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BIOLOGIE MOLECULAIRE

1

ère

ANNEE PHARMACIE

20122012

1

20122012

Pr. Alami - Ouahabi Naïma

PLAN DU COURS

Chapitre.1Structure des acides nucléiques & relationsstructure / fonction.

Chapitre. 2Expression

génétique systèmes de régulation

Expression

génétique systèmes de régulation •Transcription& traduction •Cycle cellulaire & réplicationde l"ADN Chapitre. 3Systèmes de mutation& de réparationde l"ADN in vivo.

Chapitre. 4Biologie moléculaire ducancer

(Proto-oncogènes, oncogènes, apoptose & agents anti-cancer).

Chapitre. 5Biologie

moléculaire des virus, viroïdes prions

Biologie

moléculaire des virus, viroïdes prions (Analyse moléculaire & moyens génétique de diagnostique & de traitement). Chapitre. 6Outils, techniques & applications de biologiemoléculaire. OBJECTIFS DU COURS:Partie Biologie MoléculaireTransmettre à l"étudiant

1. Les bases essentielles de la Biologie Moléculaire.

2. Une compréhension spécifique des mécanismes

moléculaires clef & communs à différent organismes.

3. La capacité d"analyser ces différents processus

moléculaires.

4. La capacité de distinguer les processus

moléculaires ciblés à des fins thérapeutiques.

5. La capacité de sélectionner les outils

moléculaires nécessaires à ce ciblage thérapeutique thérapeutique

6. Une compréhensionglobale de l"importance des

techniques de Biologie moléculaire dans la pharmacologie, le diagnostique ainsi que la thérapie présente & future.

Chapitre. 1.

Structure des acides nucléiques & relations structure / fonction.

Objectifs:Objectifs:1. Connaître la structure des acides nucléiques;2. Savoir reconnaître les molécules simples dont ils sont

constitués;

3. Connaître leurs fonctions dans l"expression génétique.

I. Structure des acides nucléiquesLes acides nucléiques ont été isolés initialement desnoyaux des cellules. On peut en distinguer deux grandstypes:

•les acides désoxyribonucléiques (ADN): essentiellement localisés dans le noyau des cellules •les acides ribonucléiques (ARN) essentiellement •les acides ribonucléiques (ARN) essentiellement localisés dans le cytoplasme cellulaire. •Ces molécules biologiques (les acides nucléiques) contiennent l"information génétique. •Les acides nucléiques (ADNet ARN) sont des macromolécules composés de molécules simples et comportent des sous-unités appelées nucléotides. •Un nucléotide comporte trois composants: un ose, une base & de l"acide phosphorique.

1. 1. Ribose, désoxyribose

Bases puriques

Bases pyrimidiques

Nucléosides

Nucléotide AMP

Nucléotide GMP

Nucléotide CMP

Nucléotide UMP

Les Acides Nucléiques

Acide ribonucléique

Hybridation A - T

Hybridation G - C

Les polymères de nucléotides:La molécule d"ADNest constituée enrègle de deux chaînes (oubrins) de nucléotides. Les molécules d" ARNsont le plus souvent sousforme d"un seul brin forme d"un seul brin Structure de l"ARN en forme d" Epingle à cheveux (hair-pin loops) Les nucléotides des acides ribonucléiques peuvent quelquefois s"autohybrider en formant des structures secondaires

Acide désoxyribonucléique

La double hélice

Dans l"espace les deux brin d"ADN antiparallèles & complémentaireprésentent une configuration hélicoïdale.

Elles s"enroulent autour d"un axe imaginaire pour

constituer une double hélice à rotation droite (dans les formes A et B de l"ADN)

Sens de lecture d"un acide nucléique.

Par convention,

•on lit toujours un acide nucléique de l"extrémité 5" (groupement phosphate) vers l"extrémité 3" (OH libre). •on indique seulement La séquence des bases d"un ADN (A, T, G ou C), en précisant les extrémités 5" et 3". •Les

4nucléotides

de l"ADN avec les

4bases

(A, T, G ou C), •Les

4nucléotides

de l"ADN avec les

4bases

(A, T, G ou C), se combinent en une infinité de séquences de la même manière que les 7 notes de musique composent une infinité de symphonies.

La forme B de l"ADN

•La forme biologique la plus importante de l"ADN; •10 paires de bases par tour de spire; •Le pas de l"hélice 3,4 nm; •Le diamètre de l"hélice est de 2,4 nm; •Les bases puriques et pyrimidiques sont à l"intérieur de l"hélice l"intérieur de l"hélice •Les groupements phosphates et les désoxyriboses sont à l"extérieur; •Deux types de sillons appelés : sillon majeur (1,2 nmde large) et sillon mineur (0,6 nmde large).

