Génome des cellules et des virus, transmission de l'information génétique

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

La notion de génome

Le génome d'une cellule est l'ensemble des molécules d'ADN qu'elle contient et l'information qu'elles portent. Il ne se réduit pas aux gènes. Une grande partie des séquences ne code aucune protéine.

On distingue dans une séquence les régions codantes, qui correspondent à des cadres de lecture traduits en protéines, et les régions non codantes. Parmi ces dernières figurent les séquences régulatrices, les séquences transcrites en ARN non messagers, les introns, les séquences répétées, les séquences issues d'éléments transposables. La proportion de séquences codantes est un critère de comparaison majeur entre groupes.

Le génome des bactéries

Chez les bactéries, le matériel génétique est cytoplasmique, sans enveloppe nucléaire. Il est constitué d'un chromosome circulaire unique, associé à des protéines structurales que le programme demande seulement de mentionner. S'y ajoutent éventuellement des plasmides, petites molécules d'ADN circulaires, réplicables de façon autonome, porteuses de gènes accessoires comme des gènes de résistance aux antibiotiques.

Le génome bactérien est presque exclusivement constitué de régions codantes. Les gènes ne sont pas morcelés. Certains gènes fonctionnellement liés sont regroupés sous le contrôle de séquences régulatrices communes, ce qui forme un opéron. Le programme limite cette présentation à la structure de l'opéron lactose d'Escherichia coli, avec ses gènes de structure placés à la suite les uns des autres et leur région régulatrice en amont.

Le génome des Eucaryotes

Chez les Eucaryotes, on distingue le génome nucléaire et le génome des organites semi-autonomes, mitochondries et plastes. Ce dernier est constitué de molécules d'ADN circulaires, en plusieurs exemplaires par organite, ce qui rappelle l'organisation bactérienne.

Le génome nucléaire est réparti en chromosomes linéaires, en nombre fixe pour une espèce. L'ADN nucléaire est associé à des protéines, dont les histones, l'ensemble formant la chromatine. Cette association permet une compaction considérable et existe à plusieurs niveaux de condensation. On observe ainsi de la chromatine peu condensée, accessible, et de la chromatine très condensée, notamment dans les chromosomes métaphasiques.

Le génome nucléaire eucaryote contient une part importante de séquences non codantes, aux rôles divers, dont la majorité est répétée. Les gènes eucaryotes sont généralement morcelés, c'est-à-dire faits d'exons et d'introns.

Un chromosome métaphasique se schématise ainsi. Il comporte deux chromatides identiques, reliées au niveau du centromère, région de séquence particulière. De part et d'autre du centromère se trouve le kinétochore, complexe protéique sur lequel s'attachent les microtubules du fuseau. Les extrémités de chaque chromatide portent les télomères.

Les virus

Un virus, ou particule virale, est une entité nucléoprotéique. Il comprend un génome fait d'un acide nucléique, ADN ou ARN, simple ou double brin selon les cas, et des protéines. Certaines ont un rôle structural et forment la capside. D'autres ont un rôle enzymatique, par exemple des polymérases. Certains virus possèdent en outre une enveloppe lipoprotéique dérivée des membranes de la cellule hôte.

Un virus ne possède ni machinerie de traduction, ni métabolisme propre. Il ne se multiplie qu'en détournant celle d'une cellule hôte, ce qui justifie qu'on ne le considère pas comme une cellule.

Le programme demande d'illustrer la diversité structurale et la diversité d'hôte à partir de trois exemples, sans monographie. Le bactériophage lambda a un génome à ADN double brin, une capside et une queue, et infecte une bactérie. Le virus de la mosaïque du tabac a un génome à ARN, une capside hélicoïdale allongée, pas d'enveloppe, et infecte une plante. Un coronavirus zoonotique a un génome à ARN de grande taille, une enveloppe lipoprotéique portant des protéines de surface, et infecte des Vertébrés, avec passage possible d'une espèce à une autre.

La réplication semi-conservative

Chez les Eucaryotes, l'ADN est dupliqué au cours de la phase S de l'interphase, qui précède toute division. La réplication est semi-conservative. Chacune des deux molécules filles comporte un brin hérité de la molécule mère et un brin néosynthétisé.

Elle est assurée par des ADN polymérases. Le programme en retient trois propriétés, et seulement celles-là.

Première propriété, une ADN polymérase ne sait pas démarrer une chaîne. Elle allonge une amorce déjà appariée sur la matrice.

Deuxième propriété, elle ajoute chaque nucléotide en respectant la complémentarité des bases avec le brin matrice, A face à T et G face à C.

Troisième propriété, elle ne synthétise que dans le sens 5' vers 3'. Le nucléotide entrant est ajouté sur l'extrémité 3' libre de la chaîne en cours. Comme les deux brins de la matrice sont antiparallèles, les deux brins néosynthétisés ne progressent pas de la même façon par rapport à l'ouverture de la double hélice.

La réplication a un taux d'erreur très faible, de l'ordre de une erreur pour 10⁹ à 10¹⁰ nucléotides incorporés après correction. C'est ce qui assure la conservation globale de l'information génétique d'une génération cellulaire à la suivante. Les mécanismes de correction et de réparation ne sont pas au programme, seul l'ordre de grandeur du taux d'erreur est exigible.

De la réplication à l'amplification in vitro

La connaissance des ADN polymérases a permis de concevoir l'amplification en chaîne par polymérase. Le raisonnement se déduit des trois propriétés précédentes.

Il faut une matrice, donc l'ADN à amplifier. Il faut des amorces, ce sont deux oligonucléotides courts, complémentaires des extrémités de la région à amplifier, chacun sur un brin, orientés de façon à ce que la synthèse aille vers l'intérieur de la région. Il faut les quatre désoxyribonucléotides triphosphate et une ADN polymérase résistante à la chaleur.

Un cycle comporte trois étapes. Une dénaturation par chauffage vers 95 degrés Celsius sépare les deux brins. Un refroidissement vers 50 à 65 degrés Celsius permet l'hybridation des amorces. Une phase d'élongation vers 72 degrés Celsius laisse la polymérase synthétiser le brin complémentaire. Le nombre de copies de la région ciblée double environ à chaque cycle, ce qui donne une amplification de l'ordre de 2 puissance n après n cycles. Trente cycles suffisent pour passer de quelques molécules à une quantité détectable.

La spécificité de la réaction repose entièrement sur le choix des amorces, donc sur la connaissance préalable d'une partie de la séquence.

Le cycle cellulaire et son contrôle

Le cycle cellulaire d'une cellule eucaryote comporte une interphase et une mitose. L'interphase se subdivise en phase G1, phase S pendant laquelle l'ADN est répliqué, et phase G2. La phase M comprend la mitose, division du noyau, et la cytocinèse, séparation des deux cellules.

Le cycle est contrôlé. Le passage d'une étape à la suivante dépend de signaux extracellulaires et de facteurs internes, en particulier liés à l'intégrité de l'information génétique. Le programme demande seulement de signaler l'existence de points de contrôle dont le franchissement autorise la poursuite du cycle, sans aucun détail moléculaire.

La mitose

Les chromosomes répliqués, à deux chromatides, se condensent progressivement au cours de la prophase. L'enveloppe nucléaire se rompt et un fuseau de division se met en place, constitué de microtubules organisés à partir de deux pôles.

En métaphase, les chromosomes sont alignés dans le plan équatorial, chaque chromatide étant reliée par son kinétochore à des microtubules issus d'un pôle opposé. En anaphase, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent et migrent vers des pôles opposés. En télophase, les lots chromosomiques se décondensent et les enveloppes nucléaires se reconstituent.

Le résultat est une répartition égale de l'information génétique. Chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome, donc le même nombre de chromosomes et les mêmes allèles que la cellule mère. La mitose est conforme.

La cytocinèse diffère selon les groupes. Chez les Métazoaires, un anneau contractile d'actine et de myosine étrangle la cellule depuis la périphérie vers le centre. Chez les Embryophytes, la paroi interdit ce mécanisme et une nouvelle paroi se construit du centre vers la périphérie à partir de vésicules golgiennes alignées par le phragmoplaste.

