cours de biologie moléculaire

1-ETUDES COMPARE DE L’EXPRESSION CHEZ LES EUCARYOTES ET LES BACTERIES

L’information génétique portée par une séquence d’acides nucléiques, s’exprime sous forme de protéines et doit, de ce fait, être transformée en une séquence d’acides aminés. Ce processus

se déroule selon deux étapes principales, communes aux Eucaryotes et aux Eubactéries : la transcription et la traduction. Il existe cependant des spécificités pour chacun de ces deux

types d’organismes. Quels sont les points communs et les particularités de chacun d’eux ?

I. UNE MODALITÉ GÉNÉRALE D’EXPRESSION DES GÉNOMES,

COMMUNE AUX DEUX TYPES D’ORGANISMES

a) La transcription : passage de l’ADN à l’ARN

Séquences d’ADN impliquées dans la transcription ; schéma d’un gène eucaryote et d’un gène d’Eubactérie (éléments communs : promoteur, unité de transcription ; éléments

différents : séquences régulatrices distales chez les Eucaryotes, séquences de terminaison définies chez les Eubactéries).

Étapes de la transcription : initiation, élongation, terminaison.

b) La traduction : passage de l’ARNm à la protéine

Des acteurs communs : les ribosomes, le code génétique, les ARN de transfert, les facteurs

protéiques nécessaires à chacune des étapes.

Étapes de la traduction : initiation (mise en place des ribosomes à l’aide des facteurs d’initiation),

élongation et rôle des facteurs d’élongation, terminaison et notion de codon stop.

II. DES PROCESSUS SPÉCIFIQUES À CHAQUE TYPE D’ORGANISME

a) Les particularités liées à la spécificité cellulaire des deux types d’organismes

c Particularités liées à la compartimentation cellulaire : chez les Eubactéries, absence de compartimentation, la traduction est un processus cotranscriptionnel ; chez les Eucaryotes,

étapes régionalisées.

Particularités liées à l’organisation du matériel génétique : organisation des gènes procaryotes en opéron, synthèse d’un ARN polycistronique ; organisation du matériel génétique eucaryote sous forme de chromatine plus ou moins condensée et active.

b) Le déroulement spécifique de certaines étapes de l’expression des génomes

Spécificités de la transcription : ARN polymérases, intervention de facteurs protéiques lors de l’initiation (sigma chez les Eubactéries, les facteurs généraux chez les Eucaryotes),

terminaison : rho dépendante ou indépendante chez les Eubactéries, mal définie chez les Eucaryotes.

Cadre et objectifs. Il s’agit d’établir une comparaison entre les processus observés lors de l’expression du génome chez les Eucaryotes et les Eubactéries. Les Eubactéries représentent la majorité des Procaryotes ; elles sont opposées aux Archébactéries. On entend par « expression du génome », le passage du gène à la protéine ainsi que les processus de régulation mis en place.

Illustrations. Photos en microscopie électronique de cellules eucaryotes et procaryotes.

Particularités de l’initiation de la traduction : pour les Eucaryotes : rôle de la coiffe 5￠ ou des séquences IRES (internal ribosome entry ribosome) ; chez les Eubactéries, rôle de la séquence de Shine et Dalgarno.

c) Des étapes de maturation supplémentaires chez les Eucaryotes

Maturation des ARN pré-messager.

Maturation des protéines natives : modifications post traductionnelles et localisation cellulaire adéquate.

III. DES PROCESSUS DE RÉGULATION DE L’EXPRESSION DES GÈNES DIFFÉRENTS

a) Une régulation principalement transcriptionnelle chez les Eubactéries

Régulation au niveau de l’initiation de la transcription.

Modification du taux de base de transcription : régulation catabolique (ex : opéron

lactose).

Régulation au niveau de la terminaison de la transcription : répresseur et inducteur (ex :

opéron tryptophane).

b) Les différents niveaux de régulation chez les Eucaryotes

Régulation par modification du matériel génétique.

Régulation lors de la synthèse des ARN messager.

Régulation lors de la traduction.

IV. CONCLUSION

La plupart des étapes de l’expression des gènes sont communes aux Eucaryotes et aux Eubactéries.

Il existe cependant des étapes supplémentaires chez les Eucaryotes. Ces différences doivent être prises en compte lors de la production in vitro de protéines eucaryotes par un système

procaryote.

2-TRANSFERE DES GENE CHEZ LES BACTERIES

Les transferts de gènes horizontaux permettent un échange d’information génétique entre deux bactéries. Après avoir vu les principes de ces échanges, nous décrirons les différentes

modalités de transfert dont disposent les bactéries, pour terminer sur les conséquences de tels échanges.

I. PRINCIPES DU TRANSFERT DE GÈNES CHEZ LES BACTÉRIES

a) Caractéristiques du transfert horizontal de gènes

Transfert unidirectionnel : notion d’exogénote et d’endogénote.

Transfert partiel : une partie du génome est transférée.

b) Devenir de l’ADN transféré

Dégradation : système de restriction – modification permettant de protéger la bactérie contre l’introduction d’ADN étranger.

Intégration dans le génome de la cellule hôte par recombinaison homologue non réciproque.

Persistance sous forme d’un plasmide qui se réplique de façon autonome.

II. MÉCANISMES DE TRANSFERT DE GÈNES CHEZ LES BACTÉRIES

a) La conjugaison : transfert de gènes par contact direct entre deux bactéries

Mise en évidence expérimentale du transfert de gènes par conjugaison.

