Gènes homéotiques, homéodomaines ( famille multigénique) et PE

Une famille multigénique, les gènes homéotiques.

La page fournit :

Des extraits des programmes officiels indiquant les parties pouvant être abordées à partir d'outils de visualisation de molécules tel que Protéine Explorer.

Des images illustrant ces textes réalisées avec Protéine Explorer.

Des images des fonctionnalités de Protéine Explorer ayant servis à obtenir l'aspect de la molécule présentés sur les images.
(Cette liste n'est pas exhaustive, elle n'indique que quelques fonctions de PE.)

Des liens qui lancent directement Protéine Explorer et télécharge automatiquement via Internet les molécules indiquées.
(Ceci ne fonctionne que si la configuration de votre machine est complète.)

Extrait du B.O. n°5 du 30 Août 2001 - Programme officiel de Terminale S - SVT

Stabilité et variabilité des génomes et évolution

Activités envisageables.

L'apport de l'étude des génomes : les innovations génétiques

Au sein d’une espèce, le polymorphisme des séquences d'ADN résulte de l’accumulation de mutations au cours des générations. Suivant leur nature et leur localisation, les mutations (substitution, addition ou délétion d’un ou plusieurs nucléotides) ont des conséquences phénotypiques variables.
Au sein du génome d’une espèce, les similitudes entre gènes (familles de gènes) sont interprétées comme le résultat d’une ou plusieurs duplications d’un gène ancestral.
La divergence des gènes d’une même famille s’expliquent par l’accumulation de mutations. Dans certains cas ces processus peuvent conduire à l’acquisition de gènes correspondant à de nouvelles fonctions.
Les innovations génétiques sont aléatoires et leur nature ne dépend pas des caractéristiques du milieu.

Etude sommaire de stades embryonnaires de différents vertébrés. Utilisation de pièces anatomiques pour établir les relations de parenté entre les vertébrés. Comparaison de séquences nucléotidiques et protéiques : comparaison de différents allèles d’un gène, comparaison des gènes d’une famille multigénique (hémoglobines et myoglobine, gènes homéotiques, etc.)

Utilisation de logiciels de traduction pour étudier les conséquences des mutations sur les protéines.

L'évolution des homéodomaines : d'après des données extraites du livre "La drosophile au yeux rouges" de W.J. Gehring - Editions Odile Jacob

La famille des gènes homéotiques permet d'illustrer la notion de famille multigénique et d'illustrer les mécanismes évolutifs à l'origine d'une famille mutigénique.
Les gènes homéotiques sont les gènes qui contrôlent l'ordre et la nature des segments du corps. Ils codent pour des protéines comportant une séquence particulière très conservée au cours de l'évolution, l'homéodomaine. Cet homéodomaine participe à la fixation de la protéine sur l'ADN et permet ainsi une régulation de l'expression de l'information génétique qui se traduit par la mise en place des différentes parties de l'organisme de chaque espèce.

Une mutation unique dans la séquence de l'homéodomaine de la protéine antennapedia est à l'origine de la mutation qui entraîne le développement de pattes à la place des antennes de la Drosophile.
La page Une mutation homéotique : Antennapedia montre que la mutation a des conséquences phénotypiques importantes puisque la substitution d'un acide aminé entraîne la transformation d'une antenne en patte.

Homéodomaine fixé sur l'ADN

Une partie de l'homéodomaine est particulièrement conservée, il s'agit de 7 acides aminés retrouvés dans 95% de 346 homéodomaines étudiés. Quatre d'entre eux (L16, F20, W48 et F49) participe au noyau hydrophe des 3 hélices de l'homéodomaine et les trois autres (R5, N51 et R53) à la liaison à l'ADN. La séquence3D de Protéine explorer permet de visualiser la position de ces 7 acides aminés comme sur l'image ci-dessus.

L'Alignement de Séquence Multiple 3D (ASM3D) permet en quelques clics de souris de comparer les séquences de différentes molécules et de faire apparaître les ressemblances et différences sur une molécules en 3D et ainsi de faire apparaître les notions spécifiques du programme concernant les familles multigéniques et certains aspects des mécanismes évolutifs concernant ces familles.

Avant une première utilisation, familiarisez vous d'abord avec l'outil ASM3D avec le tutoriel spécifique.

L'homéodomaine de ces protéines illustrent bien comment les similitudes entres gènes sont interprétées comme le résultats d'une ou plusieurs duplications d'un gène ancestral. La divergence des gènes d'une même famille s'expliquent par l'accumulation de mutations. Mais aussi comment ces processus peuvent conduire à l'acquisition de gènes correspondant à de nouvelles fonctions.

Alignements au format FASTA des séquences de la séquence des portions de protéines contenant l'homéodomaine.
(réalisé à partir de "La drosophile au yeux rouges" de W.J. Gehring - Editions Odile Jacob )

L'alignement comprend les séquences des homéodomaines des protéines produites à partir des gènes homéotiques de la Drosophile (complexe Hom) et des Mammifères (complexes Hox). La comparaison de ces alignements est visualisée sur la molécule pdb 9ant, qui correspond à l'homéodomaine muté de la protéine antennapedia fixé sur l'ADN.
La protéine mutée (mutation antennapedia) : fichier 2hoa.pdb
La protéine non mutée(type sauvage) : fichier 1hom.pdb

Alignements des homéodomaines du complexe de la Drosophile.

Alignements des homéodomaines des complexes des Mammifères.

Copier et coller la séquence Antp dans la boîte à séquence 3D du formulaire ASM3D.
(Elle correspond à la séquence de type sauvage de la protéine Antennapedia, l'acide aminé sans équivalent, ci desous, correspond à la mutation antennapedia)

Copier et coller la séquence Hox6 dans la boîte à séquence 3D du formulaire ASM3D.
(Le gène Hox6 des Mammifères est l'homologue d'Antennapedia de la Drosophile, les 2 acides aminés sans équivalents , ci dessous, correspondent à la mutation antennapédia et au seul acide aminé qui diffère entre les séquences mammaliennes et de drosophile.)

>Lab_ PNAIRTNFTTKQLTELEKEFHFNKYLTRARRVEIAATLQLNETQVKIWFQNRRMKQKKRE >Pb_ SRRLRTAYTNTQLLELEKEFHFNKYLCRPRRVEIAALLDLTERQVKVWFQNRRMKHKRQT >Dfd_ PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRIEIAHTLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH >Scr_ GKRARTAYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLSERQIKIWFQNRRMKWKKED >Antp RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >Ubx_AbdA RRRGRQTYTRFQTLELEKEFHFNHYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKLKKEL >AbdB TRKKRCPYTKYQTLELEKEFLFNMYLTRDRRYEVARLLNLTERQVKIWFQNRRMKMKKMN

>Hox1 PNAIRTNFTTKQLTELEKEFHFNKYLTRARRVEIAATLQLNETQVKIWFQNRRMKQKKRE >Hox2_ SRRLRTAYTNTQLLELEKEFHFNKYLCRPRRVEIAALLDLTERQVKVWFQNRRMKHKRQT >Hox3_ SKRARTAYTSAQLVELEKEFHFNRYLCRPRRVEMANLLNLTERQIKVWFQNRRMKYKKDQ >Hox4_ PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRIEIAHTLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH >Hox5_ GKRARTAYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLSERQIKIWFQNRRMKWKKED >Hox6_ RRRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIANALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >Hox7_ RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH >Hox8_ RRRGRQTYSRYQTLELEKEFLFNPYLTRKRRIEVSHALGLTERQVKIWFQNRRMKWKKEN >Hox9_ TRKKRCPYTKYQTLELEKEFLFNMYLTRDRRYEVARLLNLTERQVKIWFQNRRMKMKKMN >Hox10 GRKKRCPYTKHQTLELEKEFLFNMYLTRDRRLEISKSVNLTDRQVKIWFQNRRMKLKKMN >Hox11 TRKKRCPYTKYQIRELEREFFFNVYINKEKRLQLSRMLNLTDRQVKIWFQNRRMKEKKLN >Hox12 SRKKRKPYTKQQIAELENEFLVNEFINRQKRKELSNRLNLSDQQVKIWFQNRRMKKKRVV >Hox13 GRKKRVPYTKLQLKELENEYAINKFINKDKRRRISATTNLSERQVTIWFQNRRVKEKKVV

Résultat de la comparaison des séquences :
31 acides aminés identiques
6 acides aminés similaires
18 acides aminés différents
1 acide aminé sans équivalent

Résultat de la comparaison des séquences :
18 acides aminés identiques
11 acides aminés similaires
25 acides aminés différents
2 acides aminés sans équivalents

Comme les gènes homéotiques (HOM) de drosophiles, les gènes homéotiques (HOX) mammaliens sont rassemblés en complexe, de plus on retrouve dans tous les cas la colinéarité des différents gènes qui sont disposés sur les chromosomes suivant leur ordre d'expression. C'est un argument très fort de leur homologie et orthologie c'est à dire de gènes liés par des liens généalogiques de descendance. Principale différence les vertébrés possèdent 4 complexes HOX (A, B, C et D) contre un seul chez les Invertébrés. Ceci est le résultats de duplications partielles du génome des Vertébrés suivi de dérive génétique par mutation éloignant de plus en plus la séquence de la séquence originale.

Si votre machine est correctement configurée, pour étudier les molécules, il suffit de :

Entrer les codes PDB d'une des molécules à étudier dans la case de la page d'entrée puis de cliquer sur le bouton Protéine explorer.

Cliquer sur le lien ci-dessous
pour lancer Protéine explorer qui télécharge
automatiquement la molécule indiquée.

9ant : homéodomaine lié à l'ADN

Charger l'homéodomaine lié à l'ADN (9ant.pdb)

Charger l'homéodomaine lié à l'ADN (9ant2.pdb)

Alignement au format FASTA des séquences de la séquence des portions de protéines contenant l'homéodomaine. (réalisé à partir de "La drosophile au yeux rouges" de W.J. Gehring - Editions Odile Jacob ) L'alignement comprend les séquences de l'homéodomaine de la protéine antennapedia de Drosophile et de ces homologues dans différentes espèces, tel que hox6 pour les Mammifères.
>Drosophile RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >VerASoie RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >Abeille RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHYNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >Planaire HKRSRQTYTRYQTLELEKEFHFNKYLTRRRRIEIAHALSLTERQIKIWFQNRRMKWKKDH >Oursin RKRGRQTYTRAQTLELEKEFHYNRYLTRKRRIEIAQAVCLSERQIKIWFQNRRMKWKKER >Ascidie SKRTRTAYTRYQTLELEKEFHYNRYLTRRRRIESAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >VerNemerte RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNKYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >Amphioxus RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNKYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH >Xénope RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH >Poulet RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH >Souris RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH >Homme RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH

Résultat de la comparaison des séquences de toutes les espèces : 43 acides aminés identiques 6 acides aminés similaires 6 acides aminés différents 1 acide aminé sans équivalent	Résultat de la comparaison des séquences de la Drosophile et de l'Homme: 54 acides aminés identiques 0 acide aminé similaire 1 acide aminé différent 1 acide aminé sans équivalent
Il y un très haut degré de conservation de la séquence des homéodomaines pour des gènes homologues. Ainsi pour Antennapedia il n'y a qu'un seul acide aminé qui diffère entre la séquence de l'homéodomaine de la drosophile et celle de la protéine humaine apparentée la plus proche. Ceci après 500 millions d'années d'évolution.

L'homéodomaine de ces protéines illustrent bien comment les similitudes entres gènes sont interprétées comme le résultats d'une ou plusieurs duplications d'un gène ancestral. La divergence des gènes d'une même famille s'expliquent par l'accumulation de mutations. Mais aussi comment ces processus peuvent conduire à l'acquisition de gènes correspondant à de nouvelles fonctions.
Alignements au format FASTA des séquences de la séquence des portions de protéines contenant l'homéodomaine. (réalisé à partir de "La drosophile au yeux rouges" de W.J. Gehring - Editions Odile Jacob ) L'alignement comprend les séquences des homéodomaines des protéines produites à partir des gènes homéotiques de la Drosophile (complexe Hom) et des Mammifères (complexes Hox). La comparaison de ces alignements est visualisée sur la molécule pdb 9ant, qui correspond à l'homéodomaine muté de la protéine antennapedia fixé sur l'ADN. La protéine mutée (mutation antennapedia) : fichier 2hoa.pdb La protéine non mutée(type sauvage) : fichier 1hom.pdb
Alignements des homéodomaines du complexe de la Drosophile.	Alignements des homéodomaines des complexes des Mammifères.
Copier et coller la séquence Antp dans la boîte à séquence 3D du formulaire ASM3D. (Elle correspond à la séquence de type sauvage de la protéine Antennapedia, l'acide aminé sans équivalent, ci desous, correspond à la mutation antennapedia)	Copier et coller la séquence Hox6 dans la boîte à séquence 3D du formulaire ASM3D. (Le gène Hox6 des Mammifères est l'homologue d'Antennapedia de la Drosophile, les 2 acides aminés sans équivalents , ci dessous, correspondent à la mutation antennapédia et au seul acide aminé qui diffère entre les séquences mammaliennes et de drosophile.)
>Lab_ PNAIRTNFTTKQLTELEKEFHFNKYLTRARRVEIAATLQLNETQVKIWFQNRRMKQKKRE >Pb_ SRRLRTAYTNTQLLELEKEFHFNKYLCRPRRVEIAALLDLTERQVKVWFQNRRMKHKRQT >Dfd_ PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRIEIAHTLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH >Scr_ GKRARTAYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLSERQIKIWFQNRRMKWKKED >Antp RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >Ubx_AbdA RRRGRQTYTRFQTLELEKEFHFNHYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKLKKEL >AbdB TRKKRCPYTKYQTLELEKEFLFNMYLTRDRRYEVARLLNLTERQVKIWFQNRRMKMKKMN	>Hox1 PNAIRTNFTTKQLTELEKEFHFNKYLTRARRVEIAATLQLNETQVKIWFQNRRMKQKKRE >Hox2_ SRRLRTAYTNTQLLELEKEFHFNKYLCRPRRVEIAALLDLTERQVKVWFQNRRMKHKRQT >Hox3_ SKRARTAYTSAQLVELEKEFHFNRYLCRPRRVEMANLLNLTERQIKVWFQNRRMKYKKDQ >Hox4_ PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRIEIAHTLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH >Hox5_ GKRARTAYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLSERQIKIWFQNRRMKWKKED >Hox6_ RRRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIANALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN >Hox7_ RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH >Hox8_ RRRGRQTYSRYQTLELEKEFLFNPYLTRKRRIEVSHALGLTERQVKIWFQNRRMKWKKEN >Hox9_ TRKKRCPYTKYQTLELEKEFLFNMYLTRDRRYEVARLLNLTERQVKIWFQNRRMKMKKMN >Hox10 GRKKRCPYTKHQTLELEKEFLFNMYLTRDRRLEISKSVNLTDRQVKIWFQNRRMKLKKMN >Hox11 TRKKRCPYTKYQIRELEREFFFNVYINKEKRLQLSRMLNLTDRQVKIWFQNRRMKEKKLN >Hox12 SRKKRKPYTKQQIAELENEFLVNEFINRQKRKELSNRLNLSDQQVKIWFQNRRMKKKRVV >Hox13 GRKKRVPYTKLQLKELENEYAINKFINKDKRRRISATTNLSERQVTIWFQNRRVKEKKVV

Résultat de la comparaison des séquences : 31 acides aminés identiques 6 acides aminés similaires 18 acides aminés différents 1 acide aminé sans équivalent	Résultat de la comparaison des séquences : 18 acides aminés identiques 11 acides aminés similaires 25 acides aminés différents 2 acides aminés sans équivalents
Comme les gènes homéotiques (HOM) de drosophiles, les gènes homéotiques (HOX) mammaliens sont rassemblés en complexe, de plus on retrouve dans tous les cas la colinéarité des différents gènes qui sont disposés sur les chromosomes suivant leur ordre d'expression. C'est un argument très fort de leur homologie et orthologie c'est à dire de gènes liés par des liens généalogiques de descendance. Principale différence les vertébrés possèdent 4 complexes HOX (A, B, C et D) contre un seul chez les Invertébrés. Ceci est le résultats de duplications partielles du génome des Vertébrés suivi de dérive génétique par mutation éloignant de plus en plus la séquence de la séquence originale.

Entrer les codes PDB d'une des molécules à étudier dans la case de la page d'entrée puis de cliquer sur le bouton Protéine explorer.	ou	Cliquer sur le lien ci-dessous pour lancer Protéine explorer qui télécharge automatiquement la molécule indiquée.
9ant : homéodomaine lié à l'ADN		Charger l'homéodomaine lié à l'ADN (9ant.pdb) Charger l'homéodomaine lié à l'ADN (9ant2.pdb)