Fiche de révision : Bases de la biologie moléculaire

📋 Plan du Cours

1. Structure des nucléotides
2. Organisation des acides nucléiques
3. Gènes et expression génétique
4. Régulation et initiation transcriptionnelle
5. Élongation de la transcription
6. Maturation du transcrit primaire
7. Maturation de l’ARN messager
8. Principes du code génétique
9. Étapes de la traduction
10. Réplication et correction de l’ADN
11. Variants et conséquences génétiques
12. Méthodes d’étude des acides nucléiques
13. Principes et étapes de la PCR
14. Quantification et analyse des produits
15. Télomères et réplication de l’ADN
16. Mutations et variants génétiques
17. Extraction et amplification de l’ADN

📖 1. Structure des nucléotides

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Constitué d’une base azotée, d’un ose et d’un ou plusieurs groupements phosphate.

★ À maîtriser

• Les bases pyrimidiques sont:

  • la cytosine
  • la thymine
  • l’uracile

• Le β-D-ribose entre dans la composition de l’ARN, tandis que le 2-désoxy-β-D-ribose entre dans celle de l’ADN, la différence étant la présence d’un groupement OH ou H en position 2’.

📌 Dans l’ADN, l’adénine s’apparie à la thymine par deux liaisons hydrogène et la cytosine à la guanine par trois liaisons hydrogène ; dans l’ARN, l’uracile remplace la thymine.

📌 Un nucléoside associe une base azotée à un ose par une liaison N-osidique, tandis qu’un nucléotide associe un nucléoside à un, deux ou trois phosphates.

Compléments

• L’hydrolyse d’une liaison anhydride d’acide des phosphates libère au moins 31 kJ/mol, et l’hydrolyse de deux liaisons de l’ATP libère 42 kJ/mol.

💡 Astuce mémo

P-O-B : phosphate, ose, base azotée

📖 2. Organisation des acides nucléiques

★ À maîtriser

• Les acides nucléiques sont synthétisés par des polymérases à partir de nucléotides triphosphates, avec Mg2+ comme cofacteur obligatoire.

• Les nucléotides d’un acide nucléique sont reliés par des liaisons phosphodiester entre le OH en 3’ d’un nucléotide et le phosphate porté par le C5’ du suivant.

• Par convention, les séquences d’ADN et d’ARN sont lues de l’extrémité 5’ vers l’extrémité 3’.

• L’ARN contient du ribose, les bases A, U, C et G, est généralement monocaténaire et plus court, tandis que l’ADN contient du désoxyribose, les bases A, T, C et G et forme une double hélice bicaténaire antiparallèle.

• L’ARN polymérase I synthétise les ARNr 28S, 18S et 5,8S, l’ARN polymérase II synthétise les ARNm, et l’ARN polymérase III synthétise les ARNt, l’ARNr 5S, les ARNsn et les ARN 7S.

Compléments

• Les ARN ribosomiques représentent 82 % des ARN, les ARN de transfert 16 %, les ARN messagers 2 %, tandis que les ARN nucléaires et les ARN 7S représentent chacun moins de 1 %.

💡 Astuce mémo

ADN conserve, ARN transmet

📖 3. Gènes et expression génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Séquence de nucléotides de l’ADN contenant l’information nécessaire à la synthèse d’une protéine ou d’un ARN.

★ À maîtriser

• Un gène comprend notamment:
  • un promoteur
  • des séquences cis-régulatrices
  • un site d’initiation de la transcription
  • des exons
  • des introns
  • des signaux de fin de transcription

📌 Le brin sens est identique au transcrit primaire sauf pour le remplacement de T par U, tandis que le brin antisens est complémentaire du brin sens et sert de matrice à l’ARN polymérase II.

• 🔄 L’expression d’un gène suit les étapes suivantes:
  1. transcription de l’ADN en transcrit primaire
  2. maturation du transcrit primaire en ARNm
  3. traduction de l’ARNm en protéine

Compléments

• La régulation de l’expression des gènes s’effectue au niveau du contrôle transcriptionnel, de la maturation de l’ARN, de la traduction et de l’activité protéique.

💡 Astuce mémo

ADN → transcription → ARNm → traduction → protéine

📖 4. Régulation et initiation transcriptionnelle

★ À maîtriser

📌 Les éléments cis-régulateurs sont des séquences d’ADN du gène, tandis que les éléments trans-régulateurs sont des protéines qui se fixent sur ces séquences.

• Les trans-activateurs favorisent la transcription, tandis que les trans-répresseurs l’inhibent.

• La boîte TATA est située environ 25 nucléotides en amont du site d’initiation et est reconnue par TFIID via la TBP, tandis que la boîte CAAT est située environ 80 nucléotides en amont et participe à l’orientation de la transcription.

• 🔄 La formation du complexe d’initiation suit les étapes suivantes: fixation des facteurs trans sur les éléments cis, fixation de TFIID sur la boîte TATA, ouverture de l’ADN par TFIIH, recrutement de l’ARN polymérase II

Compléments

• L’ARN polymérase II utilise comme substrats les ribonucléosides triphosphates ATP, CTP, GTP et UTP en présence de Mg2+.

💡 Astuce mémo

Cis = séquences d’ADN, trans = protéines régulatrices

📖 5. Élongation de la transcription

★ À maîtriser

• Pendant l’élongation, l’ARN polymérase II lit le brin antisens dans le sens 3’→5’ et synthétise le transcrit primaire dans le sens 5’→3’ par ajout de nucléotides à son extrémité 3’ OH.

📌 Chaque nucléotide incorporé dans le transcrit consomme les deux liaisons anhydride d’acide de son nucléoside triphosphate et libère un pyrophosphate.

• Le transcrit primaire contient des exons et des introns mais ne contient pas le promoteur, qui est situé en amont du site d’initiation.

Compléments

• Les exons peuvent contenir des séquences codantes et des séquences non codantes, tandis que les introns sont éliminés lors de la maturation et ne font pas partie de l’ARNm.

💡 Astuce mémo

Lecture 3’→5’, synthèse 5’→3’

📖 6. Maturation du transcrit primaire

★ À maîtriser

• 🔄 La maturation comprend:

  1. l’ajout d’une coiffe en 5’
  2. l’excision-épissage des introns
  3. l’ajout d’une queue poly-A en 3’

• La coiffe 5’ est une 7-méthyl-guanosine triphosphate qui protège l’ARNm, permet sa sortie du noyau et facilite sa reconnaissance par les ribosomes.

Compléments

• Chaque intron possède un site donneur GU en 5’, un site accepteur AG en 3’ et une adénylate de branchement située environ 40 nucléotides avant le site accepteur.

• L’épissage alternatif permet de produire plusieurs ARNm et plusieurs protéines à partir d’un même gène, et les transcrits primaires de 90 % des gènes peuvent être concernés.

💡 Astuce mémo

Coiffe 5’ → excision-épissage → queue poly-A 3’

📖 7. Maturation de l’ARN messager

📝 Points essentiels

• L’excision-épissage reconnaît les introns, forme un lasso par liaison entre l’adénylate de branchement et le premier guanylate, libère l’intron puis relie les deux exons par une liaison phosphoester catalysée par une ARN ligase.

• Les introns possèdent un site donneur GU en 5’, un site accepteur AG en 3’ précédé d’une séquence riche en bases pyrimidiques, ainsi qu’une adénylate de branchement située environ 40 nucléotides avant le site accepteur.

📌 L’épissage alternatif permet de produire plusieurs ARNm et plusieurs protéines à partir d’un même gène, notamment par excision variable de certains exons ou par utilisation de deux promoteurs différents.

• La queue poly-A est ajoutée après la transcription en deux étapes : une endonucléase clive environ 20 nucléotides après la séquence AAUAAA, puis la poly-A polymérase ajoute plus de 1000 adénylates en 3’ sans matrice.

💡 Astuce mémo

Coiffe 5’ → épissage → queue poly-A 3’

📖 8. Principes du code génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Code génétique : Établit la correspondance entre les codons de l’ARNm et les acides aminés.

★ À maîtriser

• Le code génétique comprend 64 codons, dont 61 codent les 20 acides aminés et 3 sont des codons STOP : UAA, UAG et UGA.

• Le codon initiateur AUG code la méthionine et détermine le début de la traduction, tandis que les régions situées avant AUG et après le codon STOP ne sont pas traduites.

• Les ARNt sont de petits ARN d’environ 70 nucléotides, présentant une structure secondaire en trèfle et une structure tridimensionnelle en L, et portant leur acide aminé à l’extrémité 3’ CCA.

📐 Formule — La charge d’un ARNt consomme deux liaisons riches en énergie : $ATP \rightarrow AMP + PP_i$, puis le transfert de l’aminoacyle vers l’ARNt forme une liaison ester riche en énergie.

Compléments

📌 Le code génétique est dégénéré car un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons, jusqu’à six, mais la méthionine est codée uniquement par AUG.

💡 Astuce mémo

Codon sur l’ARNm, anticodon sur l’ARNt

📖 9. Étapes de la traduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Peptide signal : Séquence hydrophobe de 15 à 20 acides aminés située à l’extrémité N-terminale de certaines protéines et servant à leur adressage vers l’extérieur de la cellule, la membrane ou des organites.

📝 Points essentiels

• L’initiation de la traduction assemble l’ARNt chargé en méthionine, l’ARNm et les sous-unités ribosomiques 40S et 60S pour former un ribosome 80S fonctionnel.

• L’élongation recrute un ARNt au site A, transfère le peptide du site P vers l’acide aminé du site A par une liaison peptidique, puis transpose le complexe du site A vers le site P.

• La terminaison survient lorsqu’un codon STOP arrive au site A ; en présence d’un facteur eRF, la liaison ester est hydrolysée et les sous-unités ribosomiques, la protéine et le dernier ARNt sont libérés.

• L’incorporation de chaque acide aminé pendant l’élongation nécessite l’hydrolyse de quatre liaisons riches en énergie : deux lors de la charge de l’ARNt, une avec eEF1 et une avec eEF2.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison

📖 10. Réplication et correction de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication de l’ADN : Synthèse qui reproduit le génome pendant la phase S afin que les deux cellules filles reçoivent le même patrimoine génétique que la cellule mère.

★ À maîtriser

• La réplication est semi-conservative : chacun des deux brins parentaux sert de matrice pour synthétiser un nouveau brin complémentaire, produisant deux molécules d’ADN portant chacune un brin parental et un brin néosynthétisé.

📌 Les ADN polymérases synthétisent l’ADN dans le sens 5’→3’ à partir d’une amorce d’ARN produite par la primase, incorporent des désoxynucléotides triphosphates et possèdent une activité exonucléasique 3’→5’ de correction.

• La réplication présente moins d’une erreur par synthèse d’un milliard de nucléotides grâce aux mécanismes de vérification et de correction.

Compléments

• La réplication commence à plusieurs origines reconnues par des protéines nucléaires, ce qui ouvre l’ADN et forme plusieurs boucles de réplication sur le chromosome.

💡 Astuce mémo

Mésappariement → excision 3’→5’ → remplacement correct

📖 11. Variants et conséquences génétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Variation du génome : Changement permanent de la structure de l’ADN qui est copié dans les générations cellulaires futures et contribue à définir le génotype.

★ À maîtriser

📌 Une substitution remplace un nucléotide sans décaler le cadre de lecture, tandis qu’une délétion ou une insertion ajoute ou supprime un ou plusieurs nucléotides et peut décaler ce cadre.

📌 Une substitution synonyme ne change pas l’acide aminé, une substitution faux sens change l’acide aminé et une substitution non-sens transforme un codon codant en codon STOP.

• Une délétion ou une insertion de trois nucléotides ne décale pas le cadre de lecture, tandis qu’une variation portant sur un ou deux nucléotides le décale généralement et peut être désastreuse.

Compléments

• Le variant ΔF508 de CFTR est présent dans 70 % des cas de mucoviscidose et correspond à la délétion de l’acide aminé 508 sans décalage du cadre de lecture.

💡 Astuce mémo

Transition : même famille de bases ; transversion : familles différentes

📖 12. Méthodes d’étude des acides nucléiques

🔑 Notions clés & Définitions

• PCR : Méthode qui amplifie une séquence d’ADN en produisant un très grand nombre de copies à partir d’amorces encadrant la région ciblée.

📝 Points essentiels

• 🔄 La synthèse de l’ADNc comporte six étapes:

  1. Purification de l’ARNm
  2. Hybridation d’un oligo(dT)
  3. Synthèse du premier brin d’ADN par transcriptase inverse
  4. Dégradation de l’ARNm
  5. Synthèse du deuxième brin d’ADN
  6. Suppression de la boucle

• Les réactifs essentiels d’une PCR sont:

  • l’ADN matrice
  • une ADN polymérase thermostable de type Taq
  • une paire d’amorces
  • des désoxyribonucléosides triphosphates
  • un tampon
  • du Mg++

• Chaque cycle de PCR comprend une dénaturation à environ 90–96 °C, une hybridation des amorces à environ 50–65 °C et une élongation à environ 72 °C par la Taq polymérase.

💡 Astuce mémo

Extraction → ADNc → PCR : purifier, copier, amplifier

📖 13. Principes et étapes de la PCR

🔑 Notions clés & Définitions

• PCR : Méthode d’amplification de l’ADN qui synthétise un grand nombre de copies d’une région délimitée par deux séquences connues.

📝 Points essentiels

📌 La PCR nécessite de connaître les séquences situées aux deux extrémités de la région à amplifier afin de définir deux amorces complémentaires, et les deux brins d’ADN servent de matrice après leur séparation.

• 🔄 Chaque cycle comprend trois étapes successives:

  1. Dénaturation
  2. Hybridation des amorces
  3. Élongation par la Taq polymérase

• La dénaturation sépare les deux brins d’ADN en chauffant l’échantillon à 90–96 °C pendant environ 30–45 secondes, avec une température plus élevée lorsque la proportion de paires C-G est importante.

