Biologie Moléculaire — Université de Biologie

GÉNÉTIQUE

La génétique est la science de l'hérédité et de la variation. Elle explore comment l'information génétique est encodée dans l'ADN, transmise de génération en génération, exprimée dans les cellules et modifiée par les mutations — fondement de toute la biologie moderne.

3.2 Gbgénome humain haploïde
20 000gènes codant des protéines
98.7 %identité ADN humain-chimpanzé
64codons dans le code génétique
// ADN — brin 5'→3'

01 — Bases

Fondements de la génétique

Définition : la génétique (du grec genesis, origine) est l'étude des gènes, de l'hérédité et de la variation génétique. Elle opère à trois niveaux : moléculaire (ADN/ARN/protéines), cellulaire (chromosomes, mitose/méiose) et populationnel (allèles, dérive, sélection).

Les gènes et le génome

ConceptDéfinitionExemples / Valeurs humaines
GèneSéquence d'ADN encodant une fonction (protéine ou ARN non-codant)~20 000 gènes codants (2 % du génome)
AllèleVariante d'un gène en un locus donnéGroupe ABO : allèles IA, IB, i
LocusPosition précise d'un gène sur un chromosomeEx. BRCA1 sur chr17q21
GénotypeConstitution allélique d'un individuAA, Aa ou aa (homozygote/hétérozygote)
PhénotypeCaractère observable résultant de génotype + environnementCouleur des yeux, groupe sanguin, taille
GénomeEnsemble du matériel génétique d'un organisme3,2 Gb pour l'humain (haploïde)
HaplotypeEnsemble d'allèles liés sur un même chromosomeHLA 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).
Règle de Chargaff : [A] = [T] et [G] = [C] dans tout ADN double brin. La complémentarité est assurée par des liaisons hydrogène : A=T (2 liaisons) et G≡C (3 liaisons). Les paires G≡C sont plus stables thermiquement. Un brin 5'→3' est toujours antiparallèle au brin complémentaire 3'→5'.

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 / FacteurRôle
HélicaseDéroule la double hélice au niveau de la fourche de réplication
Protéines SSBStabilisent les brins simples dénaturés
PrimaseSynthétise 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 / FEN1Enlèvent les amorces ARN
ADN ligaseSoude les fragments d'Okazaki
Topo isomérase IIRelaxe les supertours créés par l'hélicase en aval
TélomèraseAllonge les télomères sur les chromosomes linéaires (actif dans cellules souches et cancéreuses)
Fidélité de réplication : l'ADN polymérase fait environ 1 erreur pour 10⁵ nucléotides incorporés. Après correction exonucléasique 3'→5' (proofreading), le taux tombe à ~10⁻⁷. Après la réparation des mésappariements (MMR), le taux global est ~10⁻⁹ à 10⁻¹⁰ — soit ~0,64 erreur par réplication du génome humain entier.

03 — Hérédité

Lois de Mendel et hérédité

Les trois lois de Mendel (1865)

Loi 1 — Uniformité F1

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.

Loi 2 — Ségrégation (disjonction)

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.

Loi 3 — Assortiment indépendant

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

A
a
A
AA
Aa
a
Aa
aa

Ratio génotypique 1:2:1 — Ratio phénotypique 3:1 (dominant:récessif)

Modes d'hérédité complexes

ModeCaractéristiquesExemples
Dominant autosomal1 allèle suffit ; père ou mère transmettent ; tous les sexes affectésPolydactylie, chorée de Huntington, achondroplasie
Récessif autosomal2 allèles requis ; parents souvent porteurs sains ; consanguinité ↑ risqueMucoviscidose, phénylcétonurie, drépanocytose
Lié à l'X récessifGène sur chrX ; hommes souvent atteints ; femmes souvent porteusesDaltonisme, hémophilie A/B, myopathie de Duchenne
Lié à l'X dominantRare ; femmes hétérozygotes atteintesHypophosphatémie liée à X, incontinentia pigmenti
MitochondrialTransmission maternelle exclusive ; tous les enfants d'une mère atteinte sont atteintsLHON (neuropathie optique de Leber), MELAS
Polygénique/multifactorielNombreux gènes + environnement ; distribution continueTaille, pression artérielle, diabète de type 2, autisme
CodominanceLes 2 allèles s'expriment simultanémentGroupes sanguins ABO (IAIB → AB)
Dominance incomplèteLe phénotype hétérozygote est intermédiaireFleur 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

Dogme central de la biologie moléculaire (Crick, 1958) :
ADN → (transcription) → ARNm → (traduction) → Protéine
Extensions : rétrotranscription (ARN→ADN par la transcriptase inverse des rétrovirus), ARN→ARN (réplication virale).

Transcription

ÉtapeMécanismeActeurs moléculaires
InitiationARN 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
ÉlongationSynthèse 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 isoformesSpliceosome (~150 protéines + ARNsn)
PolyadénylationClivage 3' et ajout de la queue poly(A) (~200 A) — protège contre la dégradation, favorise l'export et la traductionCPSF, 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.

AUG Met — START
UGG Trp
UAA STOP
UAG STOP
UGA STOP
UUU Phe
UUC Phe
UUA Leu
UUG Leu
CUU Leu
CUC Leu
CUA Leu
CUG Leu
AUU Ile
AUC Ile
AUA Ile
GUU Val
GUC Val
GUA Val
GUG Val
UCU Ser
UCC Ser
UCA Ser
UCG Ser
AGU Ser
AGC Ser
CCU Pro
CCC Pro
CCA Pro
CCG Pro
ACU Thr
ACC Thr
ACA Thr
ACG Thr
GCU Ala
GCC Ala
GCA Ala
GCG Ala
Propriétés du code génétique : universel (quasi identique de la bactérie à l'humain), non chevauchant, dégénéré (plusieurs codons pour un même acide aminé), sans virgule (lecture continue). Exceptions : code génétique mitochondrial légèrement différent (ex. UGA = Trp dans les mito. humaines).

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.

Substitution
Remplacement d'une base par une autre. Transition (pur↔pur ou pyr↔pyr) plus fréquente que transversion. Peut être synonyme (muette), non-synonyme (faux-sens) ou non-sens (stop).
Insertion
Ajout de 1 ou plusieurs nucléotides. Si non multiple de 3 → décalage du cadre de lecture (frameshift) — généralement très délétère. Exemples : expansion de triplets (maladie de Huntington : répétition CAG >36×).
Délétion
Perte de nucléotides. Frameshift si non multiple de 3. Grandes délétions chromosomiques : syndrome cri-du-chat (del 5p), syndrome de DiGeorge (del 22q11). La délétion ΔF508 de CFTR cause 70 % des mucoviscidoses.
Inversion
Segment d'ADN retourné. Peut disrompre un gène ou déplacer un gène sous un nouveau promoteur. Inversion de l'intron 22 du facteur VIII → hémophilie A dans 45 % des formes sévères.
Duplication & CNV
Copie supplémentaire d'un segment. Les CNV (Copy Number Variations) représentent >12 % de variation entre génomes humains. Duplication de MECP2 → syndrome MECP2 ; amplification ERBB2 → cancer du sein.

Causes des mutations

TypeAgentsLésions induites
SpontanéesErreurs de réplication, dépurination (~10 000/jour/cellule), désamination de la 5-méthylcytosine→thymineMésappariements, sites abasiques
Radiations UVLumière UV (254 nm)Dimères de pyrimidines (CPD, 6-4PP) → substitutions C→T
Radiations ionisantesRayons X, gamma, particulesCassures simple/double brin, oxydation bases
Agents chimiques alkylantsMoutardes azotées, cisplatine, cyclophosphamideAdduits sur les bases, réticulations inter-brins
Agents intercalantsBromure d'éthidium, acridinesInsertions/délétions lors de la réplication
Espèces réactives de l'oxygèneMétabolisme normal, inflammation8-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

Équilibre de Hardy-Weinberg (1908) : en l'absence de forces évolutives (mutation, sélection, dérive, flux génique, croisements non aléatoires), les fréquences alléliques et génotypiques restent constantes de génération en génération dans une grande population panmictique.
p² + 2pq + q² = 1 (AA + Aa + aa)

Forces évolutives perturbant l'équilibre HW

ForceMécanismeEffet
Sélection naturelleDifférentiel de fitness entre génotypesChangement directionnel des fréquences alléliques
Dérive génétiqueÉchantillonnage aléatoire dans petites populationsFixation/perte d'allèles, surtout en faibles N
MutationsNouveaux allèles à un taux µ (~10⁻⁶/gène/génération)Source de diversité, pression faible
Flux génique (migration)Échange d'individus entre populationsHomogénéise les fréquences alléliques
Croisements non aléatoiresPréférence de partenaire selon génotype/phénotypeModifie 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

GénérationTechnologieLecture / Coût
1ère — Sanger (1977)Terminateurs didéoxy + électrophorèse capillaire~1 000 pb / ~500 $/Mb (1990s)
2ème — NGS (2005–)Illumina (séquençage par synthèse), Ion Torrent150–300 pb / ~0,01 $/Mb
3ème — Long reads (2011–)PacBio (SMRT), Oxford Nanopore (pore protéique)10 kb–4 Mb / ~0,1 $/Mb mais plus d'erreurs
Hifi PacBio / ONT R10Hybride longues lectures + haute précision>99,9 % de précision sur longues lectures (2023)
Projet Génome Humain : lancé en 1990, le HGP a produit la première séquence de référence (~3,2 Gb) en 2003, pour ~2,7 Md$. En 2022, le consortium T2T (Telomere-to-Telomere) a publié la première séquence complète sans lacunes — incluant les centromères et régions hétérochromatines précédemment manquantes (~8 % du génome). Aujourd'hui, séquencer un génome humain coûte moins de 300 $.

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.

MécanismeSupport moléculaireEffets
Méthylation de l'ADNAddition 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 histonesAcétylation K (HAT/HDAC), méthylation K/R (HMT/KDM), phosphorylation S/T, ubiquitination, sumoylationH3K4me3 = promoteur actif; H3K27me3 = répression polycomb; H3K9me3 = hétérochromatine
ARN non-codantsmiARN (22 nt), lncARN (XIST, HOTAIR), piARN (transposons germinaux), circARNRépression post-transcriptionnelle, guidage de complexes chromatiniens
Remodelage de la chromatineComplexes SWI/SNF (BAF), ISWI, NuRD — déplacent ou éjectent les nucléosomesAccès de la machinerie transcriptionnelle aux promoteurs et enhancers

09 — Médecine & Biotechnologies

Applications de la génétique

CRISPR-Cas9

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.

Médecine génomique

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.

Thérapie génique

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).

Médecine légale

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).

OGM et agriculture

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.

Enjeux éthiques

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

Histoire de la génétique

1865
Gregor Mendel
Présente ses lois de l'hérédité (petits pois) à la Société des sciences naturelles de Brünn — ignorées pendant 35 ans.
1869
Friedrich Miescher
Isole la « nucléine » (futur ADN) du pus de pansements — première identification de l'ADN.
1900
De Vries, Correns, von Tschermak
Redécouverte simultanée des lois de Mendel et fondation de la génétique moderne.
1902
Walter Sutton & Theodor Boveri
Théorie chromosomique de l'hérédité : les chromosomes portent les facteurs héréditaires.
1910
Thomas Hunt Morgan
Démontre que les gènes sont portés par les chromosomes avec Drosophila — prix Nobel 1933.
1928
Frederick Griffith
Expérience de transformation — une substance S (smooth) transforme des bactéries R (rough) en S virulentes.
1944
Avery, MacLeod & McCarty
Prouvent que l'ADN (et non les protéines) est le principe transformant — identifient l'ADN comme support de l'hérédité.
1953
Watson, Crick, Franklin & Wilkins
Structure en double hélice de l'ADN (modèle basé sur la photo 51 de Franklin). Prix Nobel 1962.
1961
François Jacob & Jacques Monod
Modèle de l'opéron lac — régulation de l'expression génique par répresseur/inducteur. Prix Nobel 1965.
1966
Marshall Nirenberg et al.
Décryptage complet du code génétique — 64 codons assignés aux 20 acides aminés + stop. Prix Nobel 1968.
1972
Paul Berg
Premier ADN recombinant in vitro — naissance du génie génétique. Prix Nobel 1980.
1975
Edwin Southern
Southern blot — transfert et hybridation d'ADN sur membrane. Outil diagnostique fondamental.
1977
Frederick Sanger & Walter Gilbert
Méthodes de séquençage de l'ADN. Prix Nobel 1980 (Sanger double lauréat).
1983
Kary Mullis
Invention de la PCR (polymerase chain reaction) — amplification in vitro de l'ADN. Prix Nobel 1993.
1990–2003
Projet Génome Humain (HGP)
Consortium international séquence le premier génome humain de référence — 3,2 Gb en 13 ans et ~2,7 Md$.
2012
Doudna & Charpentier
Publication de CRISPR-Cas9 comme outil d'édition génomique universel. Prix Nobel de chimie 2020.
2022
Consortium T2T
Première séquence complète du génome humain (sans lacunes, incluant centromères) — Telomere-to-Telomere.
2023
Vertex/CRISPR Tx
CASGEVY — première thérapie CRISPR approuvée (FDA + EMA) pour la drépanocytose et la β-thalassémie.