroulement par l'ADN hélicase c'est un type spécifique de topoisomérase
ADN ligase Re-recuit les brins semi-conservateurs et rejoint les fragments d'Okazaki du brin retardé.
Primase Fournit un point de départ d'ARN (ou d'ADN) à l'ADN polymérase pour commencer la synthèse du nouveau brin d'ADN.
télomérase Allonge l'ADN télomérique en ajoutant des séquences nucléotidiques répétitives aux extrémités des chromosomes eucaryotes. Cela permet aux cellules germinales et aux cellules souches d'éviter la limite de Hayflick sur la division cellulaire

11.1.14 Résiliation

Les eucaryotes initient la réplication de l'ADN en plusieurs points du chromosome, de sorte que les fourches de réplication se rencontrent et se terminent en de nombreux points du chromosome. Parce que les eucaryotes ont des chromosomes linéaires, la réplication de l'ADN est incapable d'atteindre la toute fin des chromosomes. En raison de ce problème, l'ADN est perdu dans chaque cycle de réplication à partir de la fin du chromosome. Les télomères sont des régions d'ADN répétitives proches des extrémités et aident à prévenir la perte de gènes due à ce raccourcissement. Le raccourcissement des télomères est un processus normal dans les cellules somatiques. Cela raccourcit les télomères du chromosome d'ADN fille. En conséquence, les cellules ne peuvent se diviser qu'un certain nombre de fois avant que la perte d'ADN n'empêche une nouvelle division. (C'est ce qu'on appelle la limite de Hayflick.) Au sein de la lignée cellulaire germinale, qui transmet l'ADN à la génération suivante, la télomérase étend les séquences répétitives de la région des télomères pour empêcher la dégradation. La télomérase peut devenir active par erreur dans les cellules somatiques, entraînant parfois la formation de cancers. L'augmentation de l'activité de la télomérase est l'une des caractéristiques du cancer.

La terminaison nécessite que la progression de la fourche de réplication de l'ADN s'arrête ou soit bloquée. La terminaison à un locus spécifique, lorsqu'elle se produit, implique l'interaction entre deux composants : (1) une séquence de site de terminaison dans l'ADN, et (2) une protéine qui se lie à cette séquence pour arrêter physiquement la réplication de l'ADN. Dans diverses espèces bactériennes, cela s'appelle la protéine de liaison au site terminal de réplication de l'ADN, ou protéine Ter.

Parce que les bactéries ont des chromosomes circulaires, la fin de la réplication se produit lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent à l'extrémité opposée du chromosome parental. E. coli régule ce processus grâce à l'utilisation de séquences de terminaison qui, lorsqu'elles sont liées par la protéine Tus, ne permettent le passage que d'une seule direction de fourche de réplication. En conséquence, les fourches de réplication sont contraintes de toujours se rencontrer dans la région de terminaison du chromosome.

11.1.15 Régulation de la réplication de l'ADN

Chez les eucaryotes, la réplication de l'ADN est contrôlée dans le contexte du cycle cellulaire. Au fur et à mesure que la cellule se développe et se divise, elle progresse à travers les étapes du cycle cellulaire. La réplication de l'ADN a lieu pendant la phase S (phase de synthèse). La progression de la cellule eucaryote à travers le cycle est contrôlée par des points de contrôle du cycle cellulaire. La progression à travers les points de contrôle est contrôlée par des interactions complexes entre diverses protéines, y compris les cyclines et les kinases dépendantes des cyclines.

Le point de contrôle G1/S (ou point de contrôle de restriction) régule si les cellules eucaryotes entrent dans le processus de réplication de l'ADN et de division ultérieure. Les cellules qui ne passent pas par ce point de contrôle restent au stade G0 et ne répliquent pas leur ADN.

Après avoir traversé le point de contrôle G1/S, l'ADN ne doit être répliqué qu'une seule fois dans chaque cycle cellulaire. Lorsque le complexe Mcm s'éloigne de l'origine, le complexe de pré-réplication est démantelé. Parce qu'un nouveau complexe Mcm ne peut pas être chargé à une origine jusqu'à ce que les sous-unités de pré-réplication soient réactivées, une origine de réplication ne peut pas être utilisée deux fois dans le même cycle cellulaire.

L'activation des S-Cdks au début de la phase S favorise la destruction ou l'inhibition des composants complexes de pré-réplication individuels, empêchant un réassemblage immédiat. S et M-Cdks continuent de bloquer l'assemblage du complexe de pré-réplication même après la fin de la phase S, garantissant que l'assemblage ne peut pas se reproduire tant que toute l'activité Cdk n'est pas réduite à la fin de la mitose.

La réplication des génomes chloroplastiques et mitochondriaux se produit indépendamment du cycle cellulaire, par le processus de réplication de la boucle D.

11.1.16 Interactions de l'ADN avec les protéines

Toutes les fonctions de l'ADN dépendent des interactions avec les protéines. Ces interactions protéiques peuvent être non spécifiques, ou la protéine peut se lier spécifiquement à une seule séquence d'ADN. Les enzymes peuvent également se lier à l'ADN et parmi celles-ci, les polymérases qui copient la séquence de bases d'ADN dans la transcription et la réplication de l'ADN sont particulièrement importantes.

11.1.17 Protéines de liaison à l'ADN

Les protéines structurelles qui se lient à l'ADN sont des exemples bien compris d'interactions ADN-protéine non spécifiques. Dans les chromosomes, l'ADN est contenu dans des complexes avec des protéines structurelles. Ces protéines organisent l'ADN en une structure compacte appelée chromatine. Chez les eucaryotes, cette structure implique la liaison de l'ADN à un complexe de petites protéines basiques appelées histones, tandis que chez les procaryotes, plusieurs types de protéines sont impliqués. Les histones forment un complexe en forme de disque appelé nucléosome, qui contient deux tours complets d'ADN double brin enroulé autour de sa surface. Ces interactions non spécifiques sont formées par des résidus basiques dans les histones, créant des liaisons ioniques avec le squelette acide sucre-phosphate de l'ADN, et sont donc largement indépendantes de la séquence de bases. Les modifications chimiques de ces résidus d'acides aminés basiques comprennent la méthylation, la phosphorylation et l'acétylation. Ces changements chimiques modifient la force de l'interaction entre l'ADN et les histones, rendant l'ADN plus ou moins accessible aux facteurs de transcription et modifiant le taux de transcription. D'autres protéines de liaison à l'ADN non spécifiques dans la chromatine comprennent les protéines du groupe à haute mobilité, qui se lient à l'ADN courbé ou déformé. Ces protéines sont importantes pour plier les réseaux de nucléosomes et les organiser dans les structures plus grandes qui composent les chromosomes.

Un groupe distinct de protéines de liaison à l'ADN est constitué des protéines de liaison à l'ADN qui se lient spécifiquement à l'ADN simple brin. Chez l'homme, la protéine de réplication A est le membre le mieux compris de cette famille et est utilisée dans les processus où la double hélice est séparée, y compris la réplication de l'ADN, la recombinaison et la réparation de l'ADN. Ces protéines de liaison semblent stabiliser l'ADN simple brin et le protéger contre la formation de tiges-boucles ou la dégradation par les nucléases.

En revanche, d'autres protéines ont évolué pour se lier à des séquences d'ADN particulières. Les plus étudiés d'entre eux sont les divers facteurs de transcription, qui sont des protéines qui régulent la transcription. Chaque facteur de transcription se lie à un ensemble particulier de séquences d'ADN et active ou inhibe la transcription de gènes qui ont ces séquences proches de leurs promoteurs. Les facteurs de transcription le font de deux manières. Premièrement, ils peuvent lier l'ARN polymérase responsable de la transcription, soit directement, soit par l'intermédiaire d'autres protéines médiatrices, ce qui localise la polymérase au niveau du promoteur et lui permet de commencer la transcription. Alternativement, les facteurs de transcription peuvent lier des enzymes qui modifient les histones au niveau du promoteur. Cela modifie l'accessibilité de la matrice d'ADN à la polymérase.

Comme ces cibles d'ADN peuvent se produire dans tout le génome d'un organisme, les modifications de l'activité d'un type de facteur de transcription peuvent affecter des milliers de gènes. Par conséquent, ces protéines sont souvent les cibles des processus de transduction du signal qui contrôlent les réponses aux changements environnementaux ou à la différenciation et au développement cellulaire. La spécificité des interactions de ces facteurs de transcription avec l'ADN provient des contacts multiples des protéines aux bords des bases de l'ADN, leur permettant de « lire » la séquence d'ADN. La plupart de ces interactions de base se font dans le sillon principal, là où les bases sont les plus accessibles.

11.1.18 Enzymes modifiant l'ADN

11.1.19 Nucléases et ligases

Les nucléases sont des enzymes qui coupent les brins d'ADN en catalysant l'hydrolyse des liaisons phosphodiester. Les nucléases qui hydrolysent les nucléotides des extrémités des brins d'ADN sont appelées exonucléases, tandis que les endonucléases coupent à l'intérieur des brins. Les nucléases les plus fréquemment utilisées en biologie moléculaire sont les endonucléases de restriction, qui coupent l'ADN à des séquences spécifiques. Par exemple, l'enzyme EcoRI reconnaît la séquence de 6 bases 5'-GAATTC-3' et coupe chaque brin après le G créant des extrémités cohésives de 4 nucléotides avec un surplomb d'extrémité 5' d'AATT. Dans la nature, ces enzymes protègent les bactéries contre l'infection par les phages en digérant l'ADN du phage lorsqu'il pénètre dans la cellule bactérienne, agissant dans le cadre du système de modification de restriction. Ces nucléases spécifiques à une séquence sont utilisées dans le clonage moléculaire et les empreintes génétiques.

Des enzymes appelées ADN ligases peuvent rejoindre des brins d'ADN coupés ou brisés. Les ligas sont particulièrement importantes dans la réplication de l'ADN des brins en retard, car elles relient les courts segments d'ADN produits à la fourche de réplication en une copie complète de la matrice d'ADN. Ils sont également utilisés dans la réparation de l'ADN et la recombinaison génétique.

11.1.20 Topoisomérases et hélicases

Les topoisomérases sont des enzymes ayant à la fois une activité nucléase et ligase. Ces protéines modifient la quantité de superenroulement dans l'ADN. Certaines de ces enzymes agissent en coupant l'hélice d'ADN et en permettant à une section de tourner, réduisant ainsi son niveau de surenroulement de l'enzyme, puis scellant la cassure de l'ADN. D'autres types de ces enzymes sont capables de couper une hélice d'ADN puis de faire passer un deuxième brin d'ADN à travers cette cassure, avant de rejoindre l'hélice. Les topoisomérases sont nécessaires pour de nombreux processus impliquant l'ADN, tels que la réplication et la transcription de l'ADN.

Les hélicases sont des protéines qui sont un type de moteur moléculaire. Ils utilisent l'énergie chimique des nucléosides triphosphates, principalement l'adénosine triphosphate (ATP), pour rompre les liaisons hydrogène entre les bases et dérouler la double hélice d'ADN en brins simples. Ces enzymes sont essentielles pour la plupart des processus où les enzymes doivent accéder aux bases de l'ADN.

11.1.21 Polymérases

Les polymérases sont des enzymes qui synthétisent des chaînes polynucléotidiques à partir de nucléosides triphosphates. La séquence de leurs produits est créée sur la base de chaînes polynucléotidiques existantes, appelées modèles. Ces enzymes fonctionnent en ajoutant à plusieurs reprises un nucléotide au groupe hydroxyle 3' à la fin de la chaîne polynucléotidique en croissance. En conséquence, toutes les polymérases fonctionnent dans une direction 5' à 3'. Dans le site actif de ces enzymes, les paires de bases de nucléoside triphosphate entrantes à la matrice : cela permet aux polymérases de synthétiser avec précision le brin complémentaire de leur matrice. Les polymérases sont classées selon le type de gabarit qu'elles utilisent.

Dans la réplication de l'ADN, les ADN polymérases dépendantes de l'ADN font des copies des chaînes polynucléotidiques de l'ADN. Pour préserver l'information biologique, il est essentiel que la séquence de bases dans chaque copie soit précisément complémentaire à la séquence de bases dans le brin matrice. De nombreuses ADN polymérases ont une activité de relecture. Ici, la polymérase reconnaît les erreurs occasionnelles dans la réaction de synthèse par le manque d'appariement de bases entre les nucléotides mésappariés. Si un mésappariement est détecté, une activité exonucléase 3' à 5' est activée et la base incorrecte est éliminée. Dans la plupart des organismes, les ADN polymérases fonctionnent dans un grand complexe appelé réplisome qui contient plusieurs sous-unités accessoires, telles que la pince à ADN ou les hélicases.

Les ADN polymérases dépendantes de l'ARN sont une classe spécialisée de polymérases qui copient la séquence d'un brin d'ARN dans l'ADN. Ils comprennent la transcriptase inverse, qui est une enzyme virale impliquée dans l'infection des cellules par les rétrovirus, et la télomérase, qui est nécessaire à la réplication des télomères. Par exemple, la transcriptase inverse du VIH est une enzyme pour la réplication du virus du SIDA. La télomérase est une polymérase inhabituelle car elle contient sa propre matrice d'ARN dans le cadre de sa structure. Il synthétise les télomères aux extrémités des chromosomes. Les télomères empêchent la fusion des extrémités des chromosomes voisins et protègent les extrémités des chromosomes des dommages.

La transcription est effectuée par une ARN polymérase dépendante de l'ADN qui copie la séquence d'un brin d'ADN en ARN. Pour commencer à transcrire un gène, l'ARN polymérase se lie à une séquence d'ADN appelée promoteur et sépare les brins d'ADN. Il copie ensuite la séquence du gène dans un transcrit d'ARN messager jusqu'à ce qu'il atteigne une région d'ADN appelée le terminateur, où il s'arrête et se détache de l'ADN. Comme pour les ADN polymérases humaines dépendantes de l'ADN, l'ARN polymérase II, l'enzyme qui transcrit la plupart des gènes du génome humain, fonctionne dans le cadre d'un grand complexe protéique avec de multiples sous-unités régulatrices et accessoires.

11.1.22 Recombinaison d'ADN

Une hélice d'ADN n'interagit généralement pas avec d'autres segments d'ADN, et dans les cellules humaines, les différents chromosomes occupent même des zones séparées dans le noyau appelées « territoires chromosomiques ». Cette séparation physique des différents chromosomes est importante pour la capacité de l'ADN à fonctionner comme un référentiel stable d'informations, car l'une des rares fois où les chromosomes interagissent est le croisement chromosomique qui se produit pendant la reproduction sexuée, lorsque la recombinaison génétique se produit. Le croisement chromosomique se produit lorsque deux hélices d'ADN se brisent, échangent une section puis se rejoignent.

La recombinaison permet aux chromosomes d'échanger des informations génétiques et produit de nouvelles combinaisons de gènes, ce qui augmente l'efficacité de la sélection naturelle et peut être importante dans l'évolution rapide de nouvelles protéines. La recombinaison génétique peut également être impliquée dans la réparation de l'ADN, en particulier dans la réponse de la cellule aux cassures double brin.

La forme la plus courante de croisement chromosomique est la recombinaison homologue, où les deux chromosomes impliqués partagent des séquences très similaires. La recombinaison non homologue peut endommager les cellules, car elle peut produire des translocations chromosomiques et des anomalies génétiques. La réaction de recombinaison est catalysée par des enzymes connues sous le nom de recombinases, telles que RAD51. La première étape de la recombinaison est une cassure double brin causée soit par une endonucléase, soit par des dommages à l'ADN. Une série d'étapes catalysées en partie par la recombinase conduit alors à la jonction des deux hélices par au moins une jonction Holliday, dans laquelle un segment d'un seul brin dans chaque hélice est recuit au brin complémentaire dans l'autre hélice. La jonction Holliday est une structure de jonction tétraédrique qui peut être déplacée le long de la paire de chromosomes, échangeant un brin contre un autre. La réaction de recombinaison est ensuite stoppée par clivage de la jonction et religature de l'ADN libéré. Seuls les brins de même polarité échangent de l'ADN pendant la recombinaison. Il existe deux types de clivage : le clivage est-ouest et le clivage nord-sud. Le clivage nord-sud coupe les deux brins d'ADN, tandis que le clivage est-ouest a un brin d'ADN intact.

11.1.23 Histoire évolutive de l'ADN

L'ADN contient l'information génétique qui permet à toutes les formes de vie de fonctionner, de croître et de se reproduire. Cependant, on ne sait pas combien de temps dans l'histoire de la vie de 4 milliards d'années, l'ADN a rempli cette fonction, car il a été proposé que les premières formes de vie aient pu utiliser l'ARN comme matériel génétique. L'ARN peut avoir agi comme la partie centrale du métabolisme cellulaire précoce car il peut à la fois transmettre des informations génétiques et effectuer la catalyse dans le cadre des ribozymes. Cet ancien monde de l'ARN où l'acide nucléique aurait été utilisé à la fois pour la catalyse et la génétique pourrait avoir influencé l'évolution du code génétique actuel basé sur quatre bases nucléotidiques. Cela se produirait, puisque le nombre de bases différentes dans un tel organisme est un compromis entre un petit nombre de bases augmentant la précision de réplication et un grand nombre de bases augmentant l'efficacité catalytique des ribozymes. Cependant, il n'y a aucune preuve directe de systèmes génétiques anciens, car la récupération de l'ADN de la plupart des fossiles est impossible car l'ADN survit dans l'environnement pendant moins d'un million d'années et se dégrade lentement en courts fragments en solution.

Les éléments constitutifs de l'ADN (adénine, guanine et molécules organiques apparentées) peuvent avoir été formés de manière extraterrestre dans l'espace. Des composés organiques complexes d'ADN et d'ARN de la vie, y compris l'uracile, la cytosine et la thymine, ont également été formés en laboratoire dans des conditions imitant celles trouvées dans l'espace, en utilisant des produits chimiques de départ, tels que la pyrimidine, trouvés dans les météorites. La pyrimidine, comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), la substance chimique la plus riche en carbone trouvée dans l'univers, peut avoir été formée dans les géantes rouges ou dans les nuages ​​de poussière et de gaz cosmiques interstellaires.

11.1.24 Génie génétique

Des méthodes ont été développées pour purifier l'ADN d'organismes, comme l'extraction au phénol-chloroforme, et pour le manipuler en laboratoire, comme les digestions de restriction et la réaction en chaîne par polymérase. La biologie et la biochimie modernes font un usage intensif de ces techniques dans la technologie de l'ADN recombinant. L'ADN recombinant est une séquence d'ADN artificielle qui a été assemblée à partir d'autres séquences d'ADN. Ils peuvent être transformés en organismes sous forme de plasmides ou sous le format approprié, en utilisant un vecteur viral. Les organismes génétiquement modifiés produits peuvent être utilisés pour produire des produits tels que des protéines recombinantes, utilisés dans la recherche médicale, ou être cultivés en agriculture.

11.1.25 Profilage ADN

Les médecins légistes peuvent utiliser l'ADN du sang, du sperme, de la peau, de la salive ou des cheveux trouvés sur une scène de crime pour identifier l'ADN correspondant d'un individu, tel qu'un agresseur. Ce processus est officiellement appelé profilage ADN, également appelé empreinte ADN. Dans le profilage de l'ADN, les longueurs de sections variables d'ADN répétitif, telles que de courtes répétitions en tandem et des minisatellites, sont comparées entre les personnes. Cette méthode est généralement une technique extrêmement fiable pour identifier un ADN correspondant. Cependant, l'identification peut être compliquée si la scène est contaminée par l'ADN de plusieurs personnes. Le profilage ADN a été développé en 1984 par le généticien britannique Sir Alec Jeffreys, et utilisé pour la première fois en médecine légale pour condamner Colin Pitchfork dans l'affaire des meurtres d'Enderby en 1988.

Le profilage ADN est également utilisé dans les tests ADN de paternité pour déterminer si quelqu'un est le parent biologique ou le grand-parent d'un enfant, la probabilité de filiation étant généralement de 99,99 % lorsque le parent présumé est biologiquement lié à l'enfant. Normalement, le test de paternité est effectué après la naissance, mais des méthodes récemment développées permettent l'isolement et le séquençage de l'ADN fœtal à partir du sang de la mère.


Chromosomes et gènes

Chaque espèce possède un nombre caractéristique de chromosomes. Chromosomes sont des structures enroulées constituées d'ADN et de protéines appelées histones (Chiffre au dessous de). Les chromosomes sont la forme du matériel génétique d'une cellule au cours de la division cellulaire. Voir la section "Chromosomes" pour plus d'informations.

Le génome humain compte 23 paires de chromosomes situés dans le noyau des cellules somatiques. Chaque chromosome est composé de gènes et d'autres ADN enroulés autour d'histones (protéines) en une molécule étroitement enroulée.

L'espèce humaine est caractérisée par 23 paires de chromosomes, comme le montre Chiffre au dessous de. Vous pouvez regarder une courte animation sur les chromosomes humains sur ce lien : .

Chromosomes humains. Les humains ont 23 paires de chromosomes. Les paires 1-22 sont des autosomes.Les femmes ont deux chromosomes X et les hommes ont un chromosome X et un chromosome Y.

Autosomes

Sur les 23 paires de chromosomes humains, 22 paires sont des autosomes (numéros 1&ndash22 dans Chiffredessus). Autosomes sont des chromosomes qui contiennent des gènes pour des caractéristiques qui ne sont pas liées au sexe. Ces chromosomes sont les mêmes chez les mâles et les femelles. La grande majorité des gènes humains sont localisés sur des autosomes. Sur le lien ci-dessous, vous pouvez cliquer sur n'importe quel chromosome humain pour voir quels traits ses gènes contrôlent.http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/posters/chromosome/chooser.shtml

Chromosomes sexuels

La paire de chromosomes humains restante est constituée des chromosomes sexuels, X et Y. Les femmes ont deux chromosomes X et les hommes ont un chromosome X et un chromosome Y. Chez les femmes, l'un des chromosomes X de chaque cellule est inactivé et appelé corps de Barr. Cela garantit que les femmes, comme les hommes, n'ont qu'une seule copie fonctionnelle du chromosome X dans chaque cellule.

Comme vous pouvez le voir de Chiffre ci-dessus et Chiffre ci-dessus, le chromosome X est beaucoup plus gros que le chromosome Y. Le chromosome X a environ 2 000 gènes, tandis que le chromosome Y en a moins de 100, dont aucun n'est essentiel à la survie. (À titre de comparaison, le plus petit autosome, le chromosome 22, possède plus de 500 gènes.) Pratiquement tous les gènes du chromosome X ne sont pas liés au sexe. Seul le chromosome Y contient des gènes qui déterminent le sexe. Un seul gène du chromosome Y, appelé SRY (qui signifie gène Y de la région déterminant le sexe), déclenche le développement d'un embryon en un mâle. Sans chromosome Y, un individu se développe en une femme, vous pouvez donc considérer la femme comme le sexe par défaut de l'espèce humaine. Pouvez-vous penser à une raison pour laquelle le chromosome Y est tellement plus petit que le chromosome X ? Au lien qui suit, vous pouvez regarder une animation qui explique pourquoi : www.hhmi.org/biointeractive/g. évolution.html.

Gènes humains

Les humains ont environ 20 000 à 22 000 gènes. Cela peut sembler beaucoup, mais c'est vraiment le cas. Les espèces beaucoup plus simples ont presque autant de gènes que les humains. Cependant, les cellules humaines utilisent l'épissage et d'autres processus pour fabriquer plusieurs protéines à partir des instructions codées dans un seul gène. Sur les 3 milliards de paires de bases du génome humain, seulement 25 % environ constituent les gènes et leurs éléments régulateurs. Les fonctions de la plupart des autres paires de bases ne sont toujours pas claires. Pour en savoir plus sur les séquences codantes et non codantes de l'ADN humain, regardez l'animation sur ce lien : www.hhmi.org/biointeractive/d. séquences.html.

La majorité des gènes humains ont deux ou plusieurs gènes possibles allèles, qui sont des formes alternatives d'un gène. Les différences d'allèles expliquent la variation génétique considérable entre les personnes. En fait, la plupart des variations génétiques humaines sont le résultat de différences dans les bases d'ADN individuelles au sein des allèles.


Différence entre l'ADN et le chromosome

L'ADN et les chromosomes sont à la base de notre compréhension de base du corps humain. Cependant, il existe des différences subtiles entre les deux qui déterminent leurs actions dans une large mesure.

Alors, qu'entendez-vous par ADN de toute façon ? L'ADN peut être décrit comme une longue fibre qui ressemble à un cheveu sous un microscope puissant. La seule différence est qu'ils sont beaucoup plus fins et plus longs. L'ensemble de la structure est composé de deux brins qui sont entrelacés. Lorsque les cellules se préparent à se diviser, les protéines se fixent à l'ADN et conduisent à la création d'un chromosome.

L'ADN dans un corps humain est organisé en plusieurs segments de gènes. Les protéines s'attachent à ces tronçons et les enroulent pour former des chromosomes. Ces tronçons sont très importants dans la formation d'un organisme. Est-ce que tu sais pourquoi?

C'est parce que ce sont les étirements qui déterminent quels gènes vont être activés et lesquels doivent être désactivés. Lorsqu'un gène est activé, il détermine comment les protéines vont se former dans une cellule. Cela détermine à son tour de nombreux aspects d'un être humain, de la couleur de ses yeux à l'hérédité d'un certain nombre de maladies et d'affections.

Un chromosome est simplement le produit de l'ADN et des protéines qui y sont attachées. Il y a 23 paires de chromosomes dans chaque être humain. Un ensemble est hérité du père et un ensemble est hérité de la mère. Un ADN est une sorte de biomolécule. L'ADN entier dans les cellules peut être trouvé dans des morceaux individuels appelés chromosomes.

La principale différence entre l'ADN et le chromosome concerne le rôle des gènes. ADN signifie acide désoxyribonucléique. L'ADN est essentiellement composé de cytosine, d'adénine, de thymine et de guanine. Lorsque vous organisez ces quatre bases pour créer un segment particulier, cela s'appelle un gène. Lorsque ces segments sont enroulés sous une forme qui peut être facilement dupliquée, ils sont appelés chromosomes.

Confus? Essayez de vous en souvenir comme ceci : un gène est composé de minuscules chromosomes, dont chacun détermine une caractéristique particulière chez un humain. Ces chromosomes sont ensuite divisés en morceaux d'ADN. Les chromosomes sont essentiellement des morceaux d'ADN. Si nous considérions un chromosome comme un collier entrelacé, les perles qu'il contient seraient l'ADN différent. Le motif formé par cet entrelacement des brins est appelé motif en double hélice.

Tous ces éléments sont des éléments de base du corps. L'ADN est la plus petite partie qui, avec les protéines, forme un chromosome. Un chromosome n'est donc rien d'autre qu'une chaîne d'ADN suffisamment compacte pour tenir dans une cellule.

Sommaire:
1. Les chromosomes et l'ADN constituent une partie importante des gènes d'une personne
2. Un chromosome est une sous-partie des gènes d'une personne, tandis que l'ADN fait partie du chromosome.
3. Lorsque des protéines s'ajoutent à l'ADN, un chromosome se forme.


Différence entre le chromosome et la chromatide

Condensation

Chromosome: L'ADN est condensé 10 000 fois pour former un chromosome. Ainsi, un chromosome est la forme la plus condensée d'ADN

Chromatide : L'ADN est condensé 50 fois pour former une chromatide. Ainsi, une chromatide est moins condensée qu'un chromosome.

Teneur

Chromosome: Un chromosome est constitué d'une molécule d'ADN simple et double brin.

Chromatide : Une chromatide est constituée de deux brins d'ADN se rejoignant par leur centromère.

Structure

Chromosome: Un chromosome est une structure mince en forme de ruban.

Chromatide : Une chromatide est une structure fibreuse mince et longue.

Matériel génétique

Chromosome: Les chromosomes homologues ne sont pas identiques. Ils pourraient avoir différents allèles du même gène.

Chromatide : Les chromatides sœurs homologues sont identiques.

Organiser

Chromosome: Les chromosomes apparaissent en phase M.

Chromatide : Les chromatides apparaissent dans l'interphase.

Fonction:

Chromosome: Les chromosomes sont impliqués dans la distribution du matériel génétique.

Chromatide : Les chromatides sont impliquées dans le métabolisme et d'autres activités de la cellule.

Conclusion

Un chromosome est constitué d'une seule molécule d'ADN alors qu'une chromatide est constituée de deux brins d'ADN identiques réunis par le centromère. Les chromosomes participent généralement à la distribution du matériel génétique au niveau de la division nucléaire. Les chromatides participent au métabolisme et à la régulation de l'expression des gènes. Néanmoins, l'ADN est condensé 10 000 fois dans un chromosome alors qu'il est lui-même condensé 50 fois dans une chromatide. Ainsi, la principale différence entre un chromosome et une chromatide réside dans le niveau de condensation.

Référence:
1. Higgins, N.P., Structure chromosomique. ENCYCLOPÉDIE DES SCIENCES DE LA VIE. 2015 http://smcg.ccg.unam.mx/enp-unam/03-EstructuraDelGenoma/cromosomeStructure.pdf 08 février 2017
2. "Chromosome". Institut national de recherche sur le génome humain. 08 février 2017 https://www.genome.gov/26524120/chromosomes-fact-sheet/

Image de courtoisie :
1. "Caryotype spectral du ciel" du National Human Genome Research Institute " Trouvé sur : National Human Genome Research (USA) " copié de wikipedia:en. (Domaine public) via Commons Wikimedia
2. � Macrostructure de l'ADN” par OpenStax – (CC BY 4.0) via Commons Wikimedia

À propos de l'auteur : Lakna

Lakna, diplômé en biologie moléculaire et biochimie, est biologiste moléculaire et s'intéresse de près à la découverte des choses liées à la nature.


Voir la vidéo: Des nucléotides au chromosome, LADN dans tous ses états (Janvier 2022).