// 01 — Chimie Moléculaire
Structure de l'ADN
Le nucléotide — unité de base
Chaque nucléotide d'ADN est constitué de trois composants covalentement liés :
Le désoxyribose (C₅H₁₀O₄) — pentose dont le carbone 2' porte un H au lieu d'un OH (contrairement au ribose de l'ARN). Les carbones sont numérotés 1' à 5'.
Groupe phosphate (PO₄³⁻) lié en 5'. Crée les liaisons phosphodiester avec le 3'-OH du désoxyribose suivant — épine dorsale polyanionique de l'ADN.
Liée en 1'. Deux purines (Adénine, Guanine — deux cycles) et deux pyrimidines (Cytosine, Thymine — un cycle). La règle de Chargaff : [A]=[T] et [C]=[G].
La double hélice — Watson et Crick (1953)
5' - ATCGACTGACGT - 3'
||||||||||||
3' - TAGCTGACTGCA - 5'
/* Brin 3'→5' (brin matrice) — complémentaire et antiparallèle */
Les deux brins sont maintenus par des liaisons hydrogène entre paires de bases complémentaires (A=T : 2 liaisons H ; C≡G : 3 liaisons H) et par des interactions d'empilement (π-stacking) entre bases adjacentes — qui contribuent davantage à la stabilité de la structure que les liaisons H.
Formes alternatives de l'ADN
| Forme | Hélice | Pas (pb/tour) | Conditions / Rôle |
|---|---|---|---|
| ADN-B | Droite | 10,5 | Conditions physiologiques — forme dominante |
| ADN-A | Droite | 11 | Conditions déshydratées. Hybrides ADN-ARN lors de la transcription |
| ADN-Z | Gauche | 12 | Séquences GC alternantes, méthylation — rôle régulateur possible |
| G-quadruplex | Tétramère G | Variable | Régions riches en G (télomères, promoteurs) — cibles thérapeutiques cancers |
| Triple hélice | Droite + 3e brin | Variable | Contrôle de transcription, base de l'antigène-ARN |
// 02 — Compaction
Organisation de l'ADN dans la cellule
Compresser 2 m d'ADN dans un noyau de 6 µm exige un facteur de compaction de ~10 000×, réalisé en plusieurs niveaux hiérarchiques :
ADN dans les différents compartiments cellulaires
| Compartiment | ADN | Caractéristiques |
|---|---|---|
| Noyau (eucaryotes) | ADN nucléaire — ~3,2 Gpb (humain) | Linéaire, associé à des histones, organisé en chromosomes |
| Mitochondries | ADNmt — 16 569 pb (humain) | Circulaire, pluricopiés (~1 000/cellule), hérédité maternelle, 37 gènes |
| Chloroplastes | ADNcp — ~130–160 kb | Circulaire, ~100 copies/chloroplaste, ~80–100 gènes |
| Procaryotes | Chromosome bactérien — 0.5–10 Mpb selon espèce | Circulaire, peu ou pas d'histones (HU, HNS), dans le nucléoïde |
| Plasmides (bactéries) | 1 kb–1 Mpb | Circulaires, extrachromosomiques, transfert horizontal, résistance antibiotiques |
// 03 — Copie Fidèle
Réplication de l'ADN
Acteurs moléculaires de la réplication
| Protéine | Fonction | Vitesse / Propriétés |
|---|---|---|
| Hélicase (MCM 2–7) | Déroule la double hélice à la fourche de réplication — rompt les liaisons H | ~30–50 pb/s chez l'humain |
| Primase | Synthétise de courts ARN amorces (primers ~10 nt) pour initier la synthèse | Indispensable — ADN Pol III ne peut pas initier de novo |
| ADN Pol δ (brin retardé) | Synthèse des fragments d'Okazaki (brin retardé, en discontinu) | ~1 kb/fragment, correction d'épreuves 3'→5' |
| ADN Pol ε (brin directeur) | Synthèse continue du brin directeur (5'→3') | Haute processivité avec PCNA (anneau coulissant) |
| ADN Pol α | Synthèse des amorces (ARN + ADN court) — recrute Pol δ/ε | Basse fidélité, courte extension |
| RNase H / FEN1 | Excision des amorces ARN des fragments d'Okazaki | Essentiel pour la maturation du brin retardé |
| ADN Ligase I | Ligue les fragments d'Okazaki (refermez les coupures via ATP) | Indispensable pour l'intégrité du brin retardé |
| Topoisomérases I/II | Relâchent les tensions de torsion en amont de la fourche | Cibles des antibiotiques (fluoroquinolones) et anticancéreux |
| Protéines RPA | Stabilisent les brins monobrin à la fourche (SSB eucaryotes) | Protection contre nucléases et formations secondaires |
| Télomérase | Allonge les télomères (TTAGGG)n aux extrémités chromosomiques | Présente dans cellules souches, germinales, cancéreuses ; absente dans la plupart des cellules somatiques |
// 04 — ARN Messager
Transcription — ADN vers ARN
La transcription est la synthèse d'une molécule d'ARN complémentaire à un brin d'ADN par l'ARN polymérase, sans nécessité d'amorce, toujours de 5' vers 3'.
