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Aperçu de la transcription

Lors de la transcription, la séquence ADN d'un gène est transcrite (copiée) en une molécule d'ARN.

Les points clés :

  • La transcription est la première étape de l'expression des gènes. Elle consiste à copier la séquence ADN d'un gène pour fabriquer une molécule d'ARN.
  • La transcription est opérée par des enzymes appelées des ARN polymérases, qui lient les nucléotides pour former un brin d'ARN (à l'aide d'un brin d'ADN matrice).
  • La transcription présente trois étapes : l'initiation, l'élongation et la terminaison.
  • Chez les organismes eucaryotes, les molécules d'ARN doivent être maturées après leur transcription : elles sont épissées et leurs extrémités présentent respectivement une coiffe 5' et une queue poly-A.
  • La transcription est contrôlée séparément pour chaque gène du génome.

Introduction

Avez-vous déjà dû transcrire quelque chose ? Peut-être que quelqu'un a laissé un message sur votre boîte vocale, et que vous avez dû l'écrire sur papier. Ou peut-être que vous avez pris des notes en classe, puis les avez recopiées avec soin pour vous aider à réviser.
Comme le montrent ces exemples, la transcription est un processus où l'information est réécrite. La transcription est quelque chose que l'on réalise au quotidien, et c'est aussi quelque chose que nos cellules doivent faire, de manière plus spécialisée et plus précise. En biologie, la transcription renvoie au processus de copie de la séquence ADN d'un gène dans l'alphabet similaire de l'ARN.

Aperçu de la transcription

La transcription est la première étape de l'expression génique, au cours de laquelle des informations issues d'un gène servent à élaborer un produit fonctionnel, comme une protéine. L'objectif de la transcription est d'effectuer une copie ARN de la séquence ADN d'un gène. Pour un gène qui encode des protéines, la copie ARN ou transcrit contient l'information nécessaire à la construction d'un polypeptide (protéine ou sous-unité protéique). Les transcrits eucaryotes doivent subir des étapes de maturation avant d'être traduits en protéines.
Lors de la transcription, l'ADN s'ouvre localement. Un brin, le brin matrice, sert de modèle pour la synthèse d'un ARN complémentaire. L'autre brin, le brin codant, présente une séquence identique à celle de l'ARN transcrit, mais il porte des bases uraciles (U) à la place des bases thymines (T).
Exemple :
Brin codant : 5'-ATGATCTCGTAA-3' ; Brin matrice : 3'-TACTAGAGCATT-5' ; ARN transcrit : 5'-AUGAUCUCGUAA-3'
Pour un gène qui encode des protéines, l'ARN transcrit contient l'information nécessaire à la synthèse d'un polypeptide (protéine ou sous-unité protéique) avec une séquence particulière d