Gènes et transformation de l'information génétique: cycle cellulaire et expression

Gènes et transmission de l'information génétique

Durée conseillée : 6 semaines

Rappel du programme

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Cellule et information génétique

Chromosome et ADN

Dégager les différents niveaux d'organisation du chromosome : double hélice d'ADN, nucléofilament (chromatine). Pour l'ADN, préciser la notion de polymère, la complémentarité des bases azotées, la composition biochimique des nucléotides (représentation schématique).

Transmission de l'information génétique lors de la division cellulaire

Présenter l'évolution de la chromatine et de la quantité d'ADN au cours du cycle cellulaire. Nommer et présenter succinctement les différentes phases du cycle cellulaire. Introduire les notions de multiplication cellulaire conforme (mitose), de réplication de l'ADN (sans aborder les mécanismes : ne pas nommer ni décrire ni les phases de la mitose ; ne pas décrire le mécanisme de la réplication). Souligner l'importance du cycle cellulaire dans le renouvellement cellulaire, la réparation des tissus et la croissance. Mentionner la nécessité d'un système de contrôle, sans entrer dans les mécanismes.

Du gène à la protéine

Transcription

Traduction et code génétique

Définir transcription et traduction ; indiquer leur localisation cellulaire. Cette dernière pourra être déduite de l'analyse d'expériences.

À l'aide de schémas, présenter la transcription ; mentionner l'ARN polymerase, le brin transcrit, l'ARN messager en précisant sa composition nucléotidique. Présenter le code génétique et ses caractéristiques. A l'aide d'une animation 3D, présenter simplement la traduction ; identifier l'ARN messager, l'ARN de transfert, les ribosomes, les acides aminés et la séquence polypeptidique.

Mutation ponctuelle

Présenter des exemples de mutations silencieuses, faux-sens et non-sens. Établir le lien entre la mutation, la structure de la protéine et la fonction de la protéine (pathologie éventuelle). Analyser des arbres généalogiques pour en déduire le mode de transmission des caractères héréditaires (autosomal ou gonosomal, récessif ou dominant, codominant) et déterminer des génotypes. Se limiter au monohybridisme.

Le cancer, une conséquence de mutations génétiques

Tumeur bénigne, tumeur maligne, métastases.

Décrire les différentes étapes du développement d'un cancer : mutation, hyperplasie (tumeur bénigne), dysplasie (tumeur maligne) avec néoangiogenèse ou cancer in situ puis métastases ou cancer invasif. Décrire très simplement le lien entre mutation et dérégulation du cycle cellulaire sans évoquer les proto- oncogènes et antioncogènes.

Un exemple de cancer

Origine plurifactorielle

À partir d'étude d'un ou plusieurs exemples, repérer les principaux agents mutagènes et facteurs de risque. Les relier aux actions de prévention.

Dépistage, diagnostic et suivi

• examens anatomopathologiques
• imagerie médicale
• marqueurs tumoraux

À partir de différents cas cliniques, · montrer l'intérêt de l'examen anatomo-pathologique. Présenter différents types de prélèvement (ponction, écouvillonnage, biopsie ... ) ; · évoquer l'intérêt du dosage de certains marqueurs tumoraux. (PSA, ACE, AFP ... ) dans le dépistage et le suivi médical ; · montrer l'intérêt de l'imagerie médicale dans le dépistage de certains cancers : scintigraphie, mammographie, IRM, scanographie. Le PET Scan pourra être évoqué en lien avec le programme de physique.

Traitements

• chimiothérapie anticancéreuse
• radiothérapie
• chirurgie
• autres traitements

À partir de différents cas cliniques, présenter les trois principaux types de traitements envisageables. Mentionner leurs effets iatrogènes éventuels. Il conviendra de préciser que les traitements sont adaptés à la localisation et au stade d'évolution de la tumeur. L'existence d'autres traitements (immunothérapie, inhibiteur de la néoangiogenèse, hormonothérapie, greffe de moelle osseuse ... ) sera évoquée.La génétique moléculaire s'intéresse à la molécule support de l'information génétique : l'ADN (acide désoxyribonucléique). L'ADN contient et transmet l'information génétique à savoir le code nécessaire à la synthèse de toutes les protéines cellulaires. L'ensemble de l'ADN d'une cellule est sous forme de chromosomes dans le noyau. Le génome d'une cellule est l'ensemble de ses gènes autrement dit la totalité de son ADN capable d'exprimer des caractères. Quelle est la structure de l'ADN et des chromosomes ? Comment un gène exprime un caractère ?

Structure de l'ADN

L'ADN, un polymère de nucléotides

L'ADN est un acide nucleique localisé dans le noyau des cellules. C'est une molécule bicaténaire c'est-à- dire formé de deux brins (ou chaînes) qui s'enroulent l'un autour de l'autre formant une structure en double hélice décrite par Watson et Crick en 1953. Chaque brin est un polymère de nucléotides c'est-à-dire un enchainement de plusieurs nucléotides. Document 1 : la structure en double hélice de l'ADN (différentes représentations)

Le nucléotide

Un nucleotide est l'unité élémentaire de la molécule d'ADN. Chaque nucleotide est constitué de trois molécules liées entre elles :

• un acide phosphorique ;
• un glucide : le désoxyribose ;
• une base azotée : il en existe 4 différentes pour l'ADN (l'adenine, la cytosine, la guanine et la cytosine).

