Les différentes sortes d'ADN

On a vu ci-dessus que tout ADN double brin est dénaturable de façon réversible par la chaleur.

Dans l'expérience suivante, après avoir dénaturé l'ADN génomique d'un organisme, on le place dans des conditions ménagées de refroidissement afin de favoriser la renaturation. On mesure la fraction d'ADN non encore renaturé en fonction du temps.

Sur l'axe des Y on porte le pourcentage d'ADN qui reste simple brin par rapport à la concentration totale d'ADN. L'axe des X porte une échelle logarithmique du produit de la concentration initiale de l'ADN (en moles/litre) par le temps écoulé (en secondes).

Ces courbes sont appelées courbes de Cot. Une courbe lisse est l'indice d'une renaturation progressive et régulière de l'ADN. C'est ce qui est observé pour des virus, des bactéries et pour des cellules de levure. Par contre lorsque l'on prend de l'ADN d'organismes multicellulaires (Homo sapiens), l'aspect est totalement différent. La courbe observée semble le résultat de la mise bout à bout de trois courbes. Ce qui indique que dans le premier cas il y avait un seul type d'ADN alors que dans le second trois types d'ADN différents doivent coexister : le premier type se renature très rapidement, le second se renature nettement plus lentement, quant au troisième il ne se renature que très lentement. L'interprétation de cette observation, est que l'ADN qui se renature rapidement n'a aucun mal à retrouver un brin qui lui soit complémentaire parce qu'il contient une (ou des) séquence très fréquente, alors que le troisième type a beaucoup de mal à retrouver son complément parce que cette séquence est " unique ".

Figure 1-19. Courbes de Cot obtenues pour des unicellulaires (A) et des pluricellulaires (B)

Ces trois types d'ADN ont été étudiés plus en détail pour définir les éléments constitutifs de chacun.

ADN hautement répété

L'ADN hautement répété n'est pas codant. Il représente 10 à 15% du génome. Il est constitué de séquences hétérochromatiques donc localisées principalement autour des centromères. Cet ADN hautement répété comprend :

des répétitions de motifs courts (5 à 10 bp) disposés en tandem et répétés jusqu'à plusieurs centaines de milliers de fois ;

des séquences répétées de motifs toujours disposés en tandem mais plus longues (100 à 200 bp) ;

des séquences hautement répétées et dispersées dans tout le génome, les micro satellites ;

les centromères dans la région desquels on reconnaît des séquences CEN qui chez l'homme sont des motifs de 171 bp répétées en tandem dont la longueur varie de 300 kpb à 5 000 kbp ; on les rencontre identiques sur tous les chromosomes

les telomères et séquences TEL situées à l'extrémité des chromosomes constituées de motifs répétés riches en C et A. Ces télomères auraient pour rôle de protéger l'extrémité des chromosomes de l'érosion au cours des réplications successives et de l'attaque des nucléases intracellulaires.

ADN moyennement répété

L'ADN moyennement répété est en grande majorité non codant. Il représente 25 à 40% du génome humain. A la fois plus hétérogène et constitué de motifs plus longs (100 à 1 000 bp), il est dispersé dans le génome et comprend :

les séquences Alu : 130 bp répétées en 5' et 3' de l'ordre de 900 000 par génome humain ;

les séquences LINE qui semblent dériver d'un ancien rétrotransposon. Leur longueur varie de 5 à 7 kbp avec 5 000 copies complètes par génome et jusqu'à 100 000 copies partielles;

on trouve aussi des séquences codants pour autre chose que des polypeptides

* gènes des ARNr grands et petits 28S, 18S et 5,8S groupés en unités qui sont disposées en batteries de plus de 200 copies. Ces groupes se retrouvent chez l'homme sur les

chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22 ;

* gènes des ARNt disposées en batteries de plus de 200 copies, jusqu'à 20 000 copies

* gènes des ARN 5S disposées en batteries de plus de 200 copies, jusqu'à 1 200 copies

* gènes des ARN 7SL et autres petits ARN moins bien connus.

ADN non répété

L'ADN non répété correspond essentiellement aux gènes qui codent pour des protéines. Comme ces gènes sont parfois apparentés car provenant d'anciennes duplications ils forment des familles qui ont des séquences présentant plus ou moins de ressemblance. L'appellation ADN non répété ou unique est donc abusive au sens strict puisqu'il existe plusieurs formes apparentées (voir le chapitre évolution). Néanmoins au regard du niveau de répétition des deux types précédents, celui-ci se distingue par la rareté dans le pool global de ces séquences qui se ressemblent plus ou moins.

Ces trois types d'ADN ne se retrouvent pas en parts comparables dans tous les génomes. Lorsque la complexité de l'organisme augmente et/ou la quantité d'ADN on constate qu'il y a plus d'ADN répétitif.

