Séquençage et génome

Mais de quoi s'agit-il ? Que désignent séquençage et génome ?

Après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN en 1953 par James Watson et Francis Crick basée sur les travaux de Rosalind Franklin, la biologie moléculaire a connu d'importants développements pour devenir un outil incontournable de la biologie moderne à partir des années 1970. 

La génétique ou la "science des gènes" est une discipline de la biologie qui elle même est sous divisée en plusieurs branches comme la génétique mendélienne (transmission des caractères héréditaires), la génétique de l'évolution et des population (étude de la diversité), la génétique médicale ou encore la génomique. Cette dernière étudie la structure, la composition et l'évolution des génomes. Mais qu'est-ce qu'un génome ?


Quelques notions utiles...

Une Cellule végétale

Les cellules végétales sont les unités élémentaires qui constituent les organismes végétaux. Elles peuvent mesurer entre 10 et 200 µm et sont eucaryotes, ce qui signifie qu’elles comprennent un noyau qui contient l'essentiel de l'ADN cellulaire.

L’intérieur de la cellule est délimité par la membrane cellulaire, souple, qui contient le cytoplasme. Une paroi externe et rigide (faite de cellulose et de protéines) constitue une sorte de squelette externe protecteur qui est spécifique de la cellule végétale.

A l’intérieur de la cellule on trouve une grande vacuole qui maintient la turgescence. Elle comporte aussi des chloroplastes, qui contiennent la chlorophylle responsable de la couleur verte et qui intervient dans le processus de la photosynthèse. Comme les autres cellules eucaryotes, les cellules végétales possèdent aussi des mitochondries, qui sont les usines de la cellule.

Toutes les cellules résultent de la division d'une autre cellule. Au début de la division, le stock des constituants cellulaires est multiplié par deux permettant ainsi à toutes les cellules d'une plante de posséder la même information génétique.

Napoleome_cellule_vegetale.pngUne cellule végétale - l'Eprouvette © UNIL


L'acide désoxyribonucléique ou ADN

C'est une grosse molécule présente dans toutes les cellules vivantes (animales et végétales) qui renferme l'ensemble des informations nécessaires au développement et au fonctionnement d'un organisme. C'est aussi le support de l'hérédité car il est transmis lors de la reproduction. Chez les animaux et les plantes, l'ADN est contenu au cœur des cellules, dans le noyau et constitue les chromosomes.

La structure standard de l'ADN est une double-hélice droite, composée de deux brins complémentaires. Chaque brin d'ADN est constitué d'un enchaînement de nucléotides (eux-mêmes composés de bases azotées, de sucres et de groupements phosphate). On trouve quatre nucléotides différents dans l'ADN : adénine, guanine, cytosine et thymine. L'information génétique est inscrite dans l'ordre dans lequel s'enchaînent ces quatre nucléotides. Ils se regroupent par paires complémentaires : A est lié à T, de même que G est toujours en face de C, aucune autre paire n'est possible.

DNA_structure_01.pngStructure de l'ADN - Dessin Laurent Blondel - Archives Larousse


Gène, génome et génomique...

L'information génétique est représenté par l'enchainement de quatre bases A, G, C, et T. Un gène est défini comme une séquence d'ADN précise, qui peut être transcrit en acide ribonucléique ou ARN, puis traduit en protéine qui aura un rôle fonctionnel dans les cellules.

Le génome représente l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce contenu dans l'ADN. La génomique est la science qui étudie le génome.

Génotype et phénotype...

Le génotype est l'ensemble des
 gènes qu'un individu possède. Le phénotype correspond à la somme des caractères 
morphologiques, physiologiques et
 comportementaux qui sont observables.

Et le séquençage c'est quoi ?

Le séquençage consiste à déterminer l'ordre d'enchaînement des nucléotides d’un fragment d’ADN donné.

Il a été inventé dans la deuxième moitié des années 1970.  Deux méthodes ont été développées indépendamment : l'approche de Sanger est une méthode par synthèse enzymatique, tandis que celle de Maxam et Gilbert est une méthode par dégradation chimique. Actuellement, la plupart du séquençage d’ADN est réalisée par une méthode dérivée de Sanger.

Sanger_web.jpgFrederick Sanger est un biochimiste anglais qui a reçu deux prix Nobel de chimie. Dés 1977, grâce à cette technique, son équipe a reconstitué la séquence du premier génome complet d'un organisme biologique.



Principe de la méthode de Sanger

Une réaction de polymérisation de l’ADN est initiée par un petit fragment d’ADN (ou amorce) complémentaire à l’ADN à séquencer. L’élongation de l’amorce est réalisée par une enzyme (une molécule protéique qui joue un rôle de catalyseur biologique) qui ajoute les nucléotides complémentaires les uns après les autres. Les quatre nucléotides A, C, G, T sont ajoutés, ainsi qu’une faible concentration de quatre autres nucléotides modifiés, A’, C’, G’, T’ qui sont identiques aux nucléotides normaux sauf qu’un élément, nécessaire à l’extension est absent. Ils sont également marqués par des composés fluorescents de différentes couleurs (rouge, bleu, jaune et vert). Ces molécules sont appelées terminateurs d’élongation car une fois incorporés à la nouvelle chaîne synthétisée, ils empêchent la poursuite de l’élongation. L’enzyme ne peut pas distinguer ces substrats modifiés des nucléotides normaux. La terminaison se fait de manière statistique et aléatoire, suivant que l’enzyme qui polymérise l'ADN utilise l'un ou l'autre de ces nucléotides. Il en résulte de nouveaux fragments d’ADN de taille variable, qui sont ensuite séparés par électrophorèse sur gel selon leur taille. Les plus petits fragments migrent plus vite que les grands à l'intérieur du gel.

Sequencage_RVB.jpgPrincipe de la méthode de Sanger - l'Eprouvette © UNIL
AnalyseSéquencesCIG-SIB04.jpgSéquence du génome du chêne de Napoléon - Stramatakis © UNIL