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Revue générale de la génétique

Par David N. Finegold, MD

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Un gène, l’unité fondamentale d’hérédité, est un segment d’ADN contenant toutes les informations nécessaires pour synthétiser un polypeptide (la protéine). La synthèse des protéines, une structure en plis, tertiaire et quaternaire déterminent au final une grande partie de la structure et des fonctions du corps.

Structure

Les humains ont environ 20 000 à 23 000 gènes. Les gènes sont contenus dans les chromosomes du noyau cellulaire et des mitochondries. Chez l'homme, les noyaux de cellules somatiques contiennent normalement 46 chromosomes, répartis en 23 paires. Chaque paire est constituée d'un chromosome provenant de la mère et l'autre du père. Les 22 paires de chromosomes, dits autosomiques, sont habituellement homologues (identiques en dimension, forme, position et nombre de gènes). La 23e paire, les chromosomes sexuels (X et Y), détermine le sexe d'une personne et contient d'autres gènes fonctionnels. Les femmes possèdent 2 chromosomes X (qui sont homologues) dans les noyaux des cellules somatiques; les hommes ont un chromosome X et un chromosome Y (qui sont hétérologues). Le chromosome X est porteur des gènes responsables de nombreux traits héréditaires; le chromosome Y, plus petit, porte les gènes qui déclenchent la différenciation sexuelle masculine, mais aussi d'autres gènes en plus petit nombre. Puisque le chromosome X porte beaucoup plus de gènes que le chromosome Y, de nombreux gènes du chromosome X ne sont pas appariés chez le sujet de sexe masculin; afin de maintenir l'équilibre du matériel génétique entre les hommes et les femmes, une des chromosomes X est inactivé au hasard chez les femmes. Un caryotype est l'ensemble complet de chromosomes des cellules d'un individu.

Les cellules germinales (ovules et spermatozoïdes), subissent une méiose, qui réduit le nombre de leurs chromosomes à 23, la moitié de celui des cellules somatiques. Au cours de la méiose, les informations génétiques héréditaires de la mère et du père sont recombinées par " crossing-over " (échange entre chromosomes homologues). Ainsi, lorsqu'un ovule est fécondé par un spermatozoïde lors de la conception, le nombre normal de 46 chromosomes est reconstitué.

Les gènes sont disposés linéairement à l'intérieur de l'ADN des chromosomes. Chaque gène a une localisation spécifique (locus) spécifique et identique sur les 2 chromosomes homologues. Les gènes qui occupent les mêmes loci sur chaque paire de chromosomes (un hérité de la mère et l'autre du père) sont appelés allèles. Chaque gène est constitué d’une séquence d’ADN spécifique; 2 allèles peuvent avoir des séquences nucléotidiques légèrement différentes ou identiques. L’homozygotie se définit comme une paire d’allèles identiques d’un gène particulier; un sujet présentant 2 allèles identiques pour un gène particulier est dit homozygote. Certains gènes apparaissent sous forme de multiples copies qui peuvent se trouver les unes à côté des autres ou à différents endroits de chromosomes identiques ou différents.

Fonction du gène

Les gènes sont constitués d'ADN. La longueur du gène dépend de la longueur de la protéine codée par ce gène. L’ADN est une double hélice dans laquelle les nucléotides (bases) sont appariés; l’adénine (A) est appariée avec la thymine (T) et la guanine (G) est appariée avec la cytosine (C). L'ADN est transcrit lors de la synthèse des protéines, au cours de laquelle un brin d'ADN est utilisé comme modèle pour la synthèse d'un ARN messager (ARNm). L'ARN a les mêmes paires de base que l'ADN, si ce n'est que l'uracile (U) remplace la thymine (T). Des brins d'ARNm migrent du noyau vers le cytoplasme et ensuite au ribosome, où se produit la synthèse protéique. L'ARN de transfert (ARNt) apporte chaque acide aminé vers le ribosome pour être ajouté au polypeptide en croissance dans une séquence déterminée par l'ARNm. Quand une chaîne d'acides aminés est assemblée, elle se replie sur elle-même pour créer une structure tridimensionnelle complexe sous l'influence de molécules chaperonnes proches.

Le code de l'ADN est écrit en triplets contenant 3 des 4 nucléotides possibles. Des acides aminés spécifiques sont codés par des triplets spécifiques. Puisqu'il existe 4 nucléotides, le nombre de triplets possibles est 43 (64). Puisqu'il n'existe que 20 acides aminés, il existe des associations de triplets (supplémentaires) redondants. Certains triplets codent pour les mêmes acides aminés que d’autres triplets. D'autres triplets peuvent coder pour autre chose comme des instructions pour démarrer ou arrêter la synthèse des protéines et l'ordre dans lequel les acides aminés sont combinés et assemblés.

Les gènes sont constitués d'exons et d'introns. Les exons codent pour les acides aminés composant la protéine finale. Les introns contiennent d'autres informations qui affectent le contrôle et la vitesse de production des protéines. Exons et introns sont ainsi transcrits en ARNm, mais les segments transcrits à partir des introns seront épissés plus tard. De nombreux facteurs régulent la transcription, notamment un ARN antisens, qui est synthétisé à partir du brin d'ADN qui n'est pas transcrit en ARNm. Outre l'ADN, les chromosomes contiennent des histones et d'autres protéines qui modifient l'expression des gènes (c.-à-d., le type et le nombre de protéines qui sont synthétisées à partir d'un gène donné).

Le génotype correspond à une composition et séquence génétique spécifique; il détermine les protéines codées pour la production. En revanche, le génome correspond à la totalité de la composition d'un ensemble de chromosomes haploïdes, dont les gènes qu'ils contiennent.

Le phénotype correspond à l'aspect physique, la biochimie et la physiologie d'une personne, c.-à-d., comment la cellule (et donc le corps) fonctionne. Le phénotype est déterminé par les types et quantité de protéines réellement synthétisés, c.-à-d., comment les gènes sont effectivement exprimés.

Expression correspond au processus dans lequel l'information codée dans un gène est utilisée pour contrôler l'assemblage d'une molécule (habituellement une protéine ou un ARN). L'expression des gènes dépend de multiples facteurs tels que l'aspect dominant ou récessif du caractère, la pénétrance et l'expressivité du gène ( Facteurs affectant l'expression des gènes), le degré de différenciation des tissus (déterminé par le type de tissu et de l'âge), les facteurs environnementaux et si l'expression est limitée par le sexe ou soumise à une inactivation chromosomique ou imprinting génomique et d'autres facters inconnus.

Facteurs épigénétiques

Des facteurs qui affectent l'expression des gènes sans changer le génome sont des facteurs épigénétiques.

La connaissance de nombreux mécanismes biochimiques qui interviennent dans l'expression des gènes croît rapidement. Un des mécanismes repose sur la variabilité dans l'épissage de l'intron (également appelé épissage alternatif). Puisque les introns sont épissés, les exons peuvent l'être également, puis les exons peuvent être assemblés selon de nombreuses combinaisons, résultant en de nombreux ARNm différents capables de coder pour des protéines similaires mais pas identiques. Le nombre de protéines qui peut être synthétisé par l'homme est > 100 000 même si le génome humain n'a qu'environ 20 000 gènes. D’autres mécanismes de médiation dans l’expression des gènes comprennent la méthylation de l’ADN et les réactions sur les histones tels que la méthylation et l’acétylation. La méthylation de l'ADN tend à bloquer l'expression d'un gène. Les histones ressemblent à des bobines autour desquelles l'ADN s'enroule. Des modifications de l'histone telles qu'une méthylation peuvent augmenter ou diminuer la quantité de protéines synthétisée à partir d'un gène donné. L'acétylation des histones est associée à une diminution de l'expression des gènes. Le brin d'ADN qui n'est pas transcrit pour former l'ARNm peut également être utilisé comme matrice pour la synthèse de l'ARN qui contrôle la transcription du brin opposé. Un autre mécanisme important implique les microARN (miARN ou miRNAs). Les MiRNAs sont des ARN courts, en épingle à cheveux (correspond à la forme des séquences d'ARN qui se lient ensemble) qui répriment l'expression du gène cible après la transcription. Ils peuvent être impliqués dans la régulation de protéines transcrites, jusqu'à 60%.

Traits héréditaires et types d'hérédité

Un caractère peut être aussi simple que la couleur des yeux ou aussi complexe que la prédisposition aux diabètes. L'expression d'un caractère peut impliquer un seul ou plusieurs gènes. Certains défauts d'un gène unique peuvent provoquer des anomalies dans de multiples tissus, un effet appelé pléiotropie. Ainsi, l'ostéogénèse imparfaite (trouble du tissu conjonctif souvent dû à des anomalies sur un gène du collagène) peut entraîner une fragilité des os, une surdité, une coloration bleue de la sclérotique, des dents dysplasiques, une hyperlaxie articulaire et des anomalies des valvules cardiaques ( Ostéogenèse imparfaite).

Construction de l'arbre généalogique d'une famille

La généalogie d'une famille (arbre généalogique) peut être utilisée pour tracer des défauts génétiques transmissibles. Il est également couramment utilisé dans le conseil génétique. L'arbre généalogique fait appel à des symboles conventionnels pour représenter les membres de la famille et les informations pertinentes concernant leur santé (v. Symboles pour construire l'arbre généalogique d'une famille.). Certaines pathologies familiales ayant des phénotypes identiques ont de multiples modes de transmission différents.

Symboles pour construire l'arbre généalogique d'une famille.

Dans l'arbre généalogique, des symboles pour chaque génération dans la famille sont placés sur une colonne et numérotés en chiffres romains, en commençant par la génération la plus ancienne au sommet et s'achevant avec les plus récentes en bas (v. Formes héréditaires autosomales dominantes., Transmission sur le mode autosomique récessif., liée à l'X. et Hérédité récessive liée à l'X.). Dans chaque génération, les personnes sont numérotées de gauche à droite en chiffres arabes. La fratrie est listée habituellement selon l'âge avec le plus âgé à gauche. Ainsi, chaque membre de l'arbre généalogique peut être identifié par 2 numéros (p. ex., II, 4). Au conjoint est également attribué un nombre d'identification.

Points clés

  • Le phénotype est déterminé par l'expression des gènes et par le génotype.

  • Les mécanismes de régulation de l'expression des gènes sont en cours d'élucidation et comprennent l'épissage des introns, la méthylation de l'ADN, les réactions des histones, et les microARN.

Ressources dans cet article