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Cours-Medecine_info-Histologie-L_information_genetique_chez_les_Eucaryotes

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					Cellules et Génomes




Œuf de grenouille Xenopus laevis
                Plan
I - Caractéristiques communes
  universelles à toutes les cellules
II - Diversité des cellules
III - Comprendre comment passer à tant
  de formes de vie à partir d’un code
  commun à tous les organismes vivants



                                         2
  III - Information génétique
       chez les eucaryotes
• Plus gros, plus élaboré
• Souvent pluricellulaire




                                3
             L'eucaryote
• Par définition : enveloppe nucléaire
• 10 fois plus long et 1000 fois plus gros
   cytosquelette
• Membranes internes
• Peuvent phagocyter des organismes
  entiers (n'ont pas de paroi)



                                             4
Principales caractéristiques d'une cellule eucaryote




                 Fig 1-31

                                                       5
• Neutrophile phagocytant une hématie




              Fig 1-32


                                        6
    Hypothèse d'apparition
• Inconnu
• Cellule eucaryote primordiale qui a
  mangé d'autres cellules
• Nécessite une membrane souple et un
  cytosquelette




                                        7
• Protozoaire didinium mangeant d'autres
  cellules       museau




               Fig 1-33

  Protozoaire carnivore                    8
• Didinium




 http://protist.i.hosei.ac.jp/P
 DB/Images/Ciliophora/Didini
              um/

                                  9
/ciliate/pages/d_garg/fig2.ht
 m&h=591&w=566&prev=/i
mages%3Fq%3Ddidinium%2
6svnum%3D10%26hl%3Dfr
 %26lr%3D%26ie%3DUTF-
       8%26oe%3DUTF-
        8%26sa%3DN


                                10
11
Conséquences de la prédation
• Mitochondrie
  – consomme de l'oxygène et tire profit de
    l'énergie d'oxydation de la nourriture pour
    produire de l'ATP
  – taille d'une bactérie
  – a son propre génome (une molécule d'ADN
    circulaire), ses ribosomes, ses ARNt
  – ancienne eubactérie aérobique phagocytée
    par un eucaryote ancestral  symbiose
  – il y a 3,5 milliards d'années quand
    l'atmosphère s'est enrichie en O2           12
• Mitochondrie




    Fig 1-34


                 13
• Origine des mitochondries




           Fig 1-35

                              14
Conséquences de la prédation
• Chloroplastes
  – utilisent l'énergie lumineuse pour
    synthétiser des hydrates de carbone à
    partir de CO2 et H2O de l'atmosphère
  – ont leur propre génome
  – ancienne bactérie photosynthétique
    phagocytée par un eucaryote ancestral qui
    avait déjà phagocyté des mitochondries 
    symbiose

                                                15
• Chloroplastes
  – (A) Chloroplastes verts dans une mousse




           Fig 1-36

                                              16
• Origine des chloroplastes




                  Fig 1-37


                              17
Conséquences de la prédation
• Avec les mitochondries et les
  chloroplastes, il n'y a plus besoin d'aller
  au-delà dans la phagocytose
• La plante serait un eucaryote passé de
  la chasse à la ferme avec sa paroi de
  protection



                                            18
       … et les champigons
• Eucaryote
• Comme les animaux
  – mitochondries et pas de chloroplastes
• Contrairement aux animaux
  – ont une paroi épaisse ( pas de
    phagocytose)
  – se nourrissent des détritus des autres
  – digestion externe

                                             19
  Le génome des eucaryotes
         est hybride
• Double origine
  – Eucaryote anaérobique ancestral
  – Bactérie 
• Information dans le noyau et
  – mitochondries
  – chloroplastes




                                      20
     Génome mitochondrial
• Dégénéré
• Version abrégée des génomes
  bactériens correspondant
• 16 659 pb
• 13 protéines
• 2 ARNr
• 22 ARNt
• Les autres gènes ont été déplacés dans
  le génome de l'hôte                    21
        Le génome des
      eucaryotes est gros
• Mitochondries et bactéries ont
  de petits génomes
• Les eucaryotes
 –sont plus gros
 –ont de gros génomes
 –ont plus de gènes
 –ont plus d'ADN non codant
                                   22
       Génome humain

•1000 fois plus de pb qu'une
 bactérie
•20 fois plus de gènes
•10 000 fois plus d'ADN non
 codant 98,5% au lieu de
 11% chez E. coli
                               23
• Comparaison des tailles de génome




             Fig 1-38

                                      24
          ADN non codant
• ADN inutile qu'on garde comme des
  vieux papiers
• Le poisson bouffi s'est débarrassé de
  son ADN non codant
• Il y a toujours plus d'ADN non codant
  que d'ADN codant
• Ce sont pour beaucoup des gènes
  régulateurs
• qui disent "quand" et "où" un gène doit
  entrer en scène                        25
• Le poisson bouffi (Fugu rubripes)
• Génome de 400 millions de pb (le quart du
  poisson zèbre avec le même nombre de gènes)




             Fig 1-39
                                                26
27
• An international research consortium has taken a substantial
  short cut to the biologically important information embedded in
  the human genome by completing a draft sequence of the
  genome of the Japanese pufferfish Fugu rubripes. Although the
  Fugu genome contains essentially the same genes and regulatory
  http://images.google.fr/imgres?imgurl=www.lbl.gov/
  sequences as the human genome, it carries those genes and
  regulatory sequences in approximately 365 million bases as
   imagesmain/hp_collage_fugufish.jpg&imgrefurl=http
  compared to the 3 billion bases that make up human DNA. With
                   ://www.lbl.gov/LBL-PID/hp-
  far less so-called "junk DNA" to sort through, finding genes and
   fugufish.html&h=319&w=504&prev=/images%3Fq%
  controlling sequences in the Fugu genome should be a much
    3Dfugu%2Brubripes%26svnum%3D10%26hl%3Dfr
  easier task. The information can then be used to help identify
  these%26lr%3D%26ie%3DUTF-8%26oe%3DUTF-
         same elements in the human genome. For the full story go
  to http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/fugu-
                           8%26sa%3DN
  decoded.html.




                                                                 28
Programme de développement
des organismes multicellulaires
• Peau, os, nerveux, adipeux,… viennent
  d'une seule et même cellule avec le
  même génome
• Rôle de l'environnement sur les gènes
  de régulation
• Rôles de la position de la cellule



                                          29
           • Emballement du nombre de
             gènes de contrôle par des
             signaux environnementaux




Fig 1-40


                                         30
mutant                      normal




     Fig 1-41
Antirrhinum
              Mutation d ’une protéine
                régulatrice              31
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         32
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         33
               Les protistes
• Sont des eucaryotes
• Unicellulaires
  – chasseurs : protozoaires
  – photosynthétiseurs : algue
  – fossoyeurs : champignons ou levure
• Grande variété de forme
• Grande variété de structure
  – soies, photorécepteurs, cils, appendices, bouche,
    dart, muscles…
• Énorme intérêt en biologie (avenir !)
• Représentent un coup d'œil sur notre passé
                                                        34
Exemple de protistes : grande variété de formes

                                 dinoflagellé




                  Fig 1-42

              amibe                             35
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         36
  La levure : Saccharomyces
          cerevisiae
• Eucaryote
• Champignon
• Être unicellulaire le plus simple possible
• Brasseurs de bière et levure des
  boulangers
• Robuste et facile à cultiver
• Paroi épaisse
• Présence de mitochondries et absence
  de chloroplastes                          37
• Saccharomyces cerevisiae (levure)
• Prolifère par bourgeonnement




             Fig 1-43

                                      38
  La levure : Saccharomyces
          cerevisiae
• Se reproduisent rapidement
  – soit de façon végétative (par division)
  – soit de façon sexuée (accouplement/méiose)
• Peut se diviser indéfiniment
  – soit à l'état haploïde
  – soit à l'état diploïde
• en fonction des conditions de culture


                                            39
           • Cycle de reproduction de
             S. cerevisiae
             – vivent à l'état diploïde ou
               haploïde
             – les cellules diploïde et
               haploïde peuvent
               proliférer
             – la méiose est déclenchée
               par le jeune et conduit à
               des spores résistantes à
               l'environnement
Fig 1-44

                                         40
La levure : Saccharomyces cerevisiae

• Tout petit génome
  –   13 117 000 pb (1997)
  –   dont 78 520 pb mitochondriales
  –   2,5 fois plus que E. coli
  –   6 300 protéines
• Cycle cellulaire
  – extrapolable à l'homme
• On peut spoter sur une lame de verre les
  ADN des 6 300 protéines
• Réalisable pour n'importe quelle cellule dont
  on connaît tout le génome
                                                  41
•   Suivi des modifications de l'expression des gènes de levure par puce à ADN



                                Fig 1-45




                                                                        (18 mm)


                                                            Il y a eu 2 applications
                                                            de cDNA :
                                                            vert
                                                            rouge
                                                            jaune : vert+rouge 42
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         43
    Le monde microscopique des
    organismes unicellulaires est
beaucoup plus varié que le monde qui
           nous entoure
• Bactéries  eucaryote = 3 000 millions
  d'années
• Vertébrés  insectes = 700 millions
  d'années
• Poissons  mammifères = 450 millions
  d'années
• Différentes espèces de fleurs = 150
  millions d'années                      44
 Plante : Arabidopsis thaliana
• Modèle retenu parmi les 300 000
  espèces de fleurs sur terre




                                    45
           • Arabidopsis thaliana
             – ressemble au cresson
             – produit des milliers de
               descendants en 8 - 10
               semaines
             – 140 millions de pb
             – 11 fois plus que la levure


Fig 1-46

                                            46
• Arabidopsis thaliana wildtype
   Arabidopsis thaliana
  flower. It is approximately 5
  mm in size.
• Scanning electron microscopy
  image, artificially coloured. By
  Juergen Berger, Electron
  Microscopy Unit, Max Planck
  Institut fuer
  Entwicklungsbiologie,
  Tuebingen, Germany.
  (copyright).

                                     47
•   On Wednesday, a team of scientists announced the first
    complete sequence of a plant genome in the latest issue of
    Nature. In tomorrow’s issue of Science, a group of scientists will
    announce a computational analysis of the same Arabidopsis
    genome that makes it more reliable as a genetic model for other
    plant species.

•   The findings provide a clearer picture of the ancient history of
    this model genome. Clarification will allow researchers to
    compare genes across widely divergent crop species, such as
    grasses (rice and other grains) and broadleafed plants
    (soybeans, fruits and vegetables). And this will speed up
    identification of important genes in crop plants for breeding or
    genetic engineering programs.

•   Aligning the genetic maps of crop plants and Arabidopsis--a
    flowering plant in the mustard family--will provide important
    insights in comparative plant genomics, according to lead author
    and evolutionary geneticist Todd J. Vision. He is at the
    Agricultural Research Service’s Center for Agricultural
    Bioinformatics in Ithaca, N.Y.

•   Vision’s co-authors are Daniel G. Brown at the Whitehead
    Institute/MIT Center for Genome Research and Steven D.
    Tanksley at Cornell University’s Departments of Plant Breeding
    and Plant Biology.

•   Arabidopsis was chosen as a genetic model because its genome
    is one of the smallest and seemingly one of the simplest among
    flowering plants. But plant geneticists began finding duplicate
    sections of chromosomes, suggesting that the genome had
    doubled at least once during its ancestry. Duplications add to the
    difficulty of locating related chromosome sections in other plants
    because the genome gets shuffled--like a deck of cards--
    naturally over millions of years of evolution.

•   By applying some novel computations to an almost complete
    sequence of the Arabidopsis genome, Vision and colleagues
    found its ancestry to be more complex than suspected. Instead
    of duplicating only once, the genome has doubled at least four
    times. And those events occurred between 100 and 200 million
    years ago, about the time when dinosaurs walked the Earth and
    before many of our broadleaved crop plants began to diverge
    from Arabidopsis’ distant ancestor. So evidence of these
    duplications would be in many of today’s crop genomes.

•   Scientific contact: Todd J. Vision, ARS Center for Agricultural
    Bioinformatics, Cornell University, Ithaca, NY, phone (607) 254-
    5353, fax (607) 254-8888, tv23@cornell.edu.                          48
49
50
51
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         52
 Ver : Caenorhabditis elegans
• Petit nématode de 1 mm de long
• Attaque les cultures, sans danger pour
  nous
• Vit quelques jours
• Peut survivre indéfiniment dans un
  congélateur
• Organisme idéal
• 959 cellules somatiques (toujours)
• Plan de développement toujours identique
                                         53
 Ver : Caenorhabditis elegans
• 97 millions de pb
• 19 000 protéines
• Une profusion de mutants
• Programme de division cellulaire et de
  mort cellulaire
• Applica ble à l'homme


                                           54
• Caenorhabditis elegans
  – 1 mm de long
  – entièrement séquencé
  – hermaphrodite




              Fig 1-47

                           55
56
57
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         58
Mouche : Drosophila melanogaster

• Étude très ancienne
• Preuve que les gènes (unités
  d'information génétique) sont portés
  par les chromosomes (il y a 80 ans)




                                         59
• Drosophila melanogaster




            Fig 1-48

                            60
61
Mutant à 4 yeux




                  62
Mouche : Drosophila melanogaster

• Chromosomes géants dans certaines de
  ses cellules (polytènes) avec des
  bandes
• Corrélation exacte entre hérédité et
  bandes




                                     63
           • Chromosomes
             géants des cellules
             de glandes
             salivaires de
             Drosophila




Fig 1-49

                               64
Mouche : Drosophila melanogaster
          (plus récent)
• Événements séquentiels entre
  instruction génétique et structure du
  corps
• Caractérisation des gènes nécessaires à
  l'organisation du corps avec intestin,
  membres, yeux,… en place
• On recherche alors les homologues
• Qu'on teste chez la souris
                                        65
Mouche : Drosophila melanogaster
     puissance du modèle

• 9 jours pour progresser de l'œuf à
  l'adulte
• Génome 170 millions pb
  (homme =3 200)
• 14 000 protéines
• Beaucoup moins de gènes dupliqués
  que chez les vertébrés

                                       66
Problèmes des duplications du
          génome
• Cf. supra : presque tous les gènes ont
  des paralogues nés par duplication
• Il peut y avoir duplication de la totalité
  du génome (1 voire 2 fois)
  – saumon, carpe,
  – poisson zèbre
• Puis il y eut de nombreux changements
  – perte de copies
  – nouvelles duplications
  – réarrangements (=modification de l'ordre)
                                                67
           • Deux espèces
             différentes de la
             grenouille Xenopus
             – X. tropicalis diploïde
             – X. laevis tétraploïde

             – X. ruwenzoriensis
               hexaploïde (18X6=108
               chromosomes)

             Les trois espèces
Fig 1-50      auraient divergé il y a
              120 millions d'années
                                        68
      Redondance génique
• Un gène existe en général en plusieurs
  versions interchangeables : c'est la
  redondance
• Une mutation peut n'avoir aucun effet
  (avion à 2 moteurs)
• Chez la drosophile, les gènes sont peu
  redondants  mutation a un effet
  (avion à 1 moteur)
• L'organisme peut faire muter une copie
• Une copie peut être plus adaptée au
  foie et une autre au cerveau           69
              • Les
                conséquences
                de la
                duplication
                génique sur
Fig 1-51(A)     l'analyse de la
                fonction des
                gènes

                             70
Fig 1-51(B)


              71
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         72
     Souris : Mus musculus
• Mammifère
  – 3-4 fois plus de gènes que la drosophile
  – génome 20 fois plus gros
  – des milliards de fois plus de cellules
  – se ressemblent tous
• Comparaison de protéines homologues
  – 85% d'analogie entre homme et éléphant
  – 70% d'analogie entre homme oiseau
  – 2 fois plus de divergence parce que 2 fois
    plus de temps d'évolution                    73
           • Époques de
             divergence des
             différents
             vertébrés




Fig 1-52

                              74
     Souris : Mus musculus
• Équivalences des maladies de l'homme




                                         75
• Même tache blanche sur le front chez
  l'enfant et chez la souris due à une
  mutation du même gène kit nécessaire
  au développement et au maintien des
  cellules pigmentaires




           Fig 1-53

                                         76
        Quelques espèces
• Les protistes
• La levure : Saccharomyces cerevisiae
• Plante : Arabidopsis thaliana
• Ver : Caenorhabditis elegans
• Mouche : Drosophila melanogaster
• Souris : Mus musculus
• Homme : Homo sapiens

                                         77
    Homme : Homo sapiens
• L'homme est capable de rapporter ses
  maladies et ses désordres génétiques
• Grosse banque de données de 6
  milliards d'individus
• Génome = 3 milliards de pb
• Énorme apport des sept espèces pour la
  connaissance de l'homme

                                       78
    Homme : Homo sapiens
• Qu'est le génome humain ?
• 2 individus diffèrent de 1 ou 2
  nucléotides tous les 1000 nucléotides
• Le séquençage a été fait sur quelques
  individus
• Le génome est variable d'un individu à
  l'autre et varie au cours de la
  reproduction
                                           79
    Homme : Homo sapiens
          Avenir
• Il faudrait connaître chaque individu
  – susceptibilité à des maladies
  – réponse à un médicament
  – prévention des médicaments
• Cultures génétiquement modifiées
• Bactéries : les utiliser à notre profit
• Tous ont le même langage génétique

                                            80

				
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posted:8/5/2012
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