Réparation par excision de nucléotides et polymorphisme nucléotidique unique | Une discussion importante

Réparation par excision de nucléotides et polymorphisme nucléotidique unique | Une discussion importante

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Réparation par excision de nucléotides

Le mécanisme de réparation par excision est une méthode standard pour la réparation du fragment d'ADN non apparié ou endommagé. Le processus de réparation par excision consiste à couper, retirer et re-synthétiser la partie dépareillée ou endommagée de l'ADN. Trois mécanismes distincts de réparation par excision par extraction ont été décrits : la réparation des mésappariements, la réparation par excision de bases et la réparation par excision de nucléotides. Tous les mécanismes mentionnés ci-dessus suivent un format simple d'étapes de coupe, de duplication et de ligature. Au stade de la coupe, un complexe enzymatique élimine le fragment d'ADN endommagé ou la base mal appariée.

Au stade de la réplication ou de la duplication, l'ADN polymérase (généralement l'ADN polymérase I dans le cas d'E. coli) copiera l'ADN matrice pour déplacer le fragment d'ADN mal adapté ou endommagé. L'ADN polymérase peut démarrer la synthèse d'ADN à partir de l'extrémité 3' en cas de dommage ou de mésappariement dans le fragment d'ADN. Enfin, au stade de la ligature, l'ADN ligase aide à sceller les dommages restants pour terminer le processus de réparation et produire un ADN intact.

Dans le mécanisme de réparation par excision de nucléotides (NER), le nucléotide non apparié ou endommagé est retiré avec les nucléotides voisins et déplacé avec les nucléotides synthétisés en utilisant un brin d'ADN non endommagé comme matrice. Le mécanisme NER élimine les dimères de pyrimidine formés après exposition à des adduits chimiques volumineux ou à un rayonnement UV. La composante de base des dommages à l'ADN fixés par excision de nucléotides est que les nucléotides endommagés ou modifiés provoquent une distorsion critique dans la structure en double hélice de l'ADN. NER se produit dans pratiquement toutes les formes de vie.

Les enzymes catalysant la NER dans E. coli sont l'hélicase UvrD et l'excinucléase UvrABC. Les gènes codant pour les enzymes NER étaient initialement considérés comme des mutants profondément sensibles aux dommages induits par l'exposition aux rayons UV. Cependant, chez E. coli de type sauvage, seule une exposition prolongée aux rayonnements UV tuait les cellules.

Les souches mutantes peuvent être reconnues comme considérablement plus sensibles au rayonnement UV ; ceux-ci sont endommagés dans leurs capacités de fonctionnement nécessaires à la résistance aux rayonnements UV (UV). En collectant un nombre énorme de mutants et en les testant pour leur capacité à restaurer la protection ou la résistance aux rayons UV dans différentes combinaisons. Quatre groupes de complémentation ont été identifiés dans l'étude, qui codent pour des protéines qui jouent un rôle important dans le mécanisme NER ; ces protéines sont uvrA, uvrB, uvrC et uvrD.

Les gènes uvr codant pour les enzymes ont été étudiés de manière exhaustive. Les gènes uvrA, uvrB et uvrC codent pour les sous-unités de l'excinucléase UvrABC qui est une enzyme à sous-unités multiples. Le complexe UvrABC identifie les changements structurels induits par les dommages dans l'ADN, comme la formation de dimères de pyrimidine. Il coupe alors des deux côtés les dégâts.

À ce stade, UvrD (également connu sous le nom d'hélicase II), qui est produit à la suite de l'expression du gène uvrD, provoque le déroulement de l'ADN et aide à la libération du fragment endommagé. Ainsi, pour ce système, les protéines UvrABC et UvrD sont impliquées dans la coupe et l'excision de l'ADN endommagé. l'espace créé par la coupe est comblé par l'action de l'ADN polymérase et le segment nouvellement formé est scellé par l'activité de l'ADN ligase.

La protéine UvrABC structure un complexe qui identifie les dommages et coupe l'ADN endommagé des deux côtés (coupures endonucléolytiques). L'activité hélicase de l'uvrD aide à éliminer le fragment excisé de l'ADN endommagé. le fragment intact de l'ADN dirige la synthèse de la brèche à l'aide de l'ADN polymérase et forme un ADN duplex. Désormais, le fragment d'ADN nouvellement formé n'est plus endommagé.

De manière plus détaillée, UvrA2 (un dimère) et UvrB identifient le fragment endommagé après avoir formé un complexe (UvrA)2 UvrB. UvrA2 se dissocie plus tard après avoir utilisé l'ATP. UvrA agit comme une ATPase pour l'hydrolyse de l'ATP. Après la dissociation d'UvrA, UvrB forme un complexe avec UvrC sur le site de l'endommagement. Or, ce complexe UvrBC agit comme une nucléase active.

Il coupe l'ADN des deux côtés des dommages avec l'utilisation de l'ATP. Le squelette sucre-phosphate (phosphodiester) est clivé à une position à huit nucléotides du côté 5' de l'ADN endommagé et à 4-5 nucléotides du côté 3' de l'ADN endommagé. Enfin, le fragment clivé est éliminé par l'action hélicase de l'UvrD. Il déroule l'ADN et retire le fragment clivé. Le fragment d'ADN endommagé s'est ensuite dissocié du complexe UvrBC. Toutes les trois étapes mentionnées ci-dessus nécessitent une hydrolyse de l'ATP.

réparation par excision de nucléotides
Figure : Mécanisme de réparation par excision de nucléotides
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_Excision_Repair-journal.pbio.0040203.g001.png

Le système NER est très dynamique dans les cellules de mammifères, tout comme de nombreux autres organismes. Un ADN cellulaire typique de la peau présenté à la lumière du jour accumulerait des milliers de dimères chaque jour si ce cycle d'entretien ne les éliminait pas ! Une maladie génétique humaine, connue sous le nom de xeroderma pigmentosum (XP), est une anomalie de la peau provoquée par des enzymes défectueuses qui détruisent les lésions de l'ADN induites par les UV.

Les fibroblastes des patients XP sont extrêmement sensibles au rayonnement UV lorsqu'ils se développent dans un milieu de culture, comme le montrent les mutants uvr d'E. coli. Ces lignées cellulaires XP peuvent être cultivées dans un milieu de culture pour évaluer la capacité à rétablir la résistance aux dommages causés par les UV.

Le NER fonctionne de deux manières chez la majorité des mammifères, les levures et les bactéries.

– le système de réparation qui agit sur l'ensemble du génome.

– l'autre système de réparation montre une activité couplée à la transcription.

Le gène XP forme un complexe avec la protéine hHR23B qui peut détecter les dommages à l'ADN.

Dans la réparation par excision de nucléotides couplée à la transcription, l'ARN polymérase montre une activité moindre au point de dommage sur le brin matrice ; c'est peut-être l'activité de reconnaissance des dommages pour cette méthode de NER. L'un des facteurs de transcription basaux accompagnant l'ARN polymérase II joue un rôle essentiel dans les deux types de NER. Un problème génétique rare chez les personnes connu sous le nom de syndrome de Cockayne (CS) est également lié à un défaut de facteur couplé à la transcription.

Deux grappes de complémentation ont été reconnues, CSA et CSB. La détermination de l'activité enzymatique et de la nature des enzymes codées par celles-ci apportera des connaissances supplémentaires sur le processus de réparation de l'ADN transcrit. Le phénotype des patients CS est pléiotrope, exprimant un vieillissement prématuré, des troubles développementaux et neurologiques sévères et une sensibilité à la lumière. Ces symptômes sont plus graves que les symptômes des individus XP avec un mécanisme NER non détectable. Cela indique que les protéines CS (mécanisme de réparation couplé à la transcription) ont d'autres fonctions que la réparation par excision de nucléotides.

Plusieurs autres maladies génétiques sont le résultat d'un mécanisme de réparation de l'ADN insuffisant. Par exemple, l'anémie de Fanconi et le syndrome de Bloom. Ce sont actuellement des domaines potentiels de recherche. Une ressource appropriée pour des informations à jour sur les maladies génétiques est le portail OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man).

L'ataxie télangiectasie (AT) montre l'impact des altérations structurelles de la protéine associée au processus de réparation et des protéines impliquées dans le processus de signalisation pour la bonne réparation de l'ADN endommagé. L'AT est caractérisée par une ataxie (démarche inégale), une télangiectasie (dilatation des vaisseaux sanguins des yeux et du visage), un vieillissement prématuré, des déficiences immunitaires, un retard mental, une dégénérescence cérébelleuse et plus sujettes aux malignités du sujet.

Ce phénotype est plus préoccupé par son locus. Car les hétérozygotes, qui représentent environ 1% de la population, sont également plus sujets à une mutation du gène ATM, appelé « ATM ».

Le gène ATM ne semble pas coder une protéine directement dans la réparation de l'ADN (différent des gènes qui causent XP après mutation). L'AT se développe après un défaut dans la voie de signalisation cellulaire en raison des similitudes de la protéine + défectueuse avec l'autre protéine. Le produit du gène ATM peut également être impliqué dans la progression du cycle cellulaire et la régulation de la longueur de l'ADN télomérique.

Le domaine C-terminal des protéines ATM présente une homologie avec la protéine kinase Ser/Thr (phosphatidylinositol-3-kinase) ; ainsi, il est impliqué dans les voies de signalisation. Les protéines ATM présentent également une homologie avec la protéine kinase dépendante de l'ADN, ce qui nécessite des lacunes dans le fragment d'ADN pour montrer son activité kinase. Ces résultats suggèrent l'implication des protéines ATM dans le ciblage du mécanisme de réparation par excision de nucléotides.

Polymorphisme nucléotidique unique

Le polymorphisme nucléotidique unique (SNP ou souvent appelé « snip ») est une variation génétique très fréquente trouvée dans l'ADN humain. Le SNP représente la variation d'un seul nucléotide d'ADN en un point. Disons, par exemple, que la cytosine (C) a remplacé la thymine (T) dans un brin polynucléotidique d'ADN.  

La fréquence d'occurrence des SNP est de un sur 1000 nucléosides, ce qui indique qu'environ 4 millions de SNP sont présents dans le génome de chaque être humain. Après avoir soigneusement examiné le génome de 100 millions d'individus, les chercheurs ont conclu que les SNP sont présents dans l'ADN qui existe entre les gènes (généralement des introns). 

Les SNP sont considérés comme des biomarqueurs de diverses maladies, ce qui aide les chercheurs à étudier les gènes associés à une maladie particulière. Parfois, le SNP a lieu dans la région de l'exon ou la région régulatrice du gène, ce qui a un impact direct sur le fonctionnement du gène. Par conséquent, ce SNP interfère directement avec la cause de la maladie.

Figure : Démonstration du polymorphisme d'un seul nucléotide https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Single_nucleotide_polymorphism_substitution_mutation_diagram_-cytosine_to_thymine.png#/media/File:Single_nucleotide_polymorphism_substitution_mutation_diagram-_cytosine_à_thymine.png

Généralement, les SNP n'affectent pas la santé de l'individu, à l'exception de quelques SNP trouvés dans la région de l'exon d'un gène et connus pour influencer la fonction du gène. L'analyse des SNP est un paramètre important pour l'étude de la santé humaine. L'analyse SNP permet de prédire la disposition génétique du développement d'une maladie.

L'analyse SNP est très utile pour prédire le risque de maladie, la sensibilité aux toxines et plusieurs autres facteurs environnementaux, la réponse pharmacologique d'un individu, le suivi des gènes liés à l'hérédité d'une maladie particulière dans une famille. Les scientifiques tentent de développer un processus d'identification des SNP liés à des maladies chroniques comme le cancer, les maladies cardiaques, le diabète, etc. Dans le cas d'un SNP lié à un trait, les segments d'ADN voisins peuvent être examinés pour déterminer les gènes responsables du trait. 

Applications des SNP

L'analyse SNP est utilisée pour déterminer le génotypage, le changement du nombre de copies dans l'expression génique, l'analyse à l'échelle du génome, la mutation cancéreuse et la détection d'autres maladies. La technologie des puces à ADN SNP peut être utilisée pour détecter les changements de dosage et le polymorphisme dans l'ADN d'un individu. L'analyse des microréseaux SNP est capable de détecter de petits changements dans le nombre de copies de l'expression génique. 

La puce SNP utilisée pour le génotypage peut détecter les changements dans le schéma de méthylation de l'ADN des cellules cancéreuses, les changements dans le génome et la perte d'hétérozygotie. 

Les puces à ADN SNP sont également utilisées pour la prédiction des maladies, en identifiant les gènes suppresseurs de tumeurs et les oncogènes dans les cellules cancéreuses. Par conséquent, les SNP ont une bonne portée dans la sélection d'une molécule pharmacologiquement active, le pronostic de la maladie, l'évaluation du risque de malignité, etc.

Combien de nucléotides composent un codon ?

La séquence consécutive de trois nucléotides dans le brin polynucléotidique d'ADN ou d'ARN constitue un codon. Le codon est spécifique d'un acide aminé à incorporer, et parfois le codon arrête le processus de traduction. De tels codons sont appelés codons stop. L'ADN et l'ARN sont composés de nucléotides à quatre lettres ; cependant, le langage des protéines incorpore 20 acides aminés. Les codons donnent la clé qui permet de convertir ces deux langues l'une dans l'autre.

Chaque codon spécifie un acide aminé (sauf trois codons qui arrêtent le processus de traduction). L'ensemble des codons est connu sous le nom de code génétique. Le code à trois lettres incorpore 64 combinaisons potentielles de nucléotides à trois lettres du langage à quatre nucléotides de l'ADN.

Figure : Le codon (une séquence triplet de nucléotides) est reconnu par une molécule d'ARNt (ARN de transfert) spécifique qui amène les acides aminés standard au site de synthèse des protéines.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Codon-Anticodon_pairing.svg#/media/File:Codon-Anticodon_pairing.svg

Sur les 64 codons, 61 codes pour des acides aminés spécifiques, tandis que les trois autres codons d'arrêt. Par exemple, le codon AUG code pour l'acide aminé méthionine et UAA est un codon d'arrêt. Le code génétique est décrit comme dégénéré car un acide aminé est codé par plusieurs codons. Le code génétique ne se chevauche pas, ce qui signifie que les codons sont lus en continu sans répéter ni sauter de nucléotides.

Code génétique

Le code génétique est un ensemble de règles caractérisant la façon dont un code d'ADN à quatre lettres est traduit en 20 acides aminés standard, ce qui aide à synthétiser les protéines de notre corps. Le code génétique est un groupe de trois nucléotides connus sous le nom de codons, dont chacun se rapporte à un acide aminé particulier ou à un codon d'arrêt.

Le concept de codons a été initialement décrit par Francis Crick et ses associés en 1961. Au cours de la même année, Marshall Nirenberg et Heinrich Matthaei ont réalisé des expériences pour expliquer le code génétique. Ils ont prouvé que la séquence d'ARN UUU codait explicitement pour la phénylalanine (l'un des 20 acides aminés standards de notre corps). Après cette découverte, Nirenberg, Philip et Har Gobind Khorana ont reconnu le code génétique restant et ont entièrement représenté chaque codon de trois lettres et les acides aminés associés.

Figure : Code génétique
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Genetic_code.svg#/media/File:Genetic_code.svg

Il existe 64 combinaisons potentielles de codes nucléotidiques à trois lettres qui peuvent être produites à l'aide des quatre nucléotides. Sur 64 codons, 61 correspondent à des acides aminés standards, et les trois autres sont des signaux d'arrêt/codons d'arrêt. Bien que chaque codon soit fixé pour un seul acide aminé (ou un signal d'arrêt), le code génétique est décrit comme redondant car plusieurs codons peuvent coder un acide aminé.

De plus, le code génétique est presque universel, à quelques rares exceptions près. Par exemple, les mitochondries ont des codes génétiques différents par rapport au code génétique cellulaire.

Conclusions

Dans cet article, nous avons discuté des SNP et du mécanisme de réparation par excision de nucléotides. Pour en savoir plus sur les nucléotides Cliquez ici

Questions et réponses d'entretien liées à cet article

Q1. Quelle est la principale différence entre un gène et une séquence nucléotidique ?

Répondre: Le gène est l'unité fonctionnelle (capable d'exprimer une protéine) de l'ADN, tandis que le nucléotide est l'unité structurelle (capable de former un bloc de construction lors de la synthèse) de l'ADN.

Q2. Quelle est la différence entre le polymorphisme et la mutation d'un seul nucléotide SNP ? Que signifie polymorphisme ?

Répondre: Le SNP représente la variation d'un seul nucléotide d'ADN en un point. Disons, par exemple, que la cytosine (C) a remplacé la thymine (T) dans un brin polynucléotidique d'ADN.

 Une mutation est appelée tout changement dans la séquence d'ADN. La différence peut être dans la séquence nucléotidique unique ou peut-être dans la séquence nucléotidique multiple.

Le polymorphisme est la propriété de l'ADN (ou quoi que ce soit) d'avoir plus d'une ou plusieurs formes.

Q3. Un seul nucléotide peut-il contenir à la fois du désoxyribose et du ribose ? 

Répondre: Un seul nucléotide ne peut avoir qu'un seul type de sucre. Il peut s'agir de sucre ribose ou de sucre désoxyribose.

Q4. Combien de nucléotides sont présents dans l'ADN d'un bactériophage ?

Répondre: L'ADN du bactériophage contient plusieurs milliers de nucléotides. Par exemple, le bactériophage X174 contient 5375 nucléotides.

Q5. Une protéine est produite, qui contient sept acides aminés. Quelle sera la longueur de l'ARNm

Répondre: Un codon de 3 nucléotides code un acide aminé. 

De même, sept acides aminés seront codés par 7 x 3 = 21 nucléotides. 

Mais l'ARNm contient un codon d'arrêt (3 nucléotides) pour arrêter le processus de traduction.

Ainsi, l'ARNm codant 7 sept acides aminés contiendra 21 + 3 = 24 nucléotides.

Q6. Combien de molécules d'eau sont éliminées lors de la formation d'un nucléotide ?

Répondre: Deux molécules d'eau seront éliminées lors de la formation d'un nucléotide.

Une molécule d'eau est éliminée lorsque la base azotée se lie au sucre ribose, et l'autre molécule d'eau est libérée lorsque le sucre ribose se lie au groupe phosphate.

Q7. L'adénine est-elle un nucléotide ou une base azotée

Répondre: L'adénine est une base azotée, tandis qu'un nucléotide (adénosine monophosphate) contient un groupe phosphate, du sucre ribose et une base azotée (adénine).

Q8. Si l'ADN est composé de 6 nucléotides au lieu de 4, quel est le nombre total de codons triplets possibles ?

Répondre: Nombre de combinaisons de codon triplet = (types de nucléotides)3

Si l'ADN contient six types de nucléotides, le nombre total de combinaisons de triples codons sera de (6)3 = 216

Q9. Comment les polymorphismes nucléotidiques simples sont-ils identifiés ?

Répondre: Les puces à ADN peuvent facilement identifier les SNP.

Q10. Comment un virus exprime-t-il plusieurs protéines de la même séquence nucléotidique ?

Répondre: Les virus le font par deux mécanismes :

- Épissage alternatif

– Chevauchement de gènes

Q11. Pourquoi la séquence d'acides aminés est-elle tellement plus courte que la séquence de nucléotides ?

Répondre: La séquence d'acides aminés est généralement plus courte que la séquence nucléotidique, l'ARNm formé après la transcription subit un épissage et les régions non codantes (introns) sont supprimées, et l'ARNm mature ne contient que les régions codantes (exons)

Q12 Nommez le nucléotide avec trois groupes phosphate.

Répondre: Le nucléotide avec trois groupes phosphate est connu sous le nom de nucléotide triphosphate. Par exemple ATP (adénosine triphosphate), GTP (guanosine triphosphate) etc.

À propos du Dr Abdullah Arsalan

Je suis Abdullah Arsalan, j'ai terminé mon doctorat en biotechnologie. J'ai 7 ans d'expérience en recherche. J'ai publié jusqu'à présent 6 articles dans des revues de renommée internationale avec un facteur d'impact moyen de 4.5 et peu d'autres sont pris en compte. J'ai présenté des articles de recherche dans diverses conférences nationales et internationales. Mon domaine d'intérêt est la biotechnologie et la biochimie avec un accent particulier sur la chimie des protéines, l'enzymologie, l'immunologie, les techniques biophysiques et la biologie moléculaire.

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