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4.3 : Le langage de l'ADN - Biologie

4.3 : Le langage de l'ADN - Biologie


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Introduction

Dans ce court chapitre, vous apprendrez comment les biologistes moléculaires modernes manipulent l'ADN, le modèle de toute vie. L'alphabet à quatre lettres (A, G, C et T) qui compose l'ADN représente un langage qui, une fois transcrit et traduit, conduit à la myriade de protéines qui font de nous ce que nous sommes en tant qu'espèce et en tant qu'individus. Continuons avec la métaphore que l'ADN est un langage. Pour maîtriser cette langue, comme pour toute autre langue, nous devons être capables de lire, d'écrire, de copier et de modifier cette langue. Si vous utilisiez un traitement de texte pour trouver une ligne dans un document de cent pages, ou un article d'un livre de la Bibliothèque du Congrès, vous auriez également besoin d'un moyen de rechercher dans la base de gros caractères disponible. Vous voudrez peut-être comparer deux copies différentes de fichiers pour voir si elles diffèrent l'une de l'autre. À partir du laboratoire et de cette discussion en ligne et de cet ensemble de problèmes, vous apprendrez comment les scientifiques modernes lisent, écrivent, copient, modifient, recherchent et comparent la langue du génome. Ces capacités, acquises au cours des vingt dernières années, ont révolutionné notre compréhension de la vie et nous ont donné le potentiel de modifier, en bien ou en mal, la vie elle-même.

L'ADN dans les chromosomes humains existe sous la forme d'une longue molécule double brin. Il est trop long à étudier physiquement et à manipuler en laboratoire. En utilisant une batterie d'enzymes, l'ADN des chromosomes peut être clivé chimiquement en fragments plus petits qui sont plus facilement manipulables. (Des techniques similaires sont utilisées pour séquencer les protéines, ce qui nécessite la fabrication de fragments polypeptidiques qui se chevauchent.) Une fois les fragments fabriqués, ils doivent être séparés les uns des autres afin de les étudier. Les fragments d'ADN peuvent être séparés sur la base d'une caractéristique structurelle qui différencie les fragments les uns des autres. La polarité ne peut pas être utilisée car tous les fragments d'ADN ont des phosphates chargés négativement dans le squelette sucre-phosphate de la molécule. Bien que chaque fragment ait une séquence unique, il serait difficile de séparer tous les différents fragments, par exemple en attachant une molécule qui se lie à une séquence unique dans le sillon principal d'un fragment donné à une grosse bille et en utilisant cette bille pour séparer ce fragment unique. Vous auriez besoin d'une perle différente pour chaque fragment unique ! La meilleure façon de séparer les fragments les uns des autres est de baser la séparation sur la taille réelle du fragment en utilisant l'électrophorèse sur un gel d'agarose ou de polyacrylamide.

Un extrait glucidique appelé agarose est fabriqué à partir d'algues. De l'eau est ajoutée à l'extrait, qui est ensuite chauffé. L'extrait glucidique se dissout dans l'eau pour former une solution visqueuse. La solution d'agarose est versée dans un moule (comme de la gelée chaude) et on la laisse se solidifier. Un peigne en plastique à dents larges a été placé dans l'agarose alors qu'il était encore liquide. Lorsque l'agarose est solide, le peigne peut être retiré, laissant à sa place de petits puits. Une solution de fragments d'ADN peut être placée dans les puits. La plaque d'agarose avec l'échantillon est recouverte d'une solution tampon et d'électrodes placées à chaque extrémité de la plaque. L'électrode négative est placée près de l'extrémité du puits de la plaque d'agarose tandis que l'électrode positive est placée à l'autre extrémité. Si une tension est appliquée à travers la plaque d'agarose, les fragments d'ADN chargés négativement se déplaceront à travers le gel d'agarose vers l'électrode positive. Cette migration de molécules chargées en solution vers une électrode de charge opposée est appelée électrophorèse. Imaginez que vous êtes l'un des fragments. Pour vous, le gel ressemble à une toile d'araignée enchevêtrée. Vous vous frayez un chemin à travers les ouvertures de la bande tout en vous déplaçant directement vers l'électrode positive. Plus le fragment est gros, plus vous vous déplacez lentement car il est difficile de traverser la toile enchevêtrée. Inversement, plus le fragment est court, plus vous vous déplacez rapidement. En utilisant cette technique et ses nombreuses modifications, des oligonucléotides différant d'un seul nucléotide peuvent être séparés les uns des autres. Dans l'électrophorèse de fragments d'ADN, un colorant fluorescent non chargé, le bromure d'éthidium, est ajouté à la solution tampon. Ce colorant s'intercale littéralement entre les paires de bases de l'ADN, ce qui confère une couleur jaune-vert fluorescente à l'ADN lorsque la lumière UV est affichée sur le gel d'agarose.

A. Lecture de l'ADN :

Nous discuterons d'une méthode de lecture de la séquence d'ADN. Cette méthode, mise au point par Sanger, lui a valu un deuxième prix Nobel. Pour séquencer un morceau d'ADN simple brin, le brin complémentaire est synthétisé. Quatre mélanges réactionnels différents sont établis. Chacun contient les 4 désoxynucléotides radioactifs (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) nécessaires à la réaction et à l'ADN polymérase. De plus, du didésoxyATP (ddATP) est ajouté à un tube de réaction. Le dATP et le ddATP se fixent de manière aléatoire à l'extrémité 3' en croissance du brin complémentaire. Si ddATP est ajouté, aucun autre nucléotide ne peut être ajouté par la suite puisque son extrémité 3' a un H et non un OH. C'est pourquoi ils l'appellent didéoxy. La nouvelle chaîne est terminée. Si dATP est ajouté, la chaîne continuera de croître jusqu'à ce qu'un autre A doive être ajouté. Ainsi, toute une série de fragments discrets de chaînes d'ADN seront fabriqués, tous terminés lorsque le ddATP a été ajouté. Le même scénario se produit pour les 3 autres tubes, qui contiennent respectivement dCTP et ddCTP, dTTP et ddTTP, et dGTP et ddGTP. Tous les fragments fabriqués dans chaque tube seront placés dans des voies séparées pour l'électrophorèse, où les fragments seront séparés par taille.

Didexoynucléotides

Figure : Didexoynucléotides

PROBLÈME : Vous prétendez séquencer un morceau d'ADN simple brin comme indiqué ci-dessous. Les nouveaux nucléotides sont ajoutés par l'enzyme ADN polymérase à l'amorce, GACT, dans la direction 5' à 3'. Vous installerez 4 tubes de réaction, chaque tube contient tous les dXTP. De plus, ajoutez ddATP au tube 1, ddTTP au tube 2, ddCTP au tube 3 et ddGTP au tube 4. Pour chaque mélange réactionnel séparé, déterminez toutes les séquences possibles réalisées en écrivant les séquences possibles sur l'une des séquences complémentaires inachevées ci-dessous . Coupez les séquences terminées de la page, déterminez la taille des séquences polynucléotidiques réalisées et placez-les telles qu'elles migreraient (en fonction de la taille) dans la piste appropriée d'un gel imaginaire que vous avez dessiné sur un morceau de papier. La piste 1 contiendra les nucléotides fabriqués dans le tube 1, etc. Tracez ensuite des lignes sous les positions des nucléotides découpés pour représenter les bandes d'ADN dans le gel. Lire la séquence de l'ADN complémentaire synthétisé. Ensuite, écrivez la séquence de l'ADNsb qui devait être séquencé.
5' T C A A C G A T C T G A 3' (STAND TO SEQUENCE)

3' G A C T 5' (amorce)

3' G A C T 5' (amorce)

3' G A C T 5' (amorce)

3' G A C T 5' (amorce)

3' G A C T 5' (amorce)

3' G A C T 5' (amorce)

3' G A C T 5' (amorce)

3' G A C T 5' (amorce)

Comme les fragments d'ADN n'ont pas de couleur détectable, ils ne peuvent pas être directement visualisés dans le gel. Des méthodes alternatives sont utilisées. Dans celui décrit ci-dessus, des ddXTP radiomarqués ont été utilisés. Une fois le gel de séquençage exécuté, il peut être séché et les bandes visualisées par radioautographie (également appelée autoradiographie). Un endroit de film radiographique est placé sur le gel séché dans un environnement sombre. Les bandes radiomarquées émettront un rayonnement qui exposera le film radiographique directement sur les bandes. Le film peut être développé pour détecter les bandes. Dans une technique plus récente, l'apprêt peut être étiqueté avec un colorant fluorescent. Si un colorant différent est utilisé pour chaque mélange réactionnel, tous les mélanges réactionnels peuvent être exécutés dans une voie d'un gel. (En fait, un seul mélange réactionnel contenant tous les ddXTP ensemble doit être effectué.) Le gel peut ensuite être scanné par un laser, qui détecte la fluorescence des colorants, chacun à une longueur d'onde différente.

Figure : Séquençage de l'ADN à l'aide de différentes amorces fluorescentes pour chaque réaction ddXTP

Une avancée récente dans le séquençage permet la détermination en temps réel d'une séquence. Les quatre désoxynucléotides sont chacun marqués avec un fluorophore différent sur le phosphate 5' (pas la base comme ci-dessus). Une ADN polymérase captive allonge l'ADN sur une matrice, libérant le fluorophore en solution (c'est-à-dire que le fluorophore n'est pas incorporé dans la chaîne d'ADN). La réaction a lieu dans une chambre de visualisation appelée guide d'ondes à mode zéro qui est une chambre métallique cylindrique d'une largeur de 70 nm et d'un volume de 20 zeptolithes (20 x 10-21 L). Il repose sur un support en verre à travers lequel l'éclairage laser de l'échantillon est réalisé. Compte tenu du petit volume, les désoxynucléotides marqués par fluorescence non incorporés diffusent à l'intérieur et à l'extérieur de l'échelle de temps de la microseconde. Lorsqu'un désoxynucléotide est incorporé dans l'ADN, son temps de séjour est de l'ordre de la milliseconde. Cela permet une détection prolongée de la fluorescence qui donne un rapport signal sur bruit élevé. Une technologie plus récente dans laquelle le séquençage est effectué en déplaçant l'ADN à travers les pores des membranes pourrait réduire le séquençage à 1 000 $/génome ou moins.

Animation du séquençage de Sanger

Séquençage des nanopores

B. Écriture de l'ADN :

L'oligonucléotide peut être synthétisé sur une bille solide. En ajoutant un nucléotide à la fois, la séquence et la longueur de l'oligonucléotide peuvent être contrôlées.

C. Copie de l'ADN :

Il existe plusieurs méthodes pour copier une séquence d'ADN des millions de fois. La plupart des méthodes utilisent des plasmides (qui se trouvent dans les bactéries) et des virus (qui peuvent infecter n'importe quelle cellule). L'ADN du plasmide ou du virus est modifié pour contenir une copie d'une séquence d'ADN spécifique d'intérêt. Le plasmide ou le virus est ensuite réintroduit dans la cellule où se produit l'amplification.

Initialement, un ADN contenant un gène ou une séquence régulatrice d'intérêt est coupé à des endroits spécifiques avec une enzyme appelée endonucléase de restriction, ou enzyme de restriction en abrégé. L'enzyme ne clive l'ADN à aucun endroit ancien, mais plutôt à des endroits "restreints" de la séquence, tout comme une endoprotéase clive une protéine après un acide aminé donné dans une chaîne protéique. Au lieu de cliver un brin, comme dans les protéines, l'endonucléase de restriction doit cliver les deux brins d'ADNdb. Il peut couper les brins proprement pour laisser des extrémités émoussées, ou de manière décalée, pour laisser de petites queues d'ADN ss. De nombreux sites de ce type existent au hasard dans le génome. Le gène d'intérêt doit être flanqué de part et d'autre d'une telle séquence. La même enzyme est utilisée pour cliver l'ADN plasmidique ou viral.

Figure : Clivage de l'ADN avec l'enzyme de restriction EcoR1

Le fragment étranger d'ADN peut ensuite être ajouté au plasmide ou à l'ADN viral comme indiqué pour former une molécule d'ADN recombinant. Cette technique de clonage d'ADN est à la base de tout le domaine de la technologie de l'ADN recombinant.

Figure : Clonage d'un fragment de restriction dans un plasmide

Animation de l'épissage des gènes

Le plasmide peut être ajouté à des bactéries, qui l'absorbent dans un processus appelé transformation. Le plasmide peut être répliqué dans les bactéries qui vont copier le fragment d'ADN d'intérêt. Typiquement, le plasmide porte un gène qui peut rendre la bactérie résistante à un antibiotique. Seules les bactéries qui portent le plasmide (et vraisemblablement l'insert) se développeront. Pour isoler le fragment souhaité, les plasmides sont isolés des bactéries et clivés avec la même enzyme de restriction pour éliminer le fragment souhaité, après quoi il peut être purifié. De plus, les bactéries peuvent être induites à exprimer la protéine à partir du gène étranger. Dans le laboratoire 4, nous allons transformer des bactéries avec un plasmide contenant le gène de la phosphatase acide adipoctyique bêta humaine, HAAP-B, et induire l'expression du gène.

Une méthode similaire peut être utilisée pour copier l'ADN dans lequel le fragment étranger est recombiné avec l'ADN du bactériophage, un virus qui infecte les bactéries comme E. Coli. L'ADN recombinant peut être encapsidé dans des virus réels, comme indiqué ci-dessous. Lorsque le virus infecte la bactérie, il ordonne aux cellules de fabriquer des millions de nouveaux virus, copiant ainsi le fragment étranger d'intérêt.

Parfois, "cloner" ou copier un fragment d'ADN n'est pas vraiment ce qu'un enquêteur souhaite. Si l'ADN génomique provient d'une cellule humaine, par exemple, le gène contiendra des introns. Si vous mettez cet ADN dans un plasmide ou un bactériophage, les introns vont avec. Les bactéries peuvent répliquer cet ADN, mais souvent on veut non seulement copier (amplifier) ​​l'ADN mais aussi le transcrire en ARN puis le traduire en protéine. Les bactéries, cependant, ne peuvent pas épisser l'ARN d'intron, donc l'ARNm mature ne peut pas être fabriqué. Si l'on pouvait cloner dans l'ADN de la bactérie sans les introns, ce problème n'existerait pas. Une telle méthode possible existe dans laquelle vous commencez avec l'ARNm réel d'une protéine d'intérêt. Dans cette technique, une copie d'ADNdb est réalisée à partir d'une molécule d'ARNm ss. Un tel ADNdb est appelé ADNc, pour ADN complémentaire ou copie. Celui-ci peut ensuite être cloné dans un plasmide ou un vecteur bactériophage et amplifié comme décrit ci-dessus.

COPIE D'ADN À PARTIR D'UN ARN-M - CONSTRUCTION D'UNE BIBLIOTHÈQUE D'ADN-C - insert

Au milieu des années 80, une nouvelle méthode a été développée pour copier (amplifier) ​​l'ADN dans un tube à essai. Il ne nécessite ni plasmide ni virus. Il suffit d'un fragment d'ADN, de quelques amorces (petits polynucléotides complémentaires de sections d'ADN sur chaque brin et chevauchant la section d'ADN à amplifier. Il suffit d'ajouter à ce mélange dATP, dCTP, dGTP, dTTP, et une ADN polymérase thermostable de l'organisme Thermophilus aquaticus (qui vit dans les sources chaudes), et c'est parti. Le mélange est d'abord chauffé à une température qui provoquera la séparation des brins d'ADN Ds. La température est refroidie permettant à un grand excès stoechimétrique des amorces de se recuire au ADNsb. La polymérase Taq thermostable (de Thermophilus aquaticus) polymérise l'ADN des amorces. La température est à nouveau augmentée, permettant la séparation des brins d'ADNdb. Lors du refroidissement, les amorces s'hybrident à nouveau à l'ADN d'origine et nouvellement synthétisé du dernier cycle et synthèse de l'ADN se produit à nouveau. Ce cycle est répété comme le montre le schéma. Cette réaction en chaîne est appelée la réaction en chaîne par polymérase (PCR). L'ADN cible synthétisé est amplifié un million de fois i n 20 cycles, soit un milliard de fois en 30 cycles, réalisables en quelques heures.

Figure : Copie de l'ADN dans le tube à essai - la réaction en chaîne par polymérase (PCR)

Animation de PCR

D. Modification de l'ADN

Au cours de nos études sur la structure des protéines, nous avons passé beaucoup de temps à discuter de la manière dont des acides aminés spécifiques pourraient être modifiés de manière covalente pour identifier la présence de l'acide aminé ou pour tenter de modifier l'activité de la protéine. Une technique plus récente et révolutionnaire a émergé au cours des 15 dernières années. En utilisant la technologie de l'ADN recombinant, le gène qui code pour la protéine peut être modifié au niveau d'un ou plusieurs nucléotides, d'une manière qui modifierait un ou plusieurs acides aminés, ou ajouterait ou supprimerait un ou plusieurs acides aminés. Cette technique, appelée mutagenèse spécifique au site, est largement utilisée par les chimistes des protéines pour déterminer l'importance d'un acide aminé donné dans le repliement, la structure et l'activité d'une protéine. Les techniques sont décrites dans le schéma ci-dessous ;

Figure : Mutagenèse spécifique au site

E. Recherche d'ADN

Où sur un chromosome se trouve le gène qui code pour une protéine donnée ? Une façon de trouver le gène est de synthétiser une petite "sonde" oligonucléotidique qui est complémentaire à une partie de la séquence d'ADN réelle du gène (déterminée à partir d'expériences précédentes). Attachez une molécule fluorescente à la sonde d'ADN. Ensuite, prenez une préparation cellulaire dans laquelle les chromosomes peuvent être vus au microscope. À la cellule, ajoutez une base qui déroule l'hélice d'ADN double brin, ajoutez la sonde fluorescente à la cellule et laissez l'ADN double brin se reformer. La sonde fluorescente se liera au chromosome au site du gène auquel l'ADN est complémentaire. L'hybridation est le processus par lequel une séquence nucléotidique simple brin (la cible) se lie par des liaisons H à une autre séquence nucléotidique complémentaire (la sonde).

Que faire si vous ne connaissez pas la séquence nucléotidique du gène, mais que vous connaissez la séquence d'acides aminés de la protéine, comme dans l'exemple ci-dessous ? À partir du tableau du code génétique, vous pouvez prédire la séquence possible de toutes les molécules d'ARN possibles qui sont complémentaires de l'ADN dans le gène. Étant donné que certains des acides aminés ont plus d'un codon, il existe de nombreuses séquences d'ADN possibles qui pourraient coder pour le fragment de protéine. Le lien ci-dessous montre toutes les séquences d'ARNm correspondantes possibles qui pourraient coder pour une courte séquence d'acides aminés. La séquence 20 mer de dégénérescence minimale dans la séquence nucléotidique doit être utilisée comme sonde génomique possible.

F. COMPARAISON DE L'ADN

La séquence d'ADN de chaque individu doit être différente de celle de tous les autres individus dans le monde (à l'exception des vrais jumeaux). La différence doit être inférieure à la différence entre un humain et un chimpanzé, qui sont identiques à 98,5 %. Disons que chacun d'entre eux a des séquences d'ADN identiques à 99,9 % par rapport à certains "humains normaux". Étant donné que nous avons environ 4 milliards de paires de bases d'ADN, cela signifie que nous sommes tous différents d'environ 0,001 x 4 000 000 000, ce qui représente environ 4 millions de paires de bases différentes. Cela signifie qu'en moyenne, nous avons une différence de nucléotide pour chaque 1000 paires de bases d'ADN. Certains d'entre eux sont dans les gènes, mais la plupart sont probablement entre l'ADN, et beaucoup se sont avérés être regroupés dans des zones d'ADN hautement répétitives aux extrémités des chromosomes (appelées télomères) et au milieu (appelées centromères).

Maintenant, rappelez-vous que leurs sites d'enzymes de restriction sont également dispersés de manière aléatoire le long de l'ADN. Si certaines des différences dans l'ADN entre les individus se produisent dans les séquences où l'ADN est clivé par des enzymes de restriction, alors chez certains individus, une enzyme particulière ne se clivera pas au site habituel, mais à un site plus distal. Par conséquent, la taille des fragments d'enzymes de restriction doit différer pour chaque personne. L'ADN de chaque personne, lorsqu'il est coupé par une batterie d'enzymes de restriction, devrait donner naissance à un ensemble unique de fragments d'ADN de tailles uniques à cet individu. L'ADN de chaque personne a un polymorphisme de longueur de fragment de restriction (RFLP) unique. Comment pouvez-vous détecter un tel polymorphisme ?

Vous savez déjà comment couper un échantillon d'ADN avec des enzymes de restriction, puis séparer les fragments sur un gel d'agarose. Une étape supplémentaire est cependant nécessaire, car des milliers de fragments pourraient apparaître sur le gel, ce qui serait observé comme un grand frottis continu. Si toutefois, chaque fragment pouvait être mis à réagir avec un ensemble de petites sondes d'ADN radioactives qui sont complémentaires à certaines sections d'ADN hautement polymorphes (comme l'ADN téléomérique) puis visualisé, seuls quelques ensembles de bandes discrètes seraient observés dans le gel d'agarose. . Ces bandes discrètes seraient différentes des bandes d'ADN observées dans le gène d'un autre individu traité de la même manière. Cette technique est appelée Southern Blot et fonctionne comme indiqué ci-dessous. Les fragments d'ADN sont soumis à une électrophorèse dans un gel d'agarose. Les fragments d'ADN ds sont déroulés par chauffage, puis un morceau de papier filtre en nitrocellulose est placé sur le gel. L'ADN du gel est transféré sur le papier filtre. Ensuite, une petite sonde oligonucléotidique radioactive, complémentaire d'un site polymorphe sur l'ADN, est ajoutée au papier. Il se lie uniquement au fragment contenant l'ADN complémentaire de la sonde. Le papier filtre est séché et un morceau de film radiographique est placé sur la feuille. Un ensemble de fragments radioactifs (qui ne sont pas complémentaires de la sonde) est également exécuté sur le gel et transféré sur la feuille. Cette technique est illustrée à la page suivante, avec une analyse RFLP d'une famille particulière.

Lorsque cette technique est utilisée dans des affaires médico-légales (comme le procès OJ Simpson) ou dans des affaires de paternité, on parle d'empreintes génétiques. Avec les techniques actuelles, les enquêteurs peuvent affirmer sans équivoque que les chances qu'un motif particulier n'appartienne pas à un suspect sont de l'ordre d'un million à un. Le film radiographique présenté ci-dessous est une copie de véritables preuves médico-légales obtenues à partir d'une affaire de viol. Les résultats du Southern blot du suspect 1, du suspect 2, de la victime et des preuves médico-légales sont indiqués. Analysez les données.

Figure : ANALYSE MÉDICALE PAR BLOT/PCR DU SUD - POLYMORPHISME DE LONGUEUR DE FRAGMENT DE RESTRICTION

Références récentes

  1. Avisé. Métaphores génomiques en évolution : un nouveau regard sur le langage de l'ADN. Science. 294, page 86 (2001)

Поиск скрытых сообщений в ДНК (Биоинформатика I)

Ce cours commence une série de cours illustrant la puissance de l'informatique en biologie moderne. Rejoignez-nous à la frontière de la bioinformatique pour rechercher des messages cachés dans l'ADN sans jamais avoir besoin de mettre une blouse de laboratoire. Dans la première moitié du cours, nous étudions la réplication de l'ADN et posons la question : où dans le génome commence la réplication de l'ADN ? Nous verrons que nous pouvons répondre à cette question pour de nombreuses bactéries en utilisant seulement quelques algorithmes simples pour rechercher des messages cachés dans le génome. Dans la seconde moitié du cours, nous examinons une question biologique différente, lorsque nous demandons quels modèles d'ADN jouent le rôle d'horloges moléculaires. Les cellules de votre corps parviennent à maintenir un rythme circadien, mais comment cela se fait-il au niveau de l'ADN ? Une fois de plus, nous verrons qu'en sachant quels messages cachés rechercher, nous pouvons commencer à comprendre le langage étonnamment complexe de l'ADN. De manière peut-être surprenante, nous appliquerons des algorithmes aléatoires, qui lancent des dés et lancent des pièces afin de résoudre des problèmes. Enfin, vous vous salirez les mains et appliquerez les outils logiciels existants pour trouver des motifs biologiques récurrents dans les gènes qui sont responsables d'aider Mycobacterium tuberculosis à devenir "dormant" chez un hôte pendant de nombreuses années avant de provoquer une infection active.

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4.3 : Le langage de l'ADN - Biologie

  1. Le code génétique n'est pas un vrai code, c'est plutôt un code. L'ADN est une séquence de quatre bases différentes (notées A, C, G et T) le long d'un squelette. Lorsque l'ADN est traduit en protéine, des triplets de bases (codons) sont convertis séquentiellement en acides aminés qui composent la protéine, certains codons agissant comme un marqueur « d'arrêt ». La cartographie du codon à l'acide aminé est arbitraire (pas complètement arbitraire, mais suffisamment proche pour les besoins de l'argumentation). Cependant, cette étape de cartographie - de 64 codons possibles à 20 acides aminés et un signal d'arrêt - est le seul arbitraire dans le code génétique. La protéine elle-même est un objet physique dont la fonction est déterminée par ses propriétés physiques.

De plus, l'ADN ne sert pas qu'à fabriquer des protéines. Une grande partie de l'ADN est transcrite directement en ARN fonctionnel. D'autres ADN agissent pour réguler les processus génétiques. Les propriétés physiques de l'ADN et de l'ARN, et non des significations arbitraires, déterminent leur mode d'action.

Une propriété essentielle du langage est que n'importe quel mot peut désigner n'importe quel objet. Ce n'est pas vrai en génétique. Le code génétique qui mappe les codons aux protéines pourrait être modifié, mais cela changerait le sens de tous séquences qui codent pour les protéines, et il n'a pas pu créer arbitraire de nouvelles significations pour toutes les séquences d'ADN. La génétique n'est pas un vrai langage.


Code génétique : 8 propriétés importantes du code génétique

(1) Le code est un triplet (2) Le code est dégénéré (3) Le code ne se chevauche pas (4) Le code est sans virgule (5) Le code est sans ambiguïté (6) Le code est universel (7) Co- linéarité et (8) parité gène-polypeptide.

Le code génétique fait référence à la relation entre la séquence de bases azotées (UCAG) dans l'ARNm et la séquence d'acides aminés dans une chaîne polypeptidique. En d'autres termes, la relation entre le langage à 4 lettres des nucléotides et le langage à vingt lettres des acides aminés est connue sous le nom de code génétique.

L'ADN (ou ARN) porte toute l'information génétique et s'exprime sous forme de protéines. Les protéines sont constituées de 20 acides aminés différents. L'information sur le nombre et la séquence de ces acides aminés formant la protéine est présente dans l'ADN et, pendant la transcription, est transmise à l'ARNm. La forme sous laquelle il est transféré n'a pas été comprise depuis longtemps.

Le sucre (pentose) et le phosphate de l'ADN ne pourraient pas effectuer ce travail de transmission du message génétique à l'ARNm car le sucre n'est que d'un seul type et donc aussi le phosphate. Cela ne laisse que quatre nucléotides pour former le message pour 20 acides aminés, mais 4 nucléotides sont trop peu pour vingt acides aminés.

Ce problème difficile a été résolu avec la découverte qu'un codon (unité héréditaire d'un gène) contenant des informations codées pour un acide aminé se compose de trois nucléotides (c'est-à-dire un code triplet). Ainsi pour vingt acides aminés, 64 (4 x 4 x 4 ou 4 3 = 64) permutations possibles sont disponibles. Cette percée a abouti à un dictionnaire de 64 codons - le code génétique.

Selon Bark (1970), le code génétique est un code pour les acides aminés, en particulier il s'agit de savoir quels codons spécifient quels acides aminés. Le code génétique est le résultat d'expériences réalisées par M. Nirenberg, S. Ochoa, H. Khorana, F. Crick et Mathaei. Le professeur M. Nirenberg a reçu le prix Nobel en 1961 pour ce travail remarquable.

Le dictionnaire du code génétique utilise les lettres de l'ARN (U, C, A, G, c'est-à-dire A = Adénine, U = Uracil, C = Cytosine, G = Guanine)

Les codons des acides aminés, qui sont les mêmes dans toutes les formes de vie connues, ont été déterminés expérimentalement. Ils sont donnés sur la figure 7.3.

Dans la figure 7.3, notez que plus d'un codon peut signaler qu'un acide aminé particulier doit être incorporé dans une protéine. De plus, certains codons remplissent des fonctions spéciales.

Par exemple, le codon AUG remplit deux fonctions :

(1) En tant que codon initiateur signalant le début de la synthèse d'un peptide, et

(2) Pour l'incorporation de méthionine dans la chaîne en croissance d'un peptide. Les autres codons à usage spécial sont UAA (Ocre), UAG (Ambre) et UGA (Ombre), qui signalent tous STOP.

Lorsque le site de synthèse ribosomique rencontre l'un de ces codons stop, la chaîne peptidique est libérée et prend ses structures secondaire et tertiaire. Étant donné que UAA (Ocre), UAG (Ambre) et UGA (Ombre) ne spécifient aucun acide aminé, ils sont également appelés codons non-sens.

"Lorsqu'il est précédé d'une région initiatrice, le codon AUG signale : “Démarrez une nouvelle molécule peptidique commençant par la N-formylméthionine, ou fMet.” Les codons UAA, UAG et UGA signalent la fin de la synthèse des protéines. »

Propriétés du code génétique:

Les propriétés du code génétique déterminées par de nombreuses preuves expérimentales peuvent être résumées comme suit :

1. Le code est un triplet :

Comme indiqué précédemment, les unités de codage ou codons pour les acides aminés comprennent des mots de trois lettres, 4 x 4 x 4 ou 4 3 = 64. 64 codons sont tout à fait adéquats pour spécifier 20 acides aminés protéiques.

2. Le code est dégénéré :

L'apparition de plus d'un codon pour un seul acide aminé est appelée dégénérée. Un examen du dictionnaire du code génétique révélera que la plupart des acides aminés ont plus d'un codon. Sur 61 codons fonctionnels, AUG et UGG codent chacun pour un acide aminé. Mais les 18 acides aminés restants sont codés par 59 codons.

3. Le Code ne se chevauche pas :

4. Le code est sans virgule :

Un code sans virgule signifie qu'aucun nucléotide ou virgule (ou ponctuation) n'est présent entre deux codons. Par conséquent, le code est continu et sans virgules et aucune lettre n'est gaspillée entre deux mots ou codons.

5. Le Code est sans ambiguïté :

Il n'y a aucune ambiguïté dans le code génétique. Un codon donné code toujours pour un acide aminé particulier, où qu'il soit présent.

6. Le Code est universel :

Le code génétique s'est avéré universel dans toutes sortes d'organismes vivants - procaryotes et eucaryotes.

7. Colinéarité :

L'ADN est une chaîne polynucléotidique linéaire et une protéine est une chaîne polypeptidique linéaire. La séquence d'acides aminés dans une chaîne polypeptidique correspond à la séquence de bases nucléotidiques dans le gène (ADN) qui la code. Le changement d'un codon spécifique dans l'ADN produit un changement d'acide aminé dans la position correspondante dans le polypeptide. Le gène et le polypeptide qu'il code sont dits colinéaires.

8. Parité gène-polypeptide :

Un gène spécifique transcrit un ARNm spécifique qui produit un polypeptide spécifique. Sur cette base, une cellule ne peut avoir qu'autant de types de polypeptides qu'elle a de types de gènes. Cependant, cela ne s'applique pas à certains virus dont les gènes se chevauchent.

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4.3 : Le langage de l'ADN - Biologie

Alors, qu'est-ce qu'être une femme ? Nous avons tous des chromosomes XX, non ? En fait, ce n'est pas vrai. Certaines femmes sont des mosaïques. Ils ont un mélange de types de chromosomes avec X, avec XY ou avec XXX. S'il ne s'agit pas seulement de nos chromosomes, alors qu'est-ce qu'être une femme ? Être féminine ? Se marier? Avoir des enfants ? Vous n'avez pas besoin de chercher bien loin pour trouver des exceptions fantastiques à ces règles, mais nous partageons tous quelque chose qui fait de nous des femmes. Peut-être que quelque chose est dans notre cerveau.

Vous avez peut-être entendu des théories du siècle dernier sur le fait que les hommes sont meilleurs en mathématiques que les femmes parce qu'ils ont un plus gros cerveau. Ces théories ont été démystifiées. L'homme moyen a un cerveau environ trois fois plus petit que l'éléphant moyen, mais cela ne veut pas dire que l'homme moyen est trois fois plus bête qu'un éléphant. ou le fait-il ?

Il y a une nouvelle vague de femmes neuroscientifiques qui découvrent des différences importantes entre les cerveaux féminins et masculins dans la connectivité neuronale, dans la structure cérébrale, dans l'activité cérébrale. Ils découvrent que le cerveau est comme une mosaïque en patchwork – un mélange. Les femmes ont principalement des taches féminines et quelques taches masculines.

Avec toutes ces nouvelles données, que signifie être une femme ? C'est une chose à laquelle j'ai pensé presque toute ma vie. Quand les gens apprennent que je suis une femme qui se trouve être transgenre, ils demandent toujours : « Comment savez-vous que vous êtes une femme ? » En tant que scientifique, je cherche une base biologique du genre. Je veux comprendre ce qui me fait moi. De nouvelles découvertes à la pointe de la science mettent en lumière les biomarqueurs qui définissent le genre. Mes collègues et moi en génétique, neurosciences, physiologie et psychologie, nous essayons de comprendre exactement comment fonctionne le genre. Ces domaines très différents partagent une connexion commune : l'épigénétique. En épigénétique, nous étudions comment l'activité de l'ADN peut réellement changer de manière radicale et permanente, même si la séquence reste la même.

L'ADN est la longue molécule en forme de ficelle qui s'enroule à l'intérieur de nos cellules. Il y a tellement d'ADN qu'il s'emmêle en fait dans ces choses ressemblant à des nœuds - nous les appellerons simplement des nœuds. Ainsi, des facteurs externes modifient la formation de ces nœuds d'ADN. Vous pouvez y penser comme ceci : à l'intérieur de nos cellules, il y a différents engins qui construisent des choses, connectent des circuits, font tout ce dont ils ont besoin pour que la vie se produise. En voici un qui lit en quelque sorte l'ADN et fabrique de l'ARN. Et puis celui-ci transporte un énorme sac de neurotransmetteurs d'un bout à l'autre de la cellule cérébrale. Ne perçoivent-ils pas une prime de risque pour ce genre de travail ?

Celui-ci est une usine moléculaire entière - certains disent que c'est le secret de la vie. C'est ce qu'on appelle le ribosome. J'étudie cela depuis 2001.

L'une des choses étonnantes à propos de nos cellules est que les composants qu'elles contiennent sont en fait biodégradables. Ils se dissolvent, puis ils sont reconstruits chaque jour, un peu comme un carnaval ambulant où les manèges sont démontés puis reconstruits chaque jour. Une grande différence entre nos cellules et le carnaval itinérant est que dans le carnaval, il y a des artisans qualifiés qui reconstruisent les manèges chaque jour. Dans nos cellules, il n'y a pas d'artisans aussi qualifiés, seulement des machines de construction stupides qui construisent tout ce qui est écrit dans les plans, peu importe ce que disent ces plans. Ces plans sont l'ADN. Les instructions pour chaque coin et recoin à l'intérieur de nos cellules.

Si tout dans, disons, nos cellules cérébrales se dissout presque tous les jours, alors comment le cerveau peut-il se souvenir de quoi que ce soit d'une journée passée ? C'est là qu'intervient l'ADN. L'ADN est l'une de ces choses qui ne se dissolvent pas. Mais pour que l'ADN se souvienne que quelque chose s'est passé, il doit changer d'une manière ou d'une autre. Nous savons que le changement ne peut pas être dans la séquence s'il change de séquence tout le temps, alors nous pourrions grandir comme une nouvelle oreille ou un nouveau globe oculaire chaque jour.

Donc, au lieu de cela, il change de forme, et c'est là que ces nœuds d'ADN entrent en jeu. Vous pouvez les considérer comme une mémoire d'ADN. Quand quelque chose d'important dans notre vie se produit, comme un événement traumatisant pendant l'enfance, les hormones du stress inondent notre cerveau. Les hormones de stress n'affectent pas la séquence de l'ADN, mais elles en modifient la forme. Ils affectent cette partie de l'ADN avec les instructions des machines moléculaires qui réduisent le stress. Ce morceau d'ADN se noue, et maintenant les machines de construction stupides ne peuvent pas lire les plans dont elles ont besoin pour construire les machines qui réduisent le stress. C'est une bouchée, mais c'est ce qui se passe à micro-échelle. À l'échelle macro, vous perdez pratiquement la capacité de gérer le stress, et c'est mauvais. Et c'est ainsi que l'ADN peut se souvenir de ce qui s'est passé dans le passé.

C'est ce que je pense qui m'arrivait lorsque j'ai commencé ma transition de genre. Je savais que j'étais une femme à l'intérieur et que je portais des vêtements de femme à l'extérieur, mais tout le monde me voyait comme un homme en robe. J'avais l'impression que peu importe le nombre de choses que j'essaye, personne ne me verra jamais vraiment comme une femme. En science, votre crédibilité est primordiale, et les gens ricanaient dans les couloirs, me lançant des regards, des regards dégoûtés – craignant d'être près de moi. Je me souviens de mon premier grand discours après la transition. C'était en Italie. J'avais déjà donné des conférences prestigieuses auparavant, mais celle-ci, j'étais terrifiée. J'ai regardé dans le public et les chuchotements ont commencé – les regards, les sourires narquois, les gloussements. À ce jour, j'ai encore de l'anxiété sociale autour de mon expérience d'il y a huit ans. J'ai perdu espoir. Ne vous inquiétez pas, j'ai suivi une thérapie donc je vais bien – je vais bien maintenant.


Génomique : décoder le langage universel de la vie

Qu'est-ce qu'un génome ? Un génome contient toutes les informations dont une cellule a besoin pour se développer, fonctionner et se reproduire, ainsi que toutes les informations nécessaires pour que ces cellules se réunissent pour former une personne, une plante ou un animal. Les génomes contiennent l'ensemble complet des gènes d'un organisme, ainsi que les structures génétiques encore plus petites qui aident à réguler quand et comment ces gènes sont utilisés.

La capacité de repousser un ligament déchiré, les indices qui pourraient prédire l'apparition d'une maladie mentale, le potentiel nutritionnel des cultures et même l'histoire de la vie elle-même, sont tous codés dans les génomes. En suivant ce cours, vous découvrirez comment les scientifiques déchiffrent le langage des génomes pour apprendre à développer des approvisionnements durables en nourriture et en carburant, améliorer le traitement et la prévention des maladies et protéger notre environnement. Le professeur Robinson est l'instructeur principal de ce cours. De plus, chaque module comprend plusieurs instructeurs invités. Ces instructeurs invités viennent de divers domaines d'études - biologie, physique, informatique et bien d'autres - et poursuivent divers objectifs de recherche, mais ils partagent un intérêt commun pour les approches et les technologies génomiques. Les instructeurs invités sont : - Elizabeth (Lisa) Ainsworth, professeure agrégée de biologie végétale - Mark Band, directeur de l'installation de génomique fonctionnelle - Alison Bell, professeure agrégée de biologie animale - Jenny Drnevich, spécialiste de la bioinformatique en génomique fonctionnelle avec calcul biologique à haute performance - Christopher Fields, directeur associé du calcul biologique de haute performance - Bruce Fouke, directeur du Roy J. Carver Biotechnology Center - Glenn Fried, directeur du Carl R. Woese Institute for Genomic Biology Core Facilities - Nigel Goldenfeld, professeur de physique - Brendan Harley, Assistant Professor of Chemical and Biomolecular Engineering - Alvaro Hernandez, Director of the High-Throughput Sequencing and Genotyping Facility - Victor Jongeneel, former NCSA Director of Bioinformatics and former Director of High-Performance Biological Computing - Kingsley Boateng, Senior Research Specialist with the Carl R. Woese Institute for Genomic Biology Core Facilities - Stephen Long, Professor of Plant Biology and Crop Sciences - Ruby Mendenhall, Associate Professor of African American Studies - William Metcalf, Professor of Microbiology - Karen Sears, Assistant Professor of Animal Biology - Saurabh Sinha, Associate Professor of Computer Science - Lisa Stubbs, Professor of Cell and Developmental Biology - Rachel Whitaker, Associate Professor of Microbiology - Derek Wildman, Professor of Molecular and Integrative Physiology - Peter Yau, Director of the Protein Sciences Facility


1902 - Sir Archibald Edward Garrod is the first to associate Mendel's theories with a human disease

In 1902, Sir Archibald Edward Garrod became the first person to associate Mendel's theories with a human disease. Garrod had studied medicine at Oxford University before following in his father's footsteps and becoming a physician.

Whilst studying the human disorder alkaptonuria, he collected family history information from his patients. Through discussions with Mendelian advocate William Bateson, he concluded that alkaptonuria was a recessive disorder and, in 1902, he published The Incidence of Alkaptonuria: A Study in Chemical Individuality. This was the first published account of recessive inheritance in humans.

It was also the first time that a genetic disorder had been attributed to "inborn errors of metabolism", which referred to his belief that certain diseases were the result of errors or missing steps in the body's chemical pathways. These discoveries were some of the first milestones in scientists developing an understanding of the molecular basis of inheritance.


Animal Genetics

Does our growing understanding of animal genetics support evolutionary principles or special creation by a caring, intelligent Designer as the Bible proclaims?

DNA Similarities

Do similarities in DNA between organisms suggest a common ancestor or a common Designer? Are chimps and humans actually 98% similar?

Structure de l'ADN

The iconic, complex double-helix structure of DNA displays the masterful design and creativity of the all-wise Creator.

Épigénétique

Our physical makeup is determined by our genes, not our environment—right? The science of epigenetics is forcing scientists to rethink their assumptions.

Génome humain

The exhaustive project of mapping the human genome has provided further evidence of biblical truths as presented in Genesis.

Information Theory

Information only comes from other information. DNA is a complex information system, so it must have come from an information source—the mind of the Creator God!

“Junk” DNA

Using evolutionary assumptions about life’s history, geneticists have branded vast sums of DNA as junk, but research is showing this DNA is far from useless.

ADN mitochondrial

Mitochondrial DNA research confirms that all humans alive today share common ancestors just a few thousand years ago as the Bible teaches.

Mutation

Are mutations—copying errors in DNA—the driving force for biological evolution? Or do they represent the sad reality of a sin-cursed world?

Natural Selection

Is natural selection, which uses existing information leading to varations in organisms, proof of information-adding, molecules-to-man evolution?


Concept 22 DNA words are three letters long.

The genetic code had to be a "language" &mdash using the DNA alphabet of A, T, C, and G &mdash that produced enough DNA "words" to specify each of the 20 known amino acids. Simple math showed that only 16 words are possible from a two-letter combination, but a three-letter code produces 64 words. Operating on the principle that the simplest solution is often correct, researchers assumed a three-letter code called a codon.

Research teams at University of British Columbia and the National Institutes of Health laboriously synthesized different RNA molecules, each a long strand composed of a single repeated codon. Then, each type of synthetic RNA was added to a cell-free translation system containing ribosomes, transfer RNAs, and amino acids. As predicted, each type of synthetic RNA produced a polypeptide chain composed of repeated units of a single amino acid. Several codons are "stop" signals and many amino acids are specified by several different codons, accounting for all 64 three-letter combinations.


Structural differences

Even though languages are not inborn, a specific genetic predisposition within a group of genetically similar individuals might influence the evolution of particular structural features of a language. Tonal languages, for example, like Chinese, are different from non-tonal languages (like German).

© Chinesin: Getty Images / Guang Niu Cafe: Getty Images / National Geographic / Jodi Cobb

Languages are not inborn. There are approximately 7,000 languages in the world today, and learning any one of them is a lengthy process that takes around a decade. There is no reason why a Chinese child growing up in Germany should learn to speak German any worse than a German child or a child of any other nationality. A specific genetic predisposition, however, might influence the evolution of particular structural features of a language within a group of genetically similar individuals, for example whether the language is tonal or non-tonal.

Chinese is perhaps the most well-known of the tonal languages, in which a single syllable can convey different meanings according to whether it is spoken in a consistent tone or a rising, rising–falling or falling tone. The distribution of tonal and non-tonal languages corresponds closely with the distribution of two alleles, or forms, of the abnormal spindle-like microcephaly-associated (ASPM) and microcephalin genes 9,10 . Of course, alleles by themselves do not directly lead to the evolution and use of tonal languages children with different forms of the genes will still be able to learn tonal languages. A particular genetic predisposition in a population, however, might favour the emergence of languages with particular structural characteristics. It is now possible to study whether there might also be a genetic predisposition to other structural properties, like poverty or richness of inflexion.

Science historians are familiar with the power of new technologies to revolutionize science. We are standing before an advance that will feel particularly close to home. Over the next decade or so, we can expect new genomics technologies to further our understanding of one quintessential aspect of being human: language.

The languages of the world, which form part of and are the main bearers of cultures, are highly diverse. The capacity to develop, learn and use them, however, belongs to our shared genetic heritage. These aspects of language are researched intensively at the Max Planck Institutes for Psycholinguistics, Evolutionary Anthropology, and Human Cognitive and Brain Sciences.


Voir la vidéo: TOUT SAVOIR SUR LADN! (Mai 2022).