L'expression du génome

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

La transcription

La transcription est la synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'une matrice d'ADN. Elle est assurée par des ARN polymérases.

Le principe de polymérisation est voisin de celui de l'ADN polymérase, avec deux différences importantes. L'ARN polymérase n'a pas besoin d'amorce, elle démarre la chaîne. Elle incorpore des ribonucléotides, et l'uracile prend la place de la thymine face à l'adénine de la matrice. Comme l'ADN polymérase, elle respecte la complémentarité des bases et synthétise dans le sens 5' vers 3'.

Un seul des deux brins de l'ADN est lu pour un gène donné. On l'appelle brin transcrit ou brin matrice. L'autre brin, dit brin non transcrit ou brin codant, a la même séquence que l'ARN produit, à l'échange de T contre U près. Savoir écrire l'un à partir de l'autre est un exercice de base.

La transcription se déroule en trois étapes.

L'initiation commence au niveau d'un promoteur, séquence d'ADN située en amont de la région transcrite. Le promoteur est reconnu par un complexe d'initiation, ensemble de protéines qui positionne l'ARN polymérase au bon endroit et dans le bon sens. La probabilité de démarrage est modulée positivement ou négativement par des facteurs de transcription qui se fixent sur des séquences régulatrices.

L'élongation consiste en l'ouverture locale de la double hélice devant l'enzyme, la lecture du brin matrice et la formation progressive du transcrit, qui se détache derrière l'enzyme pendant que l'ADN se referme.

La terminaison intervient au niveau de signaux de fin de transcription, dont le programme demande seulement de mentionner l'existence chez les Eucaryotes. L'ARN et l'enzyme se libèrent de la matrice.

Plusieurs types d'ARN sont produits. Les ARN messagers portent l'information destinée à être traduite. Les ARN de transfert et les ARN ribosomiques sont des acteurs de la traduction. Les petits ARN, dont le programme retient les ARN interférents, interviennent dans le contrôle de l'expression.

Le gène comme unité de transcription

Un gène est une unité de transcription accompagnée de ses séquences régulatrices, c'est-à-dire l'ensemble des séquences d'ADN nécessaires à la synthèse d'un ARN. Cette définition est plus large que la définition scolaire d'une séquence codant une protéine, et il faut savoir dire pourquoi.

Premier argument, tous les gènes ne conduisent pas à une protéine. Les gènes d'ARN de transfert ou d'ARN ribosomiques sont bien des gènes.

Deuxième argument, un même gène peut conduire à plusieurs polypeptides différents, par épissage alternatif. La correspondance un gène, une protéine n'est donc pas générale.

Troisième argument, un gène ne se limite pas à la région transcrite. Sans ses séquences régulatrices, cette région ne serait pas exprimée.

Le schéma d'un gène eucaryote à savoir refaire comporte, de gauche à droite, des séquences régulatrices éloignées, le promoteur, le site d'initiation de la transcription, l'alternance d'exons et d'introns, et le signal de terminaison. Il faut indiquer le sens de la transcription et préciser les extrémités 5' et 3' de l'ARN produit.

La maturation des ARN pré-messagers

Chez les Eucaryotes, la transcription produit un ARN pré-messager qui subit dans le noyau une maturation avant d'être exporté.

Trois transformations sont au programme. L'ajout d'une coiffe à l'extrémité 5'. La polyadénylation à l'extrémité 3', c'est-à-dire l'ajout d'une suite d'adénines. L'excision des introns et l'épissage des exons, lorsque le gène est morcelé.

Ces transformations ont deux conséquences fonctionnelles. Elles protègent l'ARN messager de la dégradation et conditionnent sa demi-vie, donc la durée pendant laquelle il pourra être traduit. Elles conditionnent aussi son exportation vers le cytosol et sa reconnaissance par la machinerie de traduction.

L'épissage alternatif est le fait d'assembler différemment les exons d'un même ARN pré-messager, ce qui produit plusieurs ARN messagers différents à partir d'une seule unité de transcription. C'est un mécanisme majeur de diversification du protéome à partir d'un nombre limité de gènes.

L'ensemble des ARN transcrits et maturés présents dans une cellule à un instant donné constitue son transcriptome. C'est une grandeur dynamique, qui dépend du type cellulaire et des conditions.

