Biotechnologie : application des principes scientifiques et de l’ingiéneurie à la transformation de matériaux par des agents biologiques pour produire des biens ou des services.
Infox : Tous les cours de BTS sont issus de la filière BTS biotechnologie du lycée la Martinière-Duchère, à Lyon 9.
Chapitre 5 : la plasticité du génome
Introduction
La conservation de l’intégrité de l’information génétique au cours des divisions cellulaires et à travers les générations est cruciale pour la survie à court terme des individus. Cette conservation est assurée par de nombreux mécanismes cellulaires (voir chapitre 6) dont la correction sur épreuve de l’ADN polymérase lors de la réplication. La défaillance des ces mécanismes engendrent des mutations ponctuelles ou des remaniements chromosomiques (voir 2) qui peuvent donc porter atteinte à la survie cellulaire.
Cependant, la survie à plus long terme d’un organisme ou d’une population d’organisme peut au contraire dépendre d’une variabilité génétique qui permettra de s’adapter à un environnement changeant. Ainsi, une propriété importante de l’ADN est sa capacité à subir des réarrangements (plasticité) qui peuvent diversifier la combinaison des gènes et leur niveau d’expression. Ces réarrangements de l’ADN sont provoqués par le remaniement chromosomique et les mutations ponctuelles.
Rq : la recombinaison génétique participe également au phénomène de réparation et de correction des erreurs (chapitre 6)
La recombinaison génétique historique est le phénomène conduisant à l’apparition dans une cellule ou dans un individu de gènes ou de caractères héréditaires dans une association différente de celles observées chez les cellules ou les individus parentaux.
En biologie moléculaire, la recombinaison génétique correspond au processus par lesquels des séquences d’ADN de région différente d’une même molécule d’ADN ou de deux molécules différentes sont reliées entre elles et/ou échangées. Tout mécanisme de recombinaison implique la rupture et la jonction des molécules d’ADN. La recombinaison existe chez tous les organismes cellulaires et chez certains virus.
Dans ce type de recombinaison, l’échange génétique a lieu entre de grandes régions d’ADN homologue (caractéristique de la recombinaison homologue), généralement localisé sur deux copies d’un même chromosome (chromosome homologue). L’exemple le plus important de la recombinaison homologue est l’échange de chromosome lors de la méiose.
Dans ce type de recombinaison, l’échange génétique a lieu au niveau de courte région d’ADN homologue (plus de 25 nucléotides) qui sont reconnues par une enzyme spéciales de recombinaison (recombinase). Selon les cas, ces courtes régions de recombinaison sont présentes sur les deux molécules d’ADN impliquées ou sur une seul des deux.
Ce type de recombinaison a lieu entre des séquences non homologues. La rupture et la réunion des régions d’ADN impliquées est à l’origine des intégrations au hasard de virus ou de plasmides, à l’apparition de délétion ou duplication dans les génomes complexes.
Modèle de Holliday
Principe général : la recombinaison homologue implique la rupture et la réunion coordonnée des brins de deux hélices d’ADN avec formation de régions hétéroduplexes étendues.
Mécanisme : figure 3 et figure 4 :
- la recombinaison est initiée par une coupure simple brin des deux molécules d’ADN. La coupure a lieu au même niveau, sur les deux hélices, et implique le même brin (
- les extrémités libres de chaque hélice s’apparient avec les régions complémentaires de l’autre hélice.
- Le croisement ou enjambement ou crossing-over est stabilisé par la ligature des deux brins mis bout à bout. On parle de jonction de Holliday.
- Le point de jonction se déplace par un processus de migration de branches. Ainsi les brins de l’hélice originale sont séparés et réassociés à l’autre hélice en formant ainsi une zone hétéroduplexe.
Après le phénomène de migration des branches (plus ou moins long), des phénomènes de coupures et de réunion des brins vont avoir lieu créant ainsi deux types d’hélices recombinés :
- rupture et réunion (religature) des deux brins qui se sont croisés : PAS d’échange réciproque ; un seul des deux brins de l’hélice a été affecté.
- Rupture et réunion des deux brins qui ne se sont pas croisés : échange réciproque ; les deux brins de chaque hélice ont été modifiés.
Le crossing-over a lieu au cours de la méiose et contribue donc au brassage génétique lors de la reproduction. Au cours de la prophase de la première division, les chromosomes homologues sont appariés au niveau de la structure appelé chiasma. Il se produit alors des échanges entre segments de chromosomes et des allèles peuvent ainsi être échangés. Chaque paire de chromosome subit plusieurs crossing-over au moment de la méiose. Ainsi, les deux chromosomes de chaque paire, après méiose, sont différents des chromosomes de départ, on dit qu’ils sont recombinés.
Intérêt : ce phénomène continue à créer de la diversité génétique entre parents et descendants, avec un intérêt pour la survie de l’espèce. Ce brassage génétique est encore amplifier par la répartition au hasard des chromosomes parentaux au cours de la méiose. Pour l’homme, il y a 223 possibilités de former des gamètes différentes. Enfin, lors de la rencontre des gamètes, l’événement est également aléatoire. Soit en théorie 64 000 milliards de possibilité de créer un individu différents (sans prendre en compte les crossing-over).
Les régions V sont codées par des gènes qui comportent 3 types de segments. Par exemple, les chaines lourdes sont représentées par une cinquantaine de fragments/gènes V, ou variable, une trentaine de gènes D (diversité) et 6 gènes de jonction (J). Les gènes des chaines légères possèdent également de nombreux segments V et J (mais pas de D). Les gènes V, D, J, sont entourés par des recombination signal séquences (RSS) qui sont reconnues par des V, D, J, recombinases (RAG : recombination acting gene) (voir figure 10).
Dans les lymphocytes B en développement, une première recombinaison se fait entre un segment D et J d’une chaine lourde. Toute la chaine d’ADN entre ces deux régions est éliminée. Cette recombinaison DJ est suivit par une jonction avec le fragment V et DJ est éliminé du génome. Lors de la transcription du gène, l’ARNm formé contient la région VDJ recombinée, ainsi que les segments constants (Cφ, Cδ). La recombinaison entre ces fragments permet de créer environ 107 combinaisons possibles d’Ig (au minimum) (9000 recombinaisons lourdes, 1000 légères)
Remarque : la formation d’Ig d’autres isotopes (IgD, A, E…) appelé commutation isotopique dépend aussi de phénomènes de recombinaison site spécifique.
L’intéraction ciblée de gène(s) : les souris Knock-Out (KO) (voir clonage C9)
Voir aussi chapitre souris KO, biologie cellulaire.
L’obtntion de souris KO nécessite 2 étapes principales :
- l’inactivation cible d’un gène dans des cellules souches totipotentes ES
- la réintroduction de ces cellules dans un embryon et l’obtention de lignée homozygotes par croisement.
C’est une modification irréversible de l’information génétique. L’origine de ces mutations est multiple. On connaît cependant de nombreux mécanismes capable d’altérer/modifier l’ADN.
- Les mauvais appariements des bases, qui peuvent résulter d’une erreur lors de la réplication (non corrigé) ou d’une modification spontanée d’une base azotée. Par exemple, la tautomérisation, qui change la complémentarité des bases, l’alkylation ou la désamination qui transforment une base en une autre.
- La dépurination correspond à l’élimination d’une base purique par rupture de la liaison N-glucosidique. On subit un peu près 10000 dépurination/jour/cellule.
- La formation de dimère pyrimidique sous l’action d’UV.
Les mutations expliquent l’existence d’une diversité des gènes (dans les allèles). Les mutations les moins favorables (ou les plus délétaires) à l’espèce sont éliminé par sélection naturelle, tandis que les mutations les plus avantageuses tendent à s’accumuler, ce qui permettra d’améliorer l’espèce. La plupart des mutations sont neutres : elles n’ont pas conséquences ni d’influence, donc pas de sélection pour l’espèce (il ne faut pas oublier les 95% du génome humain est considéré comme poubelle !)
Remarque : une très grande partie des mutations sont corrigées très rapidement par des mécanismes cellulaires
Ne modifie qu’un seul nucléotide
Substitution :
- Faux sens : changement d’un nucléotide, qui aboutit à un changement de la nature de l’AA. 2 types de faux sens, la transition (purine vers purine) ou la transversion (purine vers pyrimidine, ou inverse).
- Non sens : le changement de nucléotide a pour conséquence l’apparition d’un codon stop. La protéine synthétisée est dite tronquée.
- Silencieuses : le changement de nucléotides ne modifie pas la protéine (redondance du code génétique, mutation sur une région non codante…)
Insertion et délétions : ce sont des mutations décalantes (sauf si l’insertion est un multiple de 3). La protéine obtenue sera le plus souvent tronquée suite à l’apparition d’un codon stop.
Ces anomalies concernent toutes modifications du nombre ou de la structure d’un ou de plusieurs chromosomes. Ces remaniements peuvent être constitutionnels (dès la naissance) ou acquis au cours de processus malin dans les cellules tumorales. Ils résultent d’un accident au cours de la mitose ou de la méiose, et leurs conséquences sur l’individu sont variables :
- les remaniements équilibrés, sans perte ni gain, sont généralement sans conséquence
- les remaniements déséquilibrés sont d’autant plus grave que la perte ou le gain est important.
Les anomales résultent d’une mauvaise ségrégation au cours de la mitose ou de la méiose : les deux chromosomes d’une même paire migrent dans une même cellule fille (origine des trisomies). Ces erreurs de ségrégations sont spontanées, mais elles augmentent avec l’âge de la mère et la présence de remaniement existant chez les parents.