17.2 : Cartographie des génomes
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Compétences à développer
- Définir la génomique
- Décrire des cartes génétiques et physiques
- Décrire les méthodes de cartographie génomique
La génomique est l'étude de génomes entiers, y compris de l'ensemble complet des gènes, de leur séquence et de leur organisation nucléotidiques, ainsi que de leurs interactions au sein d'une espèce et avec d'autres espèces. La cartographie du génome est le processus qui permet de localiser les gènes sur chaque chromosome. Les cartes créées par la cartographie du génome sont comparables à celles que nous utilisons pour naviguer dans les rues. Une carte génétique est une illustration qui répertorie les gènes et leur localisation sur un chromosome. Les cartes génétiques fournissent une vue d'ensemble (similaire à une carte des autoroutes inter-États) et utilisent des marqueurs génétiques (similaires aux points de repère). Un marqueur génétique est un gène ou une séquence sur un chromosome qui se coségrégue (montre un lien génétique) avec un trait spécifique. Les premiers généticiens ont appelé cette analyse des liens. Les cartes physiques présentent les détails intimes de petites régions des chromosomes (comme une carte routière détaillée). Une carte physique est une représentation de la distance physique, en nucléotides, entre des gènes ou des marqueurs génétiques. Des cartes de couplage génétique et des cartes physiques sont nécessaires pour dresser un tableau complet du génome. Le fait de disposer d'une carte complète du génome permet aux chercheurs d'étudier plus facilement les gènes individuels. Les cartes du génome humain aident les chercheurs à identifier les gènes responsables de maladies humaines liées à des maladies telles que le cancer, les maladies cardiaques et la fibrose kystique. La cartographie du génome peut être utilisée dans diverses autres applications, telles que l'utilisation de microbes vivants pour éliminer les polluants ou même prévenir la pollution. La recherche impliquant la cartographie du génome végétal peut conduire à de meilleurs rendements agricoles ou à la mise au point de plantes mieux adaptées au changement climatique.
Cartes génétiques
L'étude des cartes génétiques commence par l'analyse des liens, une procédure qui analyse la fréquence de recombinaison entre les gènes afin de déterminer s'ils sont liés ou s'ils présentent un assortiment indépendant. Le terme « liaison » a été utilisé avant la découverte de l'ADN. Les premiers généticiens se sont appuyés sur l'observation de changements phénotypiques pour comprendre le génotype d'un organisme. Peu de temps après que Gregor Mendel (le père de la génétique moderne) ait proposé que les traits étaient déterminés par ce que l'on appelle aujourd'hui les gènes, d'autres chercheurs ont observé que différents traits étaient souvent hérités ensemble et ont ainsi déduit que les gènes étaient physiquement liés du fait qu'ils se trouvaient sur le même chromosome. La cartographie des gènes les uns par rapport aux autres sur la base de l'analyse des liens a conduit au développement des premières cartes génétiques.
Les observations selon lesquelles certains traits étaient toujours liés et d'autres non sont issues de l'étude de la progéniture issue de croisements entre parents présentant des traits différents. Par exemple, lors d'expériences menées sur le pois de jardin, il a été découvert que la couleur de la fleur et la forme du pollen de la plante étaient des traits liés et que, par conséquent, les gènes codant ces caractères se trouvaient très proches sur le même chromosome. L'échange d'ADN entre des paires homologues de chromosomes est appelé recombinaison génétique, qui se produit par le croisement d'ADN entre des brins d'ADN homologues, tels que des chromatides non sœurs. L'analyse de liaison consiste à étudier la fréquence de recombinaison entre deux gènes quelconques. Plus la distance entre deux gènes est grande, plus le risque qu'un événement de recombinaison se produise entre eux est élevé et plus la fréquence de recombinaison entre eux est élevée. Deux possibilités de recombinaison entre deux chromatides non sœurs au cours de la méiose sont présentées sur la figure\(\PageIndex{1}\). Si la fréquence de recombinaison entre deux gènes est inférieure à 50 pour cent, on dit qu'ils sont liés.
La génération de cartes génétiques nécessite des marqueurs, tout comme une carte routière nécessite des points de repère (tels que des rivières et des montagnes). Les premières cartes génétiques étaient basées sur l'utilisation de gènes connus comme marqueurs. Des marqueurs plus sophistiqués, y compris ceux basés sur l'ADN non codant, sont désormais utilisés pour comparer les génomes des individus d'une population. Bien que les individus d'une espèce donnée soient génétiquement similaires, ils ne sont pas identiques ; chaque individu possède un ensemble de traits uniques. Ces différences mineures dans le génome entre les individus d'une population sont utiles à des fins de cartographie génétique. En général, un bon marqueur génétique est une région du chromosome qui présente une variabilité ou un polymorphisme (formes multiples) au sein de la population.
Certains marqueurs génétiques utilisés pour générer des cartes génétiques sont les polymorphismes de longueur des fragments de restriction (RFLP), le nombre variable de répétitions en tandem (VNTR), les polymorphismes microsatellites et les polymorphismes mononucléotidiques (SNP). Les RFLP (parfois prononcés « rif-lips ») sont détectés lorsque l'ADN d'un individu est découpé avec une endonucléase de restriction qui reconnaît des séquences spécifiques de l'ADN pour générer une série de fragments d'ADN, qui sont ensuite analysés par électrophorèse sur gel. L'ADN de chaque individu donne naissance à un motif unique de bandes lorsqu'il est découpé avec un ensemble particulier d'endonucléases de restriction ; c'est ce que l'on appelle parfois l' « empreinte » de l'ADN d'un individu. Certaines régions du chromosome qui sont sujettes au polymorphisme conduiront à la génération du motif de bandes unique. Les VNTR sont des ensembles répétés de nucléotides présents dans les régions non codantes de l'ADN. L'ADN non codant, ou « indésirable », n'a aucune fonction biologique connue ; toutefois, des recherches montrent qu'une grande partie de cet ADN est en fait transcrite. Bien que sa fonction soit incertaine, elle est certainement active et peut être impliquée dans la régulation des gènes codants. Le nombre de répétitions peut varier d'un organisme à l'autre d'une population. Les polymorphismes des microsatellites sont similaires à ceux des VNTR, mais l'unité de répétition est très petite. Les SNP sont des variations d'un seul nucléotide.
Comme les cartes génétiques reposent entièrement sur le processus naturel de recombinaison, la cartographie est affectée par les augmentations ou les diminutions naturelles du niveau de recombinaison dans une zone donnée du génome. Certaines parties du génome sont des points névralgiques de recombinaison, tandis que d'autres ne présentent aucune propension à la recombinaison. Pour cette raison, il est important d'examiner les informations cartographiques développées par de multiples méthodes.
Cartes physiques
Une carte physique fournit des détails sur la distance physique réelle entre les marqueurs génétiques, ainsi que le nombre de nucléotides. Trois méthodes sont utilisées pour créer une carte physique : la cartographie cytogénétique, la cartographie hybride du rayonnement et la cartographie des séquences. La cartographie cytogénétique utilise les informations obtenues par analyse microscopique de sections colorées du chromosome. Il est possible de déterminer la distance approximative entre les marqueurs génétiques à l'aide de la cartographie cytogénétique, mais pas la distance exacte (nombre de paires de bases). La cartographie hybride par rayonnement utilise des rayonnements, tels que les rayons X, pour diviser l'ADN en fragments. La quantité de rayonnement peut être ajustée pour créer des fragments plus ou moins grands. Cette technique permet de surmonter les limites de la cartographie génétique et n'est pas affectée par une augmentation ou une diminution de la fréquence de recombinaison. La cartographie des séquences est le résultat de la technologie de séquençage de l'ADN qui a permis de créer des cartes physiques détaillées avec des distances mesurées en termes de nombre de paires de bases. La création de bibliothèques génomiques et de bibliothèques complémentaires d'ADN (ADNc) (collections de séquences clonées ou de tout l'ADN d'un génome) a accéléré le processus de cartographie physique. Un site génétique utilisé pour générer une carte physique à l'aide d'une technologie de séquençage (un site marqué par séquence, ou STS) est une séquence unique du génome dont la localisation chromosomique exacte est connue. Une étiquette de séquence exprimée (EST) et un polymorphisme de longueur de séquence unique (SSLP) sont des STS courantes. Un EST est un STS court qui est identifié à l'aide de banques d'ADNc, tandis que les SSLP sont obtenus à partir de marqueurs génétiques connus et fournissent un lien entre les cartes génétiques et les cartes physiques.
Intégration des cartes génétiques et physiques
Les cartes génétiques fournissent les grandes lignes et les cartes physiques fournissent les détails. Il est facile de comprendre pourquoi les deux types de techniques de cartographie du génome sont importants pour obtenir une vue d'ensemble. Les informations obtenues par chaque technique sont utilisées en combinaison pour étudier le génome. La cartographie génomique est utilisée avec différents organismes modèles utilisés pour la recherche. La cartographie du génome est toujours un processus en cours et, à mesure que des techniques plus avancées seront mises au point, d'autres avancées sont attendues. La cartographie du génome revient à compléter un casse-tête complexe en utilisant toutes les données disponibles. Les informations cartographiques générées dans les laboratoires du monde entier sont saisies dans des bases de données centrales, telles que GenBank au National Center for Biotechnology Information (NCBI). Des efforts sont déployés pour rendre les informations plus facilement accessibles aux chercheurs et au grand public. Tout comme nous utilisons des systèmes de positionnement mondial au lieu de cartes papier pour naviguer sur les routes, le NCBI a créé un outil de visualisation du génome pour simplifier le processus d'exploration des données.
Connexion à une méthode scientifique : comment utiliser une visionneuse de cartes génomiques
Exposé du problème : Les génomes de l'homme, du macaque et de la souris contiennent-ils des séquences d'ADN communes ?
Développez une hypothèse.
Pour vérifier l'hypothèse, cliquez ici.
Dans la zone de recherche du panneau de gauche, saisissez le nom du gène ou une caractéristique phénotypique, telle que la pigmentation de l'iris (couleur des yeux). Sélectionnez l'espèce que vous souhaitez étudier, puis appuyez sur Entrée. La visionneuse de carte du génome indiquera quel chromosome code le gène lors de votre recherche. Cliquez sur chaque accès dans la visionneuse du génome pour obtenir des informations plus détaillées. Ce type de recherche est l'utilisation la plus élémentaire de l'outil de visualisation du génome ; il peut également être utilisé pour comparer des séquences entre des espèces, ainsi que pour de nombreuses autres tâches complexes.
L'hypothèse est-elle correcte ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
Lien vers l'apprentissage
L'héritage mendélien en ligne chez l'homme (OMIM) est un catalogue en ligne consultable de gènes humains et de maladies génétiques. Ce site Web présente des informations de cartographie du génome et détaille l'histoire et la recherche de chaque trait et trouble. Cliquez sur ce lien pour rechercher des traits (tels que l'aptitude à la main) et des troubles génétiques (tels que le diabète).
Résumé
La cartographie du génome revient à résoudre un grand casse-tête complexe avec des informations provenant de laboratoires du monde entier. Les cartes génétiques fournissent un aperçu de la localisation des gènes au sein d'un génome et elles estiment la distance entre les gènes et les marqueurs génétiques sur la base des fréquences de recombinaison au cours de la méiose. Les cartes physiques fournissent des informations détaillées sur la distance physique entre les gènes. Les informations les plus détaillées sont disponibles via le mappage de séquences. Les informations provenant de toutes les sources de cartographie et de séquençage sont combinées pour étudier un génome entier.
Lexique
- cartographie cytogénétique
- technique qui utilise un microscope pour créer une carte à partir de chromosomes colorés
- étiquette de séquence exprimée (EST)
- STS court identifié par un ADNc
- carte génétique
- aperçu des gènes et de leur localisation sur un chromosome
- marqueur génétique
- gène ou séquence sur un chromosome dont l'emplacement est connu et qui est associé à un trait spécifique
- recombinaison génétique
- échange d'ADN entre des paires homologues de chromosomes
- cartographie du génome
- processus de recherche de l'emplacement des gènes sur chaque chromosome
- bibliothèque d'ADNc
- collection de séquences d'ADNc clonées
- bibliothèque génomique
- collection d'ADN cloné qui représente l'ensemble des séquences et des fragments d'un génome
- génomique
- étude de génomes entiers, y compris de l'ensemble complet des gènes, de leur séquence et de leur organisation nucléotidiques, ainsi que de leurs interactions au sein d'une espèce et avec d'autres espèces
- analyse des liens
- procédure qui analyse la recombinaison des gènes afin de déterminer s'ils sont liés
- polymorphisme des microsatellites
- variation entre individus de la séquence et du nombre de répétitions de l'ADN microsatellite
- carte physique
- représentation de la distance physique entre des gènes ou des marqueurs génétiques
- cartographie hybride du rayonnement
- informations obtenues en fragmentant le chromosome à l'aide de rayons X
- polymorphisme de longueur des fragments de restriction (RFLP)
- variation entre individus de la longueur des fragments d'ADN générés par les endonucléases de restriction
- mappage de séquences
- informations cartographiques obtenues après séquençage de l'ADN
- polymorphisme mononucléotidique (SNP)
- variation entre individus dans un seul nucléotide
- nombre variable de répétitions en tandem (VNTR)
- variation du nombre de répétitions en tandem entre les individus de la population