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Biologie Moléculaire

Plan du cours

Objectifs PAES commun DHU Paris-Est

I - La structure des acides nucléiques

1 - Molécules simples

2 - Les acides nucléiques

II - Biosynthèse des macromolécules

3 - DNA Définitions

4 - La transcription

5 - La traduction

6 - La réplication

7 - La réparation

III - Les événements génétiques

8 - Substitutions

9 - Mutations

10 - Insertions - délétions

11 - Transpositions

IV - L’évolution

12 - Divergence

13 - Familles de gènes

V - Le DNA au laboratoire

14 - Méthodes d’étude


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traduction HTML V2.8
V. Morice


Objectifs PAES commun DHU Paris-Est

 

 

Biologie moléculaire : étude des acides nucléiques

Objectifs Généraux
  1. Sur la base d’une bonne connaissance de la structure et des propriétés des acides nucléiques, l’étudiant doit avoir assimilé les grands principes de base impliqués dans la transmission et la réparation du matériel génétique, ainsi que l’expression des gènes et sa régulation.
  2. L’étudiant doit être capable d’interpréter des résultats expérimentaux obtenus par les techniques les plus courantes de biologie moléculaire appliquées à la recherche biomédicale ou à l’exploration de matériel génétique par les laboratoires de biologie médicale.
    L’étudiant doit ainsi avoir acquis les bases nécessaires à la compréhension ultérieure des mécanismes moléculaires de la physiopathologie ou de l’action des médicaments.
Structure et fonction des acides nucléiques
  • Connaître la structure des acides nucléiques, savoir reconnaître1 les molécules simples dont ils sont constitués, les classer d’après leurs propriétés ou leurs fonctions.

Cette partie nécessite la reconnaissance des structures de l’acide phosphorique, du ribose et du désoxy-ribose, des bases puriques et pyrimidiques.
L’étudiant doit savoir reconnaître n’importe quelle base, nucléoside, nucléotide ou nucléoside polyphosphate. Il doit savoir identifier les liaisons riches en énergie des nucléosides polyphosphates et distinguer les groupements phosphates (α, β, γ) présents dans ces molécules.
Il doit savoir interpréter et manipuler les différentes représentations de la structure primaire du DNA et du RNA, préciser la nature des liaisons impliquées dans l’enchaînement des nucléotides, distinguer une extrémité 5’ d’une extrémité 3’ et manipuler les unités de taille (kb, kpb, Mpb...).
Sur des schémas qui lui seront présentés, il doit savoir reconnaître les liaisons impliquées dans la complémentarité des bases ainsi que les éléments structuraux essentiels d’une double hélice de DNA, de la chromatine ou des différentes espèces de RNA.
Connaissant la composition en bases de deux DNA de même taille, il doit savoir prédire les différences de température de fusion et expliciter les raisons de leur choix.
Méthode d’étude des acides nucléiques
  • Connaître les méthodes permettant d’étudier le DNA des malades (obtention, purification, conservation) y compris dans leur aspect éthique.
  • Décrire l’activité de quelques enzymes qui permettent l’étude des acides nucléiques et être capable de montrer l’effet de ces enzymes sur un exemple détaillé (séquence d’acide nucléique). Cet objectif comprend au moins les activités des endonucléases de restriction, les polymérases, les ligases et les topoisomérases.
  • Expliquer le mécanisme de l’amplification du DNA par PCR (il ne s’agit pas des méthodes ou des techniques, seulement du principe qui est utilisé).
    • Expliquer le principe de la PCR et de la RT-PCR
    • Enumérer les principaux constituants du milieu de réaction d’une PCR
    • Citer un exemple d’application de la PCR en diagnostic médical
  • Donner un exemple2 de diagnostic fondé sur une variation de longueur de fragments d’acides nucléiques (RFLP).
  • Enumérer les facteurs qui permettent l’hybridation de deux brins d’acides nucléiques.
  • Savoir interpréter3 les résultats d’une technique d’hybridation avec une sonde (Southern ou Northern blots, puces à DNA) et son application à un diagnostic.
  • Expliquer le mécanisme d’un séquençage d’acide nucléique.
  • Donner un exemple de préparation et d’utilisation d’un DNA complémentaire.