Chez les eucaryotes
| ARN Pol | Produit | Localisation |
|---|---|---|
| ARN Pol I | ARNr 28S, 18S, 5.8S (rDNA répété, ~200 copies) | Nucléole |
| ARN Pol II | ARNm, ARNsn, la plupart des lncARN, miARN précurseurs | Nucléoplasme |
| ARN Pol III | ARNt, ARNr 5S, ARN7SL, ARN vault | Nucléoplasme |
Étapes de la transcription eucaryote
Les facteurs de transcription généraux (TFIIA, B, D, E, F, H) reconnaissent la boîte TATA (TATAAA, -30 pb) et le TSS. TFIIH phosphoryle la CTD de Pol II → complexe d'initiation déconnecté → promoter clearance.
Pol II synthétise l'ARNpré-m à ~30–50 nt/s. La coiffe m⁷G est ajoutée co-transcriptionnellement dès ~25–30 nt (protection 5'). Épissage co-transcriptionnel via le spliceosome (snRNP U1, U2, U4, U5, U6).
Épissage des introns (séquences GU-AG). Polyadénylation 3' (signal AATAAA → ~200 A) → stabilité de l'ARNm. Export nucléo-cytoplasmique via les pores nucléaires (mRNP).
// 05 — Code Génétique
Traduction — ARN vers Protéine
La traduction est la décodification du message génétique (ARNm) en séquence d'acides aminés par les ribosomes, selon les règles du code génétique.
Le code génétique
AUG = Met (Start) | UAA UAG UGA = STOP
/* Propriétés du code : universel (quasi), dégénéré (redondant), non-ambiguë */
/* 61 codons sens → 20 AA : la 3e base est souvent « wobble » */
UUU/UUC=Phe UUA/UUG=Leu CCU/CCC/CCA/CCG=Pro
GGU/GGC/GGA/GGG=Gly GAU/GAC=Asp GAA/GAG=Glu
Mécanisme de la traduction
| Phase | Acteurs | Événement clé |
|---|---|---|
| Initiation | ARNm, SSU (40S+eIFs), Met-ARNt initiateur, GTP | Reconnaissance du codon AUG (scanning 5'→3'), assemblage 80S |
| Élongation | Ribosome 80S (3 sites A/P/E), ARNt aminoacylés, EF-1α/EF-2, GTP | Décodage anticodon-codon, peptidyl-transfert (ARNr 23S catalyse), translocation |
| Terminaison | Facteurs de libération eRF1 (tripeptide GGQ), eRF3 | Reconnaissance codon stop → hydrolyse liaison peptidyl-ARNt → libération protéine |
| Recyclage | Facteurs ABC, Ligatin/eIF2D | Dissociation 80S → réutilisation sous-unités |
// 06 — Variations Génétiques
Mutations de l'ADN
Une mutation est toute modification héréditaire de la séquence d'ADN. Elles sont la source fondamentale de variation génétique, moteur de l'évolution et cause de maladies.
Types de mutations ponctuelles
| Type | Description | Effet sur la protéine | Exemples |
|---|---|---|---|
| Synonyme (silencieuse) | Changement de base sans changement d'AA (code dégénéré) | Aucun (généralement) | CCU→CCC (Pro→Pro) |
| Faux-sens (missense) | Changement d'AA | Variable selon AA et position | HbS (Glu6→Val) → drépanocytose |
| Non-sens (nonsense) | Codon sens → codon stop | Protéine tronquée (souvent non-fonctionnelle → NMD) | p.Gln39* dans CFTR |
| Insertion/Délétion (indel) | Ajout ou perte de nucléotides | Souvent frameshift → protéine aberrante | ΔF508 dans la mucoviscidose |
| Expansion de triplets | Répétition anormale d'un trinucléotide | Gain de toxicité ou perte de fonction | CAG dans Huntington, CGG dans X fragile |
Agents mutagènes
Analogues de bases (5-bromouracile), agents alkylants (EMS, nitrogen mustard — chimiothérapie), agents intercalants (bromure d'éthidium, acridines), déamination spontanée (C→U : ~100–500/cellule/jour).
UV (photodimères cyclobutyliques CPD et 6-4PP entre pyrimidines adjacentes), rayonnements ionisants (cassures simple et double brin, bases oxydées — 8-oxoguanine très mutagène).
Transposons (éléments mobiles — 45 % du génome humain). Rétrovirus (insertion dans le génome hôte). APOBEC (mutagénèse en contexte de réponse antivirale — très fréquente dans les cancers).
// 07 — Stabilité Génomique
Réparation de l'ADN
Les cellules réparent ~10 000 lésions par cellule par jour. Des défauts dans la réparation de l'ADN sont la base de nombreux syndromes de prédisposition au cancer.
| Voie | Lésions cibles | Gènes clés | Syndrome de déficit |
|---|---|---|---|
| BER (Base Excision Repair) | Bases oxydées, désamination, dépurination | OGG1, APE1, PARP1, Pol β, LigIII | Risque colorectal (MUTYH) |
| NER (Nucleotide Excision Repair) | Photodimères UV, adduits volumineux | XPC, XPA, ERCC1-2, TFIIH, RPA | Xeroderma Pigmentosum |
| MMR (Mismatch Repair) | Mésappariements post-réplication, indels dans répétitions | MSH2/6, MLH1, PMS2 | Syndrome de Lynch (CCR héréditaire) |
| HR (Recombinaison Homologue) | Cassures double brin (haute fidélité) | BRCA1/2, RAD51, RPA, MRN complex | Cancer sein/ovaire héréditaire |
| NHEJ (Non-Homologous End Joining) | Cassures double brin (mutagène) | Ku70/80, DNA-PK, Artemis, Lig IV | Immunodéficiences combinées |
| Réparation direct | O⁶-méthylguanine (alkylation) | MGMT (déméthylase) | Résistance témozolomide (GBM) |
// 08 — Génomique
Le génome humain
~3,2 milliards de paires de bases (haploïde) dans 23 chromosomes (22 autosomes + 1 sexuel). Si étiré, l'ADN d'une cellule = ~2 m. Celui de 37 trillions de cellules = ~2× la distance Terre-Pluto.
~20 000–25 000 gènes codants pour des protéines. Seulement ~1,5 % du génome est exonique. ~75 % du génome est transcrit en ARN (ENCODE) mais la vaste majorité est non-codant (lncARN, ARN circulaires, etc.).
~45 % de répétitions : rétroéléments LINE (~20 %), SINE/Alu (~13 %), LTR-rétrotransposons (~8 %), transposons à ADN (~3 %). Anciens « parasites génomiques » co-optés par l'évolution.
Entre deux humains : ~4–5 millions de SNP (single nucleotide polymorphisms) + ~3–5 Mb de différences structurales (CNV, inversions). 99,9 % d'identité de séquence entre individus humains.
Projet Génome Humain
Lancé en 1990, le séquençage du génome humain a été complété en 2001 (brouillon) puis 2003 (complet à 92 %). En 2022, le consortium T2T (Telomere-to-Telomere) a achevé le premier génome humain complet à 100 %, incluant les régions centromériques et télomériques très répétitives — 400 millions de pb supplémentaires séquencés.
// 09 — Technologies
Biotechnologies de l'ADN
Polymerase Chain Reaction — amplification exponentielle d'une séquence cible. Cycles de dénaturation (95°C), hybridation (55–65°C), extension (72°C). 30 cycles → 10⁹ copies. Nobel 1993 (Mullis). Base du diagnostic moléculaire, RT-PCR (COVID-19).
Sanger (1977, Nobel) → séquençage massif parallèle NGS (Illumina — 150–300 pb, milliards de lectures) → séquençage long fragment (PacBio, Oxford Nanopore — jusqu'à 2 Mb/lecture). Un génome humain complet en 8h pour <1 000 $.
Système d'édition génomique précis — ARNguide + nucléase Cas9 → cassure DSB au site ciblé → réparation par NHEJ (indel) ou HR (remplacement). Applications médicales : thérapies géniques de la drépanocytose (Casgevy, approuvé 2023), bêta-thalassémie, cancer. Nobel 2020 (Charpentier & Doudna).
Tests génétiques (BRCA1/2, pharmacogénomique), DPN (diagnostic préimplantatoire), liquid biopsy (ADN tumoral circulant), médecine de précision oncologique (séquençage tumoral). Séquençage de nouvelle génération dans la pratique clinique courante.
Clonage d'un gène dans un vecteur (plasmide, phage) → expression dans une cellule hôte (bactérie, levure, cellule CHO). Production d'insuline recombinante (Eli Lilly, 1982), érythropoïétine, anticorps monoclonaux, vaccins (HBV, HPV).
Séquençage de l'ADN environnemental (eau, sol, air) → inventaire de la biodiversité sans culture. ADN ancien (aDNA) depuis os fossilisés → génomique des Néandertaliens (Pääbo, Nobel 2022), mammouths, pathogènes historiques (Yersinia pestis médiévale).
// 10 — Chronologie