Génétique moléculaire

ADN — Architecture du vivant

Structure de l'ADN — double hélice animée

L'ADN est formé de deux brins antiparallèles maintenus par des liaisons hydrogène entre bases complémentaires (A=T, G≡C). La double hélice fait un tour tous les 10 paires de bases (~3,4 nm).

Nucléotide — l'unité de base›

Structure Un nucléotide est composé de trois éléments liés de façon covalente :
· Un groupement phosphate (chargé négativement → ADN est acide)
· Un sucre : désoxyribose pour l'ADN, ribose pour l'ARN (différence : un -OH en 2')
· Une base azotée : purines (A, G — doubles cycles) ou pyrimidines (C, T, U — cycle simple)

Les nucléotides sont reliés entre eux par des liaisons phosphodiester (3'-5') formant le squelette sucre-phosphate. La polarité 5'→3' est fondamentale : toute synthèse d'ADN ou d'ARN se fait dans ce sens.

Complémentarité des bases & liaisons H›

Appariement La règle de Chargaff (1950) : dans tout ADN, [A] = [T] et [G] = [C].

Liaisons hydrogène :
· A — T : 2 liaisons H (plus faible)
· G ≡ C : 3 liaisons H (plus forte)

Conséquences biologiques : les régions riches en G-C sont plus stables thermiquement (température de fusion Tm plus élevée). Les promoteurs riches en A-T sont plus faciles à dénaturer lors de l'initiation de la transcription — ce n'est pas un hasard.

Antiparallélisme : les deux brins sont orientés en sens opposé. Si un brin est 5'-ATCG-3', le complémentaire est 3'-TAGC-5' (soit 5'-CGAT-3').

Chromatine, histones & niveaux de compaction›

Organisation nucléaire Le génome humain (~3,2 milliards de pb, 2 m de long) tient dans un noyau de 6 µm grâce à une compaction hiérarchique :

1. Nucléosome : 147 pb d'ADN enroulés 1,65 fois autour d'un octamère d'histones (H2A, H2B, H3, H4 × 2). Diamètre : 11 nm — le "collier de perles".
2. Fibre de 30 nm : repliement des nucléosomes via H1 (histone de liaison).
3. Boucles chromatiniennes (~300 nm) ancrées sur la matrice nucléaire.
4. Chromosome métaphasique : compaction maximale (10 000×).

Euchromatine (ouverte, transcrite) vs hétérochromatine (compactée, silencieuse). La régulation épigénétique (méthylation H3K27, acétylation des queues d'histones) contrôle cet état.

Réplication de l'ADN — semi-conservative›

Réplication La réplication est semi-conservative (Meselson & Stahl, 1958) : chaque molécule fille contient un brin parental et un brin néosynthétisé.

Acteurs clés :
· Hélicase : déroule la double hélice au niveau de l'origine de réplication (ori)
· Primase : synthétise une amorce ARN (10-12 nt) nécessaire à l'ADN polymérase
· ADN polymérase III (procaryotes) / ADN pol δ/ε (eucaryotes) : synthèse 5'→3' uniquement
· ADN ligase : scelle les fragments d'Okazaki sur le brin retardé

Brin avancé (leading) : synthèse continue. Brin retardé (lagging) : synthèse discontinue par fragments d'Okazaki (~200 pb chez l'eucaryote). Fidélité : 1 erreur pour 10⁹-10¹⁰ pb grâce à la relecture exonucléasique (proofreading) 3'→5'.

Organisation du génome humain›

Génomique Le génome humain haploïde (~3,2 Gb) contient :

· ~20 000 gènes codants — seulement 1,5% du génome
· ~26% d'introns dans les gènes
· ~50% de séquences répétées : SINEs (Alu), LINEs, LTR-rétrotransposons
· ~15% de séquences uniques non codantes (régions régulatrices)

Exome = ensemble des exons (~1,5% du génome, ~30 Mb). La majorité des mutations pathogènes connues sont dans l'exome.

Le paradoxe de la valeur C : la taille du génome ne corrèle pas avec la complexité de l'organisme (oignon : 5× plus grand que l'humain).

Transcription — de l'ADN à l'ARNm

Mécanisme général de la transcription›

Transcription La transcription se déroule en trois phases dans le noyau :

Initiation : l'ARN polymérase II (pour les ARNm) est recrutée au promoteur par des facteurs généraux de transcription (TFIID reconnaît la TATA box à −30, TFIIB à −35, TFIIH hélicase ouvre l'ADN). Le complexe de pré-initiation (PIC) se forme.

Élongation : Pol II synthétise le pré-ARNm en lisant le brin matrice (3'→5') et en construisant le brin ARN complémentaire (5'→3'). Vitesse : ~20-30 nt/s. La coiffe 7-méthylguanosine est ajoutée en 5' dès les premiers nucléotides.

Terminaison : déclenchée par la séquence de polyadénylation 5'-AAUAAA-3'. L'ARN est clivé ~15-30 nt en aval → ajout de la queue poly(A) 200-250 nt. Protection contre la dégradation + export nucléaire.

Maturation du pré-ARNm — l'épissage›

Épissage Le pré-ARNm contient exons (exprimés) et introns (intervenants, ~26 000 dans le génome humain). Le spliceosome (~5 snRNP, 150+ protéines, ~3 MDa) catalyse l'épissage :

1. Reconnaissance du site 5'-donneur (GU) et 3'-accepteur (AG) — règle GT-AG
2. Formation du lasso : attaque nucléophile du site de branchement (A) sur le site 5'-donneur
3. Ligation des exons, excision de l'intron-lasso

Épissage alternatif : ~95% des gènes multi-exoniques génèrent plusieurs isoformes. Le gène DSCAM de Drosophila peut produire ~38 000 variants. Explique que 20 000 gènes codent >500 000 protéines.

Mutations du site d'épissage → maladies génétiques (ex : β-thalassémie par activation d'un site cryptique).

Les autres types d'ARN — au-delà de l'ARNm›

ARN non codants L'ARN non codant représente ~80% du transcriptome humain :

· ARNr : composant des ribosomes (28S, 18S, 5.8S, 5S). Catalyseur de la formation de la liaison peptidique (ribozyme). Synth. par ARN pol I.
· ARNt : 73-93 nt, structure en trèfle. L'anticodon (boucle II) est complémentaire au codon. Chargé par les aminoacyl-ARNt synthétases (1 par acide aminé).
· miRNA : ~22 nt. Guide RISC vers les 3'UTR des ARNm → répression traductionnelle ou dégradation. ~2600 chez l'humain.
· lncRNA : >200 nt. XIST inactive le chromosome X. HOTAIR recrute PRC2 sur des loci distants.
· snRNA : composants du spliceosome (U1, U2, U4, U5, U6).
· snoRNA : guide les modifications des ARNr dans le nucléole (méthylation, pseudouridylation).

Régulation de la transcription›

Régulation La régulation transcriptionnelle détermine l'identité cellulaire :

Éléments cis-régulateurs :
· Promoteur : région proximale (~200 pb) avec TATA box, Inr, BRE
· Enhancer : jusqu'à 1 Mb de distance, orientation indépendante. Contacte le promoteur par boucles chromatiniennes (médiateur + cohesin/CTCF)
· Silencer : répresseur analogue

Facteurs de transcription (TF) : domaine de liaison à l'ADN (zinc finger, bHLH, leucine zipper) + domaine d'activation ou répression.

Épigénétique : méthylation des CpG (DNMT3a/b → silencing), modifications d'histones (H3K4me3 = promoteurs actifs, H3K27me3 = répression PcG). Transmissibles lors des mitoses.

Traduction — du codon à la protéine

Simulation — traduction codon par codon

ARNm exemple : 5'-AUG-UUU-GCU-GAA-CGU-UGC-UAA-3' → Met-Phe-Ala-Glu-Arg-Cys-Stop

Le code génétique — propriétés›

Code génétique Le code génétique traduit les codons (triplets) en acides aminés :

· Universel : identique de la bactérie à l'humain (quelques exceptions : mitochondries, quelques protistes)
· Non chevauchant : chaque nucléotide appartient à un seul codon
· Dégénéré (redondant) : 64 codons pour 20 AA + 3 stop → plusieurs codons par AA. Ex : Leu est codée par 6 codons (CUU, CUC, CUA, CUG, UUA, UUG)
· Non ambigu : un codon → toujours le même AA

Codons spéciaux :
· AUG : codon initiateur (Met) + signal de démarrage de la traduction
· UAA, UAG, UGA : codons stop — pas d'ARNt correspondant, reconnus par des facteurs de terminaison (eRF1, eRF3)

Structure et fonctionnement du ribosome›

Ribosome Le ribosome eucaryote est composé de deux sous-unités :
· Petite sous-unité (40S) : 18S ARNr + ~33 protéines. Décode l'ARNm.
· Grande sous-unité (60S) : 28S + 5.8S + 5S ARNr + ~49 protéines. Catalyse la liaison peptidique (PTase, ribozyme).

Trois sites de liaison :
· Site A (aminoacyl) : entrée de l'ARNt chargé
· Site P (peptidyl) : ARNt portant la chaîne en cours
· Site E (exit) : départ de l'ARNt déchargé

La translocase EF-2 (eucaryotes) / EF-G (procaryotes) catalyse la translocation GTP-dépendante. Chaque cycle allonge la chaîne d'un acide aminé.

Modifications post-traductionnelles (PTM)›

PTM La protéine néosynthétisée subit souvent des modifications avant d'être fonctionnelle :

· Clivage protéolytique : suppression du peptide signal, activation de zymogènes (trypsine → trypsinogène)
· Phosphorylation (Ser, Thr, Tyr) : régule l'activité enzymatique — kinases (ajout) / phosphatases (retrait)
· Glycosylation (N ou O) : reconnaissance cellulaire, protéines membranaires
· Ubiquitination : marquage pour dégradation par le protéasome 26S
· Acétylation (N-terminal ou Lys) : stabilité, localisation
· Ponts disulfure (Cys-Cys) : structure tertiaire des protéines sécrétées

>500 000 protéines distinctes issues de ~20 000 gènes grâce à l'épissage alternatif + PTM.

Structures des protéines — des 4 niveaux à la fonction›

Structure protéique Structure primaire : séquence d'AA liés par liaisons peptidiques (C-N). Détermine tout le reste.
Structure secondaire : repliements locaux stabilisés par liaisons H entre groupements CO et NH du squelette :
· Hélice α : 3,6 AA/tour, pas de 0,54 nm, sens droitier
· Feuillet β : antiparallèle (plus stable) ou parallèle
Structure tertiaire : repliement global par interactions : ponts disulfure, forces hydrophobes (cœur protéique), liaisons ioniques, liaisons H entre chaînes latérales.
Structure quaternaire : assemblage de plusieurs chaînes. Ex : hémoglobine (α2β2), anticorps IgG (2 chaînes lourdes + 2 légères).

Repliement mal dirigé → maladies à prions (PrPᶜ → PrPˢᶜ), Alzheimer (amyloïde β), Parkinson (α-synucléine).

Mutations — types, conséquences, réparation

Types de mutations — impact sur la séquence protéique

De gauche à droite : séquence normale, mutation faux-sens, mutation non-sens, mutation frameshift (insertion +1). L'impact sur la protéine est radicalement différent selon le type.

Classification des mutations ponctuelles›

Mutations Substitutions :
· Synonyme (silencieuse) : change un codon → même AA (dégénérescence du code). Ex : GAA→GAG → Glu→Glu. Généralement neutre, mais peut affecter l'épissage ou la cinétique de traduction.
· Faux-sens (missense) : codon → AA différent. Ex : HbS (drépanocytose) : GAG→GUG, Glu→Val en position 6 de la β-globine. Conséquence : polymérisation de l'hémoglobine en désoxy.
· Non-sens (nonsense) : codon → codon stop prématuré. Protéine tronquée, souvent instable (NMD — Nonsense-Mediated Decay). Ex : mucoviscidose W1282X.

Insertions/délétions :
· En phase (multiple de 3) : insertion/délétion d'un/plusieurs AA. Ex : ΔF508 dans CFTR (délétion de 3 pb → absence de Phe508).
· Hors phase (frameshift) : décalage du cadre de lecture → protéine complètement différente en aval + stop prématuré fréquent. Souvent délétère.

Mutations de grande taille — CNV, translocations›

Mutations chromosomiques CNV (Copy Number Variations) : délétions ou duplications de segments >1 kb. Représentent ~12% de la variation génomique humaine. Ex : duplication 17p12 → neuropathie de Charcot-Marie-Tooth type 1A.

Translocations :
· Réciproque : échange entre deux chromosomes non homologues. Ex : t(9;22) → chromosome Philadelphie → fusion BCR-ABL → leucémie myéloïde chronique (LMC). Cible thérapeutique de l'imatinib (Gleevec).
· Robertsonienne : fusion de deux chromosomes acrocentriques (13, 14, 15, 21, 22). t(14;21) → trisomie 21 familiale.

Inversions : segment retourné dans le même chromosome. Amplifications : surexpression d'oncogènes (HER2/ERBB2 dans certains cancers du sein, MYCN dans le neuroblastome).

Causes des mutations — agents mutagènes›

Mutagènes Erreurs réplicatives spontanées : malgré le proofreading, ~1 erreur / 10¹⁰ pb. La dépurination spontanée (~10 000/cellule/jour) et la désamination de la cytosine en uracile sont les plus fréquentes.

Mutagènes physiques :
· UV (254 nm) : dimères cyclobutane-pyrimidine (CPD) et 6-4PP entre thymines adjacentes → transversions C→T. Principal mutagène des mélanomes (signature mutationnel C[C→T]G).
· Rayonnements ionisants : cassures simple et double brin, modifications de bases.

Mutagènes chimiques :
· Alkylants (moutarde à l'azote, cisplatine) : alkylation de la guanine → appariements erronés
· Agents intercalants (benzo[a]pyrène de la fumée de cigarette) → transversions G→T (signature K-RAS dans le cancer du poumon)
· Analogues de bases (5-bromouracile)

Systèmes de réparation de l'ADN›

Réparation ADN BER (Base Excision Repair) : répare les bases modifiées (uracile, 8-oxoguanine). ADN glycosylase excise la base → AP endonucléase → ADN pol β + ligase.

NER (Nucleotide Excision Repair) : répare les lésions volumineuses (dimères UV). Excise un oligonucléotide de 25-30 nt. Muté dans le xeroderma pigmentosum (XP) → hypersensibilité aux UV, risque de cancer ×1000.

MMR (Mismatch Repair) : corrige les mésappariements post-réplicatifs. Muté dans le syndrome de Lynch (HNPCC) → cancers colorectaux héréditaires. MSI (microsatellite instability) = signature diagnostique.

NHEJ / HDR : réparation des cassures double brin. NHEJ (dominant, imprécis) ou HDR (précis, en S/G2). Mutations de BRCA1/BRCA2 (déficit HDR) → cancers sein/ovaire (syndrome HBOC). Base du CRISPR-Cas9.

Mutations somatiques vs germinales›

Hérédité Mutation germinale : présente dans les gamètes → transmissible à la descendance. Présente dans toutes les cellules de l'organisme (mutation constitutionnelle). Base des maladies génétiques héréditaires.

Mutation somatique : acquise dans une cellule non reproductrice, non transmissible. Conséquences locales : cancer (accumulation de mutations pilotes dans des oncogènes/gènes suppresseurs), vieillissement, mosaïcisme.

De novo mutation : nouvelle mutation germinale absente chez les parents. Fréquence : ~60-100 de novo mutations par génome et par génération. Responsables de nombreux cas de schizophrénie, autisme, syndrome de Dravet.

Modèle à deux coups (Knudson, 1971) : dans les cancers à prédisposition héréditaire (rétinoblastome, RB1), un allèle est déjà muté en germinale, le second est somatique.

Maladies génétiques & multifactorielles

Maladie	Gène / mutation	Mode héréditaire	Mécanisme	Prévalence
Drépanocytose	HBB — Glu6Val	AR	Polymérisation HbS en hypoxie → déformation GR en faucille	1/400 naissances (Afrique)
Mucoviscidose	CFTR — ΔF508 (70%)	AR	Défaut de repliement CFTR → absence du canal Cl⁻ → mucus épais	1/2500 (Europe)
Phénylcétonurie	PAH — >1000 allèles	AR	Déficit phénylalanine hydroxylase → accumulation Phe → neurotoxicité	1/10 000
Huntington	HTT — expansion CAG (>36)	AD	Polyglutamine → agrégats toxiques → mort neuronale striatum	1/10 000-20 000
Syndrome de Marfan	FBN1 — missense dominant négatif	AD	Déficit fibrilline-1 → matrice extracellulaire fragilisée → aorte, œil, squelette	1/5000
Duchenne (DMD)	DMD — frameshift/délétion	XR	Absence dystrophine → instabilité membrane myocyte → nécrose	1/3500 ♂
Hémophilie A	F8 — mutations diverses	XR	Déficit facteur VIII → coagulation défectueuse	1/5000 ♂
Trisomie 21	Trisomie chr. 21 (non-disjonction)	De novo 95%	3 copies de ~300 gènes → dosage génique déséquilibré	1/700-1000
Cancer BRCA1/2	BRCA1, BRCA2 — perte de fonction	AD prédisposition	Déficit HDR → instabilité génomique → accumulation mutations	1/400 (BRCA2)
LMC	t(9;22) somatique → BCR-ABL	Somatique	Tyrosine kinase constitutive → prolifération incontrôlée	1-2/100 000/an

Modes de transmission héréditaire›

Génétique mendélienne Autosomal dominant (AD) : un allèle muté suffit. Parents atteints ont 50% d'enfants atteints. Peut être dominant négatif (protéine mutée inhibe la normale) ou gain de fonction.

Autosomal récessif (AR) : deux allèles mutés requis. Parents porteurs sains (Aa × Aa) → 25% atteints, 50% porteurs, 25% sains. Fréquence augmentée en cas de consanguinité.

Lié à l'X récessif (XR) : gène sur le chromosome X. Hommes (XY) toujours atteints si l'allèle est muté. Femmes (XX) porteuses ou atteintes si homozygotes. Transmission mère porteuse → 50% fils atteints.

Lié à l'X dominant : rare. Atteint les deux sexes, souvent plus sévère chez l'homme (hémizygote).

Mitochondrial : transmission maternelle exclusive (ADNmt uniquement dans l'ovocyte). Hétéroplasmie (mélange ADNmt normal/muté). Ex : MELAS, LHON.

Maladies multifactorielles — génétique complexe›

Polygénique Contrairement aux maladies mendéliennes, les maladies multifactorielles résultent de l'interaction de nombreux variants génétiques à faible effet individuel + facteurs environnementaux :

· Diabète de type 2 : >500 loci GWAS identifiés, dont TCF7L2, PPARG. Héritabilité ~40-70%. Interaction avec alimentation, activité physique, microbiome.
· Schizophrénie : héritabilité ~80%. Variants CNV (22q11.2), gènes synaptiques (DISC1, NRXN1). Contribution facteurs de risque : cannabis, urbanisation, migration.
· Cancers sporadiques : accumulation de mutations somatiques pilotes (driver mutations) dans des voies RAS/MAPK, PI3K/AKT, TP53, RB1.

GWAS (Genome-Wide Association Study) : compare ~1M de SNP entre cas et contrôles. Identifie les variants associés mais souvent dans des régions régulatrices non codantes — interprétation fonctionnelle difficile.

Diagnostics génétiques — du caryotype au séquençage›

Diagnostic Caryotype : visualisation des chromosomes en métaphase. Détecte les anomalies de nombre (aneuploidies) et de grande taille (>5-10 Mb).

FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) : sondes fluorescentes pour détecter des délétions/amplifications spécifiques. Ex : détection BCR-ABL, amplification HER2.

CGH-array : détecte les CNV à résolution ~50-100 kb sur tout le génome. Premier examen en cas de DI/TSA sans diagnostic.

Séquençage Sanger : gold standard pour valider une mutation ponctuelle connue. Limite : 1 gène à la fois.

NGS — Panels / Exome / Génome : séquençage massivement parallèle. Le séquençage d'exome (~30× de couverture) détecte variants dans ~20 000 gènes. Le génome entier inclut les régions non codantes et les variants structuraux. Coût en 2025 : ~300€ pour l'exome, ~1000€ pour le génome complet.

Thérapies géniques — corriger l'ADN›

Thérapeutique Thérapie génique additive : apport d'une copie fonctionnelle du gène via vecteur (AAV, lentivirus). Ex : Luxturna (RPE65, cécité héréditaire, FDA 2017), Zolgensma (SMN1, SMA, FDA 2019).

CRISPR-Cas9 : Casgevy (2023, drépanocytose/β-thalassémie) — premier médicament CRISPR approuvé. Édition ex vivo des CSH.

Thérapies ARN :
· ASO (antisense oligonucleotide) : Spinraza (nusinersen), corrige l'épissage du pré-ARNm SMN2 dans la SMA. Exondys 51 (exon-skipping DMD).
· siRNA : Inclisiran (PCSK9, LDL), Patisiran (TTR, ATTR).
· ARNm thérapeutique : vaccins COVID-19. Applications : remplacement enzymatique, thérapie anticancéreuse.

Pharmacogénomique : adapter le traitement au génotype. Ex : codéine — métaboliseurs ultra-rapides CYP2D6 → toxicité opiacée.

Synthèse

ADN — architecture — Double hélice antiparallèle. Nucléotides reliés par liaisons phosphodiester. Appariement A=T (2H) et G≡C (3H). Compaction hiérarchique : nucléosome (147 pb + octamère H2A/H2B/H3/H4) → fibre 30 nm → chromosome métaphasique. Réplication semi-conservative, ADN pol III (5'→3' uniquement), fragments d'Okazaki sur le brin retardé.

Transcription — ARN pol II + facteurs généraux (TFIID, TATA box). Coiffe 5'-m7G + queue poly(A) 3'. Épissage par le spliceosome (règle GT-AG, formation du lasso). Épissage alternatif → 500 000 protéines depuis 20 000 gènes. Régulation par enhancers (jusqu'à 1 Mb), TF (zinc finger, bHLH), épigénétique (méthylation CpG, histones).

Traduction — Ribosome 80S (40S+60S), sites A/P/E. Code génétique universel, dégénéré, non chevauchant. AUG = start (Met). UAA/UAG/UGA = stop. ARNt chargé par aminoacyl-ARNt synthétases. PTM (phosphorylation, glycosylation, ubiquitination) multiplient la diversité protéique.

Mutations — Synonyme (silencieuse) / faux-sens (ex: HbS Glu→Val) / non-sens (stop prématuré) / frameshift (décalage cadre). Germinale (héréditaire) vs somatique (cancer). Réparation : BER (bases oxydées), NER (dimères UV, XP si muté), MMR (Lynch si muté), NHEJ/HDR (cassures double brin, BRCA1/2 si muté).

Maladies génétiques — AR : mucoviscidose (ΔF508/CFTR), drépanocytose (Glu6Val/HBB), PKU. AD : Huntington (expansion CAG), Marfan (FBN1). XR : Duchenne (dystrophine), hémophilie A (F8). Chromosomiques : trisomie 21. Multifactorielles : diabète T2, schizophrénie, cancers sporadiques. Thérapies : AAV (Luxturna), CRISPR (Casgevy), ASO (Spinraza), siRNA (Inclisiran).

Mots-clés absolus : nucléotide, liaison phosphodiester, complémentarité, nucléosome, histone, réplication semi-conservative, ADN polymérase, ARN pol II, promoteur, coiffe, poly(A), épissage, spliceosome, codon, anticodon, ribosome, PTM, mutation faux-sens, frameshift, BER, NER, MMR, BRCA, CFTR, HBB, GWAS, NGS, CRISPR, ASO.

Question 1 / 18 0 / 18