Sans avoir à mémoriser les détails des modes opératoires, l’étudiant doit avoir acquis la notion que des méthodes simples permettent d’extraire et de purifier, à partir de cellules eucaryotes, les différentes formes de DNA et de RNA qu’elles renferment. Il doit avoir acquis la notion des problèmes éthiques soulevés par la constitution d’une banque de DNA génomique humain.
Il doit savoir reconnaître/représenter le mode d’action des principales enzymes impliquées dans la manipulation du DNA : endonucléases, incluant les endonucléases de restriction, ligases, DNA polymérases.
Il doit être capable d’interpréter des données expérimentales obtenues par les méthodes couplant électrophorèse et hybridation sur filtre (Southern blots).
Ayant acquis la notion d’oligonucléotides de synthèse (sans aucun détail sur les méthodes mises en œuvre), de cDNA, de vecteurs plasmidiques ou phagiques, il doit savoir expliquer les grands principes de l’étude du DNA génomique, en maîtrisant la notion de clonage.
Il doit savoir lire un gel de séquence et, à l’aide de la table de code génétique, convertir une séquence nucléique en séquence peptidique, manipulant ainsi les notions de brin sens et non-sens et de cadre de lecture. Sur des séquences comparées, il doit savoir identifier des mutations, ponctuelles ou étendues, et leurs conséquences fonctionnelles (arrêt prématuré de la traduction, décalage du cadre de lecture…). La connaissance ainsi acquise du séquençage doit lui permettre de maîtriser les notions de discontinuité des gènes, en distinguant les exons et les introns, et de modifications post-transcriptionnelles, incluant pose de la coiffe, épissage et polyadénylation.
L’étudiant doit savoir interpréter des résultats expérimentaux obtenus par une technique d’amplification génique (PCR), qu’il s’agisse d’analyse du génome, d’étude d’expression de gène ou de préparation de matériel pour un clonage ultérieur.
Transcription et régulation de l’expression des gènes
  • Définir4 les termes : gène, transcription, brin sens, promoteur, exon, intron, coiffe, queue poly-A, excision-épissage.
  • Montrer le mécanisme5 de la transcription d’un gène, en distinguant les étapes d’initiation, d’élongation et de terminaison.
  • Montrer les mécanismes de la régulation de la transcription. Donner un exemple de régulation d’un gène eucaryote sous le contrôle d’une grande voie endocrinienne (exemples : CREB, GlucocorticoidRE).
  • Enumérer et décrire les principales modifications post-transcriptionnelles : enzyme coiffante, polyadénylation, édition, excision-épissage. Donner un exemple d’expression alternative d’un gène eucaryote.

L’étudiant doit être capable de définir un certain nombre de termes indispensables à la compréhension de la transcription : brin sens et brin antisens, RNA polymérase, promoteur, initiation de la transcription, élongation, terminaison. Il doit savoir décrire le mécanisme biochimique de la RNA polymérase et mentionner les rôles spécifiques des trois types de polymérases impliquées dans la transcription chez les eucaryotes.
Il doit savoir commenter un schéma résumant de façon intégrée la régulation d’un gène dont la transcription est sous le contrôle d’un messager agissant sur un récepteur membranaire (exemple de CREB) ou d’un messager interagissant avec un récepteur nucléaire (hormones stéroïdiennes).
En ce qui concerne les modifications post-transcriptionnelles, il doit simplement pouvoir définir ce qu’est une coiffe, une polyadénylation ou l’épissage (éventuellement alternatif) en identifiant et en explicitant les mécanismes moléculaires mis en jeu.
Traduction
  • Définir les termes : traduction, codon et anticodon, polyribosome, signal-peptide.
  • Montrer le mécanisme de la traduction d’un messager, en distinguant les étapes d’initiation, d’élongation et de terminaison.
  • Montrer les mécanismes de la régulation de la traduction. Donner un exemple d’antibiotique intervenant sur la régulation de la traduction des procaryotes.
  • Enumérer et décrire les principales modifications post-traductionnelles (en complément de ce qui aura été traité dans le thème 2)

L’étudiant doit être capable de définir un certain nombre de caractéristiques ou de termes indispensables à la compréhension de la traduction : aminoacyl-tRNA synthétase, sens de la traduction, codon, anticodon, codon d’initiation, code génétique, ribosomes, polyribosomes.
Sur un schéma synthétique décrivant le mécanisme de la traduction, il doit être capable d’identifier et d’expliciter les grandes étapes mises en jeu.
Il doit avoir la notion que chacune des étapes de la traduction chez les procaryotes peut être la cible d’antibiotiques, mais aucune connaissance spécifique ne peut lui être demandée, sauf des exercices de réflexion où ces données lui seraient rappelées.
Il doit pouvoir expliquer en termes simples la différence entre les protéines à localisation cytoplasmique et celles qui empruntent la voie de sécrétion, en précisant les notions de peptide-signal et de modifications post-traductionnelles.
Réplication et réparation du DNA
  • Définir les termes : réplication, réparation.
  • Montrer le mécanisme enzymatique d’une fourche de réplication.
  • Décrire les différentes réactions catalysées par les DNA polymérases.
  • Décrire un exemple de mécanisme de réparation des mésappariements.
  • Décrire la réplication du DNA linéaire et le rôle d’une télomérase.
  • Décrire l’activité de la transcriptase inverse et donner un exemple de ses conséquences physiopathologiques.

L’étudiant doit pouvoir citer et expliciter les grandes caractéristiques de la réplication : semi-conservative, continue/discontinue selon le brin, débutant à une même origine. Il doit pouvoir citer les principales protéines impliquées successivement dans la réplication chez les eucaryotes et préciser leur rôle : hélicases, protéines de liaison au DNA simple brin, topoisomérases, primase, DNA polymérases, ligase.
L’étudiant doit savoir illustrer la notion de fidélité de la réplication en explicitant les principaux mécanismes mis en jeu (activité 3’-exonucléasique des DNA polymérases, réparation des mésappariements).
Il doit être capable de résoudre le problème posé par la réplication des DNA linéaires en expliquant le rôle des télomérases.
Il doit savoir décrire les propriétés de la transcriptase inverse sans entrer dans les détails de la réplication des rétrovirus.
  • Donner un exemple de réparation du DNA lésé.

En appliquant ses connaissances acquises des principales enzymes agissant sur le DNA, auxquelles seront ajoutées à l’occasion les glycosylases, l’étudiant doit savoir reconnaître sur un schéma les interventions successives des enzymes impliquées dans la réparation par excision de nucléotides.
Recombinaison
Sans avoir à reproduire le modèle de Holliday qui lui aura été présenté, l’étudiant doit être capable de définir le processus d’échange de segments de DNA homologues sur des schémas simples et de mentionner l’implication de la recombinaison dans des phénomènes fondamentaux tels que le « crossing-over ».
Les événements génétiques
  • Définir les termes : variation (= substitution ou mutation silencieuse), mutation (= exprimée), délétion/insertion, répétition.
  • Donner des exemples parmi les événements génétiques suivants qui aboutissent à une pathologie : mutation ponctuelle, délétion (avec ou sans décalage du cadre de lecture), épissage défectueux, répétitions de triplet.
  • Définir les termes : transposition, pseudogène, conversion de gène, famille ou superfamille de gènes.
  • Donner un exemple de l’évolution d’une famille de gènes.

Grâce à des exemples de famille de gènes et de leur évolution ; l’étudiant devra expliciter le rôle des évènements génétiques (duplications, conversions de gènes, inactivations de gènes) dans la diversification du patrimoine génétique des espèces, et montrer quels avantages sélectifs les espèces acquièrent avec ces changements pour l’adaptation à leur environnement.



1. Savoir reconnaître
  • corps chimique : nommer un corps dont on voit la formule développée ;
  • réaction : désigner l’enzyme au vu de l’équation chimique ;
  • voie métabolique : désigner la voie métabolique au vu de son bilan chimique.

2. Donner un exemple : choisir, décrire et expliquer une situation dans laquelle un concept ou un corps défini joue le rôle principal et met en évidence ses propriétés essentielles.
3. Savoir interpréter un examen : savoir les valeurs usuelles (95 % de la population adulte saine), savoir les circonstances physiopathologiques des variations du paramètre, savoir faire la critique de la valeur d’un résultat en fonction des conditions de son prélèvement ou de sa mesure.
4. Définir : préciser dans une phrase concise l’essence d’un objet ou les limites d’un concept en excluant toute notion étrangère et en comprenant toutes les variations possibles de l’objet ou du concept cerné.
5. Montrer le mécanisme (d’une réaction) ou
Décrire les étapes (d’une voie métabolique) : définir les corps chimiques en présence, écrire et équilibrer la (les) réaction(s) ; faire le bilan chimique et énergétique.

 

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