La forme Z de l"ADN

•Double hélice à rotation gauche; •12 paires de bases par tour d"hélice; •Le pas d"hélice est 4,6 nm; •Diamètre de l"hélice est plus petit 1,8 nm; •Les bases sont enchaînées avec une alternance de •Les bases sont enchaînées avec une alternance de conformation; •Le Z-ADNa été décelé dans des chromosomes de mammifères; •Fonction précise mal connue, (régulation structurale de l"expression génétique).

Propriétés physico-chimiques de l"ADN.

•A la température Tm(de fusion), l"ADN est dénaturé; •La dénaturation est réversible dans certaines conditions;

•Elle entraîne des modifications physico-chimiques: Augmentation de l"absorption dans l"ultra-violet,diminution de la viscosité, augmentation de la

densité. •Tmvarie selon le pourcentage de bases (G+C) de l"ADN étudié;

•La présence des bases puriques et pyrimidiques permet aux acides nucléiques (ADN et ARN) d"absorber dans l"ultra-violet (UV) à 260 nm.

Les topoisomères sont deux molécules d"ADNqui ont la même séquence & diffèrent uniquement par le nombre d"enlacements ( superenroulement ou le nombre de tours que fait l"un des brins autour de l"autre brin). Il existe Différents états des topoisomères.

I LA CONFORMATION DES ADN LES

TOPOISOMÈRES.

L"ADNpeut exister:

à l"état relâché avec une contrainte minimale dans la molécule. C"est la forme la plus stable de la molécule.

Cependant, l"axe de la double hélice d"ADNpeut

s"enrouler sur lui-même en formant un super enroulement. Deux formes de superenroulement sont alors possibles: -Un superenroulement qui correspond à: une augmentation du nombre d"enroulements dans la même direction que la rotation de l"hélice B (rotation droite).

On parle de superenroulement positif.

-Un superenroulement de l"ADN autour de son axe dans la direction

opposée au sens des aiguilles d"une montre. Il y a donc au niveau de l"ADN relâchement de la pression de Il y a donc au niveau de l"ADN relâchement de la pression de torsion. On parle de superenroulement négatif.Le superenroulement de l"ADN a des conséquences importantes:

- Il permet de le rendre plus compact et diminuer ainsi le volume occupé dans la cellule. - Ces modifications du degré d"enroulement de la double hélice d"ADN influencent les interactions de l"ADN avec d"autres molécules (protéines qui régulent l"expression génétique).

LES TOPOISOMÉRASES

Les topoisomérases sont des enzymes qui modifient le nombre d"enlacements. Elles augmentent ou diminuent le nombre de supertours dans les molécules d"ADN double brin. Les topoisomérases de type I: Coupent transitoirement et

ressoudent un seul brin d"ADN double brin. Ils peuvent ressoudent un seul brin d"ADN double brin. Ils peuvent agir sur de l"ADN superenroulé positif ou négatif.Les topoisomérases II : coupent de manière transitoire

les deux brins de l"ADN, puis les ressoudent et agissent uniquement sur l"ADN superenroulé négatif (exemple: gyrase bactérienne). Les topoisomérases I & II permettent de désenrouler (relacher) l"ADN.

Les deux types de topoisomérases ont uneimportance capitale dans la réplication , latranscription et la recombinaison de l"ADN. chez les

procaryotes et les eucaryotes.Ces enzymes sont

également

la cible d"agents

Rôle des topoisomérases

Ces enzymes sont

également

la cible d"agents médicamenteux, soit par exemple : •les agents anti-bactériens de la classe des quinolones qui inhibent les gyrases bactériennes •ou les agents anti-cancéreux, (le taxol )qui agissent en tant que anti topo isomérases I. Exemple de poison anti topoisomérase I : ts HMG

STRUCTURE DE LA CHROMATINE

Condensation de la chromatine dans les cellules

somatiques la molécule d"ADNnucléaire est fortement associée à desprotéines pour constituer la chromatin e. protéines pour constituer la chromatin e.

Les complexes protéines-ADNsont appelés

nucléosome s. Le nucléosome contient de l"ADNenroulé autour d"un " core » constitué de 8 protéines appelées histone s

2x (H2A H2B, H3 et H4).

