l’information génétique et les flots d’information dans la...
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L’information génétique et les flots d’information dans la celluleflots d’information dans la cellule
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Table des matières
• Expression génétique : du promoteur a la protéine– La molécule d’ADN et l’information génétique– Organisation generale de l’expression génétique– Organisation generale de l’expression génétique– Transcription– Epissage et modifications de l’ARNm– Traduction– Promoteurs et concepts de regulation génétique
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Le principe transformant
• 1928, Griffith
Colonies lisses Colonies rugueuses
Streptococcus pneumonicae
Colonies lissesvirulentes
Colonies rugueusesnon virulentes
S ("smooth") R ("rough")
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Le principe transformant
• 1928, Griffith
R S
S tuées par la chaleur
S tuées par la chaleur
+ R
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Le principe transformant
• 1944, Avery
Isolation ADN
+ protease + RNase + DNase
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• L’ADN est un polymère de nucléotides• 1953, Watson et Crick
® modèle de la double hélice
Structure spatiale de l’ADN
Les deux brins sont antiparallèles et complémentaires.
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NucléotidesPO4
3-
(CH2)
• Phosphate(=> acidité)• Sucre• Base
Ribose
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§ Les bases de l’ADN et l’ARNAdénine (A), Thymine (T), Guanine (G), Cytosine (C), Uracil (U)
L’ADN a seulement A, T, G et C. § Les bases créent des liaisons
hydrogène entre ellesA<->T, A<->U, G<->C sont les liens
Acides Nucléiques
A<->T, A<->U, G<->C sont les liens stables : c’est l’appariement des bases
Conduit à la double hélice d’ADN et au repliement de l’ARN
Un brin d’ADN nu évolue thermodynamiquement vers un double brin
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1949, la règle de ChargaffComposition en bases (%) de l’ADN
A = T
G = C
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§ L’AND a une structure en double hélice et est plus stable:
Il peut former de longues chaînes
Il agit comme stockage à long terme de l’information
La complémentarité des brins permet la réplication
ADN et ARN
réplication
§ L’ARN est plus court, en simple ou double brin, et plus réactif:
C’est un intermédiaire lors de l’expression génétique, synthétisé à partir de l’ADN
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Dogme central de la biologie
• Flot unidirectionnel
• Simpliste• Reste un bon
modèlemodèle
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On distingue:• Les régions codantes de l’ADN, qui vont être transcrites en ARN
De l’ADN non-codant
transcrites en ARN• Les régions non-codantes, qui servent de signaux de régulation
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Chez les cellules procaryotes on a seulement transcription et traduction.
Un processus multi-étapes
et traduction.• Chez les eucaryotes il existe plusieurs étapes intermédiaires.
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Contrôles négatifs
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Contrôles positifs
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La transcription nécessite la formation d’un complexe pour arrimer l’ARN polymérase
Initiation de la transcription
polyméraseCe complexe est formé d’un ensemble de protéines pour tous les gènes, ainsi que de facteurs de transcription spécifiques au gène transcrit.
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Promoteurs
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Séquences consensus
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L’ARN polymérase bactérienne
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Les facteurs sigma
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Synthèse de l’ARN
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La transcriptionARN polymerase
brin sens
brin antisens
5’
3’3’
brin antisens
ARN5’
3’
La séquence du « gène » est la même (T->U) que celle de l’ARN messager, car la polymérase lit son complémentaire
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• La transcription s’arrête quand la polymérase « bute » sur un terminateur• Il existe deux types de terminateurs : les terminateurs naturels et les
Les terminateurs
terminateurs naturels et les terminateurs rho-dépendants
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Les terminateurs rho-dépendants
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La terminaison rho
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La maturation des ARN eucaryotes1. Addition d’une coiffe en 5’2. Polyadénylation en 3’3. Épissage
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Structure d’un gène eucaryoteexons introns
UTR 5’ UTR 3’
gène
promoteur
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Les introns
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Epissage
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Récapitulatif : Spécificités procaryotes• Transcription dans le cytoplasme • ARN polycistronique
promoteur
ADN
séquence terminaisongènes
protéine
ADN
ARN* * *↑ ↑ ↑
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Transcrits polycistroniques (opérons)
• Un opéron est une succession de gènes proches transcrits séquentiellement, chez les procaryotes
• Il n’y a formation que d’un seul complexe d’initiation de la transcription
• Il n’y a production que d’un seul ARNm• Il n’y a production que d’un seul ARNm• Les différents gènes ont souvent des fonctions reliées
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L’opéron lac
· Il est composé de trois gènes impliqués dansle processing du sucre complexe lactose
· L’un des gènes code pour une enzyme, la β-galactosidase, qui clive le lactose en glucose galactosidase, qui clive le lactose en glucose et galactose
· Un autre code pour une perméase qui importele lactose dans la cellule
· Le dernier code pour un cofacteur régulant ceprocessus
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Récapitulatif : Spécificités eucaryotes
• Pas de transcrits polycistroniques
• Transcription dans le noyau
• Facteurs de transcription plus employés• Facteurs de transcription plus employés
• Enhancers et silencers
• Maturation des transcrits
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Spécificités eucaryotes
promoteur
enhancer
… …
gène
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Spécificités eucaryotes
enhancer
promoteur
enhancer
…
…
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Acides aminés
• Fomule générale:
• Contiennent• Contiennent– Acide Carboxylique– Amine– Radical “R”
• Très grande variété• Propriétés physico-chimiques variées
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Acides aminés
• Certains acides aminés sont le fruit d’un processus métabolique (par exemple le tryptophane) : on parle de biosynthèse
• Les autres doivent être obtenus à partir de • Les autres doivent être obtenus à partir de l’extérieur : ce sont les acides aminésessentiels
• Ce qui est essentiel pour une espèce ne l’estpas pour l’autre.
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Biosynthèse du tryptophane
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Formation des polypeptides• Des réactions de condensation forment les
polypeptides– Une extrémité amine et une acide carboxylique – Pas d’ordre obligatoire
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Polypeptides• On trouve 20 (+3) acides aminés différents chez les
êtres vivants• Un polypeptide peut être aussi long que nécessaire
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Le code génétique
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Le code génétique est représenté au niveau moléculaire par les ARN de transfert:• petits ARNs• « lus » par une ARN
Les ARN de transfert
• « lus » par une ARN polymérase spéciale• forme de feuille de trèfle • un anticodon• un site porteur d’acide aminé très spécifique
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La traduction
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Chez les bactéries, les ribosomes peuvent représenter plus du quart du poids total de la cellule, ce qui montre
Le retour des ribosomes
la cellule, ce qui montre l’importance relative en termes de coût de la phase de traduction pour ces organismes.
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Le polysome
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Mécanique du ribosome
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ARNt initiateurs
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Les erreurs
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Récapitulatif bactérien
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Récapitulatif eucaryote
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L’opéron lactose
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L’opéron lactose
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Quand le lactose est absent
• Un répresseur (une protéine) est présent en permanence sur le site opérateur, en amont de l’opéron.
• Ce répresseur bloque la transcription en empêchant l’ARN polymérase de la débuter.
Regulator gene
lac operonOperator site
z y aDNA
I O
Repressor protein
RNA polymeraseBlocked
© 2007 Paul Billiet ODWS
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• Une faible quantité d’allolactose est formée dans la cellule. Ce sucre va se fixer sur le répresseur sur un site actif, dit allostérique car ce n’est pas celui par lequel le répresseur se fixe sur l’ADN.
• Ceci induit un changement de conformation du
Quand le lactose est présent
• Ceci induit un changement de conformation du répresseur, qui se détache alors du site opérateur. L’ARN polymérase peut alors initier la transcription et l’opéron est exprimé.
© 2007 Paul Billiet ODWS
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Quand le lactose est présent
DNA
Promotor sitez y a
DNAI O
© 2007 Paul Billiet ODWS
z y aI O
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Différents types de contrôle
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Réseaux biologiques
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Modèles graphiques et réseaux
• Très utilisés en biologie avec les grandes quantités de données disponibles
• Liens avec les télécom, la théorie des graphes et la physique statistique
• Représentation probabiliste des interactions entre • Représentation probabiliste des interactions entre composants biologiques
• Les problèmes étudiés vont de la structure globale aux propriétés locales
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Méthodes et problèmes de réseaux
Statique Dynamique
Locale
NATURE DES PROPRIETES
Regulatory motifs (U. Alon)
Modélisation du cycle cellulaire
Globale
ECHELLE
Réseaux booléens(S. Kauffman)
Scale-free/robustesse(A. Barabasi)
Modularité(P. Bork)
Modélisation du cycle cellulaire(C. Tang)
Réseaux métaboliques(B. Palsson)
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§ Nucleic Acids are polymers of nucleotides
Different nucleotides link togetherPhosphate at 5` of one nucleotide links to 3` Carbon of another nucleotide
Called Phosphodiester bridge
Nucleic Acids
§ Common nucleic acids
RNARibonucleic acidSugar is ribose
DNADeoxyribonucleic acidSugar is deoxyribose
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§ A sequence of 3 bases attracts a specific amino acid
AGC->Serine, AGA->Arginine etc.Such a sequence is called a codonSequence of codons can assemble multiple amino acids into proteins
Nucleic Acids
multiple amino acids into proteinsThis is how protein structure is coded in nucleic acidThese proteins are manufactured during biosynthesis
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Condensation of Amino Acids• Two amino acids condense together forming a
dipeptide (peptide bond)
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Biological networks
• Regulation network• Interaction network• Signalling network
May, 23th 2008 Inference with Steiner trees 75
• Signalling network• Metabolic network• Phylogenetic network
• Mixt networks…