Fiche de révision : Cytogénétique et anomalies chromosomiques

📋 Plan du Cours

1. Bases de la génétique
2. Transmission autosomique mendélienne
3. Transmission liée au chromosome X
4. Hérédités autosomique et liées aux chromosomes
5. Fréquences et équilibre des populations
6. Hérédités complexes et mitochondriales
7. Transmission multifactorielle et environnement
8. Génome mitochondrial et maladies
9. Pharmacogénétique et traitement personnalisé
10. Rappels de génétique médicale
11. Organisation et expression du génome
12. Mutations et conséquences génétiques
13. Diversité et polymorphismes de l’ADN
14. Polymorphismes génétiques de l’ADN
15. Amplification et réaction PCR
16. Séquençage et applications génétiques
17. Séquençage à haut débit
18. Diagnostic des maladies génétiques

📅 Repères chronologiques

1. 1865Gregor Johan Mendel publie ses travaux, date officielle de la génétique.
2. 1944Les travaux d’Avery, MacLeod et McCarty montrent que l’ADN, et non les protéines, porte l’information génétique.
3. 1953Crick et Watson révèlent que l’ADN est constitué de deux brins complémentaires enroulés en double hélice.
4. 2004L’intégralité de la séquence du génome humain a été publiée par le Consortium international public.

📖 1. Bases de la génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Génétique : Science de l’expression et de la transmission des caractères.
• Génétique médicale : Discipline consacrée aux maladies génétiques et comprenant la génétique formelle, la cytogénétique humaine, la génétique moléculaire et la génétique clinique.
• Gène : Séquence d’ADN qui spécifie la synthèse d’une chaîne de polypeptides ou d’un ARN fonctionnel.

• Chromosome : Élément porteur de l’information génétique, constitué d’une longue molécule d’ADN associée à des protéines, notamment les histones, et contenant des gènes.
• Hérédité mendélienne : Étude de la transmission de maladies génétiques dues à des mutations dans un seul gène.
• Allèles : Différentes formes que peut prendre un même gène à un locus donné.

★ À maîtriser

• L’ADN comprend quatre bases :
  • adénine (A)
  • guanine (G)
  • thymine (T)
  • cytosine (C)

Compléments

• La génétique formelle étudie les modes d’hérédité et les risques de transmission.

• La cytogénétique humaine porte sur la détermination et l’étude des chromosomes humains.

• La génétique moléculaire étudie les bases moléculaires des mutations et les outils de diagnostic moléculaire.

• La génétique clinique étudie notamment les maladies mendéliennes et les maladies complexes à composante génétique, comme le diabète et les maladies cardiovasculaires.

• Les chromosomes permettent la distribution égale des gènes dans les deux cellules filles lors de la division cellulaire.

• Les chromosomes ne sont visibles que pendant une courte période du cycle cellulaire, lorsqu’ils sont sous leur forme la plus condensée.

💡 Astuce mémo

ADN → gène → chromosome

📖 2. Transmission autosomique mendélienne

🔑 Notions clés & Définitions

• Hérédité autosomique dominante : Dans l’hérédité autosomique dominante, le gène est situé sur un autosome et l’allèle muté domine l’allèle normal.
• Pénétrance : Proportion d’hétérozygotes porteurs de l’allèle muté qui présentent la maladie.
• Expressivité variable : Variation des signes cliniques produits par un même allèle muté chez différents individus d’une même famille.
• Hérédité autosomique récessive : Dans l’hérédité autosomique récessive, le gène est situé sur un autosome et l’allèle muté est récessif.
• Consanguinité : Union de deux personnes apparentées, c’est-à-dire ayant au moins un ancêtre commun.

★ À maîtriser

• Une maladie autosomique dominante s’exprime à l’état hétérozygote, tandis que les homozygotes pour l’allèle muté sont rares.

• Dans une hérédité autosomique dominante, les deux sexes sont atteints avec la même fréquence et les personnes atteintes se retrouvent sur plusieurs générations.

• Chaque enfant d’un parent atteint d’une maladie autosomique dominante a un risque de 50 % d’être atteint à chaque grossesse.

📌 La pénétrance est complète lorsque tous les hétérozygotes sont malades (p = 1) et incomplète lorsque certains hétérozygotes sont sains (p < 1).

📌 Dans une maladie autosomique récessive, les hétérozygotes sont sains et la maladie ne s’exprime que chez les homozygotes.

• Dans une hérédité autosomique récessive, les garçons et les filles ont des chances équivalentes d’être atteints, et les personnes atteintes se retrouvent généralement sur une seule génération.

• Chaque enfant d’un couple hétérozygote a un risque de 25 % d’être atteint d’une maladie autosomique récessive à chaque grossesse.

• La consanguinité augmente la proportion des sujets homozygotes sur plusieurs générations et accroît le risque de maladie autosomique récessive.

Compléments

📐 Formule - La pénétrance vérifie $p = \frac{\text{nombre d’hétérozygotes malades}}{\text{nombre total d’hétérozygotes}}$.

• La pénétrance est influencée par :

  • les gènes modificateurs
  • l’environnement
  • l’âge

• Le rétinoblastome est présenté comme une maladie autosomique dominante à pénétrance incomplète, avec une pénétrance de 80 %.

