Ma famille et nos gènes.Pourquoi nous ressemblons-nous sans être identiques? Qu'est-ce qui fait mon identité? Pourquoi une maladie rare peut-elle être fréquente dans ma famille?

Le code génétique n'est pas ce qui vous différencie de votre voisin ou d'une mouche. En effet, tout être vivant actuellement connu a le même code génétique. Il ne faut pas confondre code génétique et programme génétique pour désigner l'information génétique qui définit les caractères d'un être vivant. Le programme génétique de chacun est unique. Il est en quelque sorte le "mode d'emploi" pour construire un être vivant. Ce programme est écrit dans un langage ADN commun à tous les êtres vivants. Il est donc plus facile pour une bactérie de déchiffrer un fragment d'ADN humain que pour vous de lire un manuel de montage d'une fameuse marque suédoise.
L'ADN est une longue molécule en forme de double hélice, composée de nucléotides associées les unes aux autres (un groupement phosphate, un sucre, et une base azoté). Les nucléotides se différencient les uns des autres par leur bases azotées. Il en existe quatre (A:adénine,T:thymine,G:guanine,C:cytosine) dont la succession, comme un message codé, définit les caractères. Dans la cellule un chromosome est composé d'une molécule d'ADN associée à des protéines qui lui permettent de se condenser, se décondenser et de migrer lors des différentes phases cellulaires.
Le code génétique est le "dictionnaire" utilisé par les cellules pour traduire le langage ADN, du programme génétique, en langage protéine. Les protéines sont des molécules complexes, hormones, anticorps ou enzymes qui assurent les travaux cellulaires. L'information génétique est stockée sous forme de gènes de quelques milliers de A,T,C,G enchainés dans un ordre précis. Attention car tout l'ADN ne code pas pour des protéines, il existe des parties non codantes dont on ne connait pas encore la fonction mais qui ont leur utilité (nous le verrons plus loin).

I: La traduction de l'ADN en protéine.
II: Mutations de l'ADN quelles conséquences?
III: Méiose et passage de l'information génétique à la descendance.
IV: Ressemblance et différence.
v: Maladie génétique familiale
VI: L'empreinte génétique

Pour traduire un gène, ou fragment d'ADN, en protéines il faut plusieurs étapes et un intermédiaire important: l'ARN.
Voyons comment sont composés l'ADN (acide 2-désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique) au niveau moléculaire ( figure1 ).

L'ADN et l'ARN sont composés de nucléotides. Un nucléotide est une molécule dans laquelle on trouve un phosphate, un sucre et une base azotée (ne pas confondre avec un nucléoside qui est seulement composé du sucre et de la base azotée). Les phosphates liés au sucre forment une sorte de chaîne sur laquelle des bases azotées se fixent à distance régulière: c'est un brin d'ADN. Ensuite deux chaines sur lesquelles sont fixées les bases azotées se lient entre elles grâce à des liaisons faibles ( hydrogène) , entre les bases A et T (ou U) et entre les bases C et G, puis s'enroulent en double hélice. Traditionnellement on compare cette structure à une échelle dont les phosphates et les sucres sont les montants et les bases azotées les barreaux. Mais les liaisons entre les bases azotées étant faibles, on pourrait dire que c'est une vieille échelle en bois restée des mois sous la pluie. Si vous voulez monter dessus c'est à vos risques et périls , les barreaux vont casser sous vos pieds. Dans la cellule il existe des protéines dont le rôle est de casser ces liaisons pour séparer les deux brins d'ADN , comme votre pied sur l'échelle.
Sur ce schéma, plusieurs choses sont à remarquer:
L' Adénine et la Guanine sont des purines (famille de molécule) et la Cytosine, la Thymine et l'Uracile sont des pyrimidines.
Notons que les liaisons se font exclusivement entre une purine et une pyrimidine, de plus l' Adénine ne se lie qu'à la Thymine (dans l'ADN) ou à l'Uracile (dans l'ARN) par deux liaisons faibles mais jamais avec la Cytosine qui ne se fixe qu'à la Guanine par trois liaisons faibles. Pourquoi l'Adénine ne se fixe pas à la Thymine dans l'ARN ou à l'Uracile dans l'ADN? Tout simplement: ces deux bases sont seulement présentes dans l'un ou l'autre (nous verrons plus loin pourquoi).
-les différents sucres
Les sucres des molécules d'ADN et d'ARN sont des aldopentoses (sucre constitués d'une chaîne de 5 éléments carbone ainsi que d'une fonction aldéhyde). Dans l'ARN on trouve du ribose avec une fonction hydroxyle (OH) sur le deuxième carbone, cette fonction est désoxydée (H) dans l'ADN ne laissant plus qu'un atome d'hydrogène, le sucre est alors un 2-désoxyribose .

Depuis tout à l'heure je vous parle d'ARN mais qu'est ce que c'est?
L'ARN est une molécule ressemblant à l'ADN. Il en existe plusieurs sortes l'ARN ribosomique, l'ARN de transfert et l'ARN messager. C'est ce dernier qui nous intéresse pour l'instant. L'ARN messager (ARNm) est un intermédiaire indispensable à la production des protéines. En effet, l'ADN est dans le noyau de la cellule, mais les protéines sont produites dans le cytoplasme de la cellule au niveau des ribosomes ( deux sous unités composées de protéines et d'ARN ribosomique qui servent à l'assemblage des protéines).
L'ADN ne sort pas du noyau, et le ribosome reste dans le cytoplasme, alors comment l'information peut-elle aller jusqu'aux ribosomes? L'ADN est transcrit en ARNm (figure2).

Les deux brins de la double hélice d'ADN sont séparés par un mécanisme incluant plusieurs protéines (hélicase, topoisomérase...). Ensuite  l'ARN polymérase se fixe au brin matrice au niveau d'un promoteur: la TATAbox (suite de nucléotide T et A) afin de synthétiser une molécule d'ARN, copie fidèle de l'ADN, en remplaçant chaque Thymine par une Uracile. L'information génétique est la même. L'ARN obtenue n'est pas l'ARN messager final, il s'agit d'un pré ARN messager qui est la copie des exons (segment d'ADN situé à l'intérieur de la séquence codante d'un gène) et des introns (segment d'ADN non codant ). Or pour traduire l'information en protéine, il ne faut que l'information portée par les exons. Il existe donc un mécanisme appelé épissage qui retire les introns et relie les exons afin d'obtenir une séquence entièrement codante. De plus tout les exons ne sont pas forcement utilisés, certains peuvent être supprimés. Mais l'ARN n'est pas encore complétement mature, il nécessite l'ajout d'une coiffe d'un coté du brin (5')et d'une queue polyA de l'autre (3')afin de pouvoir sortir du noyau.
Une fois hors du noyau l'ARNm est pris en charge par un ribosome. Le ribosome est le lieu d'assemblage des protéines.  Le ribosome se fixe à l'ARN et le parcours pour le lire dans un sens précis:du coté 5' vers le coté 3'. Dans le ribosome se trouvent trois « chambres ». Dans la première « chambre », un ARN de transfert (ARNt) portant un peptide se fixe à l'ARNm. Au cours de la lecture l'ARNt et le peptide sont amenés dans la deuxième « chambre » ou  le peptide s'assemble avec le précédant et relache l'ARNt . Puis la troisième « chambre » sert de porte de sortie au polypeptide.
Comment lire l'ARNm pour le traduire en protéine? Le code génétique ( figure3 ).

Le ribosome lit les nucléotides par groupe de trois (codon). Ensuite en fonction de ce codon un ARNt possédant l'anticodon correspondant va introduire tel ou tel peptide dans le ribosome afin d'assembler le polypeptide. L'ARNt possède une base inosine (base ayant subit une modification chimique la rendant différente de A,T,C,G ou U) qui lui est spécifique et qui peut se lier à A, C ou U d'où la possibilité d'avoir un même peptide avec un codon différent. Effectivement si l'on regarde le tableau avec attention, on remarque que si une seule base diffère (A,C ou U) les peptides sont souvent identiques. Un codon code pour un seul peptide mais un peptide est codé par plusieurs codons. Il existe des codons spéciaux:
-le codon AUG seul codon codant pour la méthionine. C'est le codon d'initiation de la traduction: tout les polypeptide démarrent par un peptide méthionine.
-les codons UAA,UAG et UGA sont des codons stop qui indiquent le signal d'arrêt de la traduction.
Une fois le polypeptide terminé, celui ci est pris en charge par des protéines chaperonnes pour le replier. Celui ci acquiert sa fonctionnalité: protéine fonctionnelle.

Ainsi le génome d'un individu permet la synthèse des  protéines qui lui conféreront un phénotype particulier
Le génome est l'ensemble des gènes d'un organisme
Le phénotype est l'ensemble des caractères physiques et physiologiques d'un individu.
Exemple de caractères: couleur des yeux, taille, maladie ou non...

Nous pouvons nous demander ce qui arrive lorsque les gènes mutent.

II-Mutations de l'ADN quelles conséquences?

Quand on vous parle de mutation, vous pensez tout de suite au cancer, ou aux maladies de type hémophilie, myopathie ou encore mucoviscidose. En effet ces maladies sont dues à des mutations, pourtant beaucoup de mutations sont totalement inoffensives et nous permettent d'être différents.

Les mutations sont le siège de l'évolution. Si le génome était stable, l'homme n'existerait pas. En effet

actuellement nous supposons que tout les êtres vivants ont un ancêtre commun que l'on nomme LUCA. Il serait apparu il y a 3,8 milliard d'années. LUCA été un organisme unicellulaire qui possédait un fragment d'ADN qui lui permettait de fabriquer des protéines. Ces protéines participaient à la structure et aux réactions chimiques de cet organisme. L'ADN de LUCA a subit des modifications, ces modifications ont entrainé des modifications dans les protéines et leurs fonctions et donc l'organisme a évolué. Ce mécanisme d'évolution est toujours actif actuellement chez tous les êtres vivants.

Quelles sont ces mutations et quelles en sont les causes et conséquences?

-une base de la séquence ADN est remplacée par une autre: on parle alors de substitution.

Ex: séquence de base: ATGTCGTACGTATGA (1)

nouvelle séquence: ATGTCGAACGTATGA (2)

Séquence protéique obtenue:

1. Met,Ser,Tyr,Val,STOP

2. Met,Ser,Asn,Val,STOP

   Ici, la Tyrosine a été remplacée par une Asparagine. Cette mutation a donc une conséquence: elle change la protéine, c'est une mutation faux-sens. Mais ce changement n'aura pas forcément une répercution sur la fonction de la protéine, ni sur le phénotype de l'organisme. Cela dépend de la localisation de la mutation sur la protéine. Si elle est située dans un site actif, la protéine risque de ne plus être fonctionnelle ou de remplir une fonction différente de celle de départ, à ce moment là le phénotype de l'organisme risque d'être changé. Ce changement peut être bénéfique mais peut tout autant être néfaste, tout dépend de l'activité de la protéine.

Par exemple si cette protéine est responsable de la prototrophie d'une bactérie au tryptophane (la bactérie est capable de produire le tryptophane essentiel à sa croissance elle même): la bactérie en question est capable de pousser sur un milieu dépourvu de tryptophane. Si la mutation inhibe le site actif de la protéine, la bactérie devient auxotrophe au tryptophane (elle n'est plus capable de le produire et en a besoin dans son milieu pour sa croissance) et ne poussera plus sur un milieu dépourvu de tryptophane.

Les substitutions ne provoquent pas toujours des changements dans les protéines. En effet reportez vous au tableau du code génétique vu plus haut et vous remarquerez que plusieurs codons codent pour une même protéine, on parlera alors de mutation silencieuse. (Ici je vous donne une séquence ADN, pour avoir la séquence ARN correspondante, remplacez simplement le T par un U).

Ce type de mutation peut transformer un codon correspondant à un acide aminé en codon STOP. C'est une mutation non sens, elle conduit à une fin prématurée de la traduction et à une protéine plus courte.

-une ou plusieurs bases sont ajoutées ou supprimées à la séquence: on parle d'insertion ou de délétion.

Ex d'insertion:

séquence de base: ATGTCGTACGTATGA (3)

nouvelle séquence: ATGTCGTTACGTATGA (4)

Séquence protéique obtenue:

1. Met,Ser,Tyr,Val,STOP

2. Met,Ser,Leu,Arg,Met, + il reste une base A

Ex de délétion:

séquence de base: ATGTCGTACGTATGA (5)

nouvelle séquence: ATGTCG.ACGTATGA (6)

Séquence protéique obtenue:

1. Met,Ser,Tyr,Val,STOP

2. Met,Ser,Thr,Tyr, + il reste une base G et une base A

Ces mutations ont généralement des conséquences plus graves que les substitutions. L'ARNm étant lu sous forme de codon (3 nucléotides). Ici la protéine se trouve complétement changée. Il y a un décalage du cadre de lecture des codons. Il y a de forte chance pour que la protéine soit non fonctionnelle. De plus le codon STOP a disparu, ce qui provoque un rallongement de la protéine.

Le décalage de lecture apparaît à chaque fois que le nombre de nucléotides ajouté ou supprimé n'est pas un multiple de trois. Tout les nucléotides situés en aval seront regroupés en des codons erronés. Il en résulte un long faux sens qui aboutit tôt ou tard à un non sens en introduisant un codon STOP,

D'où proviennent ces mutations?

Lors de la réplication, de la réparation ou de la recombinaison de l'ADN, il peut y avoir des erreurs qui peuvent engendrer des substitutions, des insertions, des délétions, ou des mutations touchant des parties plus longue de l'ADN. Ces mutations sont appelées mutations spontanées. Environ 1nucléotide sur 10^10 est modifié et est transmis à la génération de cellules suivantes.

Certains agents chimiques (analogue de bases, agent intercalent...) ou physiques (radiation, rayon UV...) appelés mutagènes interagissent avec l'ADN et provoquent des mutations.

Une mutation n'est pas héréditaire, à moins qu'elle ne touche une cellule germinale (cellule reproductrice). Parfois les parents transmettent un gène muté à l'origine d'une maladie génétique. L'environnement va alors sélectionner les individus les plus aptes à survivre. Généralement plusieurs gènes interviennent dans le déclenchement d'une maladie. C'est pour cela que le risque de cancer augmente avec l'âge: les mutations aléatoires s'accumulent au cours de la vie.

Sur plusieurs générations les modifications non létales peuvent s'accumuler et créer de nouvelles espèces.

Lien vers une liste de mutagène et leurs conséquences sur l'ADN:

http://www.inrp.fr/Acces/biotic/genetic/mutation/html/mutagen.htm

Voici quelque liens pour vous informer sur les CMR (cancérogènes, mutagènes et toxiques pour la reproduction )

http://www.inrs.fr/accueil/risques/chimiques/cancerogenes-mutagenes.html

http://www.cisme.org/etude/documents/cmr21juin04.pdf

http://www.afsset.fr/index.php?pageid=1173&parentid=424

III: Méiose et passage de l'information génétique à la descendance.

Habituellement une cellule se divise à l'identique grâce au processus de mitose (figure 4).

Figure4: Les étapes de la mitose

Une cellule diploïde (2 lot (2n) de chromosomes un lot rose et un lot bleu) se divise en cellule fille absolument identique grâce à ce processus. Les phases G1,S et G2 sont les différentes phases de l'interphase qui prépare la division. En phase G1 les chromosomes sont décondensés, le noyau est entouré de l'enveloppe nucléaire, il n'y a qu'un seul centrosome et les chromosomes n'ont qu'une chromatide. En phase S les chromosomes se dupliquent (2 chromatides identiques (soeur) attachées par le centromère).On obtient une cellule avec deux lots de chromosomes à deux chromatines. En phase G2 les chromosomes commencent la condensation, le centrosome est dupliqué.

Ensuite vient la phase de mitose proprement parlée:

- en prophase les chromosomes sont entièrement condensés, l'enveloppe nucléaire se détruit, les centromères commencent à former des fuseaux mitotiques composés de microtubules (cytosquelette).

-en prométaphase, l'enveloppe nucléaire a disparu, les fuseaux mitotiques se sont allongés et les chromosomes s'y accrochent grâce au kinétochore.
-en métaphase les chromosomes dupliqués s'alignent au niveau de la plaque équatoriale de la cellule.
-en anaphase les chromatides se détachent, une d'elle migre vers un pôle où il y a un centrosome pendant que l'autre migre vers l'autre pôle où il y a l'autre centrosome.
-en télophase, on voit un étranglement au centre de la cellule dû à du cytosquelette d'actine. Deux enveloppent nucléaires se créent: une à chaque pôle entourant chaque lot de chromatide. Les chromosomes se décondensent.
-en cytocinèse il y a séparation totale des deux cellules filles qui sont identiques à la cellule mère.

Ce processus se produit dans toutes les cellules du corps et participe à l'entretient du corps, à son développement.

Pour voir la mitose en vidéo:

Cependant un autre processus est à l'origine des cellules germinales. En effet avec la mitose on obtient des cellules à 2 lots de chromosomes, or si deux cellules fusionnent (phénomène de reproduction sexuée), elle aurait 4 lots de chromosomes. Il faut donc réduire le nombre de chromosomes avant la reproduction pour obtenir, après fusion, une cellule avec 2 lots de chromosomes (figure5).

Comme pour la mitose il y a une interphase qui prépare la cellule à la division. Globalement les principes sont les mêmes que pour la mitose: ce sont les mêmes éléments qui sont en jeu lors des mêmes phases. Cependant il existe des différences notables. Il y a deux divisions au lieu d'une seule. La première est dite réductionnelle. En effet elle réduit le nombre de lot de chromosomes dans une cellule. Lors de la métaphase, les chromosomes homologues s'apparient. Ce ne sont plus les chromosomes, mais les appariements de chromosomes qui s'alignent sur la plaque équatoriale. Ainsi lors de l'Anaphase I ce ne sont pas les chromatides soeurs qui se séparent, mais les chromosomes entiers(avec les deux chromatides). Après la première cytocinèse on obtient deux cellules avec un seul lot (n) de chromosomes à deux chromatides. La seconde division est dite éducationnelle car elle va permettre la formation de quatre cellules avec chacune un lot de chromosomes à une seule chromatide. Les chromatides sont séparées lors de l'anaphase II.

Ainsi une cellule va produire quatre cellules qui pourront fusionner avec une autre pour donner naissance à une cellule oeuf.