La méiose

La méiose est une succession de deux divisions précédées d'une seule interphase, donc d'une seule réplication. Elle fait passer d'une cellule mère diploïde à quatre cellules filles haploïdes.

La première division est réductionnelle. Les chromosomes homologues s'apparient en prophase I, puis se séparent en anaphase I. Chaque cellule fille reçoit un seul homologue de chaque paire, mais celui-ci comporte encore deux chromatides. La seconde division est équationnelle et ressemble à une mitose. Les deux chromatides de chaque chromosome se séparent.

La méiose est une étape de la formation des gamètes chez les Métazoaires et des méiospores chez les Embryophytes. Elle est aussi source de brassage génétique, brassage interchromosomique lié à la répartition aléatoire des homologues en anaphase I et brassage intrachromosomique lié aux échanges entre chromatides d'homologues en prophase I. Ces brassages, acquis du lycée, sont repris et développés en deuxième année.

Exemples et objets de référence

Ordres de grandeur de taille de génome. Un virus possède quelques milliers à quelques centaines de milliers de paires de bases. Une bactérie comme Escherichia coli possède environ 4,6 millions de paires de bases pour de l'ordre de 4 000 gènes. Le génome humain compte environ 3,2 milliards de paires de bases par lot haploïde pour un nombre de gènes codant des protéines de l'ordre de 20 000.

Proportion de séquences codantes. Elle est très élevée chez les virus et chez les bactéries, souvent supérieure à 85 pour cent. Elle est faible chez les Eucaryotes pluricellulaires, quelques pour cent chez l'être humain. Cette comparaison est demandée explicitement par le programme et se déduit très simplement des chiffres précédents, en multipliant le nombre de gènes par une taille moyenne de région codante et en rapportant à la taille du génome.

Durée des phases du cycle. Pour une cellule animale en culture qui se divise en 24 heures, l'ordre de grandeur est de quelques heures pour la phase S et de moins d'une heure pour la mitose, le reste étant occupé par G1 et G2. La phase G1 est la plus variable.

Schémas à savoir refaire. Le chromosome métaphasique légendé avec centromère, télomères, kinétochore et les deux chromatides. La fourche de réplication avec la matrice ouverte, les polarités indiquées sur chaque brin, l'amorce et le sens de synthèse. Le schéma des cycles de la réaction d'amplification avec la position des deux amorces. Les quatre stades de mitose et les stades clés de méiose, avec un nombre réduit de chromosomes, par exemple deux paires, pour rester lisible.

Méthodes et savoir-faire

L'électrophorèse d'ADN est la seule technique dont la mise en œuvre pratique est exigible. Un gel, souvent d'agarose, est soumis à un champ électrique. L'ADN est chargé négativement à cause de ses groupements phosphate, il migre donc vers l'anode. À charge par unité de longueur constante, la vitesse de migration dépend de la taille du fragment. Les petits fragments migrent loin, les grands restent près du puits. On dépose en parallèle un marqueur de taille, mélange de fragments de tailles connues, qui sert d'étalonnage. La lecture consiste à comparer la position des bandes d'un dépôt inconnu à celles du marqueur.

Le séquençage par la méthode de Sanger est le seul principe de séquençage exigible. On réalise une synthèse d'ADN à partir d'une amorce, en présence des quatre nucléotides normaux et d'une faible proportion de nucléotides terminateurs, dépourvus de l'extrémité 3' nécessaire à l'ajout du nucléotide suivant. Chaque fois qu'un terminateur est incorporé, la synthèse s'arrête. On obtient un mélange de fragments de toutes les longueurs possibles, chacun terminé par un terminateur identifiable, par exemple par un marquage fluorescent propre à chaque base. Une séparation par taille permet alors de lire la séquence de proche en proche.

L'alignement de séquences consiste à placer deux ou plusieurs séquences l'une sous l'autre, en introduisant si besoin des trous, de façon à maximiser le nombre de positions identiques. On en tire un pourcentage d'identité et la localisation des différences. Le programme précise que la maîtrise d'un logiciel n'est pas exigible et que sa fiche technique est fournie.

L'identification bioinformatique de séquences repose sur la recherche de motifs caractéristiques. On cherche un cadre de lecture ouvert, c'est-à-dire une suite de codons sans codon stop entre un codon initiateur et un codon de terminaison, ainsi que des séquences régulatrices reconnaissables en amont. La comparaison à des bases de données de séquences déjà annotées permet ensuite de proposer une fonction.

Estimer la durée des phases du cycle. Le raisonnement type part d'un comptage de cellules dans chaque phase sur une population en division non synchronisée. La proportion de cellules observées dans une phase est proportionnelle à la durée de cette phase. On peut aussi exploiter un marquage de l'ADN néosynthétisé ou une mesure de la quantité d'ADN par cellule, qui double au cours de la phase S.

Repérer les phases de mitose et de méiose en microscopie. On raisonne sur l'état de condensation, la position des chromosomes par rapport à l'équateur, la présence ou non d'une enveloppe nucléaire, le nombre de chromatides par chromosome. Une coloration du matériel génétique et l'observation d'un méristème racinaire ou d'une anthère sont les supports usuels.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

• Refaire un tableau comparatif à trois colonnes, bactérie, Eucaryote, virus, avec localisation, forme et nombre de molécules d'ADN, nature de l'acide nucléique, proportion de séquences codantes, morcellement des gènes.
• Refaire le schéma légendé d'un chromosome métaphasique et savoir dire à quel moment du cycle un chromosome possède une ou deux chromatides.
• Déduire le principe de l'amplification en chaîne par polymérase des trois propriétés des ADN polymérases, sans réciter un protocole.
• Expliquer pourquoi la mitose est conforme, en s'appuyant sur l'attachement des kinétochores de chaque chromatide à des pôles opposés.
• Expliquer comment la méiose divise par deux le nombre de chromosomes, en insistant sur l'unique réplication précédant deux divisions.
• Interpréter un profil d'électrophorèse avec marqueur de taille, y compris pour vérifier la taille d'un produit d'amplification.
• Piège fréquent, confondre semi-conservative et semi-discontinue. Le caractère semi-conservatif concerne le devenir des brins parentaux. La discontinuité de synthèse sur un des brins est une conséquence de la polarité.
• Piège fréquent, dire qu'un virus est une cellule ou qu'il possède un métabolisme. Autre piège, annoncer un nombre de gènes en confondant gènes et paires de bases.

Notions et mécanismes clés

• Génome : ensemble des molécules d'ADN d'une cellule et information qu'elles portent. Ne pas le confondre avec l'ensemble des gènes.
• Gène morcelé : succession d'exons, conservés dans l'ARN mature, et d'introns, éliminés. C'est la règle chez les Eucaryotes et l'exception chez les bactéries.
• Opéron : plusieurs gènes contigus sous le contrôle d'une région régulatrice commune. Pour l'opéron lactose, cela donne dans l'ordre un promoteur, un opérateur, puis les gènes lacZ, lacY et lacA.
• Plasmide : petite molécule d'ADN circulaire bactérienne, répliquée indépendamment du chromosome, non indispensable en conditions standard.
• Chromatine : complexe ADN et protéines, dont les histones. On retient des niveaux de condensation croissants, depuis la fibre de nucléosomes jusqu'au chromosome métaphasique.
• Euchromatine et hétérochromatine : chromatine peu condensée, accessible à la transcription, et chromatine très condensée, peu accessible.
• Génome des organites : ADN circulaire, en plusieurs copies, codant quelques dizaines à une centaine de gènes. Cette parenté avec les bactéries sert d'argument à l'origine endosymbiotique.
• Particule virale : acide nucléique et capside protéique, parfois une enveloppe lipoprotéique prise à l'hôte. Elle n'a ni ribosome ni métabolisme.
• Chromatide : une molécule d'ADN condensée. Un chromosome a une chromatide en G1 et deux chromatides de la fin de la phase S jusqu'à l'anaphase.
• Ploïdie : nombre de lots de chromosomes (n ou 2n). La quantité d'ADN (Q ou 2Q) est une autre grandeur. Les deux ne varient pas aux mêmes moments.
• Réplication semi-conservative : chaque molécule fille garde un brin parental.
• Réplication semi-discontinue : sur un brin, la synthèse est continue. Sur l'autre, elle se fait par fragments successifs, chacun sur sa propre amorce. C'est une conséquence de l'antiparallélisme.
• Point de contrôle : étape du cycle dont le franchissement est conditionné à des signaux externes ou à l'intégrité de l'ADN.
• Division réductionnelle et division équationnelle : la première sépare des homologues, la seconde sépare des chromatides.

Chaînes de raisonnement

Des propriétés de l'ADN polymérase à la PCR. La polymérase allonge une amorce, donc il faut fournir deux oligonucléotides qui encadrent la région d'intérêt. Elle copie une matrice simple brin en respectant la complémentarité, donc il faut dénaturer l'ADN par la chaleur à chaque cycle. D'où l'emploi d'une enzyme thermostable. Elle ne synthétise que de 5' vers 3', donc les deux amorces doivent pointer l'une vers l'autre, sinon aucune copie ne recouvre la région.

De l'antiparallélisme à la synthèse discontinue. Dans une fourche, les deux brins matrices ont des polarités opposées. Le brin néosynthétisé qui progresse dans le sens d'ouverture de la fourche est allongé en continu. L'autre doit être synthétisé à rebours, par fragments qui démarrent chacun sur une nouvelle amorce à mesure que la fourche avance.

Du faible taux d'erreur à la conservation de l'information. Un taux d'environ une erreur pour 10⁹ nucléotides, appliqué à un génome diploïde humain d'environ 6 × 10⁹ paires de bases, donne quelques erreurs par division. Comme moins de 2 % du génome est codant, la plupart de ces erreurs tombent hors des séquences codantes. L'information est donc conservée globalement, mais pas parfaitement. C'est la source des mutations étudiées en deuxième année.

De la structure du chromosome à la mitose conforme. Après la phase S, les deux chromatides sœurs sont identiques et restent unies au centromère. En métaphase, le kinétochore de chacune est relié à un pôle différent. En anaphase, la séparation envoie donc exactement une copie de chaque molécule vers chaque pôle. Chaque cellule fille reçoit le même génome que la cellule mère.

D'une réplication pour deux divisions à l'haploïdie. La méiose ne compte qu'une phase S pour deux divisions, donc la quantité d'ADN passe de 2Q à Q/2. La division I sépare les homologues appariés : chaque cellule reçoit n chromosomes et devient haploïde dès ce moment. La division II sépare les chromatides : le nombre de chromosomes ne change pas, seule la quantité d'ADN diminue de moitié.

De la taille du génome à la proportion codante. On multiplie le nombre de gènes par la longueur moyenne d'une séquence codante, puis on rapporte ce produit à la taille du génome. Chez une bactérie, gènes non morcelés et rares intergènes donnent une proportion proche de 90 %. Chez l'être humain, introns, séquences répétées et éléments transposables la font tomber à environ 1 à 2 %.

Exemples et références à connaître

1. Expérience de Meselson et Stahl, fin des années 1950. Des bactéries cultivées en azote lourd sont transférées en azote léger, puis leur ADN est séparé par densité. C'est la démonstration de référence de la réplication semi-conservative.
2. Escherichia coli : environ 4,6 millions de paires de bases, un peu plus de 4 000 gènes, avec une taille moyenne de séquence codante proche de 1 000 paires de bases.
3. Génome humain : environ 3,2 milliards de paires de bases par lot haploïde, environ 20 000 gènes codant des protéines, 2n = 46. Déroulé, l'ADN d'un noyau mesure environ 2 mètres pour un noyau de l'ordre de 10 micromètres, ce qui justifie la compaction.
4. ADN mitochondrial humain : environ 16 500 paires de bases, circulaire, 37 gènes. ADN chloroplastique : de l'ordre de 150 000 paires de bases. Ce sont les valeurs à citer pour la comparaison avec les bactéries.
5. Bactériophage lambda : ADN double brin d'environ 48 500 paires de bases, tête icosaédrique et queue, sans enveloppe, hôte E. coli.
6. Virus de la mosaïque du tabac : ARN simple brin d'environ 6 400 nucléotides, bâtonnet hélicoïdal d'environ 300 nm de long, sans enveloppe, hôte végétal.
7. Coronavirus zoonotique (par exemple le SARS-CoV-2) : ARN simple brin d'environ 30 000 nucléotides, particule enveloppée d'environ 100 nm hérissée de protéines de surface, hôtes Mammifères, franchissement de la barrière d'espèce.
8. Expériences de fusion cellulaire. Une cellule en phase S fusionnée avec une cellule en G1 fait entrer précocement le noyau G1 en réplication. Une cellule en mitose fusionnée avec une cellule en interphase provoque une condensation prématurée des chromosomes du noyau interphasique. C'est la référence pour montrer l'existence de facteurs de contrôle diffusibles.
9. Méristème racinaire d'oignon ou d'ail, anthère de lis : supports classiques d'observation de la mitose et de la méiose.
10. PCR : 30 cycles donnent un facteur théorique de 2³⁰, soit environ 10⁹.

Techniques

Lire un gel d'électrophorèse

Dans un domaine de tailles donné, la distance de migration est à peu près une fonction affine du logarithme de la taille. On trace donc la courbe d'étalonnage en papier semi-logarithmique à partir du marqueur, puis on y reporte les bandes inconnues.

Mini-exemple. Le marqueur donne 1 000, 500 et 250 paires de bases à 2, 3 et 4 cm du puits. Chaque centimètre divise la taille par deux. Une bande à 3,5 cm correspond donc à environ 500 divisé par √2, soit environ 350 paires de bases. Une interpolation linéaire en taille, qui donnerait 375, est la faute classique.

Lire un résultat de séquençage de Sanger

On classe les fragments du plus court au plus long. La base terminale de chacun donne, dans l'ordre, la séquence du brin néosynthétisé de 5' vers 3'. Le brin matrice est le complémentaire, lu en sens inverse.

Mini-exemple. Les fragments de 1, 2, 3 et 4 nucléotides après l'amorce se terminent par C, A, T et G. Le brin synthétisé est 5' CATG 3'. La matrice porte 3' GTAC 5', soit 5' CATG 3' : l'exemple est palindromique, mais le raisonnement reste obligatoire.

Chercher un cadre de lecture ouvert

On repère un ATG, puis on lit codon par codon jusqu'au premier codon stop (TAA, TAG ou TGA) dans la même phase. Sur un génome réel, on explore les six phases possibles, trois par brin.

Mini-exemple. Dans 5' GCATGAAACCCTTTGGGTAGC 3', l'ATG débute en position 3. La lecture donne ATG AAA CCC TTT GGG TAG, soit Met, Lys, Pro, Phe, Gly, puis stop. Ce cadre est trop court pour un vrai gène, mais la démarche est la bonne.

Aligner deux séquences et interpréter les différences

On compte les positions identiques et on divise par la longueur alignée. On localise ensuite les différences par rapport au cadre de lecture.

Mini-exemple. ATGGCTTACGATCCTGAAGC contre ATGGCTTTCGATCCAGAAGC. On trouve 18 identités sur 20, soit 90 % d'identité. La différence au troisième codon (TAC devient TTC) remplace une tyrosine par une phénylalanine. Celle du cinquième codon (CCT devient CCA) conserve la proline : elle est silencieuse.

Estimer la durée d'une phase

Sur une population asynchrone, la fraction de cellules observées dans une phase approche la fraction du cycle occupée par cette phase. On multiplie donc cette fraction par la durée totale du cycle. C'est une approximation, suffisante pour un ordre de grandeur.

Schéma de division

On représente 2n = 4, avec deux paires de tailles différentes et deux couleurs pour l'origine paternelle et maternelle. On indique pour chaque stade le nombre de chromosomes, le nombre de chromatides par chromosome et la quantité d'ADN. Le fuseau et les pôles doivent figurer, sans détail moléculaire.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes