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NOTIONS DE BASE DE GENETIQUE D'UMBRELLA


LA CELLULE ET LE NOYAU


La cellule a été découverte en 1665 par l'Anglais Robert Hooke, grâce à un microscope primitif de son invention. Dans des fragments de végétaux, il pouvait distinguer des compartiments ressemblant aux cellules des moines dans les monastères; d'où le nom donné au plus petit dénominateur commun à tout ce qui vit.

Qu'elles composent un être végétal ou animal, les cellules participent au fonctionnement de tout l'organisme. On estime à quelques milliers de milliards le nombre de cellules composant le corps humain. Chaque cellule contient la même information génétique que portait la cellule mère, l'oeuf fécondé.
On distingue deux types de cellules: les procaryotes, dépourvues de noyau, et les eucaryotes, comprenant un noyau. Tous les organismes pluricellulaires sont constitués de cellules eucaryotes.

La cellule est enveloppée d'une membrane composée de lipides, de protéines et de glucides. Cette membrane facilite les échanges d'aliments, d'énergie et de fluides. Le cytoplasme est une sorte de gelée qui entoure le noyau.
Le noyau de la cellule eucaryote renferme les chromosomes, sur lesquels se trouvent les gènes. Les gènes sont des segments d'ADN (ou acide désoxyribonucléique). Chaque cellule contient une série identique d'environ 50 000 gènes. Le noyau est entouré d'une enveloppe nucléaire constituée de deux feuilles qui se rejoignent par des pores. Ces derniers permettent le trafic moléculaire entre le noyau et le cytoplasme.

Toute l'activité cellulaire est orchestrée à partir du noyau: l'information génétique que contient l'ADN est fidèlement copiée. Cette copie s'appelle l'ARN messager. Celui-ci sort du noyau pour amorcer la synthèse des protéines, fabriquées selon les besoins spécifiques des différentes cellules (foie, muscles, peau, etc.) La synthèse proprement dite des protéines est achevée dans les ribosomes, d'infimes particules qui peuplent le cytoplasme en grand nombre.





LES GENES


Les gènes portent les caractères héréditaires transmis au cours des générations. Ils sont disposés en ligne le long d'une unité plus grande appelée chromosome. Chaque gène est situé en un endroit particulier sur l'un des chromosomes du noyau cellulaire.

Le gène est formé d'une série de paires de bases. Certains gènes peuvent contenir un nombre relativement réduit de paires de bases (choisies parmi les quatre bases fondamentales : adénine, guanine, cytosine, thymine) quelques milliers par exemple, alors que d'autres en renferment plus d'un million.

Chaque gène contient les instructions pour coder une ou plusieurs protéines. Les protéines sont constituées par l'assemblage linéaire de 20 types de composantes élémentaires: les acides aminés. L'alphabet des protéines comprend donc 20 lettres. La correspondance entre les gènes et les protéines se fait donc grâce à la séquence des bases de l'ADN qui dicte la séquence des acides aminés dans une protéine: la règle de correspondance entre les deux alphabets se nomme le code génétique.

Les gènes dits " structuraux " constituent près de 99 p. cent du génome. Ces derniers sont caractérisés par un mode d'action impliquant la production de protéines. Les gènes structuraux sont responsables, entre autres, de l'exécution du métabolisme - en transformant les nutriments de la cellule en énergie - de la régulation du cycle et de la division cellulaire, etc.

Les gènes structuraux ont aussi pour tâche de différencier les différents types de cellules (nerveuses, hépatiques, musculaires, etc.) Dans ces cellules, tous les gènes sont présents, mais la majorité sont inactifs. Par exemple, un gène responsable de la production d'insuline n'a pas à être actif dans les cellules des tissus musculaires. Ainsi on estime qu'environ 10 % des gènes des cellules sont "fonctionnels".

Les allèles :
Les allèles sont les deux gènes qui occupent le même site sur deux chromosomes homologues. Les chromosomes forment des paires; les deux éléments d'une paire étant dits homologues; ils commandent les mêmes caractéristiques, comme la couleur de la peau. L'un d'eux représente l'information venue du père, et l'autre, de la mère. On dit d'un sujet qu'il est hétérozygote si dans un couple de gènes homologues (allèles), celui venant du père est différent de celui venant de la mère. Le sujet est homozygote si, au contraire, les deux allèles sont strictement identiques. Un gène est dominant s'il arrive toujours à s'exprimer, à se manifester, même quand il est seul, à l'état hétérozygote. L'autre allèle, qui ne s'exprime qu'à l'état homozygote, est dit récessif.





LES CHROMOSOMES


Les chromosomes sont constitués de molécules d'ADN compactées et entourées de différents types de protéines. Les chromosomes contiennent tout le matériel héréditaire des êtres vivants. Ils sont situés dans le noyau cellulaire.

Dans une cellule au repos (c'est-à-dire entre deux divisions), les chromosomes ne sont pas visibles individuellement. Ils font partie de la chromatine, présente dans le noyau sous forme de fines granules. C'est au cours de la division cellulaire (mitose) que la chromatine acquiert une structure filamenteuse. Alors les chromosomes apparaissent sous leur forme caractéristique de bâtonnets.

Les chromosomes transmettent le message héréditaire de la cellule parentale à la cellule fille, c'est-à-dire le code à partir duquel sont réalisés les caractères phénotypiques de l'être vivant. Le nombre de chromosomes est immuable pour une espèce déterminée. L'être humain en compte 46.

Les chromosomes existent en un seul exemplaire dans les cellules sexuelles (gamètes) alors qu'ils sont présents en paires dans toutes les autres cellules (les cellules somatiques). Chez les humains, il y a donc 23 chromosomes dans les cellules sexuelles et 46 (ou 23 paires) dans toutes les autres. La 23e paire de chromosomes détermine le sexe d'un individu. Les femmes ont deux chromosomes X, et les hommes un chromosome X et un Y. Dans chaque paire de chromosomes, un membre provient du spermatozoïde et l'autre de l'ovule.

Comme les femmes ont la formule chromosomique XX, chaque ovule détient un chromosome X. Les hommes, qui ont la formule XY, produisent deux types de spermatozoïdes: une moitié avec le chromosome X et l'autre avec le chromosome Y. Celui qui réussira à féconder l'ovule déterminera le sexe de l'enfant.





L'ARN


L'acide ribonucléique (ARN) a une structure semblable à celle de l'ADN. L'ARN se distingue de l'ADN par la nature du sucre qui porte les bases (ribose au lieu de désoxyribose) et le remplacement de la base thymine, présente uniquement dans l'ADN, par l'uracile, qu'on retrouve seulement dans l'ARN.

La molécule d'ADN ne fait que porter l'information génétique. L'ARN, lui, joue un rôle fondamental dans la synthèse des protéines fabriquées par la cellule. Il y a trois types d'ARN: l'ARN de transfert, l'ARN ribosomaux et l'ARN messager. Ce trio intervient à différentes étapes de la synthèse des protéines.

C'est l'ARN messager qui copie l'information génétique portée par l'ADN pour l'acheminer à l'extérieur du noyau sur le site de synthèse des protéines. Le mécanisme de copie se fait de la façon suivante: l'information contenue dans certaines séquences d'ADN est recopiée au cours de ce qu'on appelle la transcription. La copie se fait, gène par gène, ou par groupe de gènes, grâce à un enzyme: l'ARN polymérase. Sur l'ADN, il existe des séquences qui indiquent à l'ARN polymérase à quel endroit il doit commencer et terminer la transcription d'un gène. Le produit de la copie porte le nom d'ARN messager. Ce messager se dirige du noyau vers le cytoplasme pour faire décoder l'information qu'il transporte.

C'est là qu'intervient l'ARN de transfert, qui fera le lien entre cette information et les acides aminés de la protéine à synthétiser. L'ARN de transfert contient de 75 à 85 nucléotides. Dans certains virus, l'ARN détient les instructions nécessaires à la multiplication virale.





LA SYNTHESE DES PROTEINES


Le fonctionnement de la cellule dépend de l'action des protéines. Et c'est la cellule elle-même qui s'occupe de les produire. Plusieurs étapes sont nécessaires afin que l'information contenue dans l'ADN soit utilisée pour la synthèse des protéines. On a d'abord besoin d'ARN. En fait, trois types d'ARN se relaient: l'ARN messager, qui est la copie de l'information contenue dans l'ADN; l'ARN de transfert, qui apporte les acides aminés appropriés sur le site de synthèse des protéines; et l'ARN ribosomique, associé aux ribosomes - des organites situés dans le cytoplasme - qui est responsable de la synthèse des protéines. L'assemblage des acides aminés en protéines se fait au niveau des ribosomes, des corpuscules complexes constitués de protéines et d'ARN. Il y a environ 500 000 ribosomes dans certaines cellules animales.

L'ARN messager est utilisé par la cellule pour diriger la synthèse des protéines dans un processus appelé traduction. L'information contenue dans l'ARN messager prend la forme de groupements de trois bases (codons) complémentaires à des trios de bases de l'ADN. Ce sont les codes de traduction. D'autres codons spécifiques disent à la cellule quand et où commencer la synthèse d'une nouvelle protéine et quand la compléter. L'ARN de transfert contient quant à lui une séquence de trios de bases, appelée anticodons, qui reconnaît et lie les bases de l'ARN messager à celles de la protéine.

Chaque ARN de transfert se fixe temporairement au ribosome, le temps de relâcher son acide aminé. Puis il laisse la place au suivant. L'ordre des codons sur l'ARN messager détermine la protéine à synthétiser. Lorsque le ribosome arrive à l'un des codons signifiant l'arrêt de la traduction, il se détache du messager, libérant ainsi une protéine complète.





LA DIVISION CELLULAIRE


Les cellules animales et végétales se reproduisent par la division cellulaire, aussi appelée mitose. Chaque cellule suit un cycle cellulaire. Après une phase de croissance et d'intense activité métabolique et de synthèse, la cellule se divise pour donner deux cellules filles identiques à la cellule initiale.

La période pendant laquelle la cellule est au repos s'appelle interphase. Le début de la mitose (prophase) se traduit par une augmentation de volume du cytoplasme et du noyau. La chromatine, une substance du noyau, se condense en filaments plus ou moins spiralés qui vont se dédoubler dans le sens de la longueur: ce sont les chromosomes, qui apparaissent alors sous forme de bâtonnet. Le centre cellulaire qui se trouve dans le cytoplasme se dédouble et chaque partie migre vers l'un des pôles de la cellule.

Des organites nommés centrosomes prennent les opérations de la mitose en charge. Les deux centrosomes sont liés par de fins filaments qui forment l'aster. La membrane nucléaire a alors disparu.

Dans un second temps (métaphase), les chromosomes groupés par paires se disposent dans la partie centrale des filaments du fuseau. Puis (anaphase), les paires de chromosomes se séparent et commencent leur ascension le long des filaments du fuseau vers leur centrosome.
La mitose se termine (télophase) lorsque les chromosomes ont reconstitué autour du centrosome un noyau normal. Une membrane nucléaire se forme. Puis, le cytoplasme se fragmente alors par étranglement pour donner les deux cellules filles.

Malgré la complexité des phénomènes, la durée des mitoses ne dure que de 60 à 120 minutes. Leur fréquence est très élevée pour les tissus jeunes (les enfants) et plus faible pour les tissus adultes. Elle est nulle pour le tissu cérébral.





ADN : MUTATIONS ET REPARATIONS


Si l'ADN représente l'information génétique, les mutations sont des erreurs inscrites dans la séquence des bases qui le constitue. Lorsque la cellule se reproduira, le brin d'ADN qui porte l'erreur sera fidèlement recopié. Les changements peuvent aller de la perte d'une base ou son remplacement par une autre jusqu'à des modifications impliquant plusieurs bases voire le chromosome dans sa totalité.

Il existe deux types de mutations : celles que notre patrimoine génétique porte à notre naissance et celles qui se produisent au cours de notre vie. Prenons l'exemple du gène BRCA1, dont certaines mutations provoquent le cancer du sein et de l'ovaire. Une étude a démontré que des femmes d'une ethnie juive européenne portaient le même type de mutation du gène BRCA1. Ces femmes auraient donc toutes un ancêtre commun qui leur aurait transmis le gène altéré. Dans leur cas, deux paires adjacentes de nucléotides sur l'ADN de ce gène ont été effacées. Un vide se crée donc dans les instructions habituelles pour créer la protéine correspondante, qui apparaît alors sous forme tronquée. Le cancer est le résultat final de cette forme de mutation.

Un autre type de mutation du gène BRCA1 peut aussi provoquer un cancer. Les femmes atteintes n'en auront pas hérité de leurs ancêtres; la mutation aura plutôt lieu au cours de leur vie. On estime que le style de vie, la diète, l'environnement jouent un rôle dans l'apparition des mutations du patrimoine génétique.

Des mutations peuvent également survenir à la suite d'agressions chimiques ou physiques, comme les rayons ultraviolets ou les rayons X, le benzopyrène, un composant de la cigarette, et de nombreux solvants.

Toutefois, si certaines mutations génétiques sont meurtrières, la grande majorité n’a aucune conséquence apparente. Dans d'autres cas, la mutation d'un gène peut même s'avérer positive. Par exemple, le gène muté CCR-5 immuniserait le porteur contre le VIH.

Divers mécanismes de réparation entrent en jeu lorsque l'ADN est endommagé. Les protéines ou enzymes de réparation sont capables de reconnaître un grand nombre de déformations ou d'anomalies de structure différentes et de les éliminer en reconstituant fidèlement la structure d'origine.

Mais plus les généticiens apportent de nouvelles informations sur les mutations génétiques, plus tout devient complexe. On a déterminé à grosso modo 200 le nombre de mutations pour le gène BRCA1 uniquement. Et avant de connaître les implications de chacune sur l'organisme, il y a loin de la coupe aux lèvres…


Source : Cybersciences.


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