Un gène, l'unité fondamentale d'hérédité, est un segment d'ADN contenant toutes les informations nécessaires pour synthétiser un polypeptide (la protéine) ou une molécule d'ARN fonctionnelle. 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 selon la définition d'un gène. 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 (numéros de 1 à 22), dits autosomes, 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, un des chromosomes X dans chaque cellule de la femme est inactivé au hasard tôt au cours de la vie fœtale (lyonisation). Dans certaines cellules, le X de la mère est inactivé et dans d'autres, c'est le X du père. Une fois que l'inactivation a eu lieu dans une cellule, tous les descendants de cette cellule ont une inactivation du même chromosome X. Le caryotype illustre le jeu complet de chromosomes des cellules d'un individu.
Les cellules germinales (ovules et spermatozoïdes), se divisent par 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) et généralement identique sur chacun des 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.
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 ou une molécule d’ARN. 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. |
Fonction du gène
Les gènes sont constitués d'ADN. La longueur du gène dépend de la longueur de la protéine ou de l'ARN synthétisés à partir de ce gène. L'ADN est une double hélice dans laquelle les nucléotides (bases) sont appariés:
L'adénine (A) est associée à la thymine (T)
La guanine (G) se lie à 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). Les molécules d'ARNm migrent du noyau vers le cytoplasme et ensuite vers le 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 appelés codons. 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. Pour les gènes codant pour les protéines, les exons codent pour les composants acides aminés de la protéine finale. Les introns contiennent d'autres informations qui régulent la vitesse de production des protéines et le type de protéine produite. 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'est-à-dire, 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.
Le génome correspond à la totalité de la composition d'un ensemble de chromosomes haploïdes (un seul brin), dont les gènes qu'ils contiennent.
Le phénotype correspond à l'aspect physique, la biochimie et la physiologie d'une personne, c'est-à-dire, comment la cellule (et donc le corps) fonctionne. Le phénotype est déterminé par une interaction complexe de plusieurs facteurs, dont le génotype, les facteurs environnementaux et la quantité de protéines réellement synthétisés, c'est-à-dire, comment les gènes sont effectivement exprimés. Des génotypes spécifiques peuvent ou non être bien corrélés avec le phénotype.
L'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 (voir 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 facteurs 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). Pendant l'épissage, les introns sont épissés et les exons restants peuvent être assemblés en de nombreuses associations, ce qui permet de produire de nombreux ARNm différents en mesure de coder pour des protéines similaires mais différentes. 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 de l'expression des gènes comprennent la méthylation de l'ADN et les interactions avec les histones qui impliquent des méthylations et des acétylations. La méthylation de l'ADN tend à bloquer l'expression d'un gène. Les protéines histones ressemblent à des bobines autour desquelles l'ADN s'enroule. Les modifications des histones telles que l'acétylation ou la méthylation peuvent augmenter ou diminuer l'expression d'un gène particulier. 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 miARN sont des ARN courts en forme d'épingle à cheveux qui répriment l'expression du gène cible après transcription (l'épingle à cheveux correspond à la forme que les séquences d'ARN prennent lorsqu'ils se lient ensemble). Les miRNAs 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. Par exemple, l'ostéogenèse 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 hyperlaxité articulaire et des anomalies des valvules cardiaques.
Construction de l'arbre généalogique d'une famille
La généalogie d'une famille (arbre généalogique) est utilisée pour tracer des défauts génétiques transmissibles. Les arbres généaloqiques sont 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 (voir figure 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. Dans chaque génération, les personnes sont numérotées de gauche à droite en chiffres arabes. La fratrie est listée 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 une interaction complexe de plusieurs facteurs dont le génotype, l'expression des gènes et les facteurs environnementaux.
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 modifications des histones, les microARN et l'organisation tridimensionnelle du génome.
