Chapitre 1 : The reference human genome

1. Anatomie basique du génome humain

Taille du génome & composition

❓ Qu’est-ce que la génétique ?

L’étude scientifique de la variation héréditaire chez les organismes vivants.

❓ Qu’est-ce que la génomique ?

L’étude de la structure et de la fonction des génomes

❓ Quels sont les 4 nucléotides de l’ADN ?

➡ Adénine (A), Cytosine (C), Thymine (T), Guanine (G).

❓ Quelles sont les 2 grandes informations codées dans le génome ?

a) Les gènes (protéines ou ARN).
b) La régulation des gènes.

❓ Le code génétique est-il identique chez tous les organismes vivants ?

➡ Presque, mais avec une exception : les mitochondries.

❓ Quelle est la composition en bases du génome humain ?

➡ Environ 40% GC et 60% AT.

❓ Comment varie le contenu GC chez les bactéries ?

➡ Entre 20% et 72%. Donc le contenu en GC peut varier fortement.

❓ Quel est le taux de méthylation des dinucléotides CpG chez les mammifères ?

➡ Environ 75%.

❓ Quelle mutation fréquente est liée aux CpG ?

➡ La désamination de C en T → CpG → TpG (10 à 50x plus fréquente que d’autres mutations, surtout durant la méiose/crossing-over).

❓ Que sont les isochores ?

➡ Anciens termes décrivant des régions supposées homogènes en GC.

WGS a prouvé que ça n’existait pas vraiment

❓ Quelle est la taille du génome humain ?

➡ Environ 3,2 Gb.

La taille du génome peut varier fortement entre les espèces (ex. E.coli quelques Mb)

❓ Qu’est-ce que le paradoxe de la valeur C (C-value paradox) ?

➡ La taille du génome (C-value est la somme d’ADN dans des cellules haploïdes en pg) ne corrèle pas avec la complexité de l’organisme.

→ Certains animaux ont des génomes énormes, composés majoritairement de séquences répétitives. Ils ont parfois un génome 40x plus grand.

Quelle taille fait le génome chez les mammifères ?

➡ De 1,63 pg à 8,40 pg (moyenne ≈ 3,20 pg).

Chromosomes

❓ Quelle proportion de l’ADN cellulaire est mitochondrial ?

➡ ≈ 1%.

❓ Comment visualiser les chromosomes condensés ?

➡ Par G-banding (trypsine + colorant spécifique → caryotype visible).

❓ Les mammifères ont-ils tous le même nombre de chromosomes ?

➡ Non, mais ils sont toujours diploïdes.

❓ Quelle découverte a montré la fusion de chromosomes chez l’humain ?

→ Le chromosome 2 humain provient de la fusion de deux chromosomes de grands singes.

Cette constatation a pu être réalisé grâce à une génomique comparative basée sur l’observation des bandes G en prophase tardive sur différentes espèces.

❓ Qu’est-ce que la syntenie ?

→ Une forte conservation de l’ordre et du contenu génique entre espèces.

→ C’est le cas entre les grands singes et l’humain

Quelle technique permet d’étudier la conservation évolutive des segments chromosomiques ?

• → Zoo-FISH (hybridation in situ fluorescente avec ADN humain marqué).

• Sert à étudier la conservation évolutive des segments chromosomiques 

Exemple d’utilisation du Zoo-FISH ?

→ Hybridation des chromosomes du cheval avec des sondes d’ADN du chromosome 4 humain (HSA4).

Qu’est-ce que les régions pseudo-autosomiques (PAR) ?

→ Régions communes aux chromosomes X et Y qui permettent la recombinaison.

Qu’a montré la syntenie du chromosome X chez les mammifères placentaire ?

→ Une forte conservation.

Comment s’est différencié le chromosome Y de l’X au cours de l’évolution ?

→ Acquisition du gène SRY (détermination mâle), restriction de recombinaison, perte de nombreux gènes non spécifiques du sexe.

Quels gènes le Y a-t-il conservés ?

→ Ceux essentiels à la fertilité mâle et à la détermination sexuelle.

Comment est déterminé le sexe chez les mammifères ?

→ XX = femelle, XY = mâle. Le gène SRY inhibe Foxl2, empêchant la différenciation ovarienne.

Comment est déterminé le sexe chez les oiseaux ?

→ ZW = femelle, ZZ = mâle. Une double dose de Dmrt1 → différenciation testiculaire ; Foxl2 → différenciation ovarienne.

Quelle est l’origine des chromosomes sexuels XY et ZW ?

→ Des autosomes qui ont acquis des gènes de détermination sexuelle (SRY issu d’un allèle de SOX3). Le chromosome porteur est devenu un proto-Y.

Exemple d’espèce ayant perdu son Y et son SRY ?

→ Le rat épineux d’Amami ; duplication spécifique de SOX9 a remplacé SRY.

Qu’est-ce qui contribue à la dégénérescence du chromosome Y ?

→ Suppression de la recombinaison (inversions), accumulation de mutations, perte de gènes non spécifiques.

Quelle est la particularité du chromosome Y actuel ?

→ Riche en hétérochromatine et contient plusieurs copies de certains gènes (ex. TSPY).

Coding and Non-coding Genes

❓ Combien de gènes possèdent les mammifères environ ?

→ ≈ 20 000 gènes.

❓ Comment explique-t-on ce nombre relativement faible chez l’humain ?

→ Grâce à l’épissage alternatif, qui permet de générer plusieurs transcripts à partir d’un même gène.

→ ≈ 390 000 transcripts pour ≈ 20 000 gènes.

❓ Quels sont les principaux types d’ARN non codants et leur rôle ?

→

• rRNA : ribosomes

• tRNA : traduction

• snRNA (snRNP) : épissage

• snoRNA : modification du rRNA

• lncRNA : régulation transcriptionnelle (ex. XIST)

• sncRNA : régulation traductionnelle (ex. miRNA)

❓ Exemple de fonction d’un lncRNA important ?

→ XIST condense et inactive un chromosome X dans un embryon XX via l’action sur le site XIC.

❓ Comment fonctionnent les microRNAs (miRNA) ?

→ Ils reconnaissent des séquences cibles d’ARNm :

• Un miRNA peut cibler plusieurs ARNm.

• Un ARNm peut être ciblé par plusieurs miRNAs.

• Dans les plantes : homologie parfaite → dégradation ; partielle → inhibition traduction.

• Dans les mammifères : siRNA = correspondance parfaite → dégradation ; miRNA = correspondance partielle → répression traduction.

❓ Différence de compensation de dosage des chromosomes sexuels entre mammifères et oiseaux ?

→ Chez les oiseaux, seuls les gènes sensibles au dosage sont réprimés par miRNAs pour éviter la surexpression.

❓ Répartition des gènes non codants ?

→ ≈ 35 000 lncRNAs, 5 000 sncRNAs, le reste misc noncoding genes.

❓ Qu’est-ce qu’un ortholog ?

→ Gènes identiques avec fonctions identiques dans différentes espèces.

❓ Qu’est-ce qu’un paralog ?

→ Gènes issus d’une duplication suivie d’une divergence.

• Ex. Gènes de l’hémoglobine : forme fœtale (forte affinité O₂) vs adulte.

❓ Qu’est-ce qu’un pseudogène ?

→ Copie non fonctionnelle d’un gène.

❓ Quelles sont les deux grandes catégories de pseudogènes ?

→

1. Unprocessed (duplicated) : duplication → une copie fonctionnelle + une copie accumule des mutations

2. Processed : reverse transcription d’un ARNm → insertion dans le génome (pas d’introns, pas de promoteur, possible queue polyA). C’est médié par une machinerie de rétrotransposon

❓ Pourquoi en sait-on plus sur les gènes non codants humains que sur ceux d’autres mammifères ?

→ Le génome humain est plus étudié, d’autres espèces pourraient avoir plus de gènes non codants encore non identifiés.

Repetitives sequences

❓ Quelle proportion du génome code pour des protéines ?

→ Seulement 2 % ; le reste est constitué de séquences répétitives.

❓ Qu’est-ce que l’ADN satellite ?

→ Séquences répétées en tandem, importantes pour centromères et télomères.

❓ Quand et comment les satellites ont-ils été découverts ?

→ Dans les années 1960, via centrifugation en gradient.

❓ Quels sont les deux types de satellites selon leur taille ?

→

• Minisatellites : 10-60 bases

• Microsatellites : 1-6 bases (utilisés en forensique et diagnostic, ex. maladie de Huntington caractérisée par un expansion au niveau de cette région).

❓ Qu’est-ce que l’ADN intercalé (interspersed repetitive DNA) ?

→ Éléments génétiques mobiles présents dans le génome.

❓ Classification des éléments mobiles selon leur type de nucléique :

→

• Classe 1 : RNA elements → LINEs, SINEs, éléments rétrovirus-like (ERV)

• Classe 2 : DNA transposons fossils

❓ Ces séquences sont-elles toujours parasites ?

→ Initialement considérées comme des parasites génomiques, mais certaines ont été intégrées dans l’ADN de l’hôte(ex. syncytin-1 dérivé d’ERV, rôle dans la placentation).

❓ Comment les éléments transposables expriment-ils leurs gènes ?

→ Ils utilisent l’hôte et contiennent des séquences cis-régulatrices mimant les promoteurs de l’hôte.

❓ Quel est l’effet de leur insertion ?

→ Dépend du contexte local de l’ADN.

❓ LINEs et SINEs sont-ils régulés ?

→ Oui, ils sont souvent fortement méthylés pour limiter leur activité.

❓ Que montre la conservation des gènes orthologues entre espèces ?

→ Les gènes sont conservés, mais les régions flanquantes contiennent souvent différents éléments transposables ou répétitifs

❓ Qu’est-ce que les low-copy repeats (ou segmental duplications) ?

→ Grands segments d’ADN (1-200 kb) parfois dupliqués dans le génome.

Gene regulation

❓ Comment le génome est-il organisé dans le noyau ?

→ En territoires chromosomiques puis en TADs (Topologically Associating Domains).

❓ Que séparent les TADs adjacents ?

→ Des séquences isolatrices (insulators) qui protègent les gènes des effets des régulateurs distants des TADs voisins.

❓ Quelles sont les deux états possibles des TADs ?

→ Actifs ou réprimés.

❓ Où se situent généralement les TADs réprimés ?

→ En périphérie du noyau, associés à la lamina nucléaire.

❓ Comment Sox9 est-il activé chez le mâle souris ?

→ SRY et NR5A1 se lient à des enhancers en amont, rapprochés du promoteur de Sox9 via chromatin looping, ce qui déclenche son expression.

❓ Comment Sox9 est-il activé chez le rat épineux d’Amami, qui a perdu son chromosome Y ?

→ Un autre facteur de transcription se lie directement à Sox9 pour l’activer, remplaçant la fonction de SRY.

Epigenetics

❓ Que désigne le terme “épigénétique” ?

→ Tout ce qui est nécessaire au‑dessus de l’ADN pour permettre l’exécution correcte du programme génétique.

❓ Quels types de marques épigénétiques peuvent porter les cellules filles après mitose ?

→ Methylation de l’ADN et modifications post-traductionnelles des queues amino-terminales des histones.

❓ Quel rôle joue DNMT1 ?

→ Méthylation de maintenance et méthylation des cytosines dans les CpG, souvent pour silencer les gènes.

❓ Quels rôles jouent DNMT3a et DNMT3b ?

→ Ce sont des de novo DNA methylases, elles établissent de nouvelles patterns de méthylation.

❓ Quels complexes modifient les queues des histones ?

→ Polycomb Repressive Complex 1 et 2 (PRC1/2).

❓ Que déterminent les combinaisons de modifications des histones ?

• → Différents états de la chromatine (active ou réprimée).

❓ Quand les cellules germinales primordiales de la souris sont-elles déméthylées ?

→ Très tôt dans le développement.

❓ Quand la reméthylation se produit-elle ?

• → Pendant la gamétogenèse, à des moments différents selon le sexe.

❓ Après fécondation, que se passe-t-il pour les génomes parentaux ?

→

• Génome paternel : déméthylation active rapide

• Génome maternel : déméthylation passive pendant la réplication d’ADN

Méthylation est vraiment bas au stade blastocyte

❓ Quand se produit la méthylation de novo après fécondation ?

→ Après implantation, avec des niveaux différents :

• Lignée embryonnaire : gain de méthylation

• Lignées extraembryonnaires : restent relativement hypométhylées

❓ Les mécanismes épigénétiques peuvent-ils contribuer à des différences héréditaires ?

→ Oui, bien que débattu ; exemples établis chez plantes et souris.

❓ Exemple d’epiallele : activation d’un rétrotransposon IAP en amont du gène agouti

→ Plus la méthylation est faible, plus l’IAP est actif. La méthylation peut être partiellement transmise à la descendance. Plus la souris a un allèle méthylé, plus elle a tendance à transmettre l’épiallèle méthylé à sa progéniture.

❓ Transmission épigénétique intergénérationnelle : toujours par la lignée germinale ?

→ Non, elle peut aussi se faire via le comportement.

❓ Qu’est-ce que l’imprinting parental ?

• → 150 gènes environ : un allèle est exprimé, l’autre est épigénétiquement réprimé.

❓ Quelle détermine l’allèle actif ?

→ L’origine parentale : paternal ou maternal. 50/50

❓ Où se trouvent la plupart des gènes imprintés ?

• → Dans des imprinted domains, souvent riches en lncRNAs non codants.

❓ Quelle est la base moléculaire de l’imprinting parental ?

→ Acquisition d’une marque épigénétique dans une des lignées germinales, souvent méthylation de l’ADN, plus fréquente dans le germline paternel.

❓ Quel est le rôle fonctionnel de l’imprinting parental chez les mammifères ?

→ Affecte surtout des gènes foetaux contrôlant le transfert de ressources de la mère vers la progéniture.

❓ Pourquoi l’imprinting parental aurait-il émergé ?

→ Chez les espèces avec un investissement maternel supérieur par rapport au paternel.

Microbiomes and microbiomes

❓ Que désigne le terme microbiota ?

→ Ensemble des bactéries, archées, protozoaires, virus et phages qui colonisent notre corps.

❓ Que désigne le terme microbiome ?

→ L’ensemble des gènes de ces micro-organismes.

❓ Quelle est la proportion estimée de cellules bactériennes par rapport aux cellules de l’hôte ?

→ Environ 10 fois plus de cellules bactériennes que de cellules humaines.

❓ Quelle est la proportion estimée de gènes microbiens par rapport aux gènes humains ?

→ Environ 150 fois plus de gènes microbiens.

❓ Quelle technique est utilisée pour déterminer la composition taxonomique globale ?

→ Le séquençage du gène ribosomal 16S.

❓ Quelle technique permet une résolution au niveau de l’espèce ?

→ Le séquençage shotgun suivi de l’assemblage des séquences.

❓ Qu’est-ce qu’une approche ciblée (targeted) ?

→ Utilisation d’une PCR universelle sur des régions conservées :

• rRNA 16S chez les bactéries

• rRNA 18S ou 28S chez les champignons et parasites

• ITS (Internal Transcribed Spacer) chez les champignons et parasites

• Possibilité aussi de RT-PCR ou multiplex PCR.

❓ Qu’est-ce qu’une approche non ciblée (untargeted) ?

→ Alignement du DNA et cDNA du prélèvement avec une bibliothèque de référence pour identifier les espèces présentes.

❓ Quels facteurs environnementaux peuvent affecter le microbiome intestinal ?

→ L’alimentation, le mode de vie, les conditions environnementales, etc.

❓ Le génome de l’hôte influence-t-il le microbiome ?

→ Oui, il existe des preuves que la génétique de l’hôte peut influencer sa composition.