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Biologie

Cours : Biologie > Chapitre 9 

Leçon 8: ADN, ARN et expression d'un gène
Sciences
Biologie
6e année secondaire - 2h
ADN, ARN et expression d'un gène
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Introduction à l'expression des gènes (dogme central)

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Comment les gènes de l'ADN fournissent-ils des instructions pour fabriquer des protéines ? Le dogme central de la biologie moléculaire : ADN → ARN → protéines.

Vue d'ensemble : l'expression des gènes

L'ADN est le matériel génétique de tous les organismes sur Terre. Lorsque l'ADN est transmis des parents aux enfants, il détermine certaines caractéristiques de l'enfant (comme la couleur de ses yeux ou de ses cheveux). Mais comment la séquence d'une molécule d'ADN affecte-t-elle réellement les traits d'un être humain ou d'un autre organisme ? Par exemple, comment la séquence des nucléotides (A, T, C et G) de l'ADN des pois de Mendel détermine-t-elle la couleur des fleurs ?

Les gènes spécifient des produits fonctionnels (comme les protéines)

Une molécule d'ADN n'est pas seulement une longue chaîne ennuyeuse de nucléotides. En fait, elle est divisée en unités fonctionnelles appelées gènes. Chaque gène fournit des instructions pour un produit fonctionnel, c'est-à-dire une molécule capable d'effectuer un travail dans la cellule. Dans de nombreux cas, le produit fonctionnel d'un gène est une protéine. Par exemple, le gène de la couleur des fleurs de Mendel encode une protéine qui aide à fabriquer des molécules colorées (pigments) dans les pétales des fleurs.
Schéma montrant comment un gène peut dicter un phénotype (caractéristique observable) d'un organisme. Le gène de la couleur des fleurs étudié par Mendel est constitué d'une portion d'ADN située sur un chromosome. L'ADN présente une séquence particulière dont une partie seulement est représentée sur ce schéma : 5'-GTAAATCG-3' (brin supérieur), apparié à sa séquence complémentaire 3'-CATTTAGC-5' (brin inférieur). L'ADN de ce gène spécifie la production d'une protéine qui contribue à la fabrication de pigments. Lorsque la protéine est présente et fonctionnelle, des pigments sont produits et les fleurs de la plante présentent une couleur violette.
Image basée sur des données expérimentales rapportées par Hellens et al.start superscript, 1, end superscript et sur une figure similaire de Reece et al.squared.
Les produits fonctionnels de la plupart des gènes sont des protéines, ou plus précisément des polypeptides. Un polypeptide est juste un autre mot pour désigner une chaîne d'acides aminés. Bien que beaucoup de protéines soient composées d'un seul polypeptide, certaines en contiennent plusieurs. Les gènes qui spécifient les polypeptides sont qualifiés de gènes codants.
Tous les gènes ne déterminent pas des polypeptides. En fait, certains fournissent des instructions pour construire des molécules fonctionnelles d'ARN, telles que les ARN de transfert et les ARN ribosomiques qui jouent un rôle dans la traduction.

Comment l'ADN d'un gène encode-t-il une protéine particulière ?

De nombreux gènes fournissent des instructions pour élaborer des polypeptides. Comment, précisément, l’ADN dirige-t-il la construction d’un polypeptide ? Ce processus implique deux étapes principales : la transcription et la traduction.
  • La transcription consiste à copier la séquence ADN d'un gène pour fabriquer une molécule d'ARN. Cette étape s'appelle la transcription car elle implique de réécrire, ou de transcrire, la séquence d'ADN en utilisant un "alphabet" similaire, mais adapté à l'ARN. Chez les organismes eucaryotes, la molécule d'ARN doit subir une étape de maturation pour donner un ARN messager (ARNm) mature.
  • Lors de la traduction, la séquence de l'ARNm est décodée pour spécifier la séquence en acides aminés d'un polypeptide. Le terme traduction reflète le fait que la séquence nucléotidique de l'ARNm doit être traduite en une "langue" complètement différente, constituée d'acides aminés.
Représentation simplifiée du dogme central, montrant les séquences des molécules impliquées.
Les deux brins d'ADN présentent les séquences suivantes :
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
La transcription de l'un des brins d'ADN produit un ARNm qui correspond presque à la séquence de l'autre brin d'ADN (brin complémentaire). Cependant, en raison de différences biochimiques entre l'ADN et l'ARN, les T de l'ADN sont remplacés par des U dans l'ARNm. La séquence de l'ARNm est donc :
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
La traduction consiste à lire les nucléotides de l'ARNm par groupes de trois. Chaque groupe spécifie un acide aminé (ou fournit un signal d'arrêt indiquant que la traduction est terminée).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG right arrow Méthionine AUC right arrow Isoleucine UCG right arrow Sérine UAA right arrow "Stop"
Séquence polypeptidique : (N-terminal) Méthionine-Isoleucine-Sérine (C-terminal)
Quand un gène qui encode une protéine s'exprime, l'information circule ainsi : ADN right arrow ARN right arrow protéines. Ce flux directionnel d'informations est connu en tant que dogme central de la biologie moléculaire. Les gènes non codants (qui spécifient des ARN fonctionnels) sont toujours transcrits pour produire un ARN, mais cet ARN n'est pas traduit en polypeptide. Pour l'un ou l'autre type de gène, le processus qui permet de passer de l'ADN à un produit fonctionnel est qualifié d'expression génique.

La transcription

Au cours de la transcription, un brin d'ADN qui compose un gène, appelé brin non codant, sert de modèle pour la synthèse d'un brin d'ARN correspondant (complémentaire) par une enzyme appelée l'ARN polymérase. Ce brin d'ARN se nomme le transcrit primaire.
Les deux brins d'ADN présentent les séquences suivantes :
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
L'ADN s'ouvre pour former une bulle, et le brin inférieur sert de modèle pour la synthèse d'un brin d'ARN complémentaire. Ce brin s'appelle le brin matrice. La transcription du brin matrice produit un ARNm dont la séquence correspond presque à celle de l'autre brin (brin codant) d'ADN. Cependant, en raison d'une différence biochimique entre l'ADN et l'ARN, les T de l'ADN sont remplacés par des U dans l'ARNm. La séquence de l'ARNm est la suivante :
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
Le transcrit primaire véhicule la même information de séquence que le brin d'ADN non transcrit, parfois appelé brin codant. Cependant, le transcrit primaire et le brin codant d'ADN ne sont pas identiques, en raison de certaines différences biochimiques entre l'ADN et l'ARN. Notamment, les molécules d'ARN ne comportent pas de base thymine (T). À la place, elles possèdent une base similaire, l'uracile (U). Comme la thymine, l'uracile s'apparie à l'adénine.

Transcription et maturation des ARN : eucaryotes vs bactéries

Dans les bactéries, le transcrit primaire de l'ARN sert directement d'ARN messager (ARNm). Les ARN messagers doivent leur nom au fait qu'ils servent de messagers entre l'ADN et les ribosomes. Les ribosomes sont des structures faites d'ARN et de protéines qui se trouvent dans le cytosol où les protéines sont effectivement fabriquées.
Chez les eucaryotes (comme l'homme), un transcrit primaire doit passer par quelques étapes supplémentaires de maturation pour devenir un ARNm mature. Au cours de sa maturation, une coiffe et une queue sont ajoutées aux extrémités de l'ARN, et certains morceaux sont soigneusement retirés grâce au processus d'épissage. Ces étapes n'ont pas lieu chez les bactéries.
Cellule eucaryote : La transcription a lieu dans le noyau. Le transcrit primaire subit également des étapes de maturation dans le noyau afin de devenir un ARNm mature. Il est ensuite exporté vers le cytosol, où il peut s'associer à un ribosome et diriger la synthèse d'un polypeptide lors du processus de traduction.
Bactérie : La transcription a lieu dans le cytosol. De ce fait, l'ARNm n'a pas besoin de se déplacer pour être traduit par un ribosome. En fait, un ribosome peut commencer à traduire un ARNm avant même qu'il ne soit complètement transcrit (alors que la transcription est toujours en cours).
Le lieu de la transcription diffère également entre des organismes procaryotes et eucaryotes. La transcription chez les eucaryotes a lieu dans le noyau, où l'ADN est stocké, tandis que la synthèse des protéines a lieu dans le cytosol. De ce fait, un ARNm eucaryote doit être exporté du noyau avant de pouvoir être traduit en polypeptide. Les cellules procaryotes, quant à elles, n'ont pas de noyau et effectuent donc la transcription et la traduction dans le cytosol.

La traduction

Après la transcription (et chez les organismes eucaryotes, après la maturation), une molécule d'ARNm est prête à diriger la synthèse protéique. Le processus qui exploite les informations d'un ARNm pour construire un polypeptide se nomme la traduction.

Le code génétique

Lors de la traduction, la séquence nucléotidique d'un ARNm est traduite en la séquence d'acides aminés d'un polypeptide. Plus précisément, les nucléotides de l'ARN sont lus par triplets (groupes de trois) appelés des codons. Il existe 61 codons qui spécifient les acides aminés. Un codon est un codon de "départ" qui indique où commencer la traduction. Ce codon d'initiation spécifie la méthionine, c'est pourquoi la plupart des polypeptides commencent par cet acide aminé. Trois autres codons "stop" indiquent la fin d’un polypeptide. Ces relations entre codons et acides aminés constituent le code génétique.
La séquence d'ARNm est :
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
La traduction consiste à lire les nucléotides de l'ARNm par groupes de trois. Chaque groupe spécifie un acide aminé (ou fournit un signal d'arrêt indiquant que la traduction est terminée).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG right arrow Méthionine AUC right arrow Isoleucine UCG right arrow Sérine UAA right arrow "Stop"
Séquence polypeptidique : (N-terminal) Méthionine-Isoleucine-Sérine (C-terminal)

Les étapes de la traduction

La traduction se déroule dans des structures connues sous le nom de ribosomes. Les ribosomes sont des machines moléculaires dont le travail consiste à construire des polypeptides. Une fois qu'un ribosome s'accroche à un ARNm et trouve le codon d'initiation, il se déplace rapidement le long de l'ARNm, en "lisant" un codon à la fois. En avançant, il construit peu à peu une chaîne d'acides aminés qui reflète exactement la séquence des codons de l'ARNm.
Comment le ribosome "sait-il" quel acide aminé ajouter pour chaque codon ? Il se trouve que la correspondance n'est pas faite par le ribosome lui-même. En fait, cela dépend d'un groupe de molécules d'ARN spécialisées que l'on appelle des ARN de transfert (ARNt). Chaque ARNt comporte trois nucléotides exposés à une extrémité qui peuvent reconnaître (s'apparier à) un ou quelques codons particuliers. À l’autre extrémité, l'ARNt transporte un acide aminé particulier : celui qui correspond à ces codons.
La traduction s'opère au cœur du ribosome. L'ARNm est lié au ribosome, où il peut interagir avec les molécules d'ARNt.
Sur ce schéma, l'ARNm présente la séquence suivante :
3'-...AUG UAC AUC UCG GAU...-5'
L'ARNt lié au troisième codon (5'-AUC-3') a une séquence complémentaire 3'-UAG-5'. Il porte une chaîne polypeptidique composée d'une méthionine, d'une thréonine et d'une isoleucine, qui est attachée à l'ARNt par l'isoleucine. À droite de cet ARNt, un autre ARNt se lie au prochain codon (5'-UCG-3'). Cet ARNt présente également une séquence nucléotidique complémentaire (3'-AGC-5') et porte la sérine, qui est l'acide aminé spécifié par le codon sur l'ARNm. La sérine portée par cet ARNt sera ajoutée à la chaîne polypeptidique en croissance.
Il y a d'autres ARNt transportant d'autres acides aminés qui flottent en arrière-plan. L'un transporte un Glu (acide glutamique) et expose à une extrémité la séquence nucléotidique 3'-CUU-5'. L'autre ARNt porte un Asp (acide aspartique) et présente une séquence 3'-CUA-5'.
Il y a beaucoup d'ARNt qui flottent dans une cellule, mais seulement un ARNt va correspondre (s'apparier) au codon qui est actuellement lu. Il va donc se lier au codon et livrer l'acide aminé qu'il transporte. Une fois qu’un ARNt est lié à son codon correspondant dans le ribosome, l'acide aminé qu'il transporte est ajouté à la fin de la chaîne polypeptidique.
  1. L'ARNt correspondant se lie au codon exposé dans l'emplacement le plus à droite du ribosome.
  2. La chaîne d'acides aminés est transférée de l'ARNt du site central du ribosome à l'acide aminé de l'ARNt dans le site le plus à droite. Cela entraîne l'ajout de l'acide aminé à l'extrémité de la chaîne d'acides aminés.
  3. Le ribosome se déplace d'un codon. L'ARNt qui se trouvait auparavant dans le site du milieu se déplace vers le site le plus à gauche et sort du ribosome. L'ARNt précédemment localisé dans le site de droite se déplace vers le site du milieu et continue à maintenir la chaîne d'acides aminés. Un nouveau codon est exposé dans le site le plus à droite pour qu'un nouvel ARNt puisse s'y fixer.
Ce processus se répète à plusieurs reprises, avec le ribosome qui se déplace le long de l'ARNm, codon par codon. La chaîne polypeptique est construite en ajoutant les acides aminés un par un, et la séquence en acides aminés correspond à la séquence des codons dans l'ARNm. La traduction prend fin quand le ribosome atteint un codon d'arrêt et libère le polypeptide.

Que se passe-t-il ensuite ?

Une fois le polypeptide terminé, il peut subir une maturation (être modifié), se combiner à d'autres polypeptides ou être expédié vers une destination spécifique à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. En fin de compte, le polypeptide réalise une tâche spécifique nécessaire à la cellule ou à l'organisme, peut-être en tant que molécule de signalisation, élément de structure ou enzyme !

À retenir :

  • L'ADN est divisé en unités fonctionnelles appelées des gènes, qui peuvent spécifier des polypeptides (protéines et sous-unités protéiques) ou des ARN fonctionnels (tels que les ARNt et les ARNr).
  • L'information provenant d'un gène sert à construire un produit fonctionnel par le processus d'expression génique.
  • Un gène qui encode un polypeptide est exprimé en deux étapes. Au cours de ce processus, l'information circule ainsi : ADN right arrow ARN right arrow protéine. Cette relation directionnelle est connue en tant que dogme central de la biologie moléculaire.
    • Transcription : Un brin d'ADN du gène est copié sous la forme d'ARN. Chez les eucaryotes, le transcript d'ARN doit subir d'autres étapes de maturation afin de devenir un ARN messager (ARNm) mature.
    • Traduction : La séquence nucléotidique de l'ARNm est décodée pour spécifier la séquence en acides aminés d'un polypeptide. Ce processus se déroule à l'intérieur d'un ribosome et nécessite des molécules adaptatrices appelées des ARNt.
  • Pendant la traduction, les nucléotides de l'ARNm sont lus par groupes de trois ou codons. Chaque codon spécifie un acide aminé particulier ou un signal d'arrêt. Cet ensemble de relations est connu sous le nom de code génétique.

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