B3 · Organisation du génome humain
Séquences répétées et éléments génétiques mobiles
Classer les séquences répétées en tandem et dispersées et décrire leur distribution dans le génome. Présenter les éléments transposables, leurs mécanismes de mobilité et leur contribution à la dynamique du génome.
Biologie moléculaire et génome7 min de lecture17 QCM corrigés
Deux organisations majeures des séquences répétées
Une partie importante du génome humain est constituée de séquences présentes en plusieurs copies. Ces répétitions n’ont pas toutes la même origine ni la même disposition. Leur classification repose d’abord sur la position relative de leurs copies.
Les copies peuvent être regroupées les unes à la suite des autres ou réparties en de nombreux sites chromosomiques. On distingue ainsi les séquences répétées en tandem et les séquences répétées dispersées.
Les séquences répétées en tandem
Une répétition en tandem peut être représentée comme la succession d’une unité répétée. La longueur de cette unité et le nombre de copies permettent de distinguer plusieurs catégories.
ADN satellite
L’ADN satellite correspond à de très grands ensembles de répétitions en tandem. Il est principalement concentré dans des régions chromosomiques riches en ADN condensé, notamment les régions centromériques et péricentromériques.
Ces répétitions participent à l’organisation structurale des chromosomes. Leur abondance favorise la formation d’une chromatine compacte et contribue à l’architecture nécessaire au fonctionnement du centromère. Leur rôle dépend donc moins d’une information codante que de leur organisation collective.
Certaines répétitions en tandem sont également localisées aux extrémités chromosomiques. Leur organisation participe à la protection et à la stabilité de ces extrémités, dont le fonctionnement détaillé relève de la fiche consacrée aux télomères.
Minisatellites et microsatellites
Les minisatellites sont constitués d’unités répétées de taille intermédiaire. Ils forment des ensembles moins étendus que l’ADN satellite et sont présents dans différents loci, avec une fréquence particulière dans certaines régions proches des extrémités chromosomiques.
Les microsatellites, aussi appelés répétitions courtes en tandem, sont formés de motifs très courts répétés consécutivement. Ils sont nombreux et largement répartis dans le génome, principalement dans les régions non codantes, mais ils peuvent aussi se trouver à proximité ou à l’intérieur des gènes.
Le nombre de motifs peut changer lors de la réplication ou de recombinaisons imparfaitement alignées. Les conséquences de cette variation et son utilisation comme polymorphisme sont traitées dans la fiche consacrée aux SNP, VNTR et microsatellites.
Les séquences répétées dispersées
La majorité des répétitions dispersées dérive d’éléments transposables. Une copie ancestrale a été déplacée ou recopiée, puis les copies se sont accumulées au cours de l’évolution. Elles ne sont donc pas regroupées en un seul bloc.
Ces séquences occupent une part considérable du génome humain. Leur distribution est toutefois hétérogène selon les chromosomes, la composition locale en bases, la densité en gènes et l’état de condensation de la chromatine. Certaines familles sont enrichies dans des régions relativement riches en gènes, tandis que d’autres dominent dans des régions plus pauvres en gènes.
Avec le temps, les copies accumulent des mutations. De nombreuses répétitions dispersées sont ainsi devenues des vestiges incapables de se déplacer, mais restent reconnaissables par leur parenté de séquence.
Les éléments génétiques mobiles
La mobilité ne correspond pas à un déplacement dirigé vers un emplacement déterminé. L’insertion dépend des propriétés moléculaires de l’élément et de l’accessibilité du site cible. Elle peut modifier la séquence, la structure ou la régulation de la région receveuse.
Deux mécanismes fondamentaux sont distingués selon la nature de l’intermédiaire utilisé.
Transposons à ADN
Les transposons à ADN se déplacent directement sous forme d’ADN. Leur mobilité repose sur une enzyme, la transposase, qui reconnaît des séquences situées aux extrémités de l’élément.
Le mécanisme classique est un mécanisme de couper-coller :
- la transposase reconnaît les extrémités du transposon ;
- elle réalise son excision hors du site initial ;
- elle coupe l’ADN au niveau du site cible ;
- elle insère le transposon dans ce nouveau site ;
- les systèmes cellulaires de réparation complètent les extrémités.
L’insertion produit fréquemment une courte duplication du site cible, située de part et d’autre de l’élément. Dans le génome humain actuel, la plupart des transposons à ADN sont anciens et inactifs.
Rétrotransposons
Le mécanisme correspond à un copier-coller. La copie initiale reste à son emplacement, tandis qu’une nouvelle copie est produite puis insérée ailleurs. Ce fonctionnement explique l’augmentation progressive du nombre de copies.
Les rétrotransposons comprennent plusieurs grandes catégories :
- les éléments à longues répétitions terminales, encadrés par des séquences répétées aux deux extrémités ;
- les éléments longs dispersés, souvent capables de coder les protéines nécessaires à leur propre mobilité ;
- les éléments courts dispersés, qui ne codent pas cet équipement enzymatique et utilisent celui d’éléments autonomes.
Contribution à la dynamique du génome
La mobilité des éléments transposables crée de nouvelles insertions. Une insertion peut interrompre une séquence, modifier l’espacement entre des régions régulatrices ou apporter des motifs capables d’influencer la transcription. Les effets dépendent donc du site atteint et de l’intégrité de la copie insérée.
Les nombreuses copies homologues constituent aussi des substrats pour la recombinaison. Si deux copies situées à des positions différentes s’apparient, une recombinaison non allélique peut provoquer une délétion, une duplication, une inversion ou un autre remaniement chromosomique.
Au cours de l’évolution, certaines séquences issues d’éléments mobiles sont conservées parce qu’elles acquièrent une fonction utile. Des fragments peuvent ainsi être intégrés à des régions régulatrices ou contribuer à la formation de nouvelles structures géniques. Les éléments transposables sont donc à la fois une source potentielle d’instabilité et un réservoir de diversité évolutive.
La cellule limite leur activité par plusieurs mécanismes, notamment la méthylation de l’ADN, la condensation de la chromatine et des systèmes de contrôle par des ARN. La régulation épigénétique et l’interférence par ARN sont développées dans les fiches correspondantes.
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