💡 Astuce mémo

Dominante : hétérozygote atteint ; récessive : hétérozygote sain

📖 3. Transmission liée au chromosome X

🔑 Notions clés & Définitions

• Hérédité récessive liée à X : Transmission d’une maladie dont le gène muté est localisé sur le chromosome X et qui se manifeste chez les individus masculins hémizygotes.

★ À maîtriser

• Les maladies liées au chromosome X sont le plus souvent récessives, mais certaines, beaucoup plus rares, sont dominantes.

📌 Dans une transmission liée au chromosome X, il n’y a jamais de transmission père-fils.

📌 Un homme atteint d’une maladie récessive liée à X n’a pas de transmission père-fils et toutes ses filles sont saines et conductrices de l’allèle pathologique.

Compléments

• Selon le cours, les hommes porteurs du gène muté lié à X sont atteints de la maladie.

• Un homme indemne ne présente pas de risque de transmettre la maladie ni le gène muté à sa descendance.

• Dans l’hérédité récessive liée à X, les garçons malades ont hérité d’un chromosome X muté de leur mère et sont hémizygotes.

📖 4. Hérédités autosomique et liées aux chromosomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Hérédité dominante liée à X : Mode de transmission dans lequel une seule copie d’un allèle muté suffit à produire un phénotype pathologique.
• Hérédité liée au Y : Transmission des gènes portés par le chromosome Y, sans allèle correspondant sur le chromosome X, strictement de père en fils, selon un caractère dit holandrique.
• Hémizygote : Un garçon atteint d’une maladie récessive liée à X est hémizygote lorsqu’il a hérité de sa mère un chromosome X portant l’allèle muté.

★ À maîtriser

• L’hétérogénéité intragénique, ou allélique, signifie qu’une même maladie peut résulter de mutations différentes dans un même gène, tandis que l’hétérogénéité intergénique signifie qu’elle peut résulter de mutations touchant plusieurs gènes.

• Un homme porteur d’un allèle muté lié à X est atteint, et un homme indemne ne transmet ni la maladie ni l’allèle muté à sa descendance.

• Une maladie liée à X ne se transmet jamais de père à fils.

• Dans l’hérédité récessive liée à X, les filles d’un père atteint sont généralement saines et conductrices ; elles peuvent exceptionnellement être malades, notamment si leur mère est apparentée au père et qu’elles sont homozygotes pour la mutation.

• Chez une femme hétérozygote pour un allèle récessif lié à X, l’allèle sain de l’autre chromosome X compense généralement l’allèle muté et la femme est saine conductrice.

• À chaque grossesse d’une femme conductrice d’une maladie récessive liée à X, le cours indique 50 % de garçons malades et 50 % de filles saines conductrices.

• Lors de la lyonisation, le chromosome X paternel ou maternel est inactivé au hasard ; les cellules descendantes d’une cellule embryonnaire conservent ensuite le même X inactivé, ce qui crée un mosaïcisme fonctionnel chez la femme.

📌 Dans une hérédité dominante liée à X, chaque enfant qui hérite de l’allèle muté d’une mère atteinte est malade ; à chaque grossesse, le risque indiqué pour un enfant, fille ou garçon, est de 50 %.

📌 Un homme atteint d’une maladie dominante liée à X transmet l’allèle muté à toutes ses filles et à aucun de ses garçons.

Compléments

• Chez des cousins germains, le coefficient de consanguinité indiqué dans le cours est de 1/16.

• La rétinopathie pigmentaire peut être associée à 40 gènes différents.

• Les maladies dont le gène est situé sur le chromosome X sont le plus souvent récessives liées à X ; les formes dominantes liées à X sont beaucoup plus rares.

• Chaque grossesse présente les possibilités suivantes : un garçon malade, avec une probabilité de 1/4, un garçon sain non porteur, avec une probabilité de 1/4, une fille conductrice, avec une probabilité de 1/4, une fille saine non porteuse, avec une probabilité de 1/4

💡 Astuce mémo

Le père transmet son X à ses filles, jamais à ses fils ; le Y passe de père en fils.

📖 5. Fréquences et équilibre des populations

🔑 Notions clés & Définitions

• Population : Ensemble d’individus d’une même espèce qui cohabitent dans un même espace géographique et sont susceptibles de se reproduire entre eux.
• Génétique des populations : Étude de la distribution et de l’évolution des fréquences alléliques sous l’effet des mutations, de la sélection naturelle, de la dérive génétique et de la migration.
• Équilibre de Hardy-Weinberg : Stabilité des fréquences alléliques et génotypiques d’une génération à l’autre dans une population satisfaisant des conditions précises.
• Coefficient de consanguinité : Probabilité qu’un individu M possède à un locus deux allèles identiques par descendance, c’est-à-dire la probabilité d’autozygotie ; il mesure l’homozygotie due à la parenté de ses parents.
• Individu consanguin : Individu issu d’une union entre ses parents apparentés.
• Population endogame : Population où les unions au sein d’un même groupe familial, ethnique, géographique ou social sont fréquentes, ce qui favorise les mariages entre apparentés.

★ À maîtriser

📐 Formule - La fréquence d’un allèle est égale à $\frac{\text{effectif de cet allèle}}{\text{effectif total des allèles}}$.

📐 Formule - Pour un locus à deux allèles de fréquences p et q, $p=\frac{n(a_1)}{n(a_1)+n(a_2)},\quad q=\frac{n(a_2)}{n(a_1)+n(a_2)},\quad p+q=1$.

• Pour un locus autosomal où a1 est l’allèle sauvage dominant et a2 l’allèle muté récessif, a1a1 est sain à la fréquence p², a2a2 est malade à la fréquence q² et a1a2 est sain porteur à la fréquence 2pq.

• Les conditions de l’équilibre de Hardy-Weinberg sont : une population de grande taille, l’absence de consanguinité, l’absence d’immigration importante modifiant p et q, l’absence d’émigration sélective d’un allèle par rapport à l’autre, l’absence de facteurs mutagènes importants, l’absence d’avantage d’un allèle, de goulot d’étranglement ou de biais méiotique

• À l’équilibre de Hardy-Weinberg, les fréquences génotypiques sont $p^2,\quad 2pq,\quad q^2$ et restent constantes d’une génération à l’autre.

📐 Formule - Le coefficient de consanguinité d’un individu est égal à la moitié du coefficient de parenté entre ses parents : $\Phi_M=\frac{1}{2}\Phi_{P1-P2}$.

Compléments

• Pour un locus autosomal où a1 est l’allèle sauvage récessif et a2 l’allèle muté dominant, les génotypes a1a1, a2a2 et a1a2 ont respectivement les fréquences p², q² et 2pq ; a1a1 est sain et les deux autres génotypes sont malades.

• Hardy et Weinberg ont démontré l’équilibre en 1908 en étudiant la distribution des allèles des maladies héréditaires autosomiques récessives.

• La fréquence maximale des hétérozygotes est atteinte lorsque p=q et vaut H=2pq=0,50.

• Le non-respect d’au moins une condition de Hardy-Weinberg empêche l’équilibre et entraîne des différences entre les fréquences observées et les fréquences théoriques.

📖 6. Hérédités complexes et mitochondriales

🔑 Notions clés & Définitions

• Hérédité polygénique : Transmission d’un caractère ou d’une maladie dont l’expression dépend de plusieurs gènes et de plusieurs mutations présentes chez un même individu.
• Transmission multifactorielle : Association d’une transmission génétique polygénique à des facteurs non génétiques nécessaires à l’apparition du phénotype.
• Maladies mitochondriales : Groupe de pathologies dont le dénominateur commun est un déficit de la chaîne respiratoire mitochondriale.
• Hétéroplasmie : Présence de plusieurs copies différentes d’ADN mitochondrial chez un même individu ou organisme ; une mitochondrie peut contenir 2 à 10 copies d’ADNmt.

★ À maîtriser

• Dans une maladie polygénique, l’effet individuel de chaque altération génétique n’est ni indispensable ni suffisant pour entraîner la maladie ; chaque gène contribue à la susceptibilité.

• Dans les maladies complexes comme le cancer, la composante polygénique interagit avec l’environnement dans des proportions variables selon la maladie, et aucun gène de susceptibilité isolé n’est nécessaire ni suffisant pour entraîner la maladie.

📌 Une maladie mitochondriale relève d’une hérédité mendélienne autosomique ou liée à X, dominante ou récessive, lorsque les gènes en cause sont nucléaires ; elle relève d’une hérédité mitochondriale lorsque les gènes en cause sont dans le génome mitochondrial.

📌 L’atrophie optique héréditaire de Leber suit une hérédité strictement maternelle, car seules les mitochondries de l’ovocyte maternel sont transmises à l’embryon ; les filles comme les garçons peuvent être atteints.

Compléments

📌 L’hérédité digénique nécessite des anomalies de deux gènes pour l’expression du phénotype, tandis que l’hérédité oligogénique implique un petit nombre de gènes.

• Les facteurs non génétiques cités comprennent :

  • des facteurs environnementaux : pollution, exposition aux UV et climat
  • des facteurs physiologiques : stress générateur de radicaux libres oxydants, alimentation grasse et médicaments
  • des facteurs infectieux : virus et bactéries

• Les caractères polygéniques cités comme influencés par l’environnement sont :

  • le quotient intellectuel
  • la couleur de la peau
  • la taille, conditionnée par l’alimentation

• Les exemples d’interaction entre environnement et cancer cités sont le rayonnement UV et le mélanome, l’amiante et le mésothéliome, ainsi que le trichloréthylène et le cancer du rein.

• Les jumeaux monozygotes proviennent d’un même zygote et ont le même patrimoine génétique ; la comparaison de jumeaux séparés dès la naissance par adoption dans des familles différentes aide à distinguer les caractères innés des caractères acquis sous l’effet de l’environnement.

• L’hérédité mendélienne des maladies mitochondriales, due à des gènes nucléaires, est plus fréquente que l’hérédité due à des gènes mitochondriaux.

• Le génome mitochondrial humain comprend 37 gènes codant 13 protéines, 22 ARN de transfert et 2 ARN ribosomiques.

• L’atrophie optique héréditaire de Leber est une maladie dégénérative du nerf optique associée à plus de 15 mutations de l’ADN mitochondrial décrites.

💡 Astuce mémo

Plusieurs susceptibilités génétiques associées à l’environnement peuvent conduire au phénotype pathologique.

📖 7. Transmission multifactorielle et environnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Hérédité polygénique : désigne une susceptibilité à la maladie dépendant de plusieurs gènes
• Transmission multifactorielle : est une hérédité polygénique qui intègre des facteurs environnementaux

📝 Points essentiels

• Les jumeaux monozygotes proviennent d’un même zygote et possèdent le même patrimoine génétique.

💡 Astuce mémo

Facteurs génétiques + environnement → expression de la maladie

📖 8. Génome mitochondrial et maladies

🔑 Notions clés & Définitions

• Hétéroplasmie : la présence, chez un même individu, de plusieurs copies différentes d’ADN mitochondrial; une mitochondrie contient 2 à 10 copies d’ADN mitochondrial selon le cours

★ À maîtriser

📌 Les maladies mitochondriales peuvent relever d’une hérédité mendélienne lorsque les gènes en cause sont nucléaires, ou d’une hérédité mitochondriale lorsque les gènes sont localisés dans le génome mitochondrial.

• Le génome mitochondrial humain est circulaire, dépourvu d’introns et mesure 16 Kb, contre 3 000 000 Kb pour l’ADN nucléaire selon le cours.

• L’atrophie optique héréditaire de Leber se transmet strictement par la mère, car seules les mitochondries de l’ovocyte maternel sont transmises au futur embryon.

• Le syndrome MNGIE (Myo-Neuro-Gastro-Intestinal Encephalomyopathie Mitochondriale) se transmet sur un mode autosomique récessif.

• Le gène responsable du syndrome MNGIE, TYMP, est localisé dans l’ADN nucléaire en 22q13.

Compléments

• L’hérédité mendélienne des maladies mitochondriales peut être autosomique ou liée au chromosome X, dominante ou récessive, et elle est indiquée comme plus fréquente que l’hérédité mitochondriale.

• Dans l’atrophie optique héréditaire de Leber, filles et garçons peuvent être atteints et les tableaux cliniques varient fortement d’un individu à l’autre.

💡 Astuce mémo

ADN nucléaire : hérédité mendélienne ; ADN mitochondrial : transmission maternelle

📖 9. Pharmacogénétique et traitement personnalisé

🔑 Notions clés & Définitions

• Pharmacogénétique : est un domaine de la pharmacologie qui étudie l’influence du profil génétique sur la réponse pharmacologique; le terme est décrit par Vogel en 1959

★ À maîtriser

• Les variations génétiques peuvent modifier le fonctionnement des protéines impliquées dans la cinétique ou l’action des médicaments et contribuer ainsi à la variabilité interindividuelle de la réponse thérapeutique.

• La pharmacogénétique permet une pharmacothérapie personnalisée visant à optimiser la réponse clinique et à diminuer les effets secondaires en adaptant le traitement à chaque individu.

• Le 5FU est une molécule antimitotique largement utilisée en chimiothérapie anticancéreuse et possède un index thérapeutique étroit.

📌 Pour le 5FU, une concentration inférieure à la marge efficace est inefficace, tandis qu’une concentration supérieure est toxique, voire mortelle.

📌 L’étude des allèles des gènes codant les enzymes impliquées dans l’élimination du 5FU est nécessaire avant son administration afin de déterminer une posologie personnalisée.

• Chez les patients homozygotes pour l’allèle déficient de DPD, la toxicité du traitement par 5FU dépasse son bénéfice et le déterminisme génétique peut modifier le choix thérapeutique.

Compléments

• Les variations génétiques étudiées peuvent concerner les gènes codant :

  • des enzymes du métabolisme des médicaments
  • des cibles médicamenteuses
  • des transporteurs de médicaments

• L’élimination du 5FU fait intervenir notamment les enzymes :

  • DPD
  • TYMS
  • MTHFR

📖 10. Rappels de génétique médicale

🔑 Notions clés & Définitions

• Pénétrance : Dans une maladie autosomique dominante, la pénétrance correspond au pourcentage des individus hétérozygotes qui expriment la maladie; une pénétrance complète signifie que tous les hétérozygotes sont malades.
• Équilibre de Hardy-Weinberg : postule que dans une population idéale les fréquences alléliques et génotypiques restent constantes d’une génération à l’autre
• Coefficient de consanguinité : la probabilité qu’un individu possède, à un locus donné, deux allèles identiques provenant du même allèle ancestral
• Consanguinité : La consanguinité est l’union entre deux personnes apparentées; un individu consanguin est né d’une telle union.

★ À maîtriser

• Les cinq modes de transmission mendélienne sont :
  • autosomique dominant
  • autosomique récessif
  • dominant lié au chromosome X
  • récessif lié au chromosome X
  • lié au chromosome Y

• La consanguinité augmente le risque de maladies autosomiques récessives.

📌 L’hétérogénéité allélique, dite intragénique, signifie qu’une maladie peut être causée par plusieurs mutations d’un même gène, tandis que l’hétérogénéité intergénique signifie que des mutations de gènes différents peuvent causer la maladie.

• La lyonisation est l’inactivation d’un des deux chromosomes X chez la femelle mammifère, qui devient un corpuscule de Barr et contribue à compenser l’expression des gènes liés à X entre les individus XX et XY.

• Les conditions de l’équilibre de Hardy-Weinberg sont :

  • la panmixie
  • l’absence de mutations
  • l’absence de sélection naturelle
  • l’absence de flux génétique par migration
  • l’absence de dérive génétique

Compléments

• Le coefficient de consanguinité d’un individu consanguin est égal au coefficient de parenté entre ses parents.

📖 11. Organisation et expression du génome

🔑 Notions clés & Définitions

• Génome humain : Ensemble de l’information génétique, codante et non codante, contenue sous forme d’ADN dans les noyaux cellulaires et constituant le patrimoine héréditaire de l’individu.
• Gène : Séquence nucléotidique permettant la synthèse d’un ARN non traduit ou d’un ARNm traduit en protéine ayant des fonctions précises dans la cellule.
• Expression d’un gène : Décodage de l’information portée par un gène par transcription, maturation de l’ARN pré-messager et traduction.
• Transcription : Synthèse d’ARNm à partir d’ADN dans le noyau, réalisée par l’ARN polymérase II, aussi appelée ARN polymérase ADN-dépendante.
• Épissage alternatif : Production de différents ARNm à partir d’un même pré-ARNm par des épissages différents, pouvant conduire à des protéines différentes.
• Traduction : Synthèse d’une chaîne polypeptidique à partir d’un ARNm mature dans le cytoplasme, avec l’intervention des ARNr et des ARNt.

★ À maîtriser

• Le génome nucléaire est un ADN bicaténaire en double hélice d’environ 3,2 milliards de paires de bases, présent en deux exemplaires par cellule et comprenant environ 30 000 gènes différents, chacun représenté par deux allèles.

📌 Les séquences codantes sont transcrites en ARN puis traduites en protéines, tandis que les séquences non codantes ne sont pas traduites et peuvent être transcrites ou non.

• Le génome nucléaire est majoritairement non codant et l’ADN non codant est lui-même majoritairement répétitif ; les séquences codantes traduites en protéines représentent environ 1 % du génome.

📌 La région centrale transcrite d’un gène sert de matrice à la synthèse de l’ARN et de la protéine, tandis que les régions périphériques non transcrites contiennent des séquences cis-régulatrices auxquelles se fixent des facteurs trans-régulateurs.

• 🔄 La transcription comprend trois phases :
  1. Initiation
  2. Élongation
  3. Terminaison

• La maturation du pré-ARNm comprend l’ajout d’une coiffe en 5’, l’ajout d’une queue poly-A en 3’, puis l’excision des introns et l’épissage des exons par les snRNP.

• La traduction se termine lorsque le ribosome rencontre UAA, UAG ou UGA, codons stop auxquels aucun aminoacyl-ARNt ne correspond ; les facteurs RF libèrent le peptide et le ribosome se disloque.

Compléments

• Toutes les cellules nucléées d’un organisme possèdent le même génome, composé d’un génome nucléaire et d’un génome mitochondrial.

• Le génome mitochondrial est un ADN bicaténaire circulaire d’environ 16 000 paires de bases et comprend 37 gènes, avec plusieurs exemplaires par mitochondrie.

💡 Astuce mémo

ADN → pré-ARNm → ARNm mature → protéine

📖 12. Mutations et conséquences génétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Mutation : Variation de l’information génétique, moteur de l’évolution et source de diversité phénotypique et de maladies génétiques.
• Mutation ponctuelle : Affecte une ou quelques bases de l’ADN.
• Mutation frameshift : Insertion ou délétion d’un ou de quelques nucléotides qui modifie le cadre de lecture.

★ À maîtriser

• Une mutation pathogène, ou délétère, peut avoir un effet pathologique, tandis qu’un polymorphisme est une variation de l’ADN non pathogène.

• Une mutation somatique n’est pas héréditaire, tandis qu’une mutation germinale est transmissible d’une génération à l’autre et se retrouve dans toutes les cellules de l’individu qui l’a héritée, à l’état homogène.

• Dans une séquence codante, une mutation faux sens remplace un acide aminé par un autre, une mutation non-sens crée un codon stop prématuré et une mutation silencieuse ne modifie pas l’acide aminé.

Compléments

📌 Les mutations chromosomiques modifient le nombre ou la structure des chromosomes, tandis que les mutations géniques affectent l’ADN sans altérer la structure des chromosomes et laissent un caryotype normal.

• Une mutation somatique conférant un avantage fonctionnel peut être transmise aux cellules filles, former un clone qui prolifère rapidement et constituer une tumeur susceptible d’évoluer en cancer ; un désavantage fonctionnel entraîne la disparition progressive du clone.

📌 Les mutations ponctuelles modifient la séquence nucléotidique et peuvent créer de nouveaux allèles, tandis que les mutations étendues peuvent augmenter le nombre de gènes.

📌 Une substitution est une mutation où une base est remplacée par une autre ; une transition conserve la catégorie purine ou pyrimidine, tandis qu’une transversion remplace une purine par une pyrimidine ou l’inverse.

• Dans la drépanocytose, la substitution GAG, codant le glutamate, par GTG, codant la valine, illustre une mutation faux sens.

• La substitution CAG par TAG crée un codon stop et illustre une mutation non-sens.

• Une mutation du promoteur, d’une séquence de régulation ou des régions 5’UTR/3’UTR peut inhiber partiellement ou totalement la transcription en modifiant un site de fixation des facteurs de transcription.

• Une mutation ponctuelle en position -28 du gène de la β-globine touchant la TATA box entraîne une forte diminution de la transcription.

• Une mutation intronique peut être sans incidence, mais si elle touche un site d’épissage, elle peut inhiber partiellement ou totalement l’épissage du pré-ARNm.

• La mutation IVS1-110 du gène de la β-globine affecte un site accepteur d’épissage et entraîne une diminution du taux de protéine.

💡 Astuce mémo

Somatique : clone cellulaire ; germinale : transmission à la descendance

📖 13. Diversité et polymorphismes de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Polymorphisme d’ADN : Variation présente au même locus entre des individus d’une même espèce, que le locus soit biallélique ou multiallélique.
• SNP et SNV : Les SNP ou SNV sont des variations ponctuelles d’un nucléotide entre individus d’une même espèce, généralement sans conséquence phénotypique ; les insertions ou délétions d’une base, appelées indels, sont également considérées comme des SNP.
• Diversité humaine : Variabilité phénotypique et biologique observée entre les individus.
• Diversité génétique : Degré de variabilité des gènes au sein d’une population.
• Polymorphisme génétique : Hétérogénéité allélique d’un même gène, qui peut présenter plusieurs formes alléliques.

★ À maîtriser

• La diversité génétique résulte du brassage génétique lié à la reproduction sexuée et de l’accumulation des variations génétiques, notamment des polymorphismes.

📌 En général, une variation est considérée comme un polymorphisme si sa fréquence allélique est supérieure à 1 % ; les variations moins fréquentes sont assimilées à des variants pathogènes dans le cours.

Compléments

• Les polymorphismes d’ADN se transmettent selon les lois de la génétique mendélienne et sont répartis sur l’ensemble du génome.

• Les catégories de polymorphismes d’ADN citées sont :

  • Les polymorphismes nucléotidiques SNP ou variants SNV
  • Les polymorphismes de longueur de fragments de restriction RFLP
  • Les polymorphismes de répétition
  • Les variants de nombre de copies CNV

• Les SNP constituent plus de 90 % de toutes les variations génétiques entre les individus.

• Les SNP sont stables, abondants et uniformément répartis dans le génome ; les SNP de fréquence allélique supérieure à 1 % sont présents en moyenne tous les 100 à 300 paires de bases dans le génome humain.

• La plupart des SNP comportent deux allèles, mais certains peuvent en avoir davantage.

• Pour un SNP biallélique, l’hétérozygotie maximale est de 50 % lorsque les deux allèles ont la même fréquence dans la population considérée.

• Les SNP se trouvent généralement dans les régions non codantes et n’ont pas de conséquence phénotypique, mais certains peuvent modérément affecter le fonctionnement des protéines et être associés à la susceptibilité aux maladies ou à la réponse aux traitements en pharmacogénétique.

📖 14. Polymorphismes génétiques de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• SNP ou SNV : Variation ponctuelle d’un nucléotide entre individus d’une même espèce, généralement sans conséquence phénotypique; les insertions ou délétions d’une base, ou indels, sont aussi considérées comme des SNP.
• RFLP : Variation ponctuelle qui abolit ou crée un site de restriction d’une enzyme et modifie ainsi la carte de restriction d’un fragment d’ADN.
• ADN hautement répétitif en tandem : ADN constitué de motifs répétés côte à côte et dispersés dans le génome; le nombre de répétitions à un locus varie entre individus, ce qui rend ces séquences multialléliques.
• Minisatellites ou VNTR : Les minisatellites, ou VNTR, sont des répétitions en tandem d’un motif de 6 à 100 paires de bases, sur quelques centaines à quelques milliers de paires de bases; ils sont multialléliques et présentent un taux d’hétérozygotie supérieur à 70 %.
• Microsatellites ou STR : Les microsatellites, ou STR, sont des répétitions en tandem de motifs de 2 à 4 nucléotides, réparties sur tout le génome; le motif (CA)/(GT) est le dinucléotide le plus fréquent et le plus utilisé.
• CNV : Les CNV sont des variants structuraux, principalement des délétions et des duplications de segments d’ADN de quelques milliers à quelques millions de paires de bases, présents dans la population générale sans pathologie apparente; ils sont aussi appelés CNP.
• Enzyme de restriction : Endonucléase qui coupe l’ADN double brin après reconnaissance d’une séquence nucléotidique spécifique appelée site de restriction.

★ À maîtriser

📌 Les variations dont la fréquence allélique est supérieure à 1 % sont généralement considérées comme des polymorphismes, tandis que les autres sont assimilées à des variants pathogènes.

• Les principales catégories de polymorphismes d’ADN sont :

  • les SNP ou SNV
  • les RFLP
  • les polymorphismes de répétition
  • les variants de nombre de copies ou CNV

• Pour un SNP biallèlique, le taux d’hétérozygotie maximal est de 50 % lorsque les deux allèles ont la même fréquence dans la population étudiée.

📌 La forme allélique (+) d’un RFLP correspond à un site fonctionnel où l’ADN est coupé, tandis que la forme (−) correspond à un site non fonctionnel où l’ADN n’est pas coupé.

• Entre 5 % et 10 % du génome est concerné par les polymorphismes de type CNV.

Compléments

• Les SNP sont stables, très abondants et distribués uniformément dans le génome.

• Les SNP ayant une fréquence allélique supérieure à 1 % sont présents en moyenne toutes les 100 à 300 paires de bases dans le génome humain.

• La plupart des SNP comportent deux allèles, mais certains peuvent en comporter davantage.

• Les SNP se trouvent généralement dans les régions non codantes du génome et n’ont alors pas de conséquence phénotypique.

📖 15. Amplification et réaction PCR

🔑 Notions clés & Définitions

• Température de fusion : Température à laquelle 50 % des molécules d’une amorce ou d’un fragment d’ADN sont hybridées à leur cible.

★ À maîtriser

• La PCR est une méthode sélective qui amplifie in vitro des séquences spécifiques à partir d’une matrice d’ADN par des réactions enzymatiques répétées.

• La PCR utilise une ADN polymérase pour synthétiser le brin complémentaire d’un ADN matrice et produire de grandes quantités d’une séquence cible de longueur définie à partir d’un échantillon peu abondant.

• Un cycle de PCR comprend successivement la dénaturation, l’hybridation des amorces et l’élongation.

• En théorie, le nombre de copies après n cycles de PCR est $2^n$.

• La PCR-RFLP amplifie par PCR la région entourant le site polymorphe, digère le produit avec une enzyme dont le site de restriction contient le polymorphisme, puis sépare les fragments par électrophorèse pour détecter les différences de nombre et de longueur.

Compléments

• Kary Mullis a décrit la PCR en 1983 et la méthode a été publiée en 1985.

• Les amorces de PCR sont des oligonucléotides de 17 à 30 bases, complémentaires des séquences qui flanquent la région cible, et s’hybrident chacune à un brin différent de la matrice.

• La Taq polymérase thermorésistante allonge les amorces en ajoutant des nucléotides à leur extrémité 3’-OH, en présence de dATP, dCTP, dGTP et dTTP.

• La dénaturation à 94–95 °C rompt les liaisons hydrogène entre les deux brins d’ADN et produit deux brins monocaténaires servant de matrices.

• L’hybridation a lieu à 50–65 °C et les amorces s’apparient aux extrémités de la région cible, chacune sur son brin complémentaire.

📐 Formule - La température de fusion d’une amorce se calcule par $T_m=4(C+G)+2(A+T)$, en degrés Celsius.

• La température d’hybridation peut être fixée entre 5 et 10 °C au-dessous de la Tm des amorces.

• À 72 °C, la Taq polymérase allonge chaque amorce dans le sens 5’ vers 3’ en synthétisant un brin complémentaire, ce qui permet d’obtenir deux copies de la séquence cible à la fin du cycle.

• Les trois génotypes possibles sont :

  • l’homozygote sauvage (+/+)
  • l’hétérozygote (+/−)
  • l’homozygote muté (−/−)

💡 Astuce mémo

Dénaturation, hybridation, élongation : les trois temps du cycle PCR.

📖 16. Séquençage et applications génétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Séquençage NGS : Séquençage à haut débit qui détermine rapidement et à faible coût les séquences de plusieurs gènes chez plusieurs individus, d’exomes ou de génomes entiers.

★ À maîtriser

• Le séquençage consiste à identifier la succession des nucléotides qui caractérise l’information génétique.

• La méthode de Sanger synthétise in vitro des brins complémentaires à l’ADN matrice; l’incorporation d’un ddNTP dépourvu d’extrémité 3’OH libre arrête l’élongation. - Sanger et al, 1985

📌 Le séquençage automatique remplace le marquage radioactif par des ddNTP marqués par des fluorochromes différents et détecte leur fluorescence à la sortie du gel.

• Le NGS comprend la préparation de la librairie par fragmentation de l’ADN en fragments d’environ 200 à 300 bases et ligature d’adaptateurs, l’amplification des fragments fixés pour former des clusters de 1 000 à 5 000 molécules identiques, le séquençage, puis l’analyse bio-informatique.

• Le diagnostic moléculaire recherche un gène morbide ou une mutation pathogénique responsable d’une maladie et peut être réalisé en diagnostic prénatal ou préimplantatoire.

Compléments

• Les deux méthodes initiales de séquençage sont la méthode chimique de Maxam et Gilbert (1977) et la méthode enzymatique de Sanger et al. (1985).

