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Gènes et chromosomes

Par David N. Finegold, MD

  • Un gène correspond à un segment d’ADN contenant le code utilisé pour synthétiser une protéine.

  • Un chromosome comprend des centaines de milliers de gènes.

  • Chaque cellule humaine contient 23 paires de chromosomes, pour un total de 46 chromosomes.

  • Un trait est une caractéristique déterminée de manière génétique, souvent par plusieurs gènes.

  • Certains traits sont le résultat de gènes anormaux qui ont été hérités ou qui sont le produit d’une nouvelle mutation.

Les protéines sont probablement les matériaux les plus importants de l’organisme. Elles ne sont pas seulement les briques qui servent à la fabrication des muscles, des tissus conjonctifs, de la peau, et d’autres structures, mais elles sont également nécessaires pour produire des enzymes. Les enzymes sont des protéines complexes qui contrôlent et effectuent presque tous les processus et les réactions chimiques de l’organisme. Le corps synthétise des milliers d’enzymes différentes. Ainsi, l’ensemble de la structure et du fonctionnement du corps est régi par les types et les quantités de protéines produites par le corps. La synthèse des protéines est contrôlée par des gènes, qui sont portés par les chromosomes.

Le génotype correspond à la combinaison unique des gènes d’une personne, autrement dit à ses caractéristiques génétiques. Ainsi, le génotype est un ensemble complet d’instructions définissant la façon dont le corps de cette personne synthétise les protéines et donc la façon dont son corps doit être structuré et fonctionner.

Le phénotype correspond à la structure et au fonctionnement réels de l’organisme d’une personne. Le phénotype diffère généralement quelque peu du génotype, car toutes les instructions du génotype ne sont pas appliquées (ou exprimées). L’expression d’un gène et la manière dont il est exprimé sont déterminées non seulement par le génotype, mais aussi par l’environnement (y compris les maladies et l’alimentation) et d’autres facteurs, dont certains sont inconnus.

Le caryotype est l’ensemble complet des chromosomes des cellules d’une personne.

Gènes

ADN

Les gènes sont constitués d’acide désoxyribonucléique (ADN). L’ADN contient le code, ou modèle, utilisé pour synthétiser une protéine. La taille d’un gène varie en fonction de la taille de la protéine pour laquelle il code. Chaque molécule d’ADN est constituée d’une longue double hélice semblable à un escalier en colimaçon qui aurait des millions de marches. Les marches de l’escalier sont formées de quatre types de molécules, appelées bases (nucléotides), associées par paire. À chaque marche, la base adénine (A) est couplée à la base thymine (T), ou la base guanine (G) à la base cytosine (C).

Structure de l’ADN

L’ADN (acide désoxyribonucléique) constitue le matériel génétique cellulaire, contenu dans les chromosomes du noyau cellulaire et des mitochondries.

À l’exception de certaines cellules (par exemple, les spermatozoïdes, les ovules et les globules rouges), le noyau d’une cellule contient 23 paires de chromosomes. Un chromosome porte de nombreux gènes. Un gène est un segment d’ADN qui fournit le code nécessaire pour fabriquer une protéine.

La molécule d’ADN est une longue double hélice, semblable à un escalier en colimaçon. Elle comprend deux brins formés d’un sucre (le désoxyribose) et de molécules de phosphate reliées entre elles par quatre molécules appelées bases associées par paires, qui forment les marches de l’escalier. Dans les barreaux, l’adénine est couplée à la thymine et la guanine à la cytosine. Chaque paire de bases est reliée par une liaison hydrogène. Un gène est constitué d’une séquence de bases. Les séquences de trois bases codent pour un acide aminé (les acides aminés sont les briques qui constituent les protéines) ou pour d’autres informations.

La synthèse des protéines

Les protéines sont composées d’une longue chaîne d’acides aminés liés entre eux l’un après l’autre. Il existe 20 acides aminés différents qui peuvent être utilisés dans la synthèse des protéines ; certains doivent provenir de l’alimentation (acides aminés essentiels), et d’autres sont produits par des enzymes présents dans l’organisme. Au fur et à mesure de l’assemblage d’une chaîne d’acides aminés, elle se replie sur elle-même pour créer une structure tridimensionnelle complexe. C’est la forme de cette structure repliée qui détermine sa fonction dans l’organisme. Le repliement étant déterminé par l’enchaînement précis des acides aminés, chaque séquence différente conduit à une protéine différente. Certaines protéines (comme l’hémoglobine) contiennent plusieurs chaînes distinctes repliées. Les instructions de synthèse des protéines sont codées dans l’ADN.

Codage

Les informations sont codées au sein de l’ADN par la disposition des bases (A, T, G et C) suivant une séquence précise. Le code est écrit sous forme de triplets, c’est-à-dire que les bases sont regroupées par trois. Des séquences particulières de trois bases dans l’ADN codent pour des instructions spécifiques, comme l’addition d’un acide aminé à une chaîne. Par exemple, GCT (guanine, cytosine, thymine) code pour l’ajout de l’alanine (acide aminé), et GTT (guanine, thymine, thymine) code pour l’ajout de la valine, un acide aminé. Par conséquent, la séquence d’acides aminés d’une protéine est déterminée par l’ordre des paires de triplet de bases dans le gène correspondant à cette protéine au sein de la molécule d’ADN. Le processus de transformation de l’information génétique codée en une protéine implique la transcription et la traduction.

Transcription et traduction

La transcription est le processus par lequel l’information codée dans l’ADN est copiée (transcrite) en acide ribonucléique (ARN). L’ARN est une longue chaîne de bases, similaire à un brin d’ADN, sauf que la base uracile (U) remplace la base thymine (T). L’ARN contient donc des informations codées sous la forme de triplets comme l’ADN.

Lorsque la transcription est initiée, une portion de la double hélice d’ADN s’ouvre et se déroule. L’un des brins d’ADN déroulés sert de matrice pour la formation d’un brin complémentaire d’ARN. Le brin complémentaire d’ARN est appelé ARN messager (ARNm). L’ARNm se sépare de l’ADN, quitte le noyau, et se déplace dans le cytoplasme cellulaire (partie de la cellule extérieure au noyau, Intérieur d’une cellule). L’ARNm se fixe alors à un ribosome, structure cellulaire minuscule où se produit la synthèse des protéines.

Lors de la traduction, le code de l’ARNm (provenant de l’ADN) indique au ribosome l’ordre et le type d’acides aminés à assembler. Les acides aminés sont amenés au ribosome par un ARN beaucoup plus petit appelé ARN de transfert (ARNt). Chaque molécule d’ARNt transporte un acide aminé qui sera ajouté à la chaîne de la protéine en formation. Cette chaîne se replie pour adopter une structure tridimensionnelle complexe sous l’influence des molécules adjacentes, appelées molécules chaperonnes.

Le contrôle de l’expression des gènes

Le corps d’une personne contient de nombreux types de cellules, par exemple les cellules cardiaques, les cellules hépatiques et les cellules musculaires. Ces cellules sont distinctes d’aspect, agissent différemment et produisent des substances chimiques très différentes. Toutefois, chaque cellule est issue d’un seul ovule fécondé et par conséquent contient principalement le même ADN. Les cellules se différencient dans leurs aspects et leurs fonctions parce que des gènes distincts s’expriment dans des cellules différentes (et à des moments différents dans une même cellule). Les informations relatives au moment où un gène doit être exprimé sont également codées dans l’ADN. L’expression des gènes dépend du type de tissu, de l’âge de la personne, de la présence de signaux chimiques spécifiques, et de nombreux autres facteurs et mécanismes. La connaissance de ces autres facteurs et mécanismes qui contrôlent l’expression génétique progresse rapidement, mais beaucoup de ces facteurs et mécanismes restent encore mal compris.

Les mécanismes par lesquels les gènes se contrôlent les uns les autres sont très compliqués. Les gènes sont dotés de marqueurs qui indiquent où la transcription doit commencer et se terminer. Diverses substances chimiques (comme les histones) présentes sur et autour de l’ADN bloquent ou autorisent la transcription. En outre, un brin d’ARN appelé ARN antisens peut s’apparier avec un brin complémentaire de l’ARNm et bloquer la traduction.

Réplication

Les cellules se reproduisent en se divisant en deux. Comme chaque nouvelle cellule doit avoir un ensemble complet de molécules d’ADN, les molécules d’ADN de la cellule d’origine doivent se dupliquer (répliquer) au cours de la division cellulaire. Le processus de réplication est similaire à celui de la transcription, à l’exception que toute la molécule d’ADN double-brin se déroule et se scinde en deux. Après l’ouverture de l’ADN, les bases de chaque brin se lient à des bases complémentaires (A avec T et G avec C) flottant à proximité. Une fois terminé, ce processus aura permis la formation de deux molécules d’ADN double-brin identiques.

Mutation

Pour éviter les erreurs lors de la réplication, les cellules ont une fonction de « correction sur épreuves » afin que les bases soient appariées correctement. Il existe également des mécanismes chimiques de réparation de l’ADN qui n’a pas été copié de manière appropriée. Toutefois, étant donné les milliards de paires de bases impliquées et la complexité du processus de synthèse des protéines, des erreurs peuvent se produire, et ce pour de nombreuses raisons (y compris l’exposition à des radiations, des médicaments ou des virus) ou pour aucune raison apparente. Des variations mineures de la séquence de l’ADN sont très fréquentes et se produisent chez la plupart des personnes. La plupart des variations n’affectent pas les copies ultérieures du gène. Les erreurs reproduites dans les copies ultérieures sont appelées mutations. Les mutations touchant les cellules reproductrices peuvent être transmises à la descendance. Les mutations qui ne concernent pas les cellules reproductrices affectent les cellules issues de la cellule mutée (par exemple, en devenant une tumeur), mais ne sont pas transmises à la descendance. Les mutations peuvent être propres à une personne ou à une famille, et la plupart des mutations sont rares. Les mutations qui deviennent si fréquentes qu’elles affectent plus de 1 % de la population sont appelées polymorphismes (par exemple, les types sanguins humains A, B, AB et O). La plupart des polymorphismes n’ont pas de conséquence sur le phénotype( Gènes et chromosomes).

Les mutations peuvent impliquer des segments d’ADN de petite ou de grande taille. En fonction de sa taille et de son emplacement, une mutation peut n’avoir aucun effet apparent ou elle peut altérer la séquence des acides aminés d’une protéine ou diminuer la quantité de protéine produite. Si la séquence d’acides aminés d’une protéine est modifiée, son fonctionnement peut s’en trouver altéré ou elle peut ne plus fonctionner du tout. L’absence d’une protéine ou son incapacité à fonctionner est souvent néfaste ou mortelle. Par exemple, dans le cas de la phénylcétonurie, une mutation entraîne l’absence ou un déficit en une enzyme appelée phénylalanine hydroxylase. Cette carence se traduit par l’accumulation de la phénylalanine (acide aminé absorbé à partir de l’alimentation) dans l’organisme, ce qui provoque à terme un déficit intellectuel grave. Dans de rares cas, une mutation introduit un changement avantageux. Par exemple, le gène de l’anémie falciforme provoque l’anémie falciforme ou drépanocytose, mais confère aussi une protection contre le paludisme. Bien que cette protection contre le paludisme puisse aider une personne à survivre, la drépanocytose est la cause de symptômes et de complications susceptibles de raccourcir la durée de vie, de sorte que la survie n’est pas toujours prolongée.

La sélection naturelle fait référence à la notion selon laquelle les mutations qui nuisent à la survie dans un environnement donné sont moins susceptibles d’être transmises à la descendance (et deviennent donc moins fréquentes dans la population), alors que les mutations qui améliorent la survie deviennent progressivement plus communes. Par conséquent, les mutations bénéfiques, bien que rares initialement, finissent par devenir fréquentes. Les changements lents qui se produisent au fil du temps en raison des mutations et de la sélection naturelle au sein d’une population métissée sont collectivement appelés évolution .

Le saviez-vous ?

  • Toutes les anomalies génétiques ne sont pas strictement néfastes ; le gène responsable de la drépanocytose protège également contre le paludisme.

  • Les personnes portent une moyenne de 100 à 400 gènes anormaux.

Chromosomes

Un chromosome est formé d’un très long brin d’ADN porteur de nombreux gènes (des centaines à des milliers). Les gènes sont disposés sur chaque chromosome suivant une séquence spécifique et chaque gène occupe un emplacement qui lui est propre sur le chromosome (appelé son locus). Outre l’ADN, les chromosomes contiennent d’autres composants chimiques qui influencent la fonction des gènes.

Appariement

À l’exception de certaines cellules (par exemple, les spermatozoïdes, les ovules et les globules rouges), le noyau d’une cellule humaine contient 23 paires de chromosomes, soit un total de 46 chromosomes. Normalement, chaque paire se compose d’un chromosome provenant de la mère et d’un autre provenant du père.

On compte 22 paires de chromosomes non sexuels (autosomiques) et une paire de chromosomes sexuels. Les chromosomes non sexuels appariés ont, pour des raisons pratiques, la même taille, forme et position et le même nombre de gènes. Étant donné que chaque chromosome d’une paire de chromosomes autosomiques contient une copie de chaque gène correspondant, en un sens, les gènes portés par les chromosomes autosomiques possèdent une sauvegarde.

La 23e paire est la paire de chromosomes sexuels (X et Y).

Chromosomes sexuels

La paire de chromosomes sexuels détermine le sexe du fœtus. Les garçons ont un chromosome X et un chromosome Y. Le chromosome X d’un garçon vient de sa mère et le chromosome Y vient de son père. Les filles ont deux chromosomes X, l’un provenant de la mère et l’autre du père. D’une certaine façon, les chromosomes sexuels fonctionnent différemment des chromosomes non sexuels.

Le chromosome Y, plus petit, est porteur des gènes qui déterminent le sexe masculin ainsi que de quelques autres gènes. Le chromosome X porte bien plus de gènes que le chromosome Y ; beaucoup ont des fonctions en plus de la détermination du sexe et n’ont pas d’homologue sur le chromosome Y. Chez les hommes, puisqu’il n’y a pas de deuxième chromosome X, les gènes supplémentaires du chromosome X ne sont pas appariés et la quasi-totalité d’entre eux est exprimée. Les gènes portés par le chromosome X sont dits liés au sexe, ou liés à l’X.

Normalement, pour les chromosomes non sexuels, les gènes portés par les deux chromosomes d’une même paire peuvent être pleinement exprimés. Cependant, chez les femmes, la plupart des gènes portés par l’un des deux chromosomes X ne fonctionnent pas en raison d’un processus appelé inactivation du chromosome X (sauf dans les ovules des ovaires). L’inactivation du chromosome X a lieu très tôt dans la vie du fœtus. Dans certaines cellules, le chromosome X du père est inactivé, et dans d’autres cellules, l’inactivation touche le chromosome X de la mère. Par conséquent, une cellule peut porter un gène provenant de la mère, alors qu’une autre cellule peut avoir le gène provenant du père. En raison de l’inactivation du chromosome X, l’absence d’un chromosome X se traduit généralement par des anomalies mineures (comme le syndrome de Turner, Syndrome de Turner). De ce fait, les conséquences de la perte d’un chromosome X sont beaucoup moins néfastes que celle d’un chromosome non sexuel.

Si une femme est atteinte d’une maladie dans laquelle elle a plus de deux chromosomes X, les chromosomes surnuméraires ont tendance à être inactivés. Par conséquent, avoir un ou plus de chromosomes X surnuméraires provoque bien moins de troubles du développement que ceux provoqués par un ou plus de chromosomes surnuméraires non sexuels. Par exemple, les femmes qui ont trois chromosomes X (syndrome de triple X) sont souvent physiquement et mentalement saines ( Syndrome triple X). En revanche, la plupart des hommes qui ont plusieurs chromosomes Y ( Syndrome XYY) présentent des anomalies physiques et mentales.

Anomalies chromosomiques

Il existe plusieurs types d’anomalies chromosomiques ( Présentation des troubles chromosomiques). Une personne peut avoir un nombre anormal de chromosomes ou présenter des régions anormales sur un ou plusieurs chromosomes. Beaucoup de ces anomalies peuvent être diagnostiquées avant la naissance ( Détection d'anomalies chromosomiques et génétiques).

Les anomalies du nombre de chromosomes non sexuels entraînent généralement de graves infirmités. Par exemple, la présence d’un chromosome non sexuel surnuméraire peut être fatale à un fœtus ou peut conduire à des maladies telles que le syndrome de Down, qui se produit généralement lorsqu’une personne a trois copies du chromosome 21. L’absence d’un chromosome non sexuel est généralement fatale pour le fœtus.

Un chromosome peut présenter de vastes régions anormales, généralement parce que toute une zone a été perdue (délétion) ou placée par erreur sur un autre chromosome (translocation). Par exemple, la leucémie myéloïde chronique est parfois provoquée par la translocation d’une partie du chromosome 9 sur le chromosome 22. Cette anomalie peut être héréditaire ou le résultat d’une nouvelle mutation ( Mutation).

Chromosomes mitochondriaux

Les mitochondries sont des structures minuscules à l’intérieur des cellules, qui synthétisent des molécules utilisées à des fins énergétiques. Contrairement à d’autres structures internes aux cellules, chaque mitochondrie contient son propre chromosome circulaire. Ce chromosome contient de l’ADN (ADN mitochondrial) codant pour une partie, mais pas la totalité, des protéines qui composent cette mitochondrie. L’ADN mitochondrial provient généralement uniquement de la mère parce que, d’ordinaire, quand un ovule est fécondé, seules les mitochondries de l’ovule sont transmises à l’embryon. Les mitochondries du spermatozoïde ne font, d’habitude, pas partie de l’embryon.

Traits

Un trait est une caractéristique déterminée génétiquement. De nombreux traits dépendent de la fonction de plusieurs gènes. La taille, par exemple, est probablement déterminée par des gènes qui contrôlent la croissance, l’appétit, la masse musculaire et le degré d’activité. Cependant, certains traits sont déterminés par la fonction d’un gène unique.

Les variations de certains traits, comme la couleur des yeux ou le type sanguin, sont considérées comme normales. D’autres variations, comme l’albinisme, le syndrome de Marfan, et la chorée de Huntington, nuisent à la structure ou au fonctionnement de l’organisme et sont considérées comme des maladies. Toutes ces anomalies génétiques ne sont toutefois pas uniformément néfastes. Par exemple, le gène de l’anémie falciforme provoque une maladie (l’anémie falciforme ou drépanocytose), mais confère aussi une protection contre le paludisme.

Maladies génétiques

Une anomalie génétique est un trait défavorable dû à un gène anormal. Le gène anormal peut être héréditaire ou peut survenir spontanément à la suite d’une mutation. Les anomalies dans un ou plusieurs gènes sont assez courantes. Les gens portent une moyenne de 100 à 400 gènes anormaux. Cependant, la plupart du temps le gène correspondant sur l’autre chromosome de la paire est normal et prévient les effets néfastes. Dans la population générale, la probabilité qu’une personne ait deux copies d’un même gène anormal (et par conséquent, soit atteinte d’une maladie) est très réduite. Toutefois, elle est plus élevée chez les enfants de parents consanguins. La probabilité est également élevée chez les enfants de parents qui se sont mariés au sein d’une population isolée, comme les Amish ou les Mennonites.

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