• L’hybridation fixe les amorces sens et antisens aux séquences complémentaires situées aux extrémités 3’ des deux brins, à environ 50–65 °C pendant environ 30 secondes.

• L’élongation synthétise les nouveaux brins d’ADN à partir du complexe amorce-matrice grâce à la Taq polymérase, à sa température optimale d’environ 72 °C pendant environ 90 secondes.

💡 Astuce mémo

Dénaturation → hybridation → élongation

📖 14. Quantification et analyse des produits

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de copies d’ADN après un cycle double à chaque cycle et se calcule par $N = 2^{n}$, où n est le nombre de cycles.

• Après 35 cycles de PCR, le nombre de copies dépasse 34 milliards.

• L’électrophorèse sur gel sépare les fragments d’ADN selon leur taille grâce à un champ électrique appliqué à un gel d’agarose ou de polyacrylamide.

📌 Dans le champ électrique, l’ADN chargé négativement migre vers l’anode chargée positivement, et les petits fragments migrent plus vite et plus loin dans le gel que les grands fragments.

Compléments

• Après le deuxième cycle, les fragments commencent à avoir la taille voulue, puis les fragments de cette taille deviennent progressivement majoritaires et les autres négligeables.

• Le bromure d’éthidium s’intercale dans l’ADN et permet de visualiser les fragments sous une lampe UV à une longueur d’onde de 254 nm.

• Des fragments de tailles connues, appelés marqueurs, permettent d’estimer la taille de la séquence étudiée ; des marqueurs de 50, 100 et 150 paires de bases sont cités dans le cours.

💡 Astuce mémo

ADN négatif + champ électrique → migration vers l’anode

📖 15. Télomères et réplication de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Télomères : Régions non codantes et non transcrites situées aux extrémités des chromosomes, qui retardent leur dégradation enzymatique.

★ À maîtriser

• Les télomères humains mesurent environ 5 à 15 kb et sont constitués de répétitions en tandem de la séquence TTAGGG, toujours dans la même orientation.

• 🔄 La réplication de l’ADN implique successivement:

  1. La primase synthétise l’amorce d’ARN
  2. Les ADN polymérases synthétisent les brins
  3. La ligase relie les fragments au reste du chromosome

📌 La réplication de l’ADN est semi-conservative et commence à partir de plusieurs origines de réplication qui forment des boucles, plutôt que de progresser d’une extrémité à l’autre du chromosome.

Compléments

• La séquence complémentaire de TTAGGG, lue dans le sens 5’→3’, est CCCUAA dans l’ARN matrice de la télomérase.

💡 Astuce mémo

Télomère = extrémité protectrice ; promoteur = région d’initiation.

📖 16. Mutations et variants génétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Variants génétiques : Modifications de la séquence d’ADN pouvant correspondre à une substitution, une délétion ou une insertion.
• Substitution synonyme : Une substitution synonyme modifie un codon sans changer l’acide aminé incorporé dans le peptide, comme le passage de UUA à CUA qui code encore une leucine.

★ À maîtriser

📌 Une transition remplace une base pyrimidique par une autre pyrimidine ou une base purique par une autre purine, tandis qu’une transversion remplace une pyrimidine par une purine ou inversement.

• Les variants situés dans les séquences codantes peuvent modifier l’expression ou la fonction d’une protéine, tandis que les variants des séquences régulatrices, notamment des promoteurs, peuvent également avoir des conséquences.

Compléments

• Les transversions ont généralement des conséquences plus sévères que les transitions.

• La mucoviscidose est une maladie récessive qui nécessite la mutation des deux allèles du gène CFTR.

💡 Astuce mémo

Transition = même famille de bases ; transversion = familles différentes.

📖 17. Extraction et amplification de l’ADN

★ À maîtriser

• La PCR est une succession de cycles d’amplification comprenant la dénaturation, l’hybridation des amorces et l’élongation, répétée un nombre déterminé de fois.

📐 Formule — Le nombre de copies d’ADN après une PCR vérifie $N = 2^n$, où n est le nombre de cycles ; après 7 cycles, on obtient 128 copies.

• Les fragments d’ADN sont séparés selon leur taille par électrophorèse dans un gradient électrique, car l’ADN est chargé négativement et migre vers l’anode.

• La PCR amplifie uniquement l’ADN ; l’étude d’un ARN nécessite donc de synthétiser au préalable un ADN complémentaire grâce à la transcriptase inverse.

Compléments

• La conservation de l’ADN se fait à -20 °C, tandis que la conservation de l’ARN se fait à -80 °C.

• Le séquençage consiste à déterminer la structure des acides nucléiques nucléotide par nucléotide, et l’extraction des acides nucléiques utilise le phénol.

💡 Astuce mémo

Dénaturation → hybridation → élongation.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison ADN et ARN

Types de variants