Document 2 : représentation schématique d'un nucléotide

P base azotée désoxy- ribose

Pour former un brin, les nucléotides se lient entre eux par une liaison entre le désoxyribose d'un nucleotide et l'acide phosphorique du nucleotide qui suit.

93Thème 4 - Chapitre 13 l'information génétique et son expression Document 3 : représentation schématique d'un brin d'ADN : liaison entre les nucleotides

P A D liaison covalente entre nucléotides P G D P T D P T D ....

L'information portée par l'ADN est constituée par l'ordre dans lequel s'enchaînent les nucleotides (= la séquence de nucleotides).

Complémentarité des bases azotées

Pour former un double brin, il existe des liaisons faibles entre les bases azotées des deux brins. L'association des bases azotées n'est pas quelconque, il existe une complémentarité entre les bases azotées :

• la base adénine (A) s'associe toujours avec la base thymine (T) ;
• la base cytosine (C) s'associe toujours avec la base guanine (G).

Document 4 : représentation schématique d'un double brin d'ADN (complémentarité entre les bases azotées)

D P A T P D D P G C P D D P C G P D D P T A P D

Le chromosome

Les chromosomes sont des éléments microscopiques localisés dans le noyau cellulaire. Ils sont constitués de (la molécule d'ADN associée à des protéines : les histones. Ils sont visibles à un moment du cycle cellulaire : la mitose.

Structure et ultrastructure du chromosome

Chaque chromosome métaphasique (2e phase de la mitose) est constitué : de deux chromatides : ce sont deux copies identiques de la molécule d'ADN sous forme condensées prenant la forme de bâtonnets ;

• d'un centromère : il s'agit du site d'attachement des deux chromatides ;
• de télomères : ce sont les régions à l'extrémité de chaque chromatides.

Document 5 : structure d'un chromosome métaphasique

centromère chromatide télomère

Il y a dans un chromosome plusieurs niveaux d'organisation :

• la double hélice d'ADN est enroulée autour de protéines (les histones), cette association ADN- histones est appelée nucleosome ;
• les nucleosomes reliés entre eux par la molécule d'ADN forment comme un collier de perles appelé nucléofilament ou chromatine. C'est l'état décondensé de l'ADN ;
• la chromatine peut se condensée pour former les chromosomes.

Document 6 : niveaux d'organisation d'un chromosome

chromosome double condensé 1400 nm 300 nm chromatine 30 nm nucléofilament 11 nm histone nucléosome molécule d'ADN 2 nm | DE

95Thème 4 - Chapitre 13 l'information génétique et son expression

Transmission de l'information génétique au cours du cycle cellulaire

Le cycle cellulaire est la période de la vie d'une cellule qui est comprise entre sa naissance (par division d'une cellule mère) et sa propre division en deux cellules filles. On distingue deux grandes phases au cours du cycle cellulaire :

• l'interphase : phase de croissance de la cellule au cours de laquelle la cellule synthétise les constituants cellulaires. L'interphase comprend 3 sous-phases : phase G1, S et G2 ;
• da mitose (M) : phase de division cellulaire conforme au cours de laquelle une cellule mère donne deux cellules filles identiques entre elles et à la cellule mère.

Document 7 : les phases du cycle cellulaire

M mitose G G interphase S

Les chromosomes sont des structures constantes des cellules eucaryotes (dans le noyau). Ils sont dans des états de condensation variables au cours du cycle cellulaire :

• état decondensé : les chromosomes forment de longs filaments de chromatine. Cet état est visible pendant tout le cycle cellulaire sauf durant la mitose.
• état condensé : lorsque la chromatine atteint son niveau de compaction le plus élevé elle forme les chromosomes ayant l'aspect de bâtonnets. Cet état n'est visible que durant la mitose.

Le suivi de la quantité d'ADN au cours du cycle montre :

• qu'en phase S, il y a doublement de la quantité d'ADN grâce au mecanisme de réplication de l'ADN. Cette copie de l'ADN permet de conserver la quantité d'ADN dans les cellules (et donc l'information génétique) au cours des générations cellulaires successives. A l'échelle des chromosomes, la réplication de l'ADN provoque une duplication des chromatides on passe alors de chromosomes simples en phase G1 (formé d'une chromatide) à des chromosomes doubles en phase G2 (formés de deux chromatides).
• qu'en phase M, la quantité d'ADN est divisée par deux en raison d'un partage équitable de l'ADN entre les deux cellules filles par partage des chromatides de chaque chromosomes dans les cellules filles.

La mitose et la réplication de l'ADN assurent donc une stabilité du caryotype dans les cellules filles et la conservation de l'information génétique au cours des cycles cellulaires successifs. Ces mécanismes assurent une reproduction conforme des cellules nécessaire au renouvellement, à la croissance et à la réparation des tissus.