• 🔄 La méthode de Sanger décrite suit ces étapes :

  1. Dénaturer le fragment à séquencer.
  2. Ajouter une amorce complémentaire et des dNTP.
  3. Répartir le mélange dans quatre tubes contenant chacun un ddNTP radioactif différent à 1 % par rapport aux dNTP.
  4. Séparer par électrophorèse sur gel de polyacrylamide les fragments arrêtés à différentes positions et les lire du plus

• Dans le gel de séquençage de Sanger, les fragments les plus courts sont les plus proches de l’amorce et migrent le plus rapidement; la lecture se fait du bas vers le haut du gel.

• En séquençage automatique, la couleur d’un fragment indique le dernier ddNTP incorporé, ce qui permet de séparer les fragments dans un seul puits et de lire la séquence par détection de fluorescence.

• Le NGS permet notamment de détecter :

  • les SNV
  • les petites insertions
  • les petites délétions
  • les variations du nombre de copies ou CNV

• Les trois stratégies principales de NGS sont :

  • l’analyse de panels de gènes
  • l’analyse d’exome ou WES
  • l’analyse du génome entier ou WGS

• Le NGS repose sur l’analyse en parallèle de molécules d’ADN fixées individuellement sur un support solide, leur multiplication clonale, l’élongation d’amorces et l’alignement des séquences obtenues sur le génome afin d’identifier les variations par rapport à la référence.

• Les adaptateurs de séquençage permettent au séquenceur de reconnaître les fragments et de séquencer plusieurs échantillons simultanément.

• La stratégie de diagnostic moléculaire dépend des connaissances sur les types de défauts moléculaires.

• La séquence issue du séquençage automatique peut être fournie sous forme de chromatogramme ou d’électrophorégramme.

💡 Astuce mémo

Librairie, clusters, séquençage, analyse : le parcours du NGS.

📖 17. Séquençage à haut débit

🔑 Notions clés & Définitions

• Variant calling : Identification des variations qualitatives de séquence nucléotidique par rapport à un génome de référence.

★ À maîtriser

• Le séquençage à haut débit comprend quatre étapes : préparation de la librairie, amplification des fragments et génération des clusters, séquençage, puis analyse bio-informatique des séquences.

Compléments

• Chaque cluster comporte de 1 000 à 5 000 molécules identiques, et plusieurs dizaines de millions de clusters peuvent se former sur un support.

💡 Astuce mémo

Préparer la librairie, former les clusters, séquencer, analyser.

📖 18. Diagnostic des maladies génétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Empreinte génétique : Profil génétique qui constitue la carte d’identité génétique d’un individu.
• Pharmacogénétique : Étude des conséquences de la variabilité génétique sur la réponse aux traitements.
• Cytogénétique : Étude des phénomènes génétiques au niveau des chromosomes du noyau cellulaire afin d’identifier des anomalies de nombre ou de structure.
• Caryotype humain : Représentation photographique des chromosomes d’une cellule, appariés par paires identiques et classés selon leur dimension, leur morphologie et la position de leur centromère.

📝 Points essentiels

• La génétique moléculaire recherche un gène morbide et/ou une mutation pathogénique responsable d’une maladie afin d’étudier et de diagnostiquer le génome.

📌 Le diagnostic prénatal des maladies génétiques repose sur un prélèvement fœtal, tandis que le diagnostic préimplantatoire repose sur une biopsie embryonnaire.

• Les polymorphismes de répétition permettent de comparer des échantillons d’ADN pour les tests de paternité et les enquêtes criminelles.

• Un test de paternité compare l’empreinte génétique de l’enfant à celles de sa mère et de son père présumé.

• Le séquençage de l’ADN peut permettre d’adapter les médicaments à la composition génétique de l’individu, objectif associé à la médecine personnalisée ou médecine de précision.

• La cytogénétique conventionnelle repose sur le caryotype humain, tandis que la cytogénétique moléculaire comprend la FISH et la CGH-array.

📌 En période prénatale, le caryotype est indiqué pour rechercher une trisomie 21 en présence de facteurs de risque, de signes d’appel échographiques ou de marqueurs sériques suspects, ou après un DPNI suspect.

• Chez le nouveau-né et l’enfant, les indications comprennent :

  • un retard de croissance
  • une dysmorphie
  • des malformations
  • un retard psychomoteur ou mental
  • une ambiguïté sexuelle

• Chez l’adulte, les indications comprennent : une anomalie chromosomique familiale, le fait d’être parent d’un enfant porteur d’une anomalie chromosomique, au moins 3 fausses couches spontanées, un bilan d’infertilité de couple, certains cancers, notamment hématologiques

• 🔄 La préparation chromosomique suit ces étapes :

  1. culture cellulaire
  2. blocage en métaphase et choc hypotonique
  3. fixation et étalement sur lames
  4. marquage des chromosomes

• La colcémide bloque les cellules en métaphase en inhibant la polymérisation des tubulines en microtubules et empêche ainsi la formation du fuseau mitotique.

• Un chromosome métaphasique est constitué de deux chromatides sœurs réunies par un centromère, qui définit un bras court p et un bras long q.

💡 Astuce mémo

Prénatal : prélèvement fœtal ; préimplantatoire : biopsie embryonnaire.

📊 Tableaux de synthèse

Anomalies de structure