Les histones sont des protéines de petit poids moléculaire(11-14 k Da);Les histones sont riches en acides aminés basiques (+);L"histone H1 n"appartient pas au nucléosome, mais permet lecontact entre deux nucléosomes.L" enroulements successif de 6 nucléosomes forme des structuresde

type solénoïde de type solénoïde Les solénoïdes forment des domaines (boucles de solénoïdes) de

60 kb (60. 000 pb).

Les boucles de solénoïdes s"enroulent ou s"empilent afin de former une mini bande chromosomale Les mini bandes s"empilent pour former un chromosome

Chez l"homme :•3 109pb,

•100.000 gènes, •46 chromosomes (2 x 23)

Le projet du Génome Humain

le séquençage completdes 3 109pb en juin 2001

Condensation de la chromatine dans les

spermatides •la spermiogenèse (maturation de la spermatide en spermatozoïde); •Changements morphologiques et physiologiques de la spermatide; •s"accompagnent de changements drastiques au niveau nucléaire; •Les histones somatiques sont remplacées par des protéines tsHMG et des protamines; •Changement de la structure de la chromatine; •Augmentation de la condensation de l"ADN spermatique; •Inhibition de l"expression génétique transcription & traduction; •Autre model de la structure de la chromatine; •Assure transport sans danger du patrimoine génétique vers l"ovule. Les travaux de recherche in vitro effectués sur la protéine tsHMG par N. Alami-Ouahabi & al, ont montré que cette nouvelle protéine nucléaire est impliquée dans: •La condensation et superenroulement de l"ADN; •L"inhibition de la transcription donc de l"expression

génétique & de l"activité de division cellulaire;génétique & de l"activité de division cellulaire;•Ces travaux ont également montrés que tsHMG agit

comme agent anti topoisomerase I; •Pourrait être un potentiel agent anticancer pour les traitements par Thérapie Génique.

LES TÉLOMÈRES.

Les télomères constituent les extrémités des chromosomes eucaryotes. Ils sont formés par des séquences répétitives d"ADN. A l"extrémité 3" des chromosomes, on retrouve des copies répétées

de séquences de type TTGGGG (retrouvées chez un protozoaire cilié: Tétrahymena) ou TTAGGG (retrouvées chez l"Homme).cilié: Tétrahymena) ou TTAGGG (retrouvées chez l"Homme).A l"extrémité 5", on a les séquences complémentaires riches en

cytosine. Le problème majeur lors de la réplication de l"ADN est l"élimination potentielle de l"amorce d"ARN la plus externe ce qui pourrait entraîner un raccourcissement de l"ADN à chaque cycle de réplication. La protection des extrémités des chromosomes des eucaryotes est assurée par une enzyme spécifique: la télomérase.

TÉLOMÈRASE

La réplication de l"ADN à l"extrémité des chromosomes eucaryotes fait donc intervenir une enzyme particulière appelée téloméras e. Cette enzyme ajoute des séquences spécifiques en 3" d"un brin d"ADN. La télomérase va se positionner à l"extrémité 3" du brin d"ADN. La télomérase possède une matrice qui lui est propre et qui est une matrice d"AR

N, elle va se fixer à l"extrémité 3":

(3" brin parental + télomérase) Une répétition de motifs: TTGGGG est synthétisée.

Elle constitue

le télomèr e. Pour synthétiser le brin télomère complémentaire riche en C, une primase interviend avec synthèse d"une amorce d"ARN par copie de l"extrémité 3". Puis l"ADN polymérase allonge la chaîne à partir de l"amorced"ARN.

Finalement, une ligase assure la soudure finale.

L"activité des télomérases est très réduite ou nulle dans les cellulesnormales en culture .Après plusieurs réplications, les chromosomes normales en culture .Après plusieurs réplications, les chromosomes perdent leurs télomères et deviennent instables. Par contre dans les cellules cancéreuses, l"activité des télomérases est augmentée. Les télomères ainsi que les gènes & les activités des télomérases ont un intérêt primordial dans la recherche des phénomènes moléculaires de vieillissement, de longévité & d"immortalité cellulaire.

TERMES CLE EN BIOLOGIE

MOLECULAIRE

I.6. PSEUDOGENESCertains gènes apparus par duplication au cours del"évolution ont subi des mutations génétiques(substitutions, insertions, délétions, etc...) qui empêchent la

transcription ou la traduction;

Exemple: (codon Stop prématuré)

Il en résulte que même si la transcription conduit à un ARNmessager, celui-ci ne peut être traduitCe codon stop prématuré à transformé le gène fonctionnel enpseudo gène non traduit.

Au cours de l"évolution des espèces, le génome s"agranditcontinuellement par suite deduplications

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