S’interroger sur le concept de gène c’est se poser, par exemple, la question:

Qu’est qu’un gène?

Répondre à cette question est donnée une définition du gène

Deux aspects sont donc à considérer:

La fonction

La structure

Après avoir défini le gène, on peut alors se poser la question de la pertinence de ce concept dans le cadre de l’analyse fonctionnelle

CONFERENCE DE MONSIEUR NICOLAS LAURENT, Université de Provence

Le gène se définit toujours à partir de résultats expérimentaux.

Le gène est redéfini ou « réinventé » à chaque apport supplémentaire de données.

Aspect important: la définition du gène doit être une définition qui prend en compte la fonction.

Gregor Mendel(1865)

Le formalisme de ces lois intègre un objet qui sera appelé plus tard un gène.

Les lois régissant la transmission des caractères héréditaires sont décrites

Gène = Entité Un caractère

Définition fonctionnelle

Le gène porte une fonction qui peut se décliner en deux aspects:

-Unité de transmission-Unité de contrôle participant à la mise en forme d’un caractère(La réalisation de la fonction d’un gène forge un caractère)

Cette entité est une unité fonctionnelle: elle est donc indivisible (une partie du gène ne peut avoir de fonction).

On peut intégrer cette donnée dans le cadre des hypothèses portant sur la structure d’un gène.

La définition du gène donnée ici précède l’identification de sa nature matérielle, physique.Le gène ici n’a donc pas de structure et ne peut donc s’y réduire.

association

gène

Fonction(s)

Approche génétiqueou

Premières étapes de l’analyse fonctionnelle

Caractère(s) Variation phénotypique

Modification ou perturbation de la fonction

Nous sommes ici: début 1960’s

Définition du gène au niveau phénotypique ou définition génétique:région génétique, associée à un phénotype (forme visible d’un caractère), dans laquelle il n’y a pas de complémentation entre mutations.

Définition moléculaire:

Le gène est une unité fonctionnelle

Fonction du gène=fonction de la protéine

Portion d’ADN continue et limitée (1 locus)

Les gènes ne se chevauchent pas

1 gène 1 protéine

Les gènes déterminent les caractères héréditaires

Chaque chromosome est constitué d’ADNChaque chromosome contient de nombreux gènesUn gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d’une paireChaque gène est porteur d’une information génétique

Un gène= une portion d’ADN localisée sur un chromosome

Information génétique = une séquence donnée

Lien direct entre la séquence et la fonction

1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère

Gène 1

Gène 2

Caractère héréditaire 1

Caractère héréditaire 2

Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4 Gène 5 Gène 6 Gène 7

Caractère 1

Fonction 1…etc…

1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère

Organisme serait alors une somme de caractères obtenue par la sommation des fonctions portées par les gènes

gène Séquence, protéine

Fonction

Approche génétiqueou

Premières étapes de l’analyse génétique

Approche moléculaire, biochimique, cellulaireou

Etapes ultérieures de l’analyse génétique

Relations structures/fonction

Caractère

Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants montrant une variation phénotypique du caractère étudié, différents croisements pour localiser les mutations soit localiser le gène…

Précurseurmétabolique

pigment

Caractère=coloration

Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants perte de coloration, tests de complémentation, tests d’interaction génétique.

Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4

Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4 Gène 5 Gène 6 Gène 7

Caractère 1 Caractère 2 Caractère 3

Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:

Dogme central

ARNtARNr

Définition moléculaire:Portion d’ADN=séquence de nucléotides transcrite qui peut donner naissance à un produit fonctionnel.

On perd l’idée « un gène, une protéine »

Le gène est une unité fonctionnelle

Fonction du gène=fonction du produit

Portion d’ADN continue et limitée (1 locus)

Les gènes ne se chevauchent pas

1 seul transcrit primaire

Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:

On perd la notion de séquence continue

Le gène est une unité fonctionnelle

Fonction du gène=fonction du produit

Portion d’ADN continue mais morceléeet limitée (1 locus)

Les gènes ne se chevauchent pas

1 seul transcrit primaire

Unité de transcription

Une gène peut donner naissance à plusieurs produits fonctionnels.

