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L’information génétique - 1

L’EXPRESSION DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE

Introduction :L’ADN est le support de l’information génétique. Il a une capacité à se répliquer, il est stable, et maintient une information constante de génération en génération.Il est à l’origine de l’expression de l’information génétique : la synthèse d’une protéine se fait à partir de l’information contenue dans un gène. Comment se déroule la synthèse des protéines ? Quels sont les mécanismes moléculaires de la transcription et de la traduction ? Ces deux étapes mettent en place la succession des acides aminés dans la protéine (structure I) or on connait l’importance des structures II, III voire IV : comment les protéines deviennent-elles fonctionnelles après la traduction ? Comment la quantité de protéines synthétisées est-elle ajustée aux besoins de la cellule : quels sont les processus de contrôle de l’expression de l’information génétique ? On utilisera des exemples pris chez les Procaryotes et les Eucaryotes

I. LA TRANSCRIPTION : SYNTHÈSE ET MATURATION DES ARNA. Quelques données expérimentales sur le rôle de l’ARN

1) De la nécessité d’un intermédiaire entre l’ADN et les protéinesLa démonstration de l’existence d’un intermédiaire ARN dans la synthèse des protéines a valu le prix Nobel à des chercheurs français Jacob et Monod en 1965.

Voici une expérience (qui n’est pas une expérience historique) simple le démontrant. Protocole :

- culture d’érythroblastes de lapin (cellules souches des hématies) en présence d’aa radioactifs, puis on isole les protéines et on réalise une électrophorèse. On observe une bande majeure correspondant à l’Hémoglobine (4 globines).

- Même principe avec des œufs de Xénope (zygote de crapaud), l’électrophorèse montre 2 bandes, protéines A et B. On reprend alors un échantillon avec ces œufs de Xénope dans lesquels on a injecté des ARN d’érythroblastes de Lapin.

Résultats : L’électrophorèse montre 3 bandes, i.e. 3 types de protéines. On reconnaît A et B propre au Xénope mais aussi la bande de l’hb du lapin.

Interprétation : l’ARN porte l’information nécessaire à la synthèse des protéines.

ADN ARNm protéineTranscription traduction (+ARNt, +ARNr)

2) Les ARN sont synthétisés à partir d’une matrice d’ADNLe phage T2 est un virus à ADN, il y a synthèse d’ARN. Question est-il complémentaire de l’ADN ? Expérience de Spiegelman 1961.

- Marquage des molécules : ARNm du T2 marqué au 32P, ADN du T2 au 3H.- Dénaturation : un mélange ADN/ARN est chauffé, à 100° environ, ce qui provoque la séparation des deux

brins d’ADN. Puis le mélange est refroidi lentement.- ultracentrifugation sur gradient de densité (chlorure de Césium) afin de séparer les molécules.

Résultats : 3 bandes de radioactivité. Interprétation : La bande intermédiaire correspond à un hybride ADN/ARN. La séquence de l’ARNm est complémentaire de celle d’un des brins d’ADN. L’ARN est donc transcrit à partir d’une matrice ADN. Remarque : l’ARNm viral ne s’hybride pas avec d’autres catégories d’ADN (bactérien ou autres virus), ce qui montre la spécificité de la complémentarité entre un ADN et son ARNm.

F. Brondex et E. Paitel

3’

3’

3’

5’

5’

5’

ADN brin transcrit

ADN brin codant

ARNm

A T G G C T A G

U A C C G A U C

T A C C G A T C

TTGACAT

Région -355’

TATAAT

Région -10

+1

promoteur

3’


Les ARN sont synthétisés par des ARN polymérases :- à partir d’une matrice ADN- avec des précurseurs ribonucléotides triP ATP, GTP, UTP, CTP- des ions métalliques divalents (Mg2+)

Transcription : synthèse d’une copie ARN à partir de l’ADN (étape commune pour les ARNm, ARNt, ARNr)Traduction : synthèse d’un polypeptide à partir de la matrice de l’ARNm, nécessite aussi les ARNr et ARNr.Chez les Procaryotes, la transcription et la traduction se fait selon une même unité de temps et d’espaces. D’ailleurs, la traduction débute alors que la transcription n’est pas achevée.Chez les Eucaryotes il y a une séparation des étapes dans le temps et l’espace : Les ARN sont synthétisés dans le noyau puis exportés dans le cytoplasme où a lieu la traduction.

B. La synthèse des ARN chez les Procaryotes : étape de transcription1) L’ARN polymérase de E. coli

Chez les Procaryotes, une seule enzyme catalyse la synthèse de tous les types d’ARN (r, t, m). L’ARN polymérase est un complexe à plusieurs sous unités (450kD). On compte 4 types de sous unités, mais on distingue 2 formes de l’enzyme:

- l’holoenzyme 2’, la sous unité peut se dissocier du complexe on a alors :- l’enzyme cœur 2’ contient les sites catalytiques

sous unité nombre masse (kd) rôle

2 37 mal connu

1 151 forme les liaisons phosphodiester

’ 1 155 se fixe sur l’ADN matrice

1 50 reconnaît le site promoteur et initie la synthèse

L’holoenzyme est nécessaire pour initier la transcription, l’enzyme cœur peut poursuivre une transcription déjà entamée.

2) L’initiation de la transcriptionL’initiation nécessite des séquences promoteurs ; ce sont des séquences dites Cis situés en amont du gène sur la molécule d’ADN. Ces séquences permettent la reconnaissance du complexe enzymatique. CIS : séquence d'ADN qui n'est pas transcrite mais qui fonctionne exclusivement in situ sous la forme d'une séquence d'ADN, en contrôlant l’expression de gènes situés sur le même chromosome (même molécule d’ADN).Rq : sur le brin codant de l’ADN, le 1er nucléotide du gène est numéroté +1. Les séquences en amont (du côté 5’) sont numérotées en négatif. De nombreuses séquences promotrices ont été comparées pour de nombreux gènes : on a pu construire une séquence consensus, issue de cette comparaison. Deux zones sont apparues particulièrement importantes :

- La séquence autour du nucléotide -10 (région -10)- La séquence autour du nucléotide -35 (région -35)

Mais tous les promoteurs ne sont pas strictement identiques :- certains sont dits forts, la transcription y est forte (toutes les 2s environ)- certains sont dits faibles, la transcription y est moins élevée (toutes les 10 min environ)


L’information génétique - 3Si la séquence des régions promoteurs est modifiée alors le niveau de transcription est modifiéC’est au stade de l’initiation que la sous unité joue tout son rôle : elle permet la reconnaissance des séquences promoteurs ainsi que la fixation sur ces séquences. L’holoenzyme se fixe sur l’ADN (double brin) et se déplace le long de la molécule jusqu’à rencontrer un promoteur. Là elle se fixe (grâce à ) de façon lâche sur les régions -35 et -10 : c’est le complexe promoteur fermé. Puis elle se fixe de façon plus étroite à l’ADN, parallèlement, elle sépare les deux brins à proximité de la zone -10. L’ARNpol ouvre environ 2 tours d’hélice : en effet, un seul des deux brins sert de matrice, les liaisons entre bases sont rompues. C’est maintenant le complexe promoteur ouvert. On peut noter que le superenroulement négatif favorise l’ouverture de la double hélice (il équivaut à des tours d’hélice en moins).La synthèse de l’ARN peut commencer, il n’y a pas d’amorce contrairement à la synthèse d’ADN : l’ARNpol peut commencer sa synthèse de novo.

3) L’élongation de la transcriptionL’élongation se fait aussi toujours dans le sens 5’3’ . Là aussi un nucléotide libre avec 3’ phosphate est apporté, l’enzyme catalyse la formation de la liaison phosphodiester avec l’extrémité 5’OH du nucléotide précédent. La rupture de la liaison entre les phosphates libère l’énergie nécessaire à la mise en place de la liaison phosphodiester du polymère. C’est la sous unité qui catalyse la formation de cette liaison.La synthèse se fait grâce au brin transcrit qui sert de matrice : l’ARNpol ajoute les nucléotides complémentaires (complémentarité des bases encore), et réalise donc une copie à la séquence identique (aux erreurs près). Le brin matrice est donc lu dans le sens 3’ 5’.La lecture et la synthèse se déroulent dans une bulle de transcription : une zone où les deux brins d’ADN sont séparés. L’ARN forme un hybride avec l’ADN sur une longueur constante (environ 12pb). L’ARN se détache progressivement avec la progression de l’élongation. La bulle se déplace tout comme l’enzyme au fur et à mesure de l’élongation. La double hélice s’ouvre en avant et se réenroule à l’arrière.Après environ 10 nucléotides ajoutés, la sous unité se détache, seule l’enzyme cœur poursuit l’élongation. La fixation est alors plus importante sur l’ADN.La vitesse de fonctionnement est de 50 nucléotides/seconde.L’ARNpol n’a pas d’activité exonucléase : elle ne peut donc pas corriger d’éventuelles erreurs (comme le fait l’ADN pol III). La fidélité de la transcription est un peu moindre que celle de la réplication. 10-4 par nucléotide environ mais cette copie est transitoire et il y a toujours de nombreuses copies des ARNm ou ARNr ou ARNt.La transcription produit la plupart du temps des ARNm polycistroniques, qui comportent la copie de plusieurs gènes :

4) La terminaison de la transcriptionIl existe aussi des signaux de terminaison qui entraîne l’arrêt de la polymérisation, la dissociation de l’hybride ARN-ADN ainsi que la libération de l’enzyme et la fermeture de la bulle.

- Les séquences de terminaison comportent environ 40pb, riches en bases G et C puis une séquence riche en A (brin matrice). La séquence riche en GC est telle que l’ARN peut s’auto apparier. L’ARN forme une épingle à cheveux, double brin. Comme elle contient beaucoup de G et C (3 liaisons) l’épingle est stable. Puis il y a la zone avec des A associés avec des U, l’interaction ARN – ADN est plus faible, ce qui facilite le détachement de l’ARN. Ainsi : l’ARN polymérase ralentit lorsque se forme l’épingle à cheveux, puis la zone avec A-U tend à séparer l’ADN de l’ARN. Puis l’enzyme aussi se détache, le complexe ADN – enzyme est rompu.

- Il existe aussi un facteur protéique qui favorise la terminaison : le facteur (rho). Il s’agit d’un hexamère : 6 sous unités identiques. Il est capable d’hydrolyser l’ATP. Il peut se fixer sur l’ARN simple brin (au niveau de séquences spécifiques) puis il se déplace le long de l’ARN grâce à l’hydrolyse de l’ATP. Ainsi il finit par rencontrer l’enzyme ARN pol et par provoquer la séparation entre l’enzyme et l’ARN.

Apparemment, les deux systèmes existent séparément : certains gènes sont associés au système épingle à cheveu d’autre au système rho.La sous unité se réassocie avec l’enzyme cœur, l’holoenzyme part à la recherche d’un nouveau promoteur.


Brin codant

5’

TATAAA

Boîte TATA entre -100 et -30

+1

3’

-150 -40

GC CAAT

Position en amont du gène mais sur le brin transcrit ou sur le brin codant

-90 -25

L’information génétique - 4Chez les Procaryotes, l’ARNm subit peu ou pas de modifications, d’ailleurs la traduction commence alors même que la transcription n’est pas achevée. Les ARNm sont le plus souvent polycistroniques : ils comportent la séquence de plusieurs gènes adjacents.Par contre les ARN m d’Eucaryotes subissent une maturation.

C. Synthèse des ARN et maturation de l’ARN messager chez les EucaryotesChez les Eucaryotes, il existe 3 types d’ARN polymérases :

- L’ARN pol I est située dans le nucléole, permet la synthèse des ARNr 18S, 5.8S et 28S- L’ARN pol II est située dans le nucléoplasme, permet la synthèse des ARNm. Notons que les ARNm sont

monocistroniques : correspondent à un gène.- L’ARNpol III est située dans le nucléoplasme, permet la synthèse des ARNt et de l’ARNr 5S.

On ne détaillera pas la structure des ARNpol eucaryotes.Les caractéristiques de l’élongation sont assez similaires à celles des Procaryotes : pas d’amorce, élongation 5’3’, pas d’activité exonucléase.L’initiation est assez différente, chez les Eucaryotes, l’initiation et la régulation de la transcription sont très liées. On reviendra sur le complexe d’initiation lors de la régulation. Voyons ici un peu, l’organisation des promoteurs eucaryotes

Ces séquences promoteurs (séquences en Cis) ne sont pas reconnues par l’ARN pol elle-même, mais par des protéines TF (Transcription Factors), ce sont les facteurs de transcription généraux (indispensables à toute transcription), qu’on peut qualifier de facteurs Trans. Pour l’ARNpol II il y a par exemple TFII A, B, C, D, E, et F. TF II D se fixe le premier en reconnaissant les séquences puis les autres arrivent, en coopération avec TBP (TATA Binding Protein). La fixation de tous ces facteurs de transcription permet la fixation de l’ARNpol II. C’est le complexe d’initiation de la transcription. En qq sorte, le minimum vital, mais si il est seul le niveau de transcription reste assez faible : de nombreuses autres molécules interviennent … mais on rentre dans le contrôle…On ne parlera pas de terminaison, on va par contre préciser les mécanismes de maturation des ARNm. En effet, l’ARNm (ou plutôt le transcrit primaire) subit des modifications dans le noyau avant d’être exporté vers le cytoplasme.

- une méthyl guanosine tri phosphate est ajoutée à l’extrémité 5’, ce qui forme la coiffe (guanyl transférase). L’ajout de la coiffe se fait au cours de la transcription. Apparemment, la coiffe semble protéger l’ARNm contre la dégradation des nucléases.

- Une queue poly A est ajoutée à l’extrémité 3’. En fait une endonucléase coupe un fragment proche de l’extrémité 3’. Puis une poly A polymérase ajoute entre 150 et 200 résidus A.

On obtient alors l’ARN primaire ou ARN prémessager. Ensuite, vient une étape très importante : celle de l’épissage. D’abord, il faut comprendre la structure morcelée des gènes eucaryotes. La micrographie montre une expérience d’hybridation entre un ARNm mature et la séquence correspondante de l’ADN. L’ARNm mature est plus court, et certaines portions de l’ADN ne s’hybrident pas avec l’ARNm. Elles ont été retirées lors du processus de maturation.On distingue ainsi : les exons, les régions effectivement codantes qui sont maintenues dans l’ARNm et les introns qui ne sont pas des zones codantes. L’épissage consiste à retirer les introns et à ne conserver que les exons. L’épissage a lieu dans le noyau après la fin de la transcription.


ARNt1 ARNt2 ARNt3 ARNt4 ARNt5 Etc…

L’information génétique - 5Le mécanisme de détail n’est pas à connaître mais voyons le principe. Le complexe enzymatique responsable de l’épissage comprend des protéines et une classe particulière de petits ARN nucléaires snARN. L’ensemble s’appelle spliceosome.- Les petits ARN reconnaissent des séquences particulières à la jonction des introns et des exons, en fait ils sont complémentaires des ces séquences.

- Ensuite, le spliceosome réalise un clivage à la jonction intron – exon (côté 5’)- L’extrémité libre de l’intron forme une liaison avec un nucléotide A particulier (site de branchement) : on obtient un intermédiaire en lasso- L’autre extrémité de l’intron est clivée.- Les deux extrémités libres des exons sont raboutées.Rq : chez les unicellulaires, on a trouvé des systèmes d’autoépissage : les ARN prémessagers catalysent leur propre épissage. Seul cas où la catalyse n’est pas réalisé par des protéines.Bilan des modifications de la maturation d’un ARNm : Exemple de l’ovalbumine.

Une des conséquences du phénomène d’épissage : l’épissage alternatif. A partir d’un gène morcelé d’Eucaryote (ou gène mosaïque), on peut produire différents ARNm matures comportant différentes combinaisons d’exons. Et par conséquent, autant de protéines différentes. Par exemple, le gène de la protéine tropomyosine du Rat. C’est une protéine du cytosquelette des muscles ou d’autres cellules. Mais les ARNm sont différents selon le type de muscle (lisse ou strié) et dans les fibroblastes ou le cerveau. Chacun correspond à une combinaison d’exons particulière. Une modalité de régulation de l’expression de l’information génétique chez les EucaryotesL’ARNm mature est enfin exporté vers le cytoplasme via les pores nucléaires.

D. Maturation des ARN de transfert et des ARN ribosomiaux1) Modifications chimiques et structure III des ARNt

Ces modifications concernent les ARNt procaryotes et eucaryotes, dont les organisations sont proches. Les ARNt sont des ARN contenant entre 70 et 90 nucléotides. Il existe à peu près autant d’ARNt que d’acides aminés. Chez les Procaryotes comme les Eucaryotes, les gènes d’ARNt forment des séquences alignées en tandem. Chez l’Homme, on connaît une 50aine de sites chromosomiques des gènes d’ARNt portant chacun 10 à 100 copies. La plupart du temps, un long précurseur ARN contenant plusieurs gènes est synthétisé (ARN polycistronique). Puis ce précurseur est clivé par une ribonucléase.

Rappel de la structure d’un ARNt. Ils subissent des modifications chimiques :- Certaines bases sont méthylées ou au contraire déméthylées. Il y a aussi des bases très modifiées

(atypiques) par exemple dont on ne détaillera pas la structure.- Les précurseurs d’ARNt subissent des clivages : des fragments sont retirés par exemple au niveau de la

boucle anticodon.- L’extrémité 3’ est toujours identique CCA –OH, ces 3 nucléotides sont ajoutés après la transcription. C’est

l’endroit où sera attaché l’acide aminé.Il y a aussi l’acquisition d’une structure 3D.

- Une bonne partie des bases sont appariées, formant 3 épingles à cheveux (structure en feuille de trèfle). Sauf au niveau de 3 boucles, dont la boucle anticodon ainsi que la partie CCA en 3’. On peut parler de structure II.

- Mais il y a aussi une structure III : les branches se replie, l’ARNt acquiert une forme en L. Des interactions hydrophobes stabilisent cette structure. On remarque que l’extrémité CCA 3’ est à l’opposé de la boucle anticodon.

Enfin, il y a activation de l’ARNt, c’est-à-dire association entre l’ARNt et son acide aminé. Ce processus implique la reconnaissance de l’acide aminé correspondant à l’anticodon de l’ARNt. L’activation est réalisée par l’aminoacyl


L’information génétique - 6ARNt synthétase. Cette enzyme catalyse la formation de la liaison covalente entre l’ARNt et son acide aminé. Il existe une vingtaine d’enzymes, spécifiques de chaque couple ARNt–aa.1ère étape : l’acide aminé réagit avec un ATP au niveau de son groupement COOH. Stockage d’énergie.2ème étape : Liaison entre le COOH de l’aa et l’extrémité 3’OH de l’ARNt. La rupture de la liaison ATP – aa fournit l’énergie pour la liaison aa-ARNt.Il s’agit d’une étape cruciale : c’est la véritable association anticodon – aa. C’est d’ailleurs une association très fidèle grâce aux propriétés de l’enzyme, qui possède :

- un site de reconnaissance de l’anticodon- un site de reconnaissance de l’aa- le site catalytique où se réalise la liaison mais aussi- un site de vérification – correction : la liaison est hydrolysée si l’aa est trop encombrant ou pas assez… elle

vérifie la nature de l’aa grâce principalement à des interactions faibles.2) Assemblage protéines ARNr dans les ribosomes

80 à 90% des ARN synthétisés sont en fait des ARNr.Chez les Eucaryotes, les gènes d’ARNr forment des familles répétées en tandem dans une région appelée l’organisateur nucléolaire (ON). L’ON des chromosomes X et Y de la Droso contient respectivement 250 et 150 copies en tandem des gènes d’ARNr. Ainsi, grâce à ces nombreuses copies, la cellule peut produire de grandes quantités d’ARNr. Toujours chez les Eucaryotes, on compte 4 sortes d’ARNr :

- Les ARNr 18S, 5.8S et 28S synthétisés via un seul précurseur qui est ensuite clivé en 3 morceaux. Synthétisés grâce à l’ARN pol II du nucléole.

- L’ARNr 5S est synthétisé séparément et par l’ARN pol III.Il existe des modifications chimiques comme des méthylations sur le ribose en des positions bien précises.Puis il y a acquisition d’une structure spatiale : formation de boucles double brin par appariement. Puis ces boucles sont elles mêmes repliées selon une organisation complexe. Les ARN correspondent toutefois à 2/3 des ribosomes, le reste étant des protéines. Ainsi :- les ARNr 5,8S, 28S et 5S s’associent à environ 50 protéines ce qui aboutit à la grosse sous unité (60S)- L’ARNr 18S s’associe à environ 30 protéines ce qui aboutit à la petite sous unité (40S)Les protéines ribosomiques sont synthétisées dans le cytoplasme, elles sont importées dans le noyau. Dans le noyau, l’assemblage protéines – ARN r se réalise. Enfin, la petite sous unité et la grosse sont exportées séparément via les pores nucléaires.Notons seulement la structure d’un ribosome procaryote : 30S + 50S = 70S. Dans les 2 cas, un ribosome est une très grosse structure : poids moléculaire en Mégadalton.On voit que tous les types d’ARN ont exportés vers le cytoplasme (pour les Eucaryotes) : comment vont-ils interagir? Quels sont leurs rôles précis dans le processus de traduction ?

II. LA TRADUCTION : ASSEMBLAGE DES ACIDES AMINÉS

A. Le code génétique : principe du codageLa traduction consiste à passer d’une information sous forme d’une séquence de nucléotides à une séquence en acides aminés. On dispose depuis le début des années 60 du dictionnaire nucléotides aa, c’est-à-dire le code génétique. Ne pas confondre l’information génétique et le code génétique.Le code génétique repose sur une équivalence entre un triplet de nucléotides (ou codon) et un aa. Le code génétique est le plus souvent donné avec les triplets de l’ARNm.Comme il y a 4 bases, le nombre de triplets possible est de 43=64. Or il n’y a que 20 acides aminés : il y a de la marge. En fait, le code est redondant : un acide aminé peut être spécifié par plusieurs triplets. Le plus souvent, seules les 2 premières bases sont signifiantes, la 3ème peut être indifférente. Par exemple la proline peut être spécifiée par CCA, CCC, CCU, CCG.Certains codons sont des codons stop : ils ne spécifient pas d’acide aminé, par contre ils commandent l’arrêt de la traduction. Par exemple UGA.Par contre, le code génétique est non ambigu : un triplet donné ne spécifie qu’un seul acide aminé ou est un codon stop.Le code génétique est non chevauchant : un nucléotide appartient à un codon et à un seul.Le code génétique est non ponctué : chaque nucléotide d’un ARNm appartient a un codon.


UTR5’

Shine Dalgarno

AUG Gène 1

Shine Dalgarno

AUG Gène 2

UTR3’

L’information génétique - 7Il résulte de l’ensemble de ces propriétés qu’un ARNm comporte 3 cadres de lecture potentiels. Mais un seul de ces cadres de lecture permet de fabriquer la protéine correcte. Il est donc important de commencer la traduction sur le bon nucléotide et de démarrer sur le bon cadre de lecture : quels sont les signaux le permettant ?Enfin, on peut noter que le code génétique est universel : il est le même pour toutes les espèces. A part qq différences par exemple entre le système nucléaire te mitochondrial.

B. Mécanismes de la traduction chez les Procaryotes1) L’initiation de la traduction

Nous disposons de 2 sous unités séparées de ribosomes, 1 ARNm, une vingtaine d’ARNt porteur de leur aa. Comment ces constituants indispensables s’assemblent-ils pour débuter la traduction ?Le signal du début de la traduction est très important : il détermine le cadre de lecture. S’il y a un décalage, toute la protéine synthétisée sera erronée.Chez les Procaryotes : Le codon initiateur est en général AUG (ce qui correspond à la méthionine). Mais la plupart du temps, un ARNt spécial, dit initiateur, est nécessaire : il possède l’anticodon (UAC) de la méthionine mais porte une méthionine modifiée : une méthionine formylée.On va voir que des protéines facteurs d’initiation sont aussi indispensables : IF1, IF2, IF3.La sous-unité 30S est associée aux différents IF (IF1, IF2 et IF3).

1- La première étape de l’initiation est la fixation de l’ARNm à la sous unité 30S. Le facteur IF3 stimule cette liaison.

2- Puis l’ARNt- formyl Met vient se lier au codon correspondant (AUG). Cette étape est activée par IF2. La synthèse doit commencer côté 5’ et avec le codon initiateur. Le vrai codon initiateur est reconnu de la façon suivante : il est associé avec une séquence particulière située qq nucléotides en amont (séquence riche en purine, dite séquence Shine Dalgarno). Cette séquence est en fait complémentaire d’un portion de l’ARNr de la petite sous unité : elle est ainsi reconnue. On a alors le complexe d’initiation 30S.

3- Enfin, la grosse sous unité (50S) vient s’assembler. Ce qui nécessite l’hydrolyse d’un GTP (lié à IF2). Puis IF2, IF3 et IF1 (rôle pas clair) sont libérées. C’est le complexe d’initiation 70S.

L’ARNt initiateur est alors au site P.Rmq : la formyl Met sera retirée à la fin de la traduction.Les ARNm procaryotes sont polycistroniques : ils portent la séquence copiée de plusieurs gènes. Il y a plusieurs sites de fixation de ribosomes.

2) L’élongation de la traduction

La traduction est réalisée par des polyribosomes : plusieurs ribosomes lisent un ARNm en même temps, il sont simplement démarré à des temps un peu différents.L’ARNm est lu de l’extrémité 5’ à l’extrémité 3’. La protéine est synthétisée de l’extrémité Nt à Ct.Après l’initiation les aa sont ajoutés selon un cycle à 3 étapes. Notre point de départ est : un peptide avec déjà 3 aa. Le dernier est encore lié à son ARNt, il est présent au site P. La liaison peptidique entre aa2 et l’aa3 est formée.1- L’ARNt portant l’aa suivant arrive au niveau du site A. Il y a interaction codon anticodon : les triplets sont complémentaires. En fait, il s’agit d’un système par essai erreur : s’il y a complémentarité, le complexe ARNt-aa reste fixé. La fixation de l’ARNt est facilitée par une protéine facteur d’élongation (EF-Tu). EF-Tu possède un site de fixation au GTP et se fixe aussi à l’ARNt-aa. Lorsque l’ARNt-aa se positionne au site A, le GTP est hydrolysé et le EF-Tu est libéré. Ce processus prend aa ms : si l’ARNt est incorrect, la fixation est lâche, il ne reste pas. Alors un autre est essayé. Si l’ARNt est correct, la liaison codon anticodon est suffisamment forte, l’ARNt reste. Il s’agit d’un système de vérification des erreurs : la fidélité est élevée . On remarque que le processus est coûteux en énergie.2- La 2ème étape correspond à la rupture de la liaison covalente entre l’ARNt et l’aa au site P. Cette rupture est exergonique. L’énergie libérée permet la formation de la liaison peptidique entre l’aa3 (site P) et l’aa4 (site A). On


L’information génétique - 8remarque que la liaison se fait entre le COOH de l’aa3 et le NH2 de l’aa4 (élongation de la protéine de Nt à Ct). La formation de la liaison peptidique est catalysée par l’activité peptidyl transférase de la grosse sous unité. Parallèlement, un changement de conformation permet le décalage de la grosse sous unité. C’est la translocation. L’ARNt du site A se retrouve au site P. L’ARNt du site P se retrouve au site E. La translocation est favorisée par un autre facteur de traduction EF-G, qui utilise aussi l’hydrolyse du GTP.3- Une nouvelle série de changements de conformation décale la petite sous unité de 3 nucléotides. Le ribosome est prêt à recevoir un nouvel ARNt au site A…

Un point important concernant la redondance du code génétique et la reconnaissance codon anticodon par l’ARNt. Certaines espèces d’ARNt peuvent apporter leur aa spécifique en face de plusieurs codons (synonymes). Ceci est possible grâce à un flottement (wobble) autorisé dans l’appariement des bases en 3ème position. Par exemple, un G en 3ème position de l’anticodon peut reconnaître U ou C. L’anticodon ACG peut par exemple reconnaître UGU et UGC correspondant à la cystéine. Il y a donc un seul ARNt pour les 2 codons de la cystéine. Mais il y a aussi des cas où certains aa sont acheminés au ribosome par différents ARNt alternatifs. Par exemple, la sérine est codée par 6 codons. Elle possède 3 ARNt (isoaccepteurs) avec des anticodons différents, ils sont capables grâce au flottement de reconnaître les 6 codons. Ils sont probablement transcrits à partir de gènes d’ARNt différents.

3) La terminaison de la traductionLa fin de la séquence codante de l’ARNm correspond à un des trois codons stop (UAA, UAG, UGA) : ils ne sont reconnus par aucun ARNt. Par contre, ils sont reconnus par des facteurs de libération RF (release factor).

- Le facteur de libération RF a une structure 3D qui mime un ARNt. Ainsi, il peut se fixer sur le site A face au codon stop.

- Un GTP est hydrolysé ce qui provoque l’addition d’une molécule d’eau à la protéine. Le dernier aa est libéré de son ARNt. La chaîne peptidique se spéare du ribosome.

- Puis le ribosome se dissocie de l’ARNm et les deux sous unités se séparent.A la fin de la traduction, la structure primaire de la protéine a été mise en place.Bilan : ADN en 1 copie

ARNm N copies fidélité de l’ARN polyméraseProtéine N’ copies fidélité de l’ARNt synthétase et de la traduction (EF-Tu)Il y a un phénomène d’amplification

Rappel de la localisation pour les Procaryotes et les Eucaryotes.

III. MATURATION POST TRADUCTIONNELLE ET ADRESSAGE DES PROTÉINES CHEZ LES EUCARYOTESComment une protéine acquière-t-elle sa structure II, II ou IV ? Comment subit-elle des modifications chimiques qui la rendent fonctionnelle ? Dans une cellule eucaryote, certaines protéines sont utiles dans le cytosol, le noyau, la mitochondrie… Comment sont-elles adressées vers les différents compartiments de la cellule ?

A. Les protéines sont adressées vers les différents compartimentsIl existe tout d’abord 2 voies possibles dès la traduction : certaines protéines sont synthétisées au niveau du REG d’autres dans le cytosol…

1) La voie du REGOn l’avait décrite déjà dans la CAP. Les protéines sécrétées, membranaires et lysosomiales sont synthétisées au niveau du REG.La 1ère étape est la fixation des ribosomes sur le REG. Une séquence signal présente en Nt (synthétisée au tout début de la traduction) de la protéine permet la fixation des ribosomes. La séquence signal comporte environ 20 aa hydrophobes. Elle est reconnue par des protéines SRP (Signal Recognition Proteins). Puis les protéines SRP reconnaissent et se fixent sur un récepteur (Récepteur aux SRP) présent sur la membrane du REG.Le polypeptide en élongation est pris en charge par une protéine de transfert (en position transmembranaire dans la mb du REG). Ainsi au fur et à mesure de la traduction, le polypeptide passe dans la lumière du REG. C’est la translocation, qui consomme d’ailleurs de l’ATP.A la fin de la traduction, la nouvelle protéine est intégralement dans la lumière. Le peptide signal est clivé.La protéine est modifiée dans le REG puis elle passe dans l’appareil de Golgi, où elle subit d’autres étapes de maturation (voir paragraphe suivant). Les protéines sont aussi triées et adressées, (envoyées vers un compartiment particulier). On utilisera l’exemple des protéines (hydrolases) à destination du lysosome.



- Les hydrolases lysosomiales sont glycosylées par ajout d’un mannose 6P, qui va jouer le rôle d’étiquette.- Le mannose 6P est reconnu par des récepteurs au niveau de la membrane de l’appareil de Golgi. Ce sont

des protéines dites cargo, elles permettent de rassembler toutes les protéines portant l’étiquette mannose6P. C’est l’étape de tri. Les protéines sont rassemblées dans des vésicules spécifiques.

- Les vésicules portent aussi des protéines d’adressage. Les protéines de la famille SNARE permettent la reconnaissance entre une vésicule et son organite de destination. Les protéines V-SNARE (vesicle) sont sur la membrane des vésicules. Les protéines T-SNARE (target) sont sur l’organite cible. Ici il y a un couple V-SNARE T-SNARE pour l’adressage vers le lysosome.

- Il y a bien sûr toujours recyclage des vésicules avec leurs protéines membranaires.2) La voie du cytosol

Pour toutes les autres protéines, les ribosomes sont libres dans le cytosol. Toutefois après la traduction, il peut y avoir différentes destinations : cytosol, noyau, mitochondrie… L’adressage repose aussi sur le principe du peptide signal : un fragment de la protéine est reconnu et permet de l’envoyer vers son compartiment de destination. Exemple des protéines nucléaires (histones, ADN polymérase…) : elles doivent traverser un pore nucléaire :

- le diamètre d’un pore nucléaire est de 9nm, toute molécule de taille inférieure à 9nm passe par simple diffusion.

- Les grosses protéines passent d’abord par une étape de ciblage : une protéine récepteur d’import reconnaît une séquence particulière (séquence signal) sur la protéine à importer dans le noyau. La séquence signal est par exemple une succession de 4 à 8 aa basiques, chargés +.

- La protéine récepteur d’import interagit d’une part avec la séquence signal et d’autre part avec les protéines du pore nucléaire (côté cytosol).

- Le pore nucléaire se dilate alors (jusqu’à 26 nm), ce qui permet le passage de la protéine nucléaire à importer. Mais la dilatation est coûteuse en énergie (consommation d’ATP). On voit un nouvel exemple du coût induit par la compartimentation.

(pas nécessaire)


L’information génétique - 10Bilan (facultatif) :

B. Les protéines subissent des modifications après la traduction1) Maturation « chimique »

La glycosylation est une des modifications les plus courantes. La première a lieu dans le REG alors même que la traduction n’est pas achevée. Elle consiste à fixer un groupement oligosaccharide à 14 oses, par liaison N glycosidique sur une Asparagine. A ce stade, le motif est le même pour toutes les protéines. Le donneur du groupement oligosaccharide est un glycophospholipide, le dolichol diP. La réaction est catalysée par un oligosaccharide transférase.

Dans l’appareil de Golgi, le motif oligosaccharide est modifié, par ajout ou retrait d’oses. Chaque protéine ou groupe de protéine acquiert une étiquette glucidique particulière : par exemple les protéines lysosomiales portent une étiquette avec un mannose 6P. La glycosylation est fondamentale pour le tri des protéines.Clivages. Par exemple, les séquences signal sont clivées après le transport. Mais on a aussi vu que les proenzymes du pancréas sont clivées après leur sécrétion ce qui est nécessaire à les rendre fonctionnelles.Formation des ponts disulfure : entre 2 cystéines. Par exemple, l’insuline comporte plusieurs ponts disulfures qui participent à la structure III de la protéine.Phosphorylation : les protéines peuvent aussi être modifiées par phosphorylation.Rmq : il existe plus de 100 types de modifications covalentes connues : nécessairement pas exhaustif.

2) Repliement des protéinesLe repliement des protéines correspond à l’acquisition des structures II, III, IV (voir donc le cours sur les protéines). Le repliement commence la plupart du temps durant la traduction. La mise en place des liaisons faibles (interactions hydrophobes, liaisons H, interactions ioniques ou de van der waals) se fait de façon spontanée. En effet, le repliement permet d’atteindre un état plus stable de moindre énergie.Toutefois, souvent le repliement est guidé par des protéines chaperones. Le principe général est le suivant : le repliement commence, si il prend un mauvais chemin, les chaperons catalysent une correction du repliement. Si malgré tout, le repliement est mauvais, que les chaperons ne réussissent pas à corriger, alors la protéine mal repliée est détruite par une protéase.Exemple : chez E. coli on a découvert des protéines hsp (heat shock proteins). Elles sont en effet synthétisées en grande quantité lors d’une augmentation de la température, situation où les protéines se replient plus mal.


L’information génétique - 11Exemple de hsp 70 : ce sont de petites protéines globulaires qui interagissent avec les zones hydrophobes du peptide (qui ne devraient pas âtre accessibles avec un repliement correct). En hydrolysant l’ATP, les hsp 70 provoque un changement de conformation : en principe, le repliement est meilleur et hsp 70 se libère. Mais le mauvais repliement peut persister, la protéine mal repliée est alors détruite.Si le repliement ne se fait pas correctement, les protéines ont tendance à s’agréger. Ainsi la maladie d’Alzheimer est due à une accumulation de d’agrégat de protéines provoquant une dégénérescence des cellules nerveuses. Les maladies de Creutzfeld Jacob, maladies à prions sont aussi dues à des protéines mal repliées. Qui en plus forcent des protéines fonctionnelles à s’agréger.

IV. LE CONTRÔLE DE L’EXPRESSION DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE

A. L’opéron est l’unité d’expression et de contrôle chez les Procaryotes1) Répression – induction par le lactose : un contrôle négatif

Les bactéries sont des organismes capables de répondre très rapidement à un changement dans leur environnement. Par exemple, elles sont capables de réaliser différentes voies métaboliques selon les métabolites disponibles (arabinoses, lactose, glucose…). La cellule est en fait capable de synthétiser les enzymes de certaines voies métaboliques et de réprimer complètement la synthèse d’autres enzymes inutiles. Par exemple : E. coli peut utiliser le lactose comme seule source de carbone. La voie métabolique utilise la galactosidase qui hydrolyse le lactose en glucose + galactose. Une perméase est aussi indispensable : elle permet l’entrée du lactose dans la cellule. On peut mesurer la quantité de galactosidase produite par la cellule en absence ou en présence de lactose.Résultat : en présence de lactose, la quantité d’enzyme augmente dans la cellule.Interprétation : le lactose active la synthèse de l’enzyme galactosidase. Il a été montré par ailleurs qu’il s’agit bien d’une synthèse accrue d’enzyme et pas d’une activation d’un précurseur préalablement présent. On dit que l’enzyme est inductible. Le lactose est l’inducteur.

Dans les années 50, les chercheurs français François Jacob et Jacques Monod ont décrypté le contrôle du métabolisme du lactose, le mécanisme par lequel la synthèse de galactosidase est activée en présence de glucose.En fait, le système comprend 3 gènes dits de structure codant pour les enzymes :- Galactosidase : gène Z- Perméase : gène Y- Transacétylase : gène A, une troisième enzyme non indispensable, rôle encore peu clair.Les 3 gènes sont adjacents sur le chromosome bactérien. Ils sont transcrits en une seule molécule d’ARNm polycistronique. La traduction permet de fabriquer les 3 protéines différentes.

Jacob et Monod ont isolé des mutants du métabolisme du lactose, certains sont incapables de synthétiser une des 3 protéines, par exemple le génotype z-y+a+, est incapable de fabriquer la galactosidase. Ils ont isolé un mutant particulièrement intéressant, appelé mutant constitutif, noté I - : il fabrique en permanence (avec ou sans inducteur) de grandes quantités des 3 enzymes. Etude des mutants I - : poly.Bilan : la séquence i est une séquence de contrôle (ou gène de contrôle par opposition aux gènes de structure). Le taux de synthèse des trois protéines est contrôlé par un élément commun différent des 3 gènes de structure, appelé alors i. L’hypothèse la plus simple est que la protéine issue du gène i est un répresseur de la synthèse des enzymes. L’allèle i+ est transdominant : le gène i code effectivement pour une protéine diffusible, élément de contrôle TRANS

Si ces hypothèses sont vraies, on peut imaginer qu’il existe une séquence sur l’ADN, reconnue par la protéine i répresseur. Ainsi, la protéine i pourrait se fixer sur l’ADN et agir.Jacob et Monod ont identifié une autre catégorie de mutants constitutifs : les mutants Oc. Etude des mutants Oc : polyBilan : Le phénotype est aussi un phénotype constitutif, la séquence O est une séquence de contrôle. O a un effet répresseur sur la synthèse des protéines de structure. Mais O+ est seulement cis dominant : O ne code pas pour une protéine de contrôle diffusible, O correspond à une séquence ADN non transcrite, qui agit comme un « anti-promoteur ». O pourrait être la séquence reconnue par la protéine i.



Après de nombreuses autres expériences de génétique, Jacob et Monod ont proposé un modèle structural et fonctionnel de l’opéron lactose.Le gène I codant pour le répresseur est proche des gènes de structure ZYA. Deux sites régulateurs sont présents entre I et les gènes ZYA. Le site P correspond au site promoteur, sur lequel se fixe normalement l’ARN polymérase (boîte TATA …). Il y a aussi le site O (opérateur), comprenant une 20aine de bases : c’est le site sur lequel se fixe la protéine i répresseur. En effet le répresseur reconnaît spécifiquement une courte de séquence du site O situé en amont (en cis) du gène Z, ainsi le répresseur i n’agit que sur le groupe de gènes concernant le lactose. L’ensemble i p o z y a forme donc un opéron: une unité génétique d’expression coordonnée. En absence de lactose (ou d’autres inducteurs) le répresseur i se fixe sur le site o, il empêche alors l’ARN polymérase de réaliser la transcription des gènes ZYA. Il s’agit donc d’un contrôle négatif.En présence d’inducteur, par exemple de lactose, il se forme un complexe lactose répresseur. La protéine change de conformation et son affinité pour le site o baisse considérablement. L’ARN polymérase peut alors se déplacer de son site promoteur vers les gènes de structure et les transcrire.

Le répresseur lac i est un protéine en tétramère, 4 sous unités identiques. Elle possède un site reconnaissant la séquence o et caque peptide possède un site de fixation de l’inducteur (lactose et certains de ses analogues). Il est intéressant de remarquer que la séquence o présente une symétrie tout comme le répresseur lui-même, ce qui permet l’établissement de liaisons faibles entre la protéine et l’ADN.

2) Activation par le complexe AMPc – CAP : un contrôle positifUn système de contrôle vient en amont de l’induction par le lactose. Si glucose et lactose sont présents en même temps, le glucose est utilisé préférentiellement par la cellule. En fait, la synthèse de la galactosidase n’est pas induite tant que le glucose n’a pas été complètement consommé. La présence de glucose influence la concentration d’AMP cyclique (AMPc). L’AMPc peut former un complexe avec une protéine CAP (Catabolite Activator Protein). Le complexe CAP-AMPc peut se fixer sur l’ADN au niveau d’un site spécifique situé juste en amont du site promoteur. Lorsque le complexe CAP-AMPc est fixé, l’affinité de l’ARN polymérase pour le site promoteur est élevée et la transcription a lieu. Il s’agit bien d’un contrôle positif. Commet se système intervient-il dans le métabolisme du glucose et du lactose ?- Glucose présent, lactose absent. Si le glucose est présent, un produit de son catabolisme inhibe la formation de l’AMPc. Le complexe CAP-AMPc ne se forme pas il n’y a pas activation de la transcription. De plus en l’absence de lactose, le répresseur inhibe cette transcription.- Glucose présent, lactose présent. Le lactose est présent, formation du complexe répresseur inducteur, potentiellement la transcription a lieu. Mais le niveau AMPc est faible. Pas d’activation de la transcription. La transcription a lieu mais quantité d’ARNm produit faible.- Glucose absent, lactose présent. Complexe inducteur répresseur permet la transcription. Complexe AMPc – CAP active la transcription : beaucoup d’ARNm produits.Bilan : la cellule peut activer ou réprimer la transcription de chaque gène ou groupe de gènes. La cellule module l’activation ou la répression de la transcription en fonction des conditions environnementales.

B. Condensation de la chromatine et complexe d’initiation de la transcription participent au contrôle chez les Eucaryotes

Les Eucaryotes peuvent être des pluricellulaires, chaque cellule d’un organisme contient le même génome : bien sûr le même nombre de chromosomes propre à l’espèce mais de plus la même information (la même séquence) sur son ou ses jeux de chromosomes (les mêmes allèles). Par exemple, on peut prélever des cellules de carotte différenciées, les mettre en culture, isoler une cellule et régénérer un individu entier à partir de cette cellule. La manipulation est plus compliquée chez les animaux : mais on peut prélever un noyau de cellule différenciée, et le mettre à la place d’un noyau d’ovocyte et reconstituer ainsi un nouvel organisme. (cf. Expérience de Gurdon). Par contre, chaque type de cellule différenciée produit un ensemble spécifique de protéines, propre à sa fonction (cf. expérience de l’ARN dans la partie 1). L’expression des gènes est contrôlée à « long terme » . De plus, les quantités et types de protéines produites varient en fonction de l’environnement : par exemple la synthèse des enzymes digestives peut être activée par certains signaux (hormonaux ou nerveux) en fonction d’un apport de nutriments ou d’un jeûne. Il s’agit plus d’un contrôle à court terme.Le contrôle de l’expression peut se faire à différentes étapes de la synthèse des protéines : de l’ADN à une protéine mature Le mécanisme majeur de contrôle se situe néanmoins au niveau de la transcription.


L’information génétique - 13 Chez les Eucaryotes, l’initiation de la transcription est très étroitement liée à la régulation. Le complexe d’initiation de la transcription.Comme chez les Procaryotes, il existe des séquences en cis impliquées dans la transcription. Le promoteur central correspond à la zone du début du gène à la boîte TATA (vers -30pb). Les éléments proches du promoteur (éléments proximaux) sont des séquences distantes de 100 à 200 pb du site du début de transcription. Des facteurs généraux de transcription (transcription factors, TF) se fixent au niveau de ces promoteurs, en particulier une protéine de fixation à la boîte TATA. Ils permettent à l’ARN polymérase II de se fixer sur l’ADN et à débuter la transcription. On les appelle facteurs généraux car ils sont nécessaires pour que l’ARN pol débute la transcription, mais ils n’assurent en général qu’un faible niveau de transcription. On compte près d’une dizaine de facteurs généraux de la transcription. L’ensemble des facteurs généraux de transcription et de l’ARN pol forme le complexe d’initiation de la transcription.

Il existe aussi des séquences éloignées : les enhancers (=amplificateurs) sont des séquences impliquées dans l’activation de la transcription. Les silencers au contraire sont impliqués dans la répression de la transcription. Ils ont en commun d’être situés à grande distance du site de la transcription : 50kb voire plus. De plus, ils peuvent être situés en amont ou en aval du gène, ou encore à l’intérieur du gène. La plupart des modèles expliquant le rôle des enhancers impliquent des boucles de l’ADN, rapprochant séquence enhancer et zone de transcription. Le fonctionnement implique des protéines activateurs qui se fixent à l’ADN au niveau des enhancers. Ainsi que des co-activateurs (de nature protéique aussi) qui font le lien entre les activateurs et le complexe d’initiation de la transcription.Les enhancers peuvent être spécifiques de certains tissus. Par exemple, la vitellogénine est une protéine fabriquée dans deux organes chez la Drosophile : dans les ovaires ou des les corps gras (qui jouent le rôle de foie chez la mouche). Dans les 2 cas, la vitellogénine est transférées aux réserves des ovocytes. L’expression de ce gène est sous le contrôle de 2 enhancers, l’un est actif dans l’ovaire, l’autre est actif dans le corps gras. Un enhancer intervient spécifiquement selon le tissu, son rôle est directement lié aux protéines activateurs et co-activateurs.

Des signaux de niveaux supérieurs intracellulaires ou extracellulaires sont souvent nécessaire dans cette voie d’activation de la transcription. Un exemple connu est celui des hormones stéroïdes, par exemple les hormones thyroïdiennes. Ce sont des hormones hydrophobes, capables de traverser la mb plasmique et de rentrer dans la cellule. A l’intérieur de la cellule, elle se fixe à un récepteur intracellulaire protéique. Ce récepteur possède 2 domaines : l’un de fixation à l’hormone, l’autre de fixation à l’ADN. Le récepteur est fixé constitutivement à une séquence « enhancer » particulière : HRE élément de réponse à l’hormone. HRE est situé en général en amont du gène cible (côté 5’ du brin codant). Remarque : le récepteur a une structure dimérique. Toutefois, en l’absence d’hormone (=en l’absence de ligand), un co-répresseur vient interagir avec le récepteur, et la transcription est inhibée. En présence de l’hormone, le co-répresseur est libéré, un complexe co-activateur (protéines intermédiaires) se forme : la transcription de certains gènes spécifiques est ainsi activée. Un des modes d’action est la stabilisation du complexe de préinitiation : TFIID et TBP, ce qui enclenche l’initiation de la transcription.

Enfin, la structure de la chromatine est un élément important du contrôle de la transcription. On a remarqué que les gènes exprimés dans un type cellulaire se trouvent toujours dans l’euchromatine moins condensée (cf. support de l’information génétique, niveau fibre 300nm de diamètre, boucle décondensée). Il existe donc des protéines qui contrôlent le niveau de condensation de la chromatine et les interactions avec les histones, permettant ainsi le passage de l’ARN polymérase. Apparemment, l’organisation en nucléosomes n’empêche pas le passage de l’ARN pol :

- le complexe avec les histones est défait avant son passage remis en place ensuite (facteurs protéiques de réorganisation des nucléosomes) Des protéines modifient aussi la structure de la chromatine en remodelant les nucléosomes.

- Les histones acétylases catalysent l’acétylation des histones ce qui tend à déstabiliser la structure de la chromatine et donc à faciliter la transcription. L’acétylation modifie la répartition des charges (+) et diminue l’interaction ionique avec l’ADN.

On peut reprendre l’exemple des hormones thyroïdiennes, lorsque le complexe hormone récepteur est formé, il existe une activité d’acétylation des histones, ce qui déstabilise les nucléosomes et décondense la chromatine, toujours par le biais du complexe co-activateur. A l’inverse, la répression de l’expression d’un gène passe souvent par la compaction de la région concernée (en hétérochromatine), grâce au co-répresseur, en absence d’hormone.



Par contre, les régions de contrôle (promoteurs, amplificateurs…) semblent être impérativement décondensées : sans même la structure en nucléosomes. Elles sont accessibles à l’interaction avec les différentes protéines activatrices de la transcription. De telles modifications locales de la chromatine permettent un accès facilité à l’ADN pour les facteurs de transcription et l’ARN pol. Avant même l’initiation proprement dite donc.Bilan : - un promoteur eucaryote peut accueillir plus de 10 à 15 protéines dans le complexe d’initiation de la transcription

- Un amplificateur peut aussi être sous la dépendance d’une douzaine de protéines- Le contrôle de la condensation de la chromatine requiert aussi de nombreuses protéines…

C. Le contrôle de l’expression implique des protéines se liant à l’ADNLe répresseur lac, les protéines activateurs (facteurs de transcription) des Eucaryotes sont des protéines capables de se lier à l’ADN : elles établissent des liaisons faibles avec l’ADN. On retrouve des caractéristiques générales parmi les protéines de contrôle de la transcription se liant à l’ADN.On a vu que l’ADN est une molécule chargée négativement (présence des groupements phosphate) interaction ioniques, les bases azotées forment un environnement globalement hydrophobe interaction hydrophobes. Néanmoins, certains atomes N ou O des bases peuvent être des accepteurs pour des liaisons H, et des atomes d’H peuvent être des receveurs. Les bases sont plus facilement accessibles au niveau du grand sillon, et la formation de liaisons H est plus facile dans le grand sillon aussi. Les protéines facteurs de transcription ou se liant à l’ADN montrent des motifs en nombre restreint.Les facteurs de transcription se lient en générale à des séquences particulières qu’ils reconnaissent.Les facteurs de transcription se lient aux séquences de contrôle : aux promoteurs, aux amplificateurs…motif exemple Structure et interactions avec l’ADNHélice boucle hélice (H-T-H)

CAP, répresseur lacProtéines à homéodomaine (stm et wus du MAC)

L’angle entre les 2 hélices est constant, par interactions faibles entre les hélices. L’hélice « de reconnaissance » se fixe dans le grand sillon. La séquence en aa joue un rôle important dans la reconnaissance d’une séquence ADN particulière. Interactions faibles entre hélice de reconnaissance et les bases azotées. Le plus souvent protéines en dimères, montrant le motif H-T-H en symétrie.

Doigt de zinc Récepteur aux glucocorticoïdes (hormones stéroïdes)

Exemple : une hélice α et liée à un feuillet β par un atome de Zn. Cete unité peut être répétée et les hélices α interagissent avec le grand sillon. On trouve souvent des His et des Arg dans les hélices, acides aminés basiques, chargés + interagissant avec les charges – de l’ADN.

Leucine zipper Facteur de transcription Gcn4 de la Levure, métabolisme des aa

2 hélices α forment un dimère par interaction entre les aa hydrophobes, leucines majoritairement. Il se forme un motif hélicoïdal de niveau supérieur en forme de Y, les deux branches interagissent avec les grands sillons. Homodimère ou hétérodimères possibles.

Hélice boucle hélice (HLH)

protéines de la famille MyoD

Une hélice α courte reliée à une hélice α longue par une boucle. 2 motifs s’associent en dimère (homodimère ou hétérodimère). La grande hélice interagit avec le grand sillon, les petites hélices maintiennent le dimère (interaction hydrophobe par exemple)

V. LES VIRUS, DES PARASITES DU SYSTÈME D’ÉXPRESSION DES CELLULESA. Cycle lytique et lysogénie du bactériophage λ

Le phage lambda est hébergé par la souche K12 d’E. coli. Phage à ADN double brin. Tête icosaédrique (55nm de diamètre), assemblage protéique, contient l’ADN. La tête est prolongée par une queue protéique, non contractile ; terminée par une fibre caudale. L’ADN est une molécule linéaire, avec des extrémités simple brin collantes, elles sont complémentaires et peuvent s’apparier. Le génome de lambda a été cartographié avec précision, plus de 40 gènes ont été localisés. Le phage lambda peut réaliser un cycle lytique :- Adsorption à la cellule hôte et pénétration . Plus mal connues que chez T4. L’adsorption se fait grâce à la partie caudale. Le virus reconnaît un récepteur particulier sur la surface de la cellule hôte : glycolipides ou protéines de la paroi par exemple. Le virus libère une enzyme capable de lyser la paroi de la bactérie. Le virus fait alors passer l’ADN à l’intérieur de la cellule hôte (seule l’ADN pénètre).


L’information génétique - 15- Synthèse des acides nucléiques et des protéines du phage . Immédiatement après l’entrée du phage dans la cellule, l’ADN est circularisé. L’ADN ligase de la bactérie catalyse la formation des dernières liaisons. Puis la transcription commence : l’ARN polymérase de la bactérie transcrit les gènes du phage. Elle peut se fixer sur le promoteur précoce, et transcrit alors dans un sens ou l’autre. Une première catégorie d’ARNm est synthétisés : les ARNm précoces (avant la réplication de l’ADN). Les ARNm précoces permettent la synthèse de protéines nécessaires à détourner le métabolisme de la cellule hôte et à synthétiser les nouveaux acides nucléiques viraux. En particulier, des endonucléases sont synthétisées qui catalysent la destruction de l’ADN bactérien.La réplication intense de l’ADN du phage est la 2ème phase (implique des protéines bactériennes et du phage). Puis les ARNm tardifs sont produits : c’est la transcription puis la traduction des protéines impliquées dans la synthèse et l’assemblage de nouvelles capsides. Protéines de la tête, de la queue mais aussi des protéases nécessaires à l’assemblage.La transcription et la traduction utilisent la machinerie enzymatique de la bactérie : ARN polymérase, ribosome, ARNt… Les virus sont des parasites du système d’expression de leur hôte.- Assemblage des particules du phage . Les protéines de la capside s’assemblent et reconstituent des virions. Puis l’ADN est inséré dans la tête.- Libération des particules phagiques : Une protéine de lyse provoque l’éclatement de la bactérie et des centaines de nouveaux virus sont libérés. Pour T4, 200 phages libérés après un cycle de 30 minutes environ. Au niveau d’une colonie de bactéries dans une boîte de Pétri, on observe une plage de lyse.Le phage lambda a la particularité d’être un phage dit tempéré, capable de réaliser une interaction différente avec l’hôte : la lysogénie. Les premières étapes sont similaires : le phage s’adsorbe sur la bactérie et réalise l’injection de son ADN. La molécule d’ADN se circularise une fois dans le cytosol. Mais ensuite l’ADN du phage s’intègre dans le chromosome bactérien, en un site spécifique du chromosome de la bactérie. L’ADN du phage est donc répliqué en même temps que l’ADN de la bactérie à chaque cycle de division. Les bactéries d’une même colonie sont ainsi toutes porteuses du phage à l’état latent (appelée alors prophage). Les bactéries sont dites lysogènes. On a remarqué que la lysogénie a lieu lorsque les conditions sont favorables pour la division des bactéries. Dans certaines conditions (stress nutritionnel, lumière UV, substances chimiques toxiques…) il y a induction : le prophage s’excise, se circularise puis s’exprime et se réplique. Le phage reprend donc un cycle lytique. Il existe bien sûr un contrôle moléculaire du passage d’un état à l’autre. A l’état lysogénique : un répresseur bloque la synthèse des autres protéines et active la sienne. L’induction provoque la synthèse de la protéine Cro, qui bloque la transcription du répresseur, et permet la synthèse des autres protéines. C’est une sorte de commutateur moléculaire.

B. Un virus à ARN des cellules végétales : le virus de la mosaïque du tabacLe VMT est un virus à symétrie hélicoïdale. Il a une forme de bâtonnet/cylindre d’une longueur de 300nm pour un diamètre de 18nm. La capside est constituée de 2130 sous unités protéiques identiques (capsomères). Les capsomères s’enroulent en hélice autour de l’ARN, laissant un petit cylindre libre au centre. L’ARN s’enroule lui aussi en hélice, il s’agit d’un ARN monocaténaire (+) qui peut donc subir directement la traduction. La molécule unique d’ARN comporte 6400pb et code pour 6 protéines.Les symptômes de l’infection d’un plant de tabac par le VMT sont : des plages plus claires sur les feuilles, indiquant une nécrose des cellules. Mosaïque verte ou blanche. Les feuilles gaufrées deviennent filiformes et ont tendance à s'enrouler. Le virus peut passer de cellules en cellules via les plasmodesmes, sous forme d’ARN. En effet, le virus code pour une protéine, MP qui peut se lier à l’ARN et contrôler l’ouverture des plasmodesmes.L’ARN monocaténaire (+) mime un ARNm eucaryote et peut être traduit directement : il possède une queue polyA en 3’ et une coiffe de méthyl guanosine en 5’. Le virus détourne aussi les enzymes (de la traduction en particulier) de la cellule hôte au profit de la synthèse de ses propres protéines.

- des protéines précoces dites aussi métaboliques, des enzymes comme des protéases qui permettent de bloquer les synthèses de la cellule hôte, d’inhiber la transcription, la traduction ou la réplication.

- Puis c’est la traduction des protéines de structure : les capsomères.- La réplication de l’ARN du VMT peut avoir lieu, grâce à une réplicase du virus. Elle permet la synthèse

d’un ARN complémentaire (ARN -) qui sert de matrice.


3’ 5’ARN+

U A C G G

ARN-3’5’

A U G C C

Nombreux ARN +

protéines

encapsidation

ARN (-)


Il y a encapsidation : assemblage des capsomères autour des ARN (+) produits. Processus spontané, auto assemblage. Les virus ainsi formés infectent d’autres cellules et le cycle reprend.

C. Un virus du système immunitaire humaine : le VIHLe virus du sida fait partie de la famille des lentivirus. Il s'agit d'un virus possédant un génome sous forme d'ARN, contenu dans une capside protéique, elle même entourée par une enveloppe formée d'une membrane lipidique. On distingue actuellement deux types de VIH : le VIH-1 et le VIH-2. Ces deux virus sont très proches (42 % d'homologie au niveau de leur génome). Le VIH-1 est le plus répandu : ce dossier traite essentiellement de ce virus (quelques distinctions entre ces deux virus seront toutefois dégagées). Structure du génome viral Le génome du virus du SIDA se compose d'un ARN simple brin de 9181 nucléotides. Il comporte trois gènes principaux (Gag, Pol, et Env), ainsi que quelques gènes de régulation, de petite taille. Il comporte de plus des séquences spécifiques, situées à ses extrémités (5'UTR et 3'UTR - UTR = région non transcrite "UnTranscribed Region"). Remarque : En plus des trois gène "de structure" (gag, pol et env), le virus du SIDA possède six gènes codant pour des protéines régulatrices. Ces protéines sont particulièrement importantes dans l'accomplissement de la réplication, de la transcription, de l'export des ARN viraux du noyau, etc. Leur expression est complexe. Ces six gènes sont caractéristiques de la famille des lentivirus, à laquelle appartient le VIH.Une fois rétrotranscrit sous la forme d'un ADN double brin (voir cycle), il s'exprime par le biais de deux ARN messagers, qui aboutissent à la synthèse de trois protéines. Ces protéines sont ensuite clivées par des protéases, pour aboutir aux différentes protéines virales : Cycle du virus du SIDA Le virus du SIDA présent dans le sang est capable de se fixer à des cellules particulières du système immunitaire : les lymphocytes T4. Ces lymphocytes sont ainsi nommés, car porteurs de la protéine transmembranaire CD4. La fixation du virus à ces cellules fait intervenir CD4 (reconnu par la protéine gp120 du virus), ainsi que d'autres protéines membranaires (les co-récepteurs) (voir "entrée du virus"). A partir de cette fixation, le matériel génétique du VIH peut pénétrer dans le lymphocyte. La bicouche du virus fusionne avec la membrane de la cellule, puis le matériel géntique entouré des 2 capsides pénètre dans la cellule.Il est à noter que le VIH peut en fait infecter de nombreux types cellulaires différents. Nous nous limiterons ici à l'exemple des lymphocytes T4.Une fois dans le cytoplasme, l'ARN du virus est rétrotranscrit en ADNc double brin. Cet ADNc pénètre dans le noyau, et s'intègre au génome de la cellule hôte. L'expression des gènes du virus permet alors la fabrication des protéines du virus. Assemblées, elles permettent la formation de nouveaux virions, qui bourgeonnent de la cellule, en s'entourant au passage d'une membrane (héritée de la cellule infectée). Ceci permet la libération de nouveaux virus dans le sang de l'organisme infecté.Il est à noter que l'expression du génome viral se réalise grâce à la machinerie de transcription (puis de traduction) de la cellule infectée.



Légende(1) attachementLe virus se fixe sur le lymphocyte T4, par reconnaissance entre la protéine virale gp120 et la protéine CD4 du lymphocyte (ainsi qu'un co-récepteur).

(5) traductionAprès avoir été transcrits par l'ARN polymérase de la cellule, les ARN messagers viraux sont traduits en trois précurseurs protéiques. Ces précurseurs sont clivés par des protéases, pour donner les différentes protéines du virus.

(2) pénétrationLes deux membranes (du virus et du lymphocyte) fusionnent, ce qui permet la pénétration de la nucléocapside (les deux capsides + le matériel génétique, etc.) du virus dans le cytoplasme.

(6) assemblageLes protéines virales et l'ARN viral (transcrit par ailleurs) sont associés pour reformer des virus (sans la membrane). Les protéines virales membranaires sont intégrées à la membrane du lymphocyte.

(3) décapsidationLes deux capsides se dissocient, libérant l'ARN viral dans le cytoplamse.

(7) bourgeonnementLe virus bourgeonne, emportant un fragment de la membrane plasmique du lymphocyte (qui contient uniquement les protréines membranaires virales).

(4) réverse transcription et intégrationGrâce à la réverse transcriptase virale, l'ARN viral est rétrotranscrit en ADN double brin. Cet ADN pénètre dans le noyau, où il s'intègre au génome du lymphocyte. Il est ensuite transcrit en ARN.

(8) libérationLes nouveaux virus sont libérés dans le milieu intérieur. Ils peuvent infecter de nouveaux lymphocytes T4.

Bilan sur les virus : - état acaryote. Les virus ne possèdent pas une structure cellulaire, même si certains sont entourés par une

enveloppe constituée d’une bicouche lipidique. - Ce sont des parasites absolus :

Sur le plan énergétique : ils n’ont pas de catabolisme énergétique, ils ne sont pas capables de synthétiser de l’ATP. Ils utilisent l’ATP produit par la cellule hôte. Les virus n’ont pas non plus d’anabolisme, ils ne sont pas capables de synthétiser les molécules de base qui les constituent. Ils utilisent les monomères présents dans la cellule (nucléotides, acides aminés…)… … Et ils utilisent aussi les enzymes de la cellule-hôte. En effet, avec un génome très petit (quelques gènes à qq centaines de gènes…) : ils ne codent aucun ARNr, pas d’ARNt, très peu d’enzymes. Ils ne peuvent exprimer leurs gènes et synthétiser leurs protéines (capside ou autre) sans la machinerie enzymatiques et les ribosomes de la transcription et de la traduction de l’hôte. Ils sont incapables de répliquer leur acide nucléique sans la machinerie enzymatique de l’hôte.

La question reste : les virus sont-ils des êtres vivants ? Bien sûr cela dépend de la définition d’être vivant choisi. Si le critère est : capacité de se reproduire de façon autonome alors non. Remarque : comparer avec d’autres types de parasites : la dépendance est énergétique, le parasite détourne des nutriments uniquement.- caractère pathogène des virus, pb de lutte pour les cultures (VMT) mais aussi pour les infections humaines (VIH par ex) puisqu’on n’a pas l’équivalent des antibiotiques, les vaccins sont souvent difficiles à mettre au point…- Exploitation en génie biologique les virus sont utilisés comme vecteurs d’ADN puisqu’ils sont capables d’injecter de l’ADN dans une cellule hôte, voire de s’insérer dans son génome (bactériophages très utilisés).

Conclusion : L’expression de l’information génétique est un processus dont la fidélité est contrôlée :- La transcription n’est toutefois pas aussi fidèle que la réplication (il ne s’agit « que » d’une copie

transitoire)- L’aminoacyl ARNt synthase contrôle l’association anti-codon / acide aminé- Lors de la traduction, l’association codon - anticodon est contrôlée.

Le niveau d’expression est contrôlé :


L’information génétique - 18- importance des promoteurs- contrôle principalement sur la transcription, système des opérons (contrôle positif ou négatif), facteurs de

transcription eucaryotes- La cellule exprime un jeu de protéines conformément à sa différenciation (cellules eucaryotes) et s’adapte

à son environnement et ses besoins (opéron lactose, réponse à des hormones)- Le contrôle de la transcription repose sur des interactions protéines ADN, passant des liaisons faibles- Sujet de recherche en pointe : les microARN découverts à la fin des années 90. Des gènes transcrits en

ARN qui viennent empêcher la traduction en se fixant sur l’ARNpm (ARN interférents) ou induire la destruction de l’ARNm.

- Chez les Eucaryotes, l’épissage alternatif est aussi une voie importante de la régulation de la synthèse des protéines.

Tout dérèglement, à chaque niveau peut avoir des conséquences :- mutations dans les séquences codantes : maladies génétiques comme les myopathies, héréditaires.- Mutation dans les séquences de contrôle, affectent la quantité de protéine produite- Pb dans la réception de certains signaux de contrôle (récepteurs d’hormone)- Pb de repliement et de maturation des protéines (maladies à prions)

La génomique est une approche actuelle globale, qui permet d’étudier la quasi-totalité des protéines synthétisée par une cellule dans une situation donnée.Achetez et lisez Dossier PLS Génome humain et médecine janvier/Mars 2005 : Les trésors cachés du génome humain, Les puces à ADN, Les ARN sur tous les fronts et des gènes furtifs


L’INFORMATION GENETIQUE

PARTIE 3. EXPRESSION DE L’INFORMATION GENETIQUE

I. La transcription : synthèse et maturation des ARNA. Quelques données expérimentales sur le rôle de l’ARN

1) De la nécessité d’un intermédiaire entre l’ADN et les protéines2) Les ARN sont synthétisés à partir d’une matrice d’ADN

B. La synthèse des ARN chez les Procaryotes : étape de transcription1) L’ARN polymérase de E. coli2) L’initiation de la transcription3) L’élongation de la transcription4) La terminaison de la transcription

C. Synthèse des ARN et maturation de l’ARN messager chez les EucaryotesD. Maturation des ARN de transfert et des ARN ribosomiaux

1) Modifications chimiques et structure III des ARNt2) Assemblage protéines ARNr dans les ribosomes

II. La traduction : assemblage des acides aminésA. Le code génétique : principe du codageB. Mécanismes de la traduction chez les Procaryotes

1) L’initiation de la traduction2) L’élongation de la traduction3) La terminaison de la traduction

III. Maturation post traductionnelle et adressage des protéines chez les EucaryotesA. Les protéines sont adressées vers les différents compartiments

1) La voie du REG2) La voie du cytosol

B. Les protéines subissent des modifications après la traduction1) Maturation « chimique »2) Repliement des protéines

IV. Le contrôle de l’expression de l’information génétiqueA. L’opéron est l’unité d’expression et de contrôle chez les Procaryotes

1) Répression – induction par le lactose : un contrôle négatif2) Activation par le complexe AMPc – CAP : un contrôle positif

B. Condensation de la chromatine et complexe d’initiation de la transcription participent au contrôle chez les EucaryotesC. Le contrôle de l’expression implique des protéines se liant à l’ADN

V. Les virus, des parasites du système d’éxpression des cellulesA. Cycle lytique et lysogénie du bactériophage λB. Un virus à ARN des cellules végétales : le virus de la mosaïque du tabacC. Un virus du système immunitaire humaine : le VIH

Des mutants constitutifs de l’opéron lactose

Données générales sur les protocoles :On utilise comme molécule inductrice un analogue de synthèse du lactose l’IPTG. On peut construire des diploïdes partiels : on produit des bactéries qui possèdent un génotype particulier sur leur chromosome (IZY), on leur ajoute un plasmide qui contient les gènes IZY, avec un génotype particulier.On mesure l’activité des enzymes (galactosidase ou perméase) : un signe + indique que l’enzyme est présente (synthétisée) et active, un signe – indique que l’enzyme n’est pas fabriquée ou inactive.

Les mutants constitutifs I - On a appelé I le locus, qui, si il est muté donne les mutants constitutifs (tab 1), souche 2.Induite = avec IPTG et non induite = sans IPTG

Résultats : Les souches I- produisent en permanence la galactosidase et la perméase, même en absence d’inducteur. On construit des diploïdes partiels (souche 3 et 4). Souches 3 et 4 : Le diploïde possède I+ et I-, il a un phénotype inductible (phénotype [I+]). Même si les gènes de structure sont fonctionnels sur l’autre molécule (souche 3 : I+ sur le chromosome, Z- sur le chromosome, Z+ sur le plasmide). On dit que l’allèle I+ est dominant en trans sur I-.Interprétation : Le gène I code pour une molécule qui un répresseur diffusible. Il suffit que le répresseur soit présent dans le milieu pour qu’il soit actif sur les deux séries de gènes contrôlés.En fait, le répresseur muté I-, ne reconnaît pas le site opérateur O, tout en formant le complexe avec l’inducteur (Lactose).

Règle générale : La trans dominance indique un produit diffusible.

Des mutants constitutifs de l’opéron lactoseLes mutants opérateur constitutif (O c ) Induite = avec IPTG et non induite = sans IPTG

Résultats : Les souches notées Oc (souche 3) sont aussi des mutants constitutifs : la synthèse de la galactosidase et de la perméase est élevée en présence ou non de l’inducteur (lactose). Cette fois, l’allèle Oc a une dominance particulière : il ne provoque l’expression constitutive que pour les gène Z ou Y positionnés sur la même molécule que lui.Exemple : souche 4, O+Z-Y+/FOcZ+Y-. Le plasmide comporte un allèle Z+, l’expression est constitutive. Le plasmide comporte Y- et le chromosome Y+, mais l’expression de Y n’est pas constitutive (dans cette configuration, c’est O+ qui est dominant).On dit alors que c’est de la Cis dominance. La cis dominance reflète l’action d’un élément qui n’affecte que les gènes qui lui sont adjacents.

Interprétation En fait, chez les mutants Oc la séquence O (opérateur) de fixation du répresseur est mutée. Le répresseur ne peut pas le reconnaître et se fixer dessus. Par conséquent, l’expression des gènes Z et Y est bien constitutive. On peut créer un diploïde partiel, O+/Oc, les gènes situés en aval de Oc

seront toujours exprimés, même en absence de l’inducteur. Par contre, les gènes contigus à l’opérateur O+ restent soumis à la répression.

Règle générale : la cis dominance indique l’action d’une séquence promoteur (à effet positif ou négatif, comme O)

Des mutants constitutifs de l’opéron lactoseLes mutations IS.Les mutants Is ont une faible production de galactosidase et de perméase, même en présence de l’inducteur (Lactose). Ils ne sont pas inductibles non plus.Dans les diploïdes partiels, les constructions IS/I+ et IS/I- montrent tous les phénotype [IS]. On voit là que la mutation IS est dominante en trans sur I+ et I-.

Là aussi la mutation touche le répresseur diffusible. Le répresseur est actif en permanence. On suppose que le répresseur reconnaît le site opérateur O, mais qu’il ne peut plus former le complexe avec l’inducteur (lactose).


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ac-nice.frac-nice.fr/.../Expression_de_l_information_genetique.docx · Web viewExpression de l’information genetique I. La transcription : synthèse et maturation des ARN A.Quelques