Mécanismes de la conjugaison.

b) La transformation : transfert d’ADN nu

Mise en évidence expérimentale du transfert de gènes par transformation : expérience de Griffith (1928) montrant le transfert de virulence entre souches de Streptococcus pneumoniae

: notion de principe transformant. Expérience de Avery, McLeod et McCarthy (1943) montrant que le principe transformant décrit par Griffith est de l’ADN.

Mécanisme de la transformation : conditions requises (ADN nu issu de bactéries lysées, bactérie receveuse = bactérie compétente), étapes de la transformation.

c) La transduction : transfert de gènes via un bactériophage

Mise en évidence expérimentale du transfert de gènes par transduction : expérience de Zinder et Lederberg (1951) sur mutants auxotrophes de Salmonella typhimurium.

Mécanismes mis en jeu : transduction généralisée, transduction spécialisée.

Cadre et objectifs. On se limitera aux transferts de gènes horizontaux spécifiques aux bactéries. On ne parlera pas

des transferts verticaux qui correspondent au transfert de la totalité du génome bactérien lors des divisions cellulaires ni des processus de transposition qui ne permettent pas un échange de gènes entre bactéries.

Illustrations. Photos de transfert de gène par conjugaison.

III. CONSÉQUENCES DU TRANSFERT DE GÈNES ENTRE BACTÉRIES ET APPLICATIONS

a) Évolution des espèces bactériennes

Acquisition de nouveaux gènes : multi-résistance aux antibiotiques.

b) Exploitation du transfert de gènes en biotechnologie

Cartographie des génomes par conjugaison interrompue.

Production de protéines recombinantes par transformation de cellules bactériennes à

l’aide d’un gène d’intérêt.

IV. CONCLUSION

Les transferts de gènes horizontaux permettent aux bactéries d’acquérir une certaine variabilité génétique. Ce dynamisme des génomes peut être accru par des transferts de gènes entre différentes régions d’un même chromosome bactérien. Ce dernier type de transfert correspond au déplacement d’éléments génétiques mobiles via un processus de transposition. Ce processus, cependant, ne permet pas un échange direct d’information génétique entre bactérie.

3-TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE AUCOUR DE LA DIVISION CELULLAIRE

Lors des divisions, les différents constituants cellulaires sont répartis de façon homogène entre les cellules. Il en est de même pour le matériel génétique. Quels sont les mécanismes

permettant la transmission équationnelle ou réductionnelle de l’information génétique ? Quels sont les liens entre la transmission de l’information génétique et les variabilités génétiques ?

I. DUPLICATION DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE : LA RÉPLICATION

a) Les caractéristiques de la réplication

Situation de réplication d’ADN : phase S du cycle cellulaire, avant la première division de méiose.

Caractéristiques de la réplication : semi-conservative, bidirectionnelle chez les Eucaryotes et les Eubactéries, asymétrique.

b) Les étapes de la réplication

Initiation : mise en place de la fourche de réplication.

Élongation et synthèse d’un nouveau brin d’ADN continu et d’un brin discontinu (fragment d’Okazaki).

Dégradation des amorces d’ARN et liaison des fragments d’Okazaki.

c) Le contrôle de la réplication

Contrôle de la fidélité de la réplication : spécificité de l’ADN polymérase pour les paires de bases, correction sur épreuve grâce à l’activité exonucléasique 3￠-5￠ de l’ADN polymérase ;

Coordination réplication et division cellulaire : chez les Eubactéries couplage assuré par l’accumulation de protéines DnaA et le taux de méthylation du chromosome bactérien, chez les Eucaryotes, intervention de complexes protéiques et de réactions de phosphorylation.

II. RÉPARTITION DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE ENTRE LES CELLULES

ET CONSERVATION DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE

a) La répartition de l’information génétique entre les cellules    

Répartition égale entre les cellules : lors de la mitose, lors de la première division de méiose, lors de la division bactérienne.

Répartition inégale entre les cellules lors de la deuxième division de méiose, obtention de cellules haploïdes.

Cadre et objectifs. Il s’agit de montrer les modalités de transmission de l’information génétique lors des divisions cellulaires en insistant sur la conservation de l’information et l’introduction de variations. On se limitera à l’ADN nucléaire chez les Eucaryotes et à l’ADN chromosomique chez les Eubactéries. Illustrations. Observation en microscopie optique de mitose et de méiose.

b) Les mécanismes à l’origine de la migration des chromosomes

lors des divisions cellulaires

Mise en place et dynamique du fuseau mitotique.

Interaction microtubule et cinétochore : mouvement des chromosomes.

III. VARIATION DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE LORS DE SA TRANSMISSION

a) Les erreurs de réplication et mutations

Différents types de mutations

b) La recombinaison et le brassage génétique

Crossing over et échange de matériel génétique : brassage intra-chromosomique

c) La ségrégation des chromosomes et la variabilité génétique

Ségrégation des chromosomes et brassage interchromosomique

Défaut de ségrégation et anomalie chromosomique (non-disjonction et trisomie 21).

IV. CONCLUSION

La transmission de l’information génétique lors des divisions cellulaires permet de conserver

l’information génétique entre générations. Des systèmes de réparation permettent par ailleurs

de conserver l’intégrité de l’information génétique au sein des cellules en dehors des processus

de division cellulaire. Leur fonctionnement est coordonné au déroulement du cycle cellulaire.
LA SOURCE : C’EST UN EXTRAIT DE :SCIENCES DE LA VIE POUR LE CAPES ET L’AGRÉGATION Daniel Richard Patrick Chevalet Nathalie Giraud Fabienne Pradere Thierry Soubaya

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