Epissage alternatif

protéine 1 protéine 2

Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:

+1

1 seul transcrit primaire

Le gène n’est plus une unité fonctionnelleUnité de transcription

Fonction du gène=fonction des produits

Portion d’ADN continue mais morcelée et limitée (1 locus)

Les gènes ne se chevauchent pas

Unité de transcription

Données moléculaires nouvelles après le début des 1960’s:

Des unités de transcription se chevauchent (localisées sur le même brin ou sur les deux brins) ou sont retrouvées dans l’intron d’une autre unité

Le gène n’est plus une unité fonctionnelleUnité de transcription

Fonction du gène=fonction des produits

Portion d’ADN discontinue, morcelée et limitée (1 locus)

Les gènes se chevauchent

2 gènes car 2 unités de transcription

En parallèle des données sur les séquences transcrites et leur devenir, mise en évidence de séquences non transcrites qui permettent d’initier et de réguler la transcription d’un gène

Illustration de l’importance de ce niveau de régulation dans le cadre de la biologie du développement par exemple.

Ceci est à mettre en relation avec la fonction: Patron d’expression spatio-temporel, dose.

De fait, certaines définitions moléculaires intègrent ces séquences.

+1

séquence régulatrice cis

promoteur

exon

Nombre? position? taille? exclusif? sur le même chromosome?

intron

Le gène n’est plus une unité fonctionnelleUnité de transcription

Fonction du gène=fonction des produits

Portion d’ADN discontinue, morcelée et limitée (!?)1 locus mais pour l’unité de transcription

Les gènes se chevauchent

Définition moléculaire du gène (Lodish; Biologie moléculaire de la cellule):

-séquence complète (?) d’ADN nécessaire à la synthèse d’une protéine fonctionnelle (?) ou d’une molécule d’ARN (régions codantes, parfois introns, régions de contrôle).-unité de transcription eucaryote simple ( 1 seul ARNm monocistronique)-unité de transcription complexe: 1 transcrit primaire qui peut donner plusieurs ARNm monocistroniques (épissage alternatif, sites de polyadénylation alternatifs).

Définition moléculaire large (Pearson, Nature, mai 2006):Région génomique localisable qui constitue une unité de transmission comportant des régions transcrites et des séquences fonctionnelles (ex: promoteurs, séquences régulatrices).

Ici on perd l’unité de transcription. Dans les cas « plusieurs ARNm »: on ne considère alors que ceux qui possèdent au moins une région génomique (un exon) en commun.

Un ou plusieurs ARNmpartageant au moins un exon 2 à 2

Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines

Promoteur/Start alternatifSites polyadénylation alternatifsEpissage alternatifEpissage en TRANSEdition de l’ARN

Initiation alternative (même cadre de lecture ou alternatif)

1 ou plusieurs transcrits primaires

+1+1

Le gène n’est plus une unité fonctionnelle / Plus d’unité de transcription

Fonction du gène=fonction des produits

Portion d’ADN discontinue, morcelée et limitée (!?) / plus de locus

Les gènes se chevauchent

« The ENCODE project consortium »(projet lancé en 2003; publication en 2007 des résultats des premières analyses)

ENCODE: Encyclopedia of DNA Elements

Analyse la plus exhaustive possible de 1% du génome humain soit 30 Mb

44 régions génomiques considérées

Eléments qui ressortent des résultats de ENCODE:

-des régions non annotées comme contenant des « gènes » sont transcrites

-nombreux transcrits ne codant pas de protéines

-nombre important de Start de transcription non annotés

-identification de grands transcrits primaires pouvant couvrir plusieurs gènes et donc les régions « intergéniques ».

-ce n’est pas vraiment le nombre de loci associés à la production de protéines qui augmentent mais plus le nombre de transcrits alternatifs

-séquences régulatrices très dispersées et parfois transcrites (premier exon, introns voire une bonne partie de l’unité transcriptionnelle mais aussi en-dehors de l’unité transcriptionnelle)

Une conclusion forte: la majorité des séquences génomiques peuvent être transcrites

Un seul gène, le génome ???

Un nombre anormal de chromosomes empêche le développement de l’embryon ou entraîne des caractères différents chez l’individu concerné.

Un gène est l’ensemble des séquences génomiques codant un ensemble cohérent de produits fonctionnels (?) potentiellement chevauchant.

Séquence génomique: ADN ou ARN

Produits fonctionnels: ARN ou chaîne polypeptidique

Ensemble cohérent: union de tous les produits ayant au moins une région commune et en considérant le cas des produits ARN et polypeptidiques séparément

Définition du gène donnée par « the ENCODE project consortium »

Critères pour établir cette définition:

1/ rétroactivité: les régions génomiques qui possédaient la qualité de gène doivent garder cette qualité

2/ valide quelque soit l’organisme considéré (eucaryotes, archées, eubactéries)

3/ elle doit être simple et ne pas intégrer de considérations mécanistiques ni comportée d’exceptions

4/ permettre un comptage du nombre de gènes présent dans un génome

Mise en pratique de la définition ENCODE

Conséquences de cette définition:

-un gène codant un polypeptide peut être un exon, une partie d’exon, une union d’exons et/ou de parties d’exons (pas forcément localisés sur le même brin ni même sur le même chromosome)

-un gène permettant la synthèse d’un ARN non codant peut être composé de toute région génomique transcrite

-les régions régulatrices sont exclues

-les régions non traduites sont exclues

-une séquence commune même lue dans un cadre de lecture différent fonde un seul gène

Le gène n’est plus une unité fonctionnelle / Plus d’unité de transcription

Fonction du gène=fonction des produits

Portion d’ADN totalement discontinue (plus aucune connexion entre les différentes régions génomiques) et limitée / plus de locus

Les gènes se chevauchent

Création d’une catégorie:séquences associées aux gènes

1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère

Ces problèmes portant sur la définition moléculaire sont-ils de vrais problèmes?

Le gène pour le gène

Autrement dit, est-ce cela qui ébranle le concept de gène?

C’est la question de la pertinence de ce concept dans la pratique de recherche: considérer les gènes et seulement les gènes (c’est-à-dire les séquences d’ADN) permet-il d’expliquer la mise en forme des caractères héréditaires et les variations de ces caractères?

Autre point: ignorer la complexité de la structure moléculaire du génome et des mécanismes associés à son expression est un vrai problème dans la pratique de recherche pour l’interprétation de certains résultats mais pas pour le concept de gène.

1 gène

Un ou plusieurs ARNm partageant au moins un exon 2 à 2

Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques/protéines

Une ou plusieurs fonctions

idem idem idem idem

PLUSIEURS FONCTIONS

Protéine avec plusieurs domaines fonctionnelsModifications post-traductionnellesInteractions protéine/protéine; protéine/ADN; protéine/ARNQuantitéLocalisation sub-cellulaireUne ou plusieurs fonctions

1 gène 1 protéine 1 fonction 1 caractère

Notion de produit fonctionnel dans les définitions ?

Fonction(s) moléculaire(s)

Fonction(s) cellulaire(s)

Fonction(s) physiologique(s)

Exemples:

-p53

-Pax6

p53

Apoptose

Points de contrôle du cycleArrêt de la prolifération

Réparation de l’ADN

Sénescence

Les gènes déterminent les caractères héréditaires

Chaque gène est porteur d’une information génétique

1 gène associé à une ou plusieurs fonctions moléculaires élémentaires

Combinatoire d’interactions entre des fonctions moléculaires élémentaires.Cette combinatoire évolue dans le temps et dans l’espace.

Fonction « complète »

Mise en forme des caractères héréditaires

L’objet ayant une signification opérationnelle aujourd’hui serait plus le réseau d’interactions moléculaires (impliquant ADN, ARN et protéines: protéine/ADN; protéine/ARN; protéine/protéine et ARN/ARN)

Plusieurs « gènes » Séquences, structures, transcrits, protéines, régulations, localisations cellulaires, modifications, interactions…

Fonctions

Approche génétiqueou

Premières étapes de l’analyse génétique

Approche moléculaire, biochimique, cellulaireou

Etapes ultérieures de l’analyse génétique

Caractère

Analyse génétique: mutagenèse, sélection des variants montrant une variation phénotypique du caractère étudié, différents croisements pour localiser les mutations soit localiser le gène…

génomique

structurale

fonctionnelle (transcriptome, protéome, interactome)

L’objet ayant une signification opérationnelle aujourd’hui serait plus le réseau d’interactions moléculaires (impliquant ADN, ARN et protéines: protéine/ADN; protéine/ARN; protéine/protéine et ARN/ARN)

Séquençage des génomes entiers.Identification de séquences géniques potentielles donc trouver de nouveaux gènes.

Illustration de cette approche génomique

rv lv

atatoft

rv

lv

atift

Embryon de souris à 8 jours de développement

Identification de « gènes » exprimés différentiellement

Tube cardiaque antérieur (A)

Tube cardiaque postérieur (P)

E8(7s-9s)

Extraction ARN total

Sondes ASondes P

Hybridation sur puces

Résultats de l’hybridation des sondes sur une puce

Les gènes déterminent les caractères héréditaires

On doit définir alors ici le caractère héréditaire comme caractère propre de l’espèce transmissible de génération en génération mais sans pouvoir intégrer l’ensemble des variations intra-spécifiques c’est à dire les différentes formes possiblement adoptées par ces caractères.

Un embryon humain se développera en un être humain.

Génotype humain phénotype humain

Mais la connaissance seule des gènes (c’est-à-dire du génotype) de cet embryon ne peut permettre de prédire comment et qui sera cet être humain (c’est-à-dire son phénotype).

génotype phénotype

Génotype: pourrait être connu par le séquençage complet du génome d’un individu. Phénotype (« la forme visible »): ensemble des formes adoptées par chacun des caractères héréditaires.

Gènes modificateurs

En général, on considère un génotype partiel que l’on relie à un phénotype partiel.

Dans ce cadre, les gènes modificateurs viennent compliquer la relation génotype-phénotype. Selon ce que l’on peut appeler le fond génétique, on aura, pour un génotype partiel identique, un phénotype partiel différent.

Parmi les gènes modificateurs, on peut citer:

Gènes suppresseurs (le phénotype mutant est supprimé, retour au phénotype sauvage)

Gènes épistatiques (le phénotype est supprimé et le gène épistatique impose son phénotype)

Pour une mutation, on donne en général la valeur de deux paramètres:

Pénétrance, expressivité.

pénétrance

expressivité: variabilité dans la survenue des manifestations d’un même gène entre individus différents

Ex: nombre de tissus atteints, sévérité de l’atteinte

1000

500

Nom

bre

s d’

omm

atid

ies

Température (°C)

15 20 25 30

Génotype 1

Génotype 2

Génotype 3

Normes de réaction

Tératogènes non mutagènes

-rétinoïdes-alcool…

Taille, poids, densité osseuse, masse musculaire, couleur de la peau (exemple du bronzage), carences en nutriments essentiels

Système immunitaire

Plasticité neuronale

Modifications épigénétiques:

-inactivation de l’X chez la femme

-empreinte parentale

-paramutation

-modifications épigénétiques stochastiques (?) (évolution avec l’âge)

-modifications épigénétiques induites par l’environnement (?)

Transmission???

Les gènes et l’expression de leur(s) fonction(s) déterminent les caractères

Histoire individuelle (environnement, …)

Bruit de fond

Information génétique

Modifications épigénétiques

Les chromosomes présents dans le noyau sont le support du programme génétique

Chaque individu issu de la reproduction sexuée possède un programme génétique qui contribue à le rendre unique

La reproduction crée au hasard un nouveau programme génétique

Programme: notion qui contient l’idée d’un déterminisme génétique.

…possède un génome ou une information génétique dont l’expression contribue…

…de l’information génétique.

…une nouvelle information génétique.

Maladies génétiques:

Maladies héréditaires monogéniques (mendéliennes)

maladie que certains qualifient de purement génétique car la part du « fond génétique » et de l’environnement semble marginale

environ 1500 répertoriées à ce jour (beaucoup encore à caractériser)

maladie rare: peu d’individus atteints (seuil considéré: moins de 1/2000)

Allèle mutant

La pénétrance est élevée mais pas forcément complète et expressivité variable

Maladies génétiques:

Maladies génétiques dont la transmission n’est pas mendélienne

Maladies chromosomiques par exemple

Maladies plurifactorielles

avec composante génétique (prédisposition non héréditaire)

ici la part du « fond génétique » et de l’histoire individuelle est importante

Chaque chromosome est constitué d’ADN

Cette description est incomplète au-delà de la simple précision molécule d’ADN double-brin linéaire

Un chromosome est constitué d’ADN associé à des protéines: CHROMATINE.

La chromatine est plus que de l’ADN associé à des protéines de type « Histone »

L’ADN est un constituant des chromosomes

L’ADN seul ne peut jouer son rôle de support d’une information génétique transmissible.

La séquence des nucléotides n’est pas tout: la fonction de certaines portions de cette molécule ne peut pas toujours être prédite sur cette base (origines de réplication, centromère, SARs et modifications épigénétiques).

Fonctions des chromosomes:

« Mise en forme » de l’ADN dans le noyauRéplicationTransmission stable au cours des divisions cellulairesExpression des gènes

Plusieurs éléments associés: centromères, télomères, origines de réplication

Histones du nucléosome

Histone H1

Armature chromosomique(protéines)

Protéines du KinétochoreCohésinesProtéines télomériques

L’ADN est une molécule qui peut se pelotonner lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes.

Les chromosomes peuvent se présenter sous une forme plus ou moins pelotonnée. La forme la moins pelotonnée est présente en interphase. La forme la plus pelotonnée est obtenue lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes.

centromère

kinétochore

cohésines

télomère centromère

5’5’

3’3’

TTAGGG (vertébrés)

Chez l’humain 15-20kb

De 50 à plusieurs centaines de nt chez l’humain

Modèle de la boucle T

Fonctions des télomères:

-Réplication des extrémités des chromosomes (télomérase)Raccourcissement des télomères et sénescence cellulaire réplicative

-Empêcher la fusion entre chromosomes (stabilité génétique)

-Favoriser l’appariement des chromosomes homologues lors de la méiose(interaction entre télomères et enveloppe nucléaire)

Origines de réplication:

Deux aspects à considérer:

- le fonctionnement de l’origine

- La réplication unique au cours d’un cycle cellulaire

Le cancer est le résultat d’une prolifération incontrôlée de cellules

Plusieurs aspects doivent être considérés:

-dérégulation de la prolifération (perte de dépendances)

-autorisation à poursuivre: « immortalité »-aptitude à survivre

-invasivité

-migration (métastases)

Tumeur bénigne

Tumeur maligne(cancer)

Évolution possible

Prolifération réguléeSénescence possible

Mort cellulaire programmée possible

Prolifération déréguléeSénescence « off »

Mort cellulaire programmée « off »

Proto-oncogènes

oncogènes

Suppresseurs de tumeurs

Attention: concernant la dérégulation de la multiplication cellulaire, ne pas présenter les choses en terme d’augmentation de la vitesse de multiplication. Le paramètre considéré est le taux de prolifération c’est-à-dire le nombre de cellules qui se multiplient sur le nombre total de cellules.

Mutations dominantes

Mutations récessivesModifications épigénétiques

apoptose sénescence

différenciation

Le cancer est, en partie, le résultat d’une prolifération incontrôlée de cellules

ou

Une prolifération incontrôlée de cellules peut amener au développement d’un cancer

Syndrome de Li-Fraumeni:

Forme héréditaire de cancers (plusieurs tumeurs) touchant l’enfant et l’adulte jeune.

Dans beaucoup de cas, mutation constitutionnelle dans le gène p53.

Cancers: maladies sporadiques/maladies héréditaires

Cancers sporadiques: histoire familiale négative

Dans les formes héréditaires (moins de 10% des cas), une mutation (monogénique) perte de fonction est transmise: mutation constitutionnelle. Ex: mutation dans un suppresseur de tumeurs.Prédisposition héréditaire : la pénétrance de la mutation est élevée mais n’est en général pas complète.

Les cellules de l’organisme, à l’exception des cellules reproductrices possèdent la même information génétique que la cellule œuf dont elles proviennent par divisions successives.

aux mutations somatiques près….(à relier avec l’apparition possible de pathologies comme le cancer)

cas particulier des recombinaisons avec perte d’information: LB, LT

On peut alors se poser la question de l’origine des différences phénotypiques que montrent les cellules du corps humain (relier à l’expression de l’information génétique).

Un gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d’une paire.

Ne vaut que pour les paires de chromosomes homologues

X et Y chez les hommes.

Un gène (ou une partie de gène) occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d’une paire de chromosomes homologues.

Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents. Dans ce dernier cas, les deux allèles peuvent s’exprimer ou l’un peut s’exprimer et pas l’autre.

Haplo-insuffisance

Une seule dose doit s’exprimer: -cas des gènes soumis à l’empreinte-inactivation de l’X chez la femme

Ex: syndrome de Beckwith-Wiedemannmaladie génétique se caractérisant par une croissance excessive du fœtus, une grosse langue (macroglossie), une hypertrophie des organes, une omphalocèle ou une hernie, une prédisposition à développer une tumeur embryonnaire, des anomalies des oreilles et des hypoglycémies.Anomalies génétiques associées complexes mais dans la majorité des cas, relié à une expression biallélique du gène Igf2 (gène soumis à l’empreinte)

Expression?

X et Y chez les hommes.

Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents.