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L’information génétique - 1 F. Brondex et E. Paitel L’EXPRESSION DE L’INFORMATI

L’information génétique - 1 F. Brondex et E. Paitel L’EXPRESSION DE L’INFORMATION GENETIQUE 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 : SYNTHESE ET MATURATION DES ARN A. Quelques données expérimentales sur le rôle de l’ARN 1) De la nécessité d’un intermédiaire entre l’ADN et les protéines La 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  protéine Transcription traduction (+ARNt, +ARNr) 2) Les ARN sont synthétisés à partir d’une matrice d’ADN Le 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. L’information génétique - 2 F. Brondex et E. Paitel 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 transcription 1) 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 L’holoenzyme est nécessaire pour initier la transcription, l’enzyme cœur peut poursuivre une transcription déjà entamée. 2) L’initiation de la transcription L’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) 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 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 -35 5’ TATAAT Région -10 +1 promoteur 3’ L’information génétique - 3 F. Brondex et E. Paitel - certains sont dits faibles, la transcription y est moins élevée (toutes les 10 min environ) Si la séquence des régions promoteurs est modifiée alors le niveau de transcription est modifié C’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 transcription L’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 transcription Il existe aussi des signaux de terminaison uploads/s3/ expression-de-l-information-genetique.pdf