L3 Informatique, Option Bioinformatique, 2015

Eléments de biologiemoléculaire et de microbiologie

Samuel Blanquart, chargé de recherche InriaEquipe Bonsai

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Recopier l’ADN : la réplication▸ Le replisome, complexe d’enzymes assurant la copie de l’ADN en

ADN :

▸ Les origines de réplication sont les régions du génome dédiées àl’initiation de la réplication.

▸ Les yeux de réplication, extensions de la réplication :

Recopier l’ADN : la transcription

▸ La transcription est la recopie d’un gène (ADN) en un ARNmessager (ARNm ou transcrit). On parle aussi d’expression du gène :

▸ Initiation de la transcription et élongation du transcrit :

Régulation de la transcription

▸ La formation du complexe initiateur de transcription est régulée.

▸ Les facteurs activateurs (protéines) peuvent se fixer aux motifsenhancer de la région promotrice, et favoriser la transcription.

▸ Les facteurs inhibiteurs peuvent se fixer aux motifs silencer dupromoteur, et empêcher la transcription.

Organismes : les virus▸ Les virus possèdent des génomes à ADN ou à ARN, simple brin ou

double brin.▸ Les rétro-virus sont capables d’insérer leur génome (ARN simple

brin, ou ADN double brin) dans le génome de leur hôte.▸ Les virus à ADN double brin et leurs hôtes :

Le virus : un organisme “complet”

▸ Corps (ou virion) et génome du virus Ebola (famille des Filoviridae),diamètre 80 nm, génome de 19000 bases et 7 gènes :

Cycle de vie d’un virus

▸ a : fixation à la membrane de la cellule hôte.▸ b : endocytose (enveloppement par la membrane de l’hôte).▸ c : réplication du génome et synthèse des protéines virales.▸ d : assemblage de la capside et de l’ADN/ARN viral.▸ e : relargage des particules virales.

Les virus géants : megavirus et pandoravirus▸ Taille des virus comparée à celle des cellules bactériennes et

eucaryotes :

▸ Bactéries : de 700 à 5000 gènes environ, génome de 1 à 5 Mbp.

▸ Pandoravirus : environ 2500 gènes (ORF), génome 2,5 Mpb.

Organismes : les bactéries

▸ Organismes unicellulaires, libres ou pouvant s’associer sous forme debiofilm bactérien.

▸ Présentes dans tous les écosystèmes, dont l’hôte humain (bactériespathogènes ou auxiliaires).

L’enveloppe des bactéries▸ La membrane plasmique :

▸ Le “mur cellulaire” et la capsule :

Exemple d’organelles bactériens▸ Les flagelles, mobilité :

▸ Les pili, adhésion aux supports, mobilité, conjugaison :

Echange de matériel génétique chez les bactéries▸ Entre générations, par reproduction assexuée ou clonale (croissance

de la bactérie, réplication du génome, puis division cellulaire).▸ Par transferts horizontaux (HGT) depuis d’autres espèces :

▸ La conjugaison, échange de plasmide entre deux bactéries :

Métabolismes bactériens et chemins métaboliques▸ Phototrophe, photosynthèse ; Cyanobacteria, Chlorobi (Green

sulfur bacteria), Chloroflexi, Rhodobiaceae (Purple bacteria).

▸ Lithotrophe, composés inorganiques (nitrate, sulfure, méthane...) ;Thermodesulfobacteria, Hydrogenophilaceae, Nitrospirae.

▸ Organotrophe, composé organiques (sucres...) ; Bacillus,Clostridium, Enterobacteriaceae :

Bactéries pathogènes et antibiotiques

Bactéries pathogènes et antibiotiques

Organismes : les eucaryotes

▸ Unicellulaires ou pluricellulaires, autotrophes (algues et plantes) ouhétérotrophes (champignons, animaux).

▸ Libres ou parfois parasites obligatoires. Ecosystèmes oxygènés.

Maturation des ARNm chez les eucaryotes

▸ Le transcrit primaire (l’ARN pré-messager, ARNpm ou pmRNA) estcomposé d’introns et d’exons.

▸ Les introns sont éliminés durant le processus d’épissage(modifications post-transcriptionnelles).

▸ Des transcrits alternatifs peuvent être produits.▸ Les transcrits alternatifs sont traduits en protéines.

Maturation des ARNm, le spliceosome

▸ Le spliceosome est un complexe formé de protéines et d’ARNfonctionnels (les small nuclear RNA ou snRNA).

▸ Le spliceosome se fixe sur un des introns d’un transcrit grâce auxsites donneurs (motif GT) et accepteurs (motif AG) d’épissage.

▸ La région intronique est excisée de l’ARNpm.

La synthèse des protéines chez les eucaryotes

▸ Noyau : transcription des gènes en ARNpm, régulation par les ARNinterférant (small interfering RNA ou siRNA) maturation etexportation des ARNm matures.

▸ Réticulum endoplasmique rugeux : traduction des ARNm enprotéines.

▸ Appareil de Golgi : maturation des protéines (modificationspost-traductionnelles).

Métabolisme : les mitochondries et la respiration

▸ Les mitochondries possèdent et expriment leur propre génomevestigial. Elles résultent de l’endosymbiose d’une protéobactérie chezl’ancêtre des eucaryotes.

▸ Les mitochondries réalisent la respiration :

Métabolisme : les chloroplastes et la photosynthèse

▸ Les chloroplastes possèdent et expriment un génome vestigial. Ilsrésultent de l’endosymbiose d’une cyanobactérie chez l’ancêtre des“algues vertes”.

▸ Les chloroplastes réalisent la photosynthèse :

Le cytosquelette, forme et transport

▸ Maintient de la structure et déformation de la cellule.▸ Mobilité des organelles, vésicules et chromosomes.

La réplication de la cellule, ou mitose

▸ La mitose crée, à partir d’une cellule mère, deux cellules filles dontles génomes sont identiques (aux mutations près).

▸ Les centrioles et des microtubules séparent les chromosomes auniveau de l’équateur de la cellule, et les déplacent vers les pôles.

La reproduction sexuée et la meiose

▸ Une génome diplöıde possède chaque chromosome en deuxexemplaires différents, dits paire de chromosomes homologues.

▸ La phase 1 de la meiose sépare aléatoirement les chromosomes d’unepaire homologue dans l’une et l’autre des cellules filles.

▸ Des évènements de recombinaison homologue permettent deséchanges de chromatine entre deux chromosomes homologues.

La reproduction sexuée et la meiose

▸ On a obtenu deux cellules filles haplöıdes (à n chromosomes) où lespaires homologues ont été séparées.

▸ Les chromatides de chaque chromosome sont ensuite séparées.▸ On obtient enfin 4 cellules haplöıdes dont les génomes sont

différents et qui produiront les gamètes.

Les différents cycles de vie, exemple des algues

▸ Durant sa phase haplöıde ou haplophase, un individu possède ungénome à n chromosomes.

▸ Durant sa phase diplöıde ou diplophase, un individu possède ungénome à 2n chromosomes (n paires homologues).

Les eucaryotes unicellulaires▸ Tous les écosystèmes, sol, océan, etc. ; Solitaires ou

communautaires, symbiotiques ou parasites ; Autotrophes (protistes,protozoaires) ou hétérotrophes (algues brunes, rouges, vertes).

▸ Certain possèdent d’autres types d’endosymbiotes/plastes que lesmitochondries et les chloroplastes.

▸ Par exemple, l’apicoplaste des Apicomplexes (Alveolata) est unealgue unicellulaire issue d’une endosymbyose secondaire.

Les pluricellulaires, plantes, champignons, animaux▸ L’organisme est constitué de plusieurs cellules. Toutes ont le même

génome et sont issues d’une cellule initiale ou zygote.▸ Les cellules de l’organisme se spécialisent en fonction du tissus /

organe dont elles font partie (intestin, muscles, tissus nerveux, etc.).▸ Selon les tissus, les gènes sont exprimés différemment.▸ Exemple des Copépodes (Metazoa) :

Les métazoaires, ou animauxExemple de Caenorhabditis elegans (ver nématode).▸ Organes et anatomie :

▸ L’embryogénèse : du zygote à la forme adulte :

Régulation de l’embryogénèse chez les métazoaires

▸ Durant l’embryogénèse, les différents gènes homeobox contrôlent ladifférenciation cellulaire dans les différents segments du corps.