Cours : Structure, organisation, dynamique et polymorphisme du génome humain

Introduction

• Génome :
  • Ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce
  • Constitué d'acides nucléiques : ADN (ac. désoxyribonucléique) et ARN (ac. ribonucléique)
• Acides nucléiques :
  • Polymères de nucléotides liés entre eux par des liaisons phosphodiesters
• Nucléotide :
  • Formé d'un nucléoside (= base azotée liée à un sucre) et d'un groupement phosphate
• ADN : sucre = désoxyribose
  • 2 chaînes de désoxyribonucléotides appariées par des liaisons H (entre les bases azotées)
  • 2 liaisons entre A et T ; 3 entre C et G
  • Chaînes antiparallèles (orientation opposée), complémentaires (G/C ou A/T) et hélicoïdales
• ARN : sucre = ribose
  • Produit de transcription de l'ADN
  • Simple brin (sauf certains virus), ribose remplace désoxyribose, uracile remplace thymine

Organisation générale du génome humain

Génome humain = génome nucléaire + génome mitochondrial (extranucléaire)

Régions codantes (traduites en prot) ne représentent qu'un faible pourcentage du génome humain (exons = 1%)

• Chromatine :
  • Forme sous laquelle se présente l'ADN dans le noyau
  • Constituée d'ADN (35%) et de protéines (histones à 35% et non histones à 20%)
  • Structure hétérogène qui varie au cours du cycle cellulaire :
    • Euchromatine :
      • Décondensée pendant l'interphase, inclut majeure partie du génome
      • Forme transcriptionnellement active de l'ADN
    • Hétérochromatine :
      • Très condensée, inclut de nombreuses protéines non histones
      • Souvent transcriptionnellement inerte (contient ADN satellite et très peu de gènes)
• Nucléosome : unité structurale de la chromatine (premier niveau de compaction de l'ADN)

Gènes

Gènes :

• Segments d'ADN génomique porteurs d'une information génétique, transcrits en ARN et codant le plus souvent des protéines
• Incluent des séquences non codantes (introns) éliminées lors de l'épissage (maturation) du transcrit en ARNm
   
• 2 grandes catégories de gènes:
  • Gènes produisants ARN non codants :ARN de transfert (ARNt), ARN ribosomique (ARNr), ARN nucléolaires (snoRNA), petits ARN nucléaires (snRNA), micro ARN (miRNA)
  • Gènes produisants ARN codants : entre 20 000 et 25 000

/!\ pseudogènes : gènes inactifs qui ne peuvent être transcrits et traduits en protéines fonctionnelles
(suite à l'accumulation de mutations délétères)

• Différents éléments d'un gène :
  • Promotteur : région comportant le site d'initiation de la transcription et les sites de fixation des facteurs de transcription
  • Exon : partie qui persiste après maturation et épissage du transcrit primaire en ARNm (le plus souvent codant)
  • Intron : partie située entre 2 exons et qui est excisée lors de la maturation par épissage du transcrit primaire en ARNm

Par convention, un gène est représenté par son bras codant (= brin sens) et est orienté de 5' vers 3'
Nb : la séquence de l'ARNm (transcrit) est complémentaire du brin matrice (= brin antisens)

• Transcription :
  • Dans le noyau, assurée par l'ARN polymérase II
  • Synthèse d'ARN prémessager (= transcrit primaire)
  • Maturation en ARNm après maturation en 5' (coiffe), en 3'(clivage) et épissage (excision des introns)
• Traduction :
  • Dans le cytoplasme, synthèse de protéine à partir d'ARNm
  • Respect code génétique :
    • Universel
    • Dégénéré (différents codons pour un même AA)
    • Non ambigu (à 1codon correspond à 1AA)

Séquences répétées du génome humain

Environ 50% du génome humain est constitué de séquences répétées comprenant des séquences répétées en tandem et des séquences répétées dispersées

• Séquences répétées en tandem :
  Constituées de motifs répétés les uns derrière les autres (5'-GTGTGTGTGT-3')
  • ADN satellite :
    Longues séries pouvant atteindre 10Mb, situées dans les régions d'hétérochromatine (centromères)
  • SSRs (simple sequence repeats) :
    Comprend les minisatellites (jusqu'à 20kb) et microsatellites (<100pb)
     
• Séquences répétées dispersées :
  Majorité des séquences répétées ; représente 45% du génome nucléaire, éléments mobiles ou transposés
  • SINEs (short interspersed elements)
  • Rétropseudogènes
  • LINEs (long interspersed elements)
  • HERVs (human endogenous retrovirus)

Polymorphisme

Un gène peut exister sous deux ou plusieurs versions appelées allèles, qui diffèrent par leur séquence nucléotidique
Il existe des systèmes bi-alléliques (2 allèles) et des systèmes multi-alléliques (plusieurs allèles)

• Polymorphisme : Présence dans une population d'au moins deux allèles explorables par :
  • Analyse de l'ADN (polymorphisme nucléotidique)
  • Analyse des chromosomes (polymorphisme chromosomique)
  • Analyse du produit protéique (polymorphisme biochimique)

/!\ Contrairement aux mutations, les polymorphismes sont des variations génétiques qui n'ont pas de conséquences délétères

• Différents types :

  • Polymorphismes liés à une substitution nucléotidique (SNPs) :
    Remplacement au sein de la séquence nucléotidique d'un nucléotide par un autre
    Ils sont bi-alléliques, répartis sur l'ensemble du génome
     
  • Polymorphismes des séquences répétées en tandem (SSR) :
    Variation du nombre d'unités de répétition présentes au sein de la séquence
    Ils sont multi-alléliques
    Plus informatifs que les SNPs (renseignent sur transmission des allèles de génération en génération)
     
  • Polymorphismes de type copy number variation (CNV) :
    Variation du nombre de copies de segments d'ADN de grande taille et pouvant inclure des gènes