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Génome
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Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par des molécules d'ARN). Il contient en particulier toutes les séquences codantes (transcrites en ARN messagers, et traduites en protéines) et non-codantes (non transcrites, ou transcrites en ARN, mais non traduites).
Le génome est souvent comparé à une encyclopédie dont les différents volumes seraient les chromosomes. Les gènes seraient les phrases contenues dans ces volumes et ces phrases seraient écrites dans un langage génétique représenté par quatre bases (adénine, guanine, cytosine et thymine) abrégées en AGCT.
La science qui étudie le génome est la génomique.
Sommaire |
Génomes dans le monde vivant
Chez les virus, le génome est contenu soit dans une (ou plusieurs) molécule(s) d'ADN ou d'ARN, à simple ou double brin.
Chez les procaryotes (bactéries et archées), le génome est généralement contenu dans une molécule d'ADN circulaire. Peut aussi exister un génome extrachromosomique, contenu dans des plasmides et des épisomes. Certaines bactéries, comme les actinomycètes, ont cependant des génomes linéaires.
Chez les eucaryotes, on distingue :
- le génome nucléaire, contenu dans le noyau qui caractérise les eucaryotes. C'est de ce génome dont on parle en général quand on parle du génome d'un eucaryote (animal, plante, champignon, etc.) ;
- les génomes non-nucléaires, contenus dans des organites :
- le génome mitochondrial, contenu dans les mitochondries, chez la quasi totalité des eucaryotes ;
- le génome chloroplastique, contenu dans les chloroplastes, chez les algues et les plantes supérieures.
Chez quelques eucaryotes (par exemple la levure) sont aussi présents des plasmides (de taille réduite).
Chez l'homme en particulier (organisme eucaryote), le génome nucléaire est réparti sur 46 chromosomes, soit 22 paires d'autosomes et deux gonosomes (XX chez la femme, XY chez l'homme). Il ne faut pas confondre le génome et le caryotype, qui caractérise les chromosomes.
Taille du génome
Article détaillé : Taille du génome.
La taille du génome se mesure en nombre de nucléotides, ou bases. La plupart du temps, on parle de pb (pour paire de bases, puisque la majorité des génomes est constituée de doubles brins d'ADN ou bien d'ARN). On emploie souvent les multiples kb (pour kilo-base) ou Mb (méga-base), qui valent respectivement 1 000 et 1 000 000 bases. La taille du génome peut aussi être exprimée en pg (pico-grammes), ce qui correspond à la masse d'ADN (haploïde) par cellule. 1 pg représente environ 1 000 Mpb.
La taille du génome peut varier de quelques kilo-bases chez les virus à plusieurs centaines de milliers de Mb chez certains eucaryotes. La quantité d'ADN, contrairement à ce qui a été longtemps supposé, n'est pas proportionnelle à la complexité d'un organisme. Les urodèles, les dipneustes, certaines fougères ont des génomes plus de 10 fois plus grands que le génome humain. Ce constat est fréquemment appelé paradoxe de la valeur C.
À ce jour, la plante herbacée Paris japonica a le plus grand génome connu : il comporte près de 150 milliards de paires de bases, soit près de 50 fois la taille du génome humain[1]
Certaines amibes, comme Amoeba dubia pourraient avoir un génome encore plus grand, jusqu'à 200 fois plus grand que celui d' Homo sapiens. Cette détermination est toutefois contestée et pourrait être faussée par le fait que ces organismes unicellulaires phagocytent un grand nombre d'autres microorganismes dont elles ingèrent les chromosomes, ce qui vient contaminer la détermination de leur contenu en exact en ADN[1].
Contenu des génomes
Les génomes sont constitués de régions codantes, qui correspondent aux gènes, et des régions non-codantes. Les régions non-codantes sont constituées des segments intergéniques et des introns à l'intérieur des gènes.
Gènes
Le nombre des gènes dans le génome des organismes vivants varie beaucoup moins que la taille du génome. Chez la plupart des organismes vivants il est compris entre 1 000 et 40 000. Il n'est pas non plus corrélé à la complexité apparente des organismes. La paramécie, organisme cilié unicellulaire, possède ainsi un génome contenant plus de gènes que celui de l'homme[2]. Le tableau suivant donne la taille du génome et le nombre de gènes présents chez un certain nombre d'organismes dont le génome a été entièrement séquencé.
| Organisme | Nombre de gènes | Taille du génome |
|---|---|---|
| Haemophilus influenzae (bactérie) | 1 800[3] | 1,8 Mpb |
| Escherichia coli (bactérie) | 4 300 [4] | 4,6 Mpb |
| levure de bière | 6 000 [5] | 12,1 Mpb |
| Drosophile (insecte) | ~14 500[6] | 150,0 Mpb |
| Nématode | ~21 000 | 110,0 Mpb |
| Arabette (plante à fleur) | ~25 500 | 110,0 Mpb |
| Souris | ~22 000 | 2700,0 Mpb |
| Homme | ~22 000 [7] | 3400,0 Mpb |
| Paramécie | ~40 000[2] | 72,0 Mpb |
Régions non-codantes
Comme le nombre de gènes varie dans des proportions beaucoup plus limitées que la taille du génome, lorsque la taille du génome augmente (voir section précédente), la proportion du génome qui correspond aux régions codantes diminue. On observe une augmentation de la longueur des introns ainsi que des régions intergéniques. Les différents types de régions non-codantes sont listés ci-dessous avec, à titre d'exemple, leur proportion dans le génome humain[8] qui est représentatif de la situation chez les mammifères :
- Les introns dans les gènes. Dans le génome humain, les régions codantes (exons) représentent 1,5 % de la longueur totale du génome et les introns près de 26 %.
- Les pseudogènes qui représentent 1,5 % du génome humain
- Les répétitions en tandem qui représentent 5 % du génome humain
- Les répétitions dispersées qui représentent 45 % du génome humain
- L'hétérochromatine. Environ 10 % dans le génome humain
- Les autres régions non-codantes. Environ 11 % du génome humain
En plus des gènes, les génomes contiennent en effet souvent des pseudogènes. Ce sont des séquences qui ont de nombreuses caractéristiques des gènes (séquences codantes, séquence promoteur, signaux d'épissage...), mais qui ne sont pas pas fonctionnelles et ne conduisent donc pas à la production d'une protéine. Ceci peut être la conséquence de mutations génétiques qui ont altéré sa séquence. Le génome humain contient ainsi environ 20 000 pseudogènes, soit pratiquement autant que de gènes fonctionnels. Souvent les pseudogènes sont des duplications d'un gène actif qui conserve la fonctionnalité pour la cellule. On dénombre ainsi plusieurs pseudogènes pour le cytochrome c dans notre génome, en plus du gène fonctionnel. Dans d'autres cas, la transformation d'un gène en pseudogène conduit à une perte de fonction, lorsque c'est la seule copie active qui est atteinte par des mutations. Dans notre génome, c'est le cas du gène codant la L-guluno-γ-lactone oxydase, une enzyme permettant la synthèse de l'acide ascorbique qui est devenu un pseudogène, ce qui fait que nous devons absorber de la vitamine C chaque jour dans notre alimentation, faute de pouvoir la synthétiser.
Dans les grands génomes, la plus grande partie des régions non-codantes est constituée de séquences répétées et plus particulièrement de répétitions dispersées. Leur proportion augmente aussi avec la taille du génome. Dans le génome humain, ce taux est d'environ 45 %[7]. Il dépasse 80 % dans le génome du blé, qui est cinq fois plus grand que celui de l'homme.
Annotation des génomes
L’annotation d’un génome consiste à traiter l’information brute contenue dans la séquence dans le but :
- de prédire, le contenu en gènes, la position des gènes à l’intérieur d’un génome (le début, la fin, et chez les eucaryotes, les introns et les exons), ainsi que leur organisation (gènes uniques ou en opéron, avec des séquences promotrices, des terminateurs, des sites de fixation ribosomiques (RBS) …). Dans ce cas, on parle d’annotation structurale.
- de prédire la fonction potentielle de ces gènes (leur attacher une étiquette, portant leur nom probable, leur fonction probable, leurs interactions probables). Dans ce cas on parle d'annotation fonctionnelle.
Deux types d’annotations
Article connexe : génétique humaine.
- L'annotation peut être automatique c'est-à-dire s’appuyer uniquement sur des algorithmes recherchant des similarités (de séquence, de structure, de motifs, …), permettant de prédire (en fait deviner) la fonction d’un gène. Elle aboutit au transfert « automatique » de l’information figurant dans l’étiquette d’un gène « similaire » d’un génome déjà annoté au génome en cours d’annotation
- L'annotation automatique est parfois complétée par une annotation manuelle par des experts qui valident ou invalident la prédiction en fonction de leurs connaissances ou de résultats expérimentaux. Celle-ci peut ainsi éviter le transfert automatique d’erreurs et donc leur propagation, ce qui peut devenir le grand problème que devra confronter la génomique, compte tenu de l'afflux massif de données issues en particulier, des nouvelles techniques de séquençage (voir pyroséquençage).
Notes et références
- (en) J. Pellicer, M. Fay et I. J. Leitch,, « The largest eukaryotic genome of them all? », dans Botanical Journal of the Linnean Society, vol. 164, 2010, p. 10–15 [texte intégral].
- (en) J.M. Aury, O. Jaillon et L. Duret et al., « Global trends of whole-genome duplications revealed by the ciliate Paramecium tetraurelia. », dans Nature, vol. 444, 2006, p. 171-178 [lien PMID]
- (en) R.D. Fleischmann et al., « Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenza Rd », dans Science, vol. 269, 1995, p. 496-512 [lien PMID]
- (en) FR Blattner, G Plunkett, CA Bloch, NT Perna, V Burland, M Riley, J Collado-Vides, JD Glasner, CK Rode, GF Mayhew, J Gregor, NW Davis, HA Kirkpatrick, MA Goeden et DJ Rose, « The complete genome sequence of Escherichia coli K-12. », dans Science, vol. 277, 1997, p. 1453-1462 [lien PMID]
- (en) A. Goffeau, B.G. Barrell, H. Bussey, R.W. Davis, B. Dujon, H. Feldmann, F. Galibert, J.D. Hoheisel, C. Jacq, M. Johnston, E.J. Louis, H.W. Mewes, Y. Murakami, P. Philippsen et H. Tettelin, « Life with 6000 genes », dans Science, vol. 274, 1996, p. 563-567 [lien PMID]
- (en) M.D. Adams et S.E. Celniker et al., « The genome sequence of Drosophila melanogaster », dans Science, vol. 287, 2000, p. 2185-2195 [lien PMID]
- (en) International Human Genome Sequencing Consortium, « Initial sequencing and analysis of the human genome », dans Nature, vol. 409, 2001, p. 820-921 [lien PMID]
- (en) T.R. Gregory, « Synergy between sequence and size in large-scale genomics », dans Nat. Rev. Genet., vol. 6, no 9, 2005, p. 699-708 [texte intégral, lien PMID]
Voir aussi
Bibliographie
- Terence A. Brown, Génomes, Flammarion médecine-sciences, 2004.
- Génétique, gènes et génomes : Cours et questions de révision, ouvrage collectif par Jean-Luc Rossignol, Roland Berger, Jean Deutsch, Marc Fellous, Dunod, 2004.
- Stuart J. Edelstein, Des gènes aux génomes, Odile Jacob, 2002.
Articles connexes
- Chimiogénomique
- Projet Génome Humain
- Duplication du génome
- Évolution du génome
- Programme génétique
- Épigénome, épigénétique
Lien externe
- (en) Genomesize.com
Filmographie
- Conférence intitulée « Génome et Cancer » par Mark Lathrop, pour l'Université de tous les savoirs (vidéo de 57 min), 21 juin 2008.
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