01 — Bases
Fondements de la génétique
Les gènes et le génome
| Concept | Définition | Exemples / Valeurs humaines |
|---|---|---|
| Gène | Séquence d'ADN encodant une fonction (protéine ou ARN non-codant) | ~20 000 gènes codants (2 % du génome) |
| Allèle | Variante d'un gène en un locus donné | Groupe ABO : allèles IA, IB, i |
| Locus | Position précise d'un gène sur un chromosome | Ex. BRCA1 sur chr17q21 |
| Génotype | Constitution allélique d'un individu | AA, Aa ou aa (homozygote/hétérozygote) |
| Phénotype | Caractère observable résultant de génotype + environnement | Couleur des yeux, groupe sanguin, taille |
| Génome | Ensemble du matériel génétique d'un organisme | 3,2 Gb pour l'humain (haploïde) |
| Haplotype | Ensemble d'allèles liés sur un même chromosome | HLA haplotypes — déterminants de compatibilité |
Organisation du génome humain
- ADN codant : ~2 % du génome → gènes codant les protéines.
- ARN non-codants : miARN, lncARN, ARNr, ARNt — roles régulateurs essentiels.
- Éléments répétés : ~50 % du génome — SINEs (Alu ~11 %), LINEs (LINE-1 ~17 %), rétrotransposons.
- Régions régulatrices : promoteurs, enhancers, silencers, insulateurs — contrôlent l'expression des gènes.
- Hétérochromatine : régions condensées, peu accessibles, peu transcrites (centromères, télomères).
- Euchromatine : régions actives, accessibles à la machinerie transcriptionnelle.
02 — Molécule
Structure et réplication de l'ADN
Double hélice (Watson & Crick, 1953)
L'ADN (acide désoxyribonucléique) est une double chaîne antiparallèle enroulée en hélice droite. Chaque nucléotide est composé de :
- Un désoxyribose (sucre en C5).
- Un groupement phosphate (liant le carbone 3' d'un nucléotide au C5' du suivant → squelette phosphodiester).
- Une base azotée : purines (Adénine, Guanine) ou pyrimidines (Cytosine, Thymine).
Réplication semi-conservative
Chaque brin parental sert de matrice pour synthétiser un nouveau brin complémentaire. Expérience de Meselson & Stahl (1958) avec ¹⁵N/¹⁴N a démontré le caractère semi-conservatif.
| Enzyme / Facteur | Rôle |
|---|---|
| Hélicase | Déroule la double hélice au niveau de la fourche de réplication |
| Protéines SSB | Stabilisent les brins simples dénaturés |
| Primase | Synthétise une amorce ARN courte (primer) — nécessaire car l'ADN pol. ne peut initier |
| ADN polymérase δ (lagging) / ε (leading) | Synthèse 5'→3' — brin continu (leading) et fragments d'Okazaki (lagging) |
| RNase H / FEN1 | Enlèvent les amorces ARN |
| ADN ligase | Soude les fragments d'Okazaki |
| Topo isomérase II | Relaxe les supertours créés par l'hélicase en aval |
| Télomèrase | Allonge les télomères sur les chromosomes linéaires (actif dans cellules souches et cancéreuses) |
03 — Hérédité
Lois de Mendel et hérédité
Les trois lois de Mendel (1865)
Le croisement de deux lignées pures différentes donne des hybrides F1 tous identiques. La dominance s'exprime — seul le caractère dominant est visible chez les hétérozygotes.
À la méiose, les deux allèles d'un locus ségrègent séparément dans les gamètes. Chaque gamète ne reçoit qu'un allèle par locus. Ratio F2 : 3 dominants pour 1 récessif.
Les allèles de loci différents (non liés) ségrèguent indépendamment lors de la méiose. Ratio F2 dihybride : 9:3:3:1. Ne s'applique qu'aux gènes non liés (non situés sur le même chromosome ou distants).
Carré de Punnett — croisement Aa × Aa
Ratio génotypique 1:2:1 — Ratio phénotypique 3:1 (dominant:récessif)
Modes d'hérédité complexes
| Mode | Caractéristiques | Exemples |
|---|---|---|
| Dominant autosomal | 1 allèle suffit ; père ou mère transmettent ; tous les sexes affectés | Polydactylie, chorée de Huntington, achondroplasie |
| Récessif autosomal | 2 allèles requis ; parents souvent porteurs sains ; consanguinité ↑ risque | Mucoviscidose, phénylcétonurie, drépanocytose |
| Lié à l'X récessif | Gène sur chrX ; hommes souvent atteints ; femmes souvent porteuses | Daltonisme, hémophilie A/B, myopathie de Duchenne |
| Lié à l'X dominant | Rare ; femmes hétérozygotes atteintes | Hypophosphatémie liée à X, incontinentia pigmenti |
| Mitochondrial | Transmission maternelle exclusive ; tous les enfants d'une mère atteinte sont atteints | LHON (neuropathie optique de Leber), MELAS |
| Polygénique/multifactoriel | Nombreux gènes + environnement ; distribution continue | Taille, pression artérielle, diabète de type 2, autisme |
| Codominance | Les 2 allèles s'expriment simultanément | Groupes sanguins ABO (IAIB → AB) |
| Dominance incomplète | Le phénotype hétérozygote est intermédiaire | Fleur de belle de nuit : rouge × blanc → rose |
Linkage et recombinaison
Deux gènes sur le même chromosome tendent à être transmis ensemble (linkage). La fréquence de recombinaison (crossing-over à la méiose) entre deux loci est proportionnelle à leur distance — base de la cartographie génétique (1 centimorgan = 1 % de recombinaison). Thomas Hunt Morgan (prix Nobel 1933) a établi ces principes avec Drosophila melanogaster.
04 — Dogme Central
Expression des gènes — du gène à la protéine
ADN → (transcription) → ARNm → (traduction) → ProtéineExtensions : rétrotranscription (ARN→ADN par la transcriptase inverse des rétrovirus), ARN→ARN (réplication virale).
Transcription
| Étape | Mécanisme | Acteurs moléculaires |
|---|---|---|
| Initiation | ARN polymérase II se lie au promoteur (boîte TATA, INR, éléments core) via les facteurs généraux de transcription (TFIID, TFIIH…) | TFIID, TBP, médiateur, ARN Pol II |
| Élongation | Synthèse 5'→3' de l'ARNpré-m en lisant le brin matrice 3'→5'. Ajout coiffe 7-méthylguanosine en 5' | ARN Pol II phosphorylée sur CTD (Ser2/5) |
| Épissage (splicing) | Suppression des introns, jonction des exons par le spliceosome (5 snRNP : U1,U2,U4,U5,U6). Épissage alternatif → diversité des isoformes | Spliceosome (~150 protéines + ARNsn) |
| Polyadénylation | Clivage 3' et ajout de la queue poly(A) (~200 A) — protège contre la dégradation, favorise l'export et la traduction | CPSF, CstF, poly(A) polymérase |
Traduction et code génétique
L'ARNm est traduit au niveau des ribosomes (complexe ARNr + protéines) en séquence d'acides aminés. Le code génétique est composé de 64 triplets (codons) dont 61 codants et 3 codons stop.
Régulation de l'expression génique
- Niveau chromatinien : acétylation des histones (activation), méthylation des histones (répression ou activation selon le résidu), remodelage par complexes SWI/SNF.
- Niveau transcriptionnel : facteurs de transcription activateurs (enhancers) ou répresseurs (silencers) ; promoteurs proximaux/distaux ; super-enhancers dans cellules souches.
- Niveau post-transcriptionnel : épissage alternatif, stabilité ARNm, miARN (petit ARN non-codant ~22 nt qui réprime la traduction via RISC).
- Niveau traductionnel : structure 5'UTR (IRES), facteurs d'initiation eIF, uORF (open reading frame en amont).
- Niveau post-traductionnel : phosphorylation, ubiquitination → protéasome, clivage, glycosylation.
05 — Variation Génétique
Mutations et variation génétique
Une mutation est toute modification héréditaire de la séquence d'ADN. Elles sont la source ultime de toute variation génétique — matière première de l'évolution.
Causes des mutations
| Type | Agents | Lésions induites |
|---|---|---|
| Spontanées | Erreurs de réplication, dépurination (~10 000/jour/cellule), désamination de la 5-méthylcytosine→thymine | Mésappariements, sites abasiques |
| Radiations UV | Lumière UV (254 nm) | Dimères de pyrimidines (CPD, 6-4PP) → substitutions C→T |
| Radiations ionisantes | Rayons X, gamma, particules | Cassures simple/double brin, oxydation bases |
| Agents chimiques alkylants | Moutardes azotées, cisplatine, cyclophosphamide | Adduits sur les bases, réticulations inter-brins |
| Agents intercalants | Bromure d'éthidium, acridines | Insertions/délétions lors de la réplication |
| Espèces réactives de l'oxygène | Métabolisme normal, inflammation | 8-oxo-dG (mutagène), cassures de brin |
Réparation de l'ADN
- BER (Base Excision Repair) : enlève les bases modifiées (oxydées, désamidées). Glycosylases spécifiques + AP endonucléase + pol β.
- NER (Nucleotide Excision Repair) : excise des oligonucléotides autour de lésions volumineuses (dimères UV). Défaut → xeroderma pigmentosum.
- MMR (Mismatch Repair) : corrige les mésappariements post-réplication. Défaut → syndrome de Lynch (CCR héréditaire).
- HR (Homologous Recombination) : réparation fidèle des cassures double brin en phase S/G2, utilisant la chromatide sœur. BRCA1/2 essentiels.
- NHEJ (Non-Homologous End Joining) : réparation rapide mais parfois imprécise des cassures double brin — predominant en G1.
06 — Population
Génétique des populations
p² + 2pq + q² = 1 (AA + Aa + aa)
Forces évolutives perturbant l'équilibre HW
| Force | Mécanisme | Effet |
|---|---|---|
| Sélection naturelle | Différentiel de fitness entre génotypes | Changement directionnel des fréquences alléliques |
| Dérive génétique | Échantillonnage aléatoire dans petites populations | Fixation/perte d'allèles, surtout en faibles N |
| Mutations | Nouveaux allèles à un taux µ (~10⁻⁶/gène/génération) | Source de diversité, pression faible |
| Flux génique (migration) | Échange d'individus entre populations | Homogénéise les fréquences alléliques |
| Croisements non aléatoires | Préférence de partenaire selon génotype/phénotype | Modifie les fréquences génotypiques sans changer les fréquences alléliques |
Mesures de diversité génétique
- Hétérozygotie (H) : proportion d'individus hétérozygotes à un locus — mesure standard de la diversité.
- FST : indice de fixation mesurant la différentiation entre populations (0 = identiques, 1 = totalement différenciées). FST humain entre continents ≈ 0,10–0,15.
- π (diversité nucléotidique) : nombre moyen de différences par site entre deux séquences tirées aléatoirement dans la population. π humain ≈ 0,001.
- LD (Linkage Disequilibrium) : association non aléatoire entre allèles à deux loci différents — base des études GWAS.
GWAS — Genome-Wide Association Studies
Les GWAS comparent les fréquences alléliques de ~millions de SNPs (single nucleotide polymorphisms) entre individus malades et témoins. Ils ont identifié des milliers de variants associés à des maladies communes (diabète de type 2 : >200 loci, schizophrénie : >250, hauteur : >12 000). Limite : variants de GWAS expliquent souvent moins de 20 % de l'héritabilité totale — « missing heritability ».
07 — Ère Génomique
Génomique et séquençage
Générations de séquençage
| Génération | Technologie | Lecture / Coût |
|---|---|---|
| 1ère — Sanger (1977) | Terminateurs didéoxy + électrophorèse capillaire | ~1 000 pb / ~500 $/Mb (1990s) |
| 2ème — NGS (2005–) | Illumina (séquençage par synthèse), Ion Torrent | 150–300 pb / ~0,01 $/Mb |
| 3ème — Long reads (2011–) | PacBio (SMRT), Oxford Nanopore (pore protéique) | 10 kb–4 Mb / ~0,1 $/Mb mais plus d'erreurs |
| Hifi PacBio / ONT R10 | Hybride longues lectures + haute précision | >99,9 % de précision sur longues lectures (2023) |
Génomique comparative et fonctionnelle
- Génomique comparative : identification des régions conservées entre espèces (séquences ultra-conservées, UCEs) → fonctions essentielles.
- Transcriptomique (RNA-seq) : profil d'expression de tous les gènes dans un tissu à un instant donné.
- Single-cell RNA-seq : résolution cellule par cellule — le Human Cell Atlas vise à cartographier tous les types cellulaires humains.
- Protéomique : étude de l'ensemble des protéines exprimées (plus complexe que le génome : épissage alternatif, modifications post-traductionnelles).
- Métagénomique : séquençage direct de communautés microbiennes sans culture — révèle la diversité du microbiome.
08 — Au-delà de la Séquence
Épigénétique moléculaire
L'épigénétique désigne les modifications héréditaires de l'expression des gènes ne modifiant pas la séquence d'ADN. Elle constitue le lien entre génome et environnement.
| Mécanisme | Support moléculaire | Effets |
|---|---|---|
| Méthylation de l'ADN | Addition méthyl sur C5 des cytosines en contexte CpG (DNMT1/3A/3B). Démétylation active par TET (→ 5hmC→5fC→5caC) | Répression transcriptionnelle (promoteurs), inactivation X, empreinte génomique |
| Modifications des histones | Acétylation K (HAT/HDAC), méthylation K/R (HMT/KDM), phosphorylation S/T, ubiquitination, sumoylation | H3K4me3 = promoteur actif; H3K27me3 = répression polycomb; H3K9me3 = hétérochromatine |
| ARN non-codants | miARN (22 nt), lncARN (XIST, HOTAIR), piARN (transposons germinaux), circARN | Répression post-transcriptionnelle, guidage de complexes chromatiniens |
| Remodelage de la chromatine | Complexes SWI/SNF (BAF), ISWI, NuRD — déplacent ou éjectent les nucléosomes | Accès de la machinerie transcriptionnelle aux promoteurs et enhancers |
09 — Médecine & Biotechnologies
Applications de la génétique
L'outil d'édition génomique le plus révolutionnaire — prix Nobel 2020 (Doudna & Charpentier). Le guidage ARN (sgRNA) dirige Cas9 vers une séquence cible de 20 nt + PAM (NGG), induisant une cassure double brin. NHEJ → knock-out ; HDR → remplacement précis. Thérapies en essai clinique : drépanocytose (CASGEVY — 1ère thérapie CRISPR approuvée, 2023), cécité héréditaire, cancer.
Séquençage du génome tumoral → traitement personnalisé (thérapie ciblée). Pharmacogénomique : variants de CYP2D6, CYP2C19 guident la prescription des antidépresseurs, anticoagulants. Tests prénataux non invasifs (NIPT) : ADN fœtal libre dans sang maternel.
Remplacement ou correction d'un gène défectueux. Vecteurs : AAV (adéno-associés — plus sûrs), lentivirus, nanoparticules lipidiques (LNP). Approuvés : Luxturna (RPE65, cécité), Zolgensma (SMA1), Hemgenix (hémophilie B).
Empreinte génétique (DNA profiling) par STR (short tandem repeats) — probabilité de correspondance fortuite <10⁻¹⁸. Base de données CODIS (USA) : 20 M profils. Identification de restes humains (Romanovs, soldats inconnus). Généalogie génétique : GEDmatch utilisé dans l'affaire du Golden State Killer (2018).
Transgénèse : insertion de gènes hétérologues (Bt toxine, tolérance herbicides, riz doré – β-carotène). CRISPR en agriculture : blé résistant à l'oïdium, tomate à maturation retardée, riz à haut rendement, sans transgenèse dans certains cas.
Édition germinale (He Jiankui, 2018 — bébés CRISPR) : moratoire international. Accès aux tests génétiques, discrimination génétique (GINA aux USA). Données génomiques : vie privée, assurances, RGPD génomique. Brevetabilité des gènes (arrêt Myriad Genetics, CJUE 2001).
10 — Chronologie