Espèce	Helicobacter pylori bactérie	Saccharomyces cerevisiae champignon	Homo sapiens mammifère
Chromosomes nombre Forme Longueur d'un centromère	1 circulaire absent	2 x 16 linéaire 110bp	2 x 23 linéaire >106pb
Séquences codant des protéines densité en gènes Longueur moyenne d'un gène gènes avec introns	91% 1gène/kb 945bp 0	72% 1 gène/2,5kb 1 450bp environ 4%	1 à 4% 1 gène/100kb en moyenne 20kb seuls quelques gènes n'ont pas d'introns
Séquences codant des ARN ARN ribosomiques ARN de transfert	0,7% 36 espèces(7 groupes, 12 gènes isolés)	5% 262 copies	0,4% 1 300 copies
Séquences répétées hautement moyennement	0 17 éléments IS(~<1%)	0 30 copies de Ty (1,2%)	50% Lines 105 copies (7%) Sines(Alu)106 copies (9%)

Tableau 1-2. Répartition des différents types d'ADN en fonction de l'organisme.

Condensation

L'ADN est associé à des protéines les histones. Chez les eucaryotes il est localisé dans le noyau de la cellule et replié d'une manière ordonnée qui assure le stockage d'une grande quantité d'ADN dans le noyau.

A titre d'exemple voici son état dans le plus petit chromosome humain qui contient de l'ordre de 10 fois un génome de E. coli soit 4 x 10⁷bp. S'il était étendu il aurait une longueur de 14 000m (14 cm). Dans son état le plus condensé lors de la mitose il mesure 2m, soit une condensation d'un facteur 7 000.

Cette condensation ne se fait pas en une seule fois, mais par plusieurs niveau hiérarchiques d'organisation. Le premier niveau est constitué par l'enroulement de l'ADN autour d'un noyau protéique pour produire une "perle " appelée le nucléosome , c'est une condensation d'un facteur 6, qui se retrouve aussi bien dans l'euchromatine que l'hétérochromatine. Le second niveau est l'enroulement des perles dans une structure hélicoidale appelée la fibre 30nm que l'on rencontre dans la chromatine interphasique et les chromosomes mitotiques. Cette structure accroit la condensation d'un facteur 40. La condensation maximale est atteinte quand la fibre est organisée en boucles, entrelacs et domaines qui donne une condensation de 1000 dans les chromosomes interphasiques et de 10 000 dans les chromosomes mitotiques.

En général, les chromosomes eukaryotes sont constitués d'un complexe ADN-protéines organisé d'une manière compacte. On distingue les éléments suivants.

La chromatine est l'unité analytique du chromosome.

Le nucléosome est le niveau le plus simple de condensation de l'ADN. 200bp d'ADN sont enroulées autour d'un octamère de petites protéines, les histones (deux molécules de chaque : H2A, H2B, H3 et H4). 146bp font deux tours autour du noyau histone et le reste des bases relie ce nucléosome au suivant. L'enroulement est négatif.

Figure 1-20. Premier niveau de condensation de l'ADN.

La fibre de 30nm est une structure qui ressemble à un solénoide avec 6 nucléosomes par tour. La stabilité de cette structure est assurée par une cinquième histone H1.

 

 

Le chromosome

Le chromosome XE "chromosome" eucaryote comporte des structures essentielles à ses fonctions et au maintien de son intégrité. Il s'agit du centromère situé dans le chromosome et des télomères XE "télomères" situés aux extrémités du chromosome.

Un centromère est un ADN condensé qui est responsable de la ségrégation précise des chromosomes fils après la réplication de l'ADN. Pendant la mitose, le centromère se divise en sorte que les chromatides XE "chromatide" peuvent migrer aux pôles opposés de la cellule ;mais dans la première division de méiose XE "méiose" , le centromère ne se divise pas et rend solidaire les deux chromatides soeurs. Il ne se divisera que lors de la seconde division de méiose au moment de la migration des chromatides soeurs aux pôles opposés. C'est par un ou plusieurs sites (cinétochore) dans le centromère que le chromosome est fixé aux fibres du fuseau. Ce site est composé d'ADN interagissant avec des protéines. La séquence nucléique de ces régions est appelée CEN. Une unité CEN a environ 120bp de long et contient plusieurs sous domaines. Trois protéines interviennent dans le cinétochore (protéines CfbIII). Une mutation ponctuelle dans un des sous domaines de l'ADN peut abolir la fonction centromérique.

Les télomères sont indispensables pour la réplication et la stabilité des chromosomes et sont situés à leurs extrémités.Ils sont en général hétérochromatiques et contiennent des séquences répétées en tandem (dans le même sens) le motif répété est souvent de la forme(T/A_xG_y) avec x compris entre 1 et 4 et y supérieur à1.

espèce	motif télomérique
Arabidopsis	TTTAGGG
Homme	TTAGGG
Oxytricha	TTTTGGGG
Dyctiostelium	TAGGG
Tetrahymena	TTGGGG
Trypanosome	TAGGG
Levure (variable suivant les souches)	(TG)1-3TG2-3

Tableau 1-3. Séquence d'un motif télomérique en fonction de l'organisme.

Ce premier chapitre avait pour but de vous rappeler les points essentiels que vous avez déjà rencontrés au cours de vos études précédentes et qui nous seront utiles pour aller plus loin en génétique moléculaire et formelle. Les deux ne s'opposant pas mais se complétant.

Depuis 1866 les travaux de Mendel avaient proposé des hypothèses rendant compte des règles suivies lors de la transmission des caractères de génération en génération.

A partir de 1975, de nouvelles techniques ont fourni de nouveaux outils pour compléter les notions déjà acquises, les affiner et aller plus loin dans la compréhension du génome.