La traduction

Dans le cytosol, les ARN messagers matures sont traduits en polypeptides. La traduction repose sur la coopération de trois classes d'ARN au sein du ribosome.

L'ARN messager fournit la suite de codons à lire. La correspondance entre un codon et un acide aminé est assurée par les ARN de transfert selon le code génétique. Un ARN de transfert porte d'un côté un anticodon, triplet complémentaire d'un codon, et de l'autre l'acide aminé correspondant. Le chargement correct de l'acide aminé sur son ARN de transfert est assuré par une amino-acyl ARN de transfert synthétase, qui reconnaît à la fois l'acide aminé et l'ARN de transfert. C'est à ce niveau que se joue l'essentiel de la fidélité de la correspondance.

Le code génétique est un système de correspondance entre 64 codons et 20 acides aminés, plus les signaux de terminaison. Il est donc redondant, plusieurs codons pouvant désigner le même acide aminé. Il n'est pas ambigu, un codon donné désignant un seul acide aminé. Il est lu par triplets non chevauchants à partir d'un point de départ, ce qui définit un cadre de lecture. Il est quasi universel.

La traduction comporte trois phases. L'initiation rassemble la petite sous-unité ribosomique, l'ARN messager et le premier ARN de transfert au niveau du codon initiateur, puis la grande sous-unité s'associe. L'élongation est une répétition d'un même cycle, appariement de l'anticodon de l'ARN de transfert entrant avec le codon exposé, formation d'une liaison peptidique entre l'acide aminé entrant et la chaîne en cours, puis déplacement du ribosome d'un codon. La terminaison intervient à la rencontre d'un codon stop, qui n'est reconnu par aucun ARN de transfert. Le polypeptide est libéré et le ribosome se dissocie.

La liaison peptidique est formée par une réaction de transpeptidation catalysée par un ARN ribosomique de la grande sous-unité. Ce ribozyme est le seul exemple d'ARN catalytique exigible.

Plusieurs ribosomes peuvent traduire simultanément le même ARN messager, ce qui forme un polysome et augmente le rendement de production.

Localisation de la traduction et adressage

Chez les Eucaryotes, la traduction a lieu dans le cytosol et dans les organites semi-autonomes, qui possèdent leurs propres ribosomes. Chez les bactéries, l'absence d'enveloppe nucléaire permet à la traduction de commencer sur un ARN messager encore en cours de transcription. Transcription et traduction y sont donc simultanées, ce qui est une différence structurante avec les Eucaryotes.

Une protéine peut être adressée vers un compartiment particulier grâce à une séquence signal portée par le polypeptide et à une machinerie d'adressage.

Le programme retient le seul mécanisme de l'adressage au réticulum endoplasmique, sous forme simplifiée. La traduction commence sur un ribosome libre dans le cytosol. Dès que la séquence signal, située en début de chaîne, sort du ribosome, elle est reconnue par une particule de reconnaissance. L'ensemble est conduit vers la membrane du réticulum, où le ribosome s'associe à un translocon. La traduction reprend et le polypeptide en cours de synthèse est transféré dans la lumière du réticulum. La séquence signal est ensuite clivée.

Les autres adressages, vers le noyau, la mitochondrie ou le plaste, sont simplement mentionnés. Le message essentiel est que l'adressage est ce qui fait la spécialisation des compartiments. Un compartiment n'est défini que par le jeu de protéines qui y est envoyé.

Repliement et modifications post-traductionnelles

L'acquisition de la structure tridimensionnelle d'une protéine est en partie déterminée par sa séquence, mais elle peut être assistée par des protéines chaperonnes, qui empêchent les associations incorrectes pendant le repliement.

Une protéine peut ensuite subir des modifications post-traductionnelles. Le programme se limite à trois exemples. Le clivage protéolytique, qui transforme un précurseur inactif en protéine active. La glycosylation, ajout de chaînes glucidiques, qui a lieu dans le réticulum et l'appareil de Golgi et concerne les protéines membranaires et sécrétées. La phosphorylation, ajout réversible d'un groupement phosphate, qui modifie la conformation et donc l'activité.

Ces modifications expliquent qu'une même séquence codante puisse donner des protéines fonctionnellement différentes, et que le protéome soit plus divers que le transcriptome.

La multiplication des virus

Les virus se multiplient en détournant la machinerie d'expression de l'information génétique de la cellule hôte. Le programme demande une vue générale sur un exemple au choix, limitée à trois points.

Premier point, la réplication de l'information génétique virale, réalisée par une polymérase, soit apportée par le virus, soit codée par son génome et produite par la cellule.

Deuxième point, la synthèse des protéines virales par les ribosomes de la cellule hôte, à partir d'ARN messagers viraux. On distingue simplement les polymérases des protéines de capside.

Troisième point, l'assemblage de nouvelles particules virales et leur libération.

Le raisonnement à tenir est toujours le même. Un virus n'apporte que de l'information et quelques protéines. Tout ce qui coûte de l'énergie et de la matière est fourni par la cellule.

Exemples et objets de référence

Ordres de grandeur. La vitesse de transcription chez les Eucaryotes est de l'ordre de quelques dizaines de nucléotides par seconde. La vitesse de traduction est de quelques acides aminés par seconde chez les Eucaryotes. La demi-vie des ARN messagers varie énormément, de quelques minutes à plusieurs jours selon les transcrits, ce qui est en soi un moyen de réglage.

Rapports de taille. Un gène humain moyen occupe plusieurs dizaines de milliers de paires de bases alors que la région codante correspondante représente souvent moins de deux mille paires de bases. La part des introns est donc très majoritaire, ce qui illustre concrètement le morcellement.

Le code génétique. Il faut savoir se servir d'un tableau du code, fourni le cas échéant, dans les deux sens, et connaître la position des codons stop et du codon initiateur qui code la méthionine. Il faut aussi savoir en déduire les conséquences d'une mutation, substitution silencieuse, faux sens, non sens, ou décalage du cadre de lecture par insertion ou délétion.

Schémas à savoir décrire en mots. Le schéma d'un gène eucaryote légendé. Le schéma d'une fourche de transcription avec l'ADN ouvert, l'ARN polymérase et le transcrit naissant. Le schéma de la maturation, avec le pré-messager portant introns et exons puis le messager mature coiffé et polyadénylé. Le schéma d'un ribosome en cours d'élongation, avec l'ARN messager, deux ARN de transfert et la chaîne polypeptidique en formation. Le schéma de l'adressage au réticulum, de la particule de reconnaissance au clivage de la séquence signal.

Exemple intégrateur classique, une protéine sécrétée comme une enzyme digestive. La chaîne des étapes est complète, transcription nucléaire, maturation, export, traduction sur ribosome libre puis sur le réticulum, glycosylation, transit golgien, clivage éventuel d'un précurseur, sécrétion par exocytose.

Méthodes et savoir-faire

Passer d'une séquence d'ADN à une séquence peptidique. La méthode sûre consiste à identifier d'abord le brin transcrit, à écrire l'ARN messager en respectant polarité et complémentarité, à repérer le codon initiateur, puis à lire par triplets jusqu'au codon stop. L'erreur la plus fréquente vient d'un oubli de polarité.

Faire le chemin inverse. À partir d'une séquence peptidique, on ne peut pas reconstituer une séquence nucléotidique unique, à cause de la redondance du code. C'est un point à savoir énoncer clairement.

Exploiter un résultat d'épissage alternatif. On compare les ARN messagers obtenus à partir d'un même gène, on repère les exons présents ou absents, on en déduit les différences de séquence peptidique, puis on relie ces différences à une différence fonctionnelle ou tissulaire.

Argumenter sur le concept de gène à partir de documents. Les documents classiques sont un gène produisant plusieurs protéines, un gène d'ARN non messager, des séquences régulatrices distantes. Chaque document sert un argument, et la conclusion est que la définition du gène dépend du niveau auquel on se place.

Relier adressage et spécialisation. Devant un document montrant la localisation d'une protéine, le raisonnement attendu part de la présence ou de l'absence d'une séquence signal et conclut sur la destination. Une expérience classique consiste à greffer une séquence signal sur une protéine cytosolique et à observer son changement de localisation.

Interpréter une expérience de marquage. Un marquage impulsionnel suivi d'une chasse permet de suivre le trajet d'une protéine dans la cellule au cours du temps. On raisonne sur l'ordre d'apparition du marquage dans les compartiments.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

• Refaire le schéma légendé d'un gène eucaryote avec séquences régulatrices, promoteur, exons, introns et signal de terminaison, et indiquer le sens de transcription.
• Comparer les principes de polymérisation de l'ADN polymérase et de l'ARN polymérase, en citant les deux différences essentielles, absence d'amorce et incorporation d'uracile.
• Écrire sans erreur la séquence d'un ARN messager à partir d'un des deux brins d'ADN, en justifiant lequel est transcrit.
• Décrire les trois étapes de la traduction et nommer le rôle exact de chaque classe d'ARN, messager, de transfert, ribosomique.
• Expliquer pourquoi le nombre de protéines différentes d'un organisme dépasse largement le nombre de ses gènes, en mobilisant épissage alternatif, clivage et modifications post-traductionnelles.
• Décrire l'adressage au réticulum et en tirer une conclusion sur la spécialisation des compartiments.
• Discuter le concept de gène avec au moins deux arguments distincts, sans se contenter de la formule un gène une protéine.
• Piège fréquent, confondre transcriptome et protéome, ou croire qu'une forte quantité d'un ARN messager garantit une forte quantité de la protéine correspondante.

Notions et mécanismes clés

• ARN polymérase : enzyme qui lit le brin matrice dans le sens 3' vers 5' et polymérise l'ARN dans le sens 5' vers 3', sans amorce.
• Brin transcrit, ou matrice : complémentaire et antiparallèle de l'ARN. Brin non transcrit, ou codant : même séquence et même orientation que l'ARN, avec T à la place de U.
• Promoteur : séquence en amont du site d'initiation. Elle fixe le complexe d'initiation, donc le point de départ et le brin lu.
• Séquences régulatrices : sites de fixation de facteurs de transcription, proches ou éloignés du promoteur. Elles augmentent ou diminuent la fréquence d'initiation.
• Gène : unité de transcription avec ses séquences régulatrices, c'est-à-dire tout l'ADN nécessaire à la synthèse d'un ARN.
• Exon : segment présent dans l'ARN mature. Intron : segment transcrit puis excisé. Un exon n'est pas forcément codant, car les extrémités non traduites du messager sont portées par des exons.
• Coiffe : guanine méthylée ajoutée à l'extrémité 5' par une liaison inhabituelle 5'-5'. Elle protège le messager et permet sa reconnaissance par la petite sous-unité du ribosome.
• Queue poly-A : suite d'adénines ajoutée à l'extrémité 3'. Elle protège le messager et participe au réglage de sa demi-vie.
• Épissage alternatif : combinaisons différentes d'exons à partir d'un même pré-messager, selon le tissu ou le moment.
• Transcriptome : ensemble des ARN transcrits et maturés d'une cellule à un instant donné. Protéome : ensemble de ses protéines.
• ARN interférent : petit ARN qui s'apparie à un messager complémentaire. Il en provoque la dégradation ou en bloque la traduction.
• Codon : triplet du messager. Anticodon : triplet complémentaire et antiparallèle porté par l'ARN de transfert.
• Cadre de lecture : découpage en triplets fixé par le codon initiateur AUG. Codons stop : UAA, UAG, UGA.
• Amino-acyl ARNt synthétase : enzyme qui fixe un acide aminé donné sur les ARN de transfert correspondants, en consommant de l'ATP. Il en existe en général une par acide aminé.
• Transpeptidation : transfert de la chaîne en cours sur l'acide aminé de l'ARN de transfert entrant, ce qui forme une liaison peptidique. Elle est catalysée par un ARN ribosomique de la grande sous-unité.
• Particule de reconnaissance du signal : complexe d'ARN et de protéines. Il reconnaît la séquence signal, ralentit l'élongation et conduit le ribosome au réticulum.
• Translocon : canal protéique de la membrane du réticulum, par lequel passe la chaîne en cours de synthèse.
• Protéine chaperonne : protéine qui empêche les associations incorrectes pendant le repliement, sans imposer la structure finale.
• Modifications post-traductionnelles au programme : le clivage protéolytique, la glycosylation dans le réticulum puis le Golgi, et la phosphorylation réversible par des kinases et des phosphatases.
• Virus : entité porteuse d'une information génétique, ADN ou ARN. Il n'a ni ribosomes ni métabolisme propre et ne se multiplie que dans une cellule hôte.

Chaînes de raisonnement

Un protéome plus vaste que le nombre de gènes. L'être humain possède environ vingt mille gènes codant des protéines, et un nombre de protéines différentes bien supérieur. L'épissage alternatif multiplie d'abord les messagers, puis le clivage, la glycosylation et la phosphorylation multiplient les formes d'une même chaîne. La diversité se construit donc à chaque étape, et la formule « un gène, une protéine » échoue.

La maturation règle la quantité de protéine. Un messager est traduit de nombreuses fois tant qu'il n'est pas dégradé. La coiffe et la queue poly-A le protègent des nucléases, conditionnent son export et sa reconnaissance par le ribosome. Modifier sa demi-vie change donc la quantité de protéine produite sans changer le rythme de transcription.

La fidélité se joue avant le ribosome. Le ribosome contrôle l'appariement entre codon et anticodon, pas l'identité de l'acide aminé porté. Un ARN de transfert mal chargé fait donc incorporer le mauvais acide aminé, sans correction. C'est la synthétase, qui reconnaît à la fois l'ARN de transfert et l'acide aminé, qui réalise la correspondance du code.

Le couplage chez les bactéries. Sans enveloppe nucléaire, le messager bactérien est accessible aux ribosomes dès que son extrémité 5' sort de l'ARN polymérase. La traduction commence avant la fin de la transcription. Chez les Eucaryotes, l'enveloppe sépare les deux processus dans l'espace et dans le temps, ce qui laisse place à la maturation et à des contrôles supplémentaires.

De la séquence signal à la spécialisation du compartiment. La destination d'une protéine est inscrite dans sa propre séquence. Seule une machinerie propre au compartiment reconnaît chaque type de signal, donc chaque compartiment reçoit un jeu particulier de protéines. Ce jeu définit la fonction du compartiment.

Un virus dépend entièrement de son hôte. Un virus ne possède ni ribosomes, ni ARN de transfert, ni voie de production d'ATP. Il fait donc traduire ses messagers par les ribosomes de l'hôte, avec les acides aminés et l'énergie de l'hôte. Il n'apporte, ou ne fait fabriquer, que ce que la cellule ne sait pas faire, en général la polymérase capable de copier son génome.

De la mutation au phénotype. Une substitution dans un exon codant est silencieuse, faux sens ou non sens selon le nouveau codon. Une insertion ou une délétion d'un nombre de nucléotides non multiple de trois décale le cadre et fait en général apparaître un codon stop prématuré. Une mutation dans un intron ou dans un promoteur n'est pas neutre pour autant, car elle peut modifier l'épissage ou le niveau de transcription.

Exemples et références à connaître

1. Nirenberg et Matthaei, 1961. Un ARN synthétique formé uniquement d'uraciles, placé dans un extrait acellulaire, fait produire une chaîne de phénylalanines. UUU désigne donc la phénylalanine. C'est le premier déchiffrage du code, non exigible mais fréquent dans les documents.
2. Chapeville et collaborateurs, 1962. On charge un ARN de transfert de la cystéine avec de la cystéine, puis on transforme chimiquement celle-ci en alanine. L'alanine est alors incorporée aux positions des codons de cystéine. Le ribosome lit donc l'ARN de transfert et non l'acide aminé.
3. Découverte des introns, 1977, équipes de Sharp et de Roberts. Un messager viral hybridé avec l'ADN correspondant et observé en microscopie électronique laisse des boucles d'ADN non appariées. Ces boucles sont les introns.
4. Palade et collaborateurs, cellules acineuses du pancréas. Après un marquage impulsionnel par un acide aminé radioactif, le signal passe du réticulum granuleux à l'appareil de Golgi, puis aux grains de sécrétion. C'est la référence de la voie de sécrétion.
5. Blobel et l'hypothèse du signal. Une protéine sécrétée traduite sans membranes de réticulum est plus longue que la protéine mature, d'une courte séquence en début de chaîne.
6. Structure du ribosome à haute résolution, autour de l'an 2000. Le site de formation de la liaison peptidique est entouré d'ARN ribosomique, sans protéine à son contact. C'est l'argument du ribozyme.
7. Fire et Mello, 1998, chez le nématode Caenorhabditis elegans. Un ARN double brin injecté éteint spécifiquement l'expression du gène de même séquence. C'est la découverte de l'interférence par l'ARN.
8. Gène de la calcitonine. Dans la thyroïde, il produit l'hormone calcitonine, et dans certains neurones un neuropeptide différent, par sélection d'exons différents. C'est l'exemple le plus cité d'épissage alternatif tissu-spécifique.
9. Insuline. La séquence signal de la préproinsuline est clivée dans le réticulum, ce qui donne la proinsuline. Le peptide C est ensuite excisé dans les grains de sécrétion. Il reste deux chaînes reliées par des ponts disulfure. C'est l'exemple complet de clivage.
10. Inhibiteurs fréquents dans les documents :
    • l'α-amanitine, toxine de l'amanite phalloïde, bloque l'ARN polymérase qui produit les messagers eucaryotes.
    • l'actinomycine D bloque la transcription.
    • le cycloheximide bloque la traduction eucaryote.
    • la puromycine mime un ARN de transfert chargé et libère prématurément la chaîne.

Techniques

Lire une séquence sans erreur de polarité

On donne le brin transcrit 5'-TTACCATTTGAATGCCAT-3'. On le lit depuis son extrémité 3' en écrivant les bases complémentaires, et l'on obtient le messager 5'-AUGGCAUUCAAAUGGUAA-3'. Lecture à partir d'AUG : AUG GCA UUC AAA UGG UAA, soit Met-Ala-Phe-Lys-Trp, puis arrêt. Contrôle : le brin non transcrit doit être identique au messager, T pour U, soit 5'-ATGGCATTCAAATGGTAA-3'. Si l'on ne sait pas quel brin est transcrit, on cherche sur chacun, lu dans le sens 5' vers 3' du messager possible, un AUG suivi d'un long cadre sans codon stop.

Prévoir l'effet d'une mutation

Sur le même messager, UUC devenu UUU donne toujours Phe, la mutation est silencieuse. AAA devenu UAA donne un codon stop, la chaîne s'arrête à Met-Ala-Phe, c'est une mutation non sens. Si l'on supprime le G de GCA, la lecture devient AUG CAU UCA AAU GGU, soit Met-His-Ser-Asn-Gly. Le codon stop d'origine sort du cadre et la lecture se poursuit au-delà. Toujours raisonner codon par codon sur le messager, jamais directement sur l'ADN.

Exon et cadre de lecture

Règle à connaître : sauter un exon codant interne dont la longueur est un multiple de trois conserve le cadre. La protéine est alors plus courte mais garde la même extrémité C-terminale. Mini-exemple : un exon de 87 nucléotides retiré enlève 29 acides aminés. Avec 88 nucléotides, le cadre est décalé à partir de la jonction, et la fin de la protéine devient différente ou disparaît.

Raisonner avec des inhibiteurs

Il faut déterminer l'étape requise par une réponse. Mini-exemple : une hormone fait augmenter une protéine en une heure. Avec l'actinomycine D, l'augmentation persiste. Avec le cycloheximide, elle disparaît. Conclusion : la réponse exige de la traduction mais pas de transcription nouvelle. Elle porte donc sur des messagers déjà présents.

Interpréter un marquage impulsion-chasse

On repère, pour chaque temps, le compartiment qui porte la plus grande part de la radioactivité. Un compartiment marqué tôt puis déchargé est en amont d'un compartiment marqué plus tard. Mini-exemple : réticulum majoritaire à 3 minutes, Golgi vers 20 minutes, grains de sécrétion après une à deux heures. On en déduit l'ordre réticulum, Golgi, grains. La conclusion porte sur un trajet, pas sur un lieu de synthèse multiple.

Plan de synthèse

Gabarit : suivre le flux d'information et les lieux, du noyau au compartiment de destination. Dans chaque partie, on associe une étape, ses acteurs moléculaires et sa contribution à la diversité ou au contrôle. Mini-exemple, « Du gène à la protéine fonctionnelle » : I, produire un messager dans le noyau, II, le traduire dans le cytosol, III, adresser et achever la protéine. La conclusion porte sur les points de contrôle.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes