Galacidalacidesoxyribonucleicacid : Salvador Dali

1. Galacidalacidesoxyribonucleicacid : Salvador Dali

2. Aux origines de la vie : Hypothèses et probabilités ( 1ere partie ) I/ Les difficultés à définir la vie II/ Les limites entre vie et inerte III/ Mécanismes biochimiques de la vie IV/ Les expériences de vie synthétique

3. Définir la vie reste un sujet de controverses Aristote : « Nous entendons par la vie le fait de se nourrir, de croître, de dépérir par soi-même «  « La vie est un système auto entretenu, capable d ’évolution Darwinienne »

4. Les définitions de la vie soulèvent des critiques: Les spores Les cellules congelées dans l'azote liquide Les globules rouges

5. Les frontières entre l'inerte et le vivant prêtent à discussion - 1971, découverte des viroides Théodor Diener

6. Les virus sont ils des êtres vivants ? ADN Capside Le mimivirus A l'origine de la vie les virus ont ils inventé l'ADN ?

7. Comment donc définir la vie ? "La vie est ce qui est commun à tous les êtres vivants" Christian de Duve

8. 3 conditions sont nécessaires aux réactions chimiques de la vie : 1 / Des matières premières : -Eau -Acides aminés -Bases azotées -Acides gras -Sucres 2 / De l'énergie : Réactions d'oxydo-réductions : La source d'énergie universelle du monde vivant est l'ATP : 3 / Des catalyseurs ou enzymes

9. Importance des protéines Acide aminé Carboxyle Amine Chaîne latérale Configuration tridimensionnelle des chaînes protéiques Polymérisation de 2 acides aminés

10. La commande génétique : Les acides nucléiques Configuration ADN ARN Francis Crick James Watson Nucléotide Base azotée Groupement phosphate Pentose

11. Structure de l'ADN Le génome : ADN total d'une cellule Squelette désoxyribose-phosphate 4 bases azotées : - Adénine-thymine - Guanine-cytosine Adénine

12. La transcription : De l’ADN à l’ARN messager 1 / Séparation des brins d’ADN ( hélicase ) ARN pré messager en formation 2 / Repères de reconnaissance du début et de la fin du gène Boite TATA CAAT

13. Zone de réplication de l’ADN L’hélicase (enbleu) ouvre l’ADN ( 3000 bases à la minute ) Protéines CDC6, CDT1 à l’origine de la séparation des brins d’ADN (en rose) Les polymérases (en vert clair) sur chaque brin d’ADN

14. De l’ARN pré messager à l’ARN messager 3 / Processus d’épissage éliminant les introns Exons portions codantes Intron excisé 4 / Transport de l’ARN messager dans le cytoplasme

15. La traduction : Assemblage des protéines au niveau des ribosomes Microscopie électronique

16. La traduction : Synthèse protéique au niveau des ribosomes Le code génétique ARN de transfert ARN messager Acide aminé 3 bases azotées A chaque étape de la transcription et de la traduction il y a des processus de régulation de l’expression des gènes

17. Régulation de l’expression des gènes : • ARN interférents • - Micro ARN • - Protéines régulatrices des gènes ADN

18. La biologie synthétique : 2 voies de recherche 1 / La voie descendante : Les manipulations génétiques 2 / La voie ascendante : Fabrication d'une cellule artificielle

19. 1 / La voie descendante : Le génie génétique Synthétiseur -Fabrication in vitro d'oligonucléotides -Segmentation d'ADN par les enzymes de restriction Hamilton smith Enzyme de restriction -L'ADN polymérase permet de recopier des séquences d'ADN -L'ADN ligase permet de souder des fragments d'ADN

20. La voie descendante : Le génie génétique -2003, Craig Venter : Fabrication du premier virus synthétique Escherichia coli Virus synthétique -2005, recherche du génome minimal Environ 250 gènes

21. Le génie génétique : Mai 2010, synthèse in vitro de la bactérie mycoplasma genitalium Mycoplasma genitalium Assemblage par étapes des fragments d'ADN dans une levure Genitalium Mycoplasma genitalium Transfert du génome mycoplasma genitaliun dans mycoplasma capricolum

22. 2 / La voie ascendante de la biologie synthétique 1er objectif : Construire une membrane artificielle Liposomes Structure d'une membrane cellulaire Incorporation d'une protéine ATP synthase dans une membrane artificielle

23. Construire une cellule artificielle : 2° objectif, une activité métabolique, la croissance 3° objectif, l'autoréplication Protocellule artificielle Protéine fluorecente Pier Luigi Luisi Jack Szostak Système autoréplicateur de Szostak

24. Les progrès dans la synthèse de la vie artificielle Tadashi Sugawara Divisions de vésicules artificielles contenant de l ’ADN amplifié

25. Conclusion de la 1ère partie : La fabrication d'une cellule artificielle serait une copie d'êtres vivants actuels, un choc pour l'humanité Mais elle nous éclairerait peu sur l'origine de la vie

26. Quelques sujets de discussion : -Origine des briques de la vie -Synthèse des briques de la vie -La chiralitè venue de l’espace ? -Vies alternatives ou extraterrestre ? -L’ADN poubelle ! -Synthèse in vitro de l’ADN, l’ARN ? -Régulation de l’expression des gènes -Origine du code génétique -Les introns universels du monde vivant ? -Stockage des données informatiques sur l’ADN -La synthèse protéique a-t-elle précédé celle des acides nucléiques ? …

27. La vie synthétique - 1828, Friedrich Wöhler : Synthèse de l'urée Vapeur d'eau Méthane Ammoniac Hydrogène - 1953, Stanley Miller : Synthèse de composés organiques 4 acides aminés Formaldéhyde Ac. cyanhydrique Urée

28. La biologie synthétique : -1958, Sidney fox : Polymérisation d'acides aminé -1961, Juan Oro : Synthèse de l'adénine -1980, synthèse d'oligonucléotides in vitro -2005, Steven Benner : Synthèse du ribose (oxyde de bore) -2009, John Sutherland : Synthèse de 2 ribonucléotides de l'ARN

29. Y a t'il des formes de vie alternatives ? La chiralité : Acides aminés L ou D Sucres L ou D ADN L ou D ADN D G Ac.aminé Acides aminés différents des 20 Des bases azotées différentes avec un autre code génétique L'arsenic à la place du phosphore Le silicium à la place du carbone Cristal de silicium

30. Régulation de l’expression des gènes -Une cellule n’exprime qu’une partie de ses gènes, d’où leur spécificité -Les mécanismes de la mémoire cellulaire sont stables, transmissibles : Le mécanisme le plus simple est la boucle de rétrocontrôle positif : Une protéine régulatrice de gène active sa propre transcription -Une seule protéine peut coordonner l’expression de plusieurs gènes -Plusieurs protéines peuvent contrôler l’expression d’un seul gène -Il y a une régulation à chaque étape conduisant de l’ADN aux protéines : Mais le début de la transcription est le lieu essentiel de la régulation de l’expression des gènes

31. I Régulation des gènes lors de la transcription Homéoprotéine Ac. aminé ADN -Elle dépend de protéines régulatrices des gènes -Elles sont plusieurs milliers : Environ 10% de la portion codante de l’ADN est constitué de gènes codant pour ces protéines -Les protéines régulatrices agissent par complémentarité à la surface de l’ADN : Elles peuvent déclencher la transcription en activant l’ARN polymérase ou l’inhiber par méthylation de l’ADN -Chaque type de cellule contient une combinaison spécifique de protéines régulatrices de gènes -La transcription peut avorter au départ : On parle d’atténuation

32. II Régulation de l’expression des gènes : La traduction Importance de l’ADN non codant : 80% participe à la régulation des gènes par des ARN ( projet ENCODE ) -Des ribocommutateurs, courtes séquences ARN peuvent se fixer sur l’ARN prémessager le bloquant ou activant l’ARN polymérase Il existe un contrôle du début de la traduction -Le codon de départ AUG se fixe sur le ribosome pour initier la traduction -Des protéines répresseurs se fixent sur la coiffe 5’ de l’ARN messager pour l’inhiber -Des microARN se fixent sur l’ARNm et le freinent -Des ARN interférents se fixent sur l’ARNm pour le détruire en le coupant ( mécanisme de défense )

33. Contrôle de l’expression des gènes après la transcription -L’ARNm peut être modifié par un processus d’édition : Insertion de plusieurs nucléotides -Le transport de l’ARNm à partir du noyau est régulé : 1/20° seulement quittera le noyau; le reste est dégradé -Les ARNm dans le cytoplasme s’associent à des moteurs moléculaires qui utilisent l’ATP pour se déplacer le long des filaments du cytosquelette

34. Intron : Portion non codante du gène (1976) – Origine et fonctions débattues Exons portions codantes Pendant la transcription les introns forment des boucles et sont excisés Intron excisé -Ils ont une activité catalytique en participant à l’épissage

35. Les introns participent aussi à la régulation de l’expression des gènes Car ils participent à l’épissage alternatif qui permet des recombinaisons d’exons à partir de plusieurs gènes. Donc ils interviennent dans la diversité des protéines

36. Les gènes sauteurs créent des mutations plus nombreuses que les mutations spontanées I/ Les transposons II/ Les rétrotransposons, Constituent près de la moitié du génome humain

37. Duplication et perte de gènes

38. Comment évoluent les gènes ? 1/ Les duplications moteurs essentiels de l’évolution : Duplication complète du génome De segments d’ADN De gène isolé ou de groupes de gènes Transposons et rétrotransposons représentent 50% du génome humain 2/ Les divergences de gènes L’épissage alternatif 3/ Les copies de gènes peuvent dégénérer ( pseudo gènes ) Il peut y avoir des pertes de gènes non dupliqués 4/ Des recombinaisons d’exons peuvent créer de nouveaux gènes

39. Comment évoluent les gènes ? 5/ Au niveau des chromosomes peuvent se produire : Des délétions d’un segment d’ADN Des inversions ou translocations de gènes 6/ L’apparition de nouveaux gènes ou gènes orphelins 7/ Le transfert horizontal de gènes ( à partir de bactéries ) 8/ Les mutations spontanées de nucléotides ( ? ) • Cette évolution entraine un polymorphisme génétique • -Sur lequel s’exerce la sélection naturelle • -Ainsi les génomes évoluent vers une taille et une complexité croissante

40. Les différents ARN I / ARN codant pour les protéines II / ARN non codants : • -ARN de transfert • ARN ribosomiques • -Petits ARN nucléaires • -ARN nucléolaires • -Micro ARN • -ARN interférents ( Si ARN ) • -ARN interagissant avec la protéine PIWI

41. Séquençage d’ADN Séquenceur à haut débit

42. Identification des gènes dans un génome Puce à ADN -Le premier exon commence toujours par ATG -La terminaison de tout gène : TGA, TAG ou TAA -Tous les introns commencent par GT, finissent par AG 1/ Dans les séquences ADN on repère les débuts et fins de gènes 2/ Le logiciel BLAST localise le gène correspondant à l’ARNm 3/ Comparaison de génomes déjà séquencés : Nombreuses séquences génomiques disponibles Le meilleur moyen de savoir ce qu’un gène fait est de voir ce qui arrive quand il est absent : Etude de mutants (Méthode de l’ARN interférent) Les puces à ADN permettent l’analyse de l’expression des gènes en suivant des milliers d’ARNm qu’ils produisent

43. Génétique de l’embryologie : La drosophile Il existe un petit nombre de processus du développement utilisés chez tous les organismes pluricellulaires avec les mêmes cascades de gènes 1/ Chez la drosophile au départ les composants cytoplasmiques de l’ovocyte sont répartis de façon inégale : Ils dirigent les premiers stades du développement avant l’activité des gènes. De façon inhabituelle l’œuf de drosophile commence par des divisions nucléaires et forme un syncitium. 2/ Ensuite quand le nombre de cellules augmentent des interactions se développent entre elles par contact immédiat ou à distance. 3/ Puis intervient la détermination génétique du développement Œuf de drosophile

44. Contrôle génétique de la formation de l’oeil De la drosophile à la souris, 7 gènes contrôlent la formation de l’œil : Le premier est le gène EY qui active en cascade les facteur de transcription Expérimentalement l’expression de EY ailleurs, par exemple dans une patte déclenche la formation d’ un œil ectopique Œil ectopique

45. Développement de l’axe du corps de la drosophile Le cytoplasme de l’œuf contient des ARNm et protéines maternels de concentration inégale : Ainsi se forment des structures qui délimitent les régions antérieure, postérieure, dorsale et ventrale, début d’une segmentation Ensuite interviennent successivement 3 groupes de gènes de segmentation qui divisent l’embryon en une série de bandes : -Les gènes Gap -Pair rule -et les gènes de polarité segmentaire Puis entreront en jeu les gènes homéotiques

46. Les gènes homéotiques : Les gènes Hox sont localisés de façon contigue sur les chromosomes et s’expriment successivement selon leur ordre de localisation Chromosome3 Complexe antennapedia Complexe bithorax Le complexe antennapedia comporte 5 gènes dirigeant la structure de la tête et des 2 premiers segments thoraciques Le complexe bithorax comporte 3 gènes qui organisent la structure de la région postérieure du second segment thoracique, du 3° segment thoracique et des segments abdominaux.

47. Les gènes de l’axe antéro postérieur se retrouvent dans tout le règne animal L’homme et les vertébrés possèdent 4 groupes de gènes Hox De longs segments d’ADN non codants contrôlent l’expression de chaque gène du développement par l’intermédiaire de protéines régulatrices Au total seulement une centaine de gènes contrôlent le développement embryonnaire de la drosophile 4 groupes de gènes Hox

48. ADN : Différences inter humaines, les SNIPS En moyenne différence de 3 millions de bases, soit 1/1000 Européens Asiatiques Mexicains USA Africains Européens Africains

49. Les frontières entre l'inerte et le vivant prêtent à discussion - 1998, les nanobactéries Didier Raoult Prion - 1982, les prions Stanley Prusiner

50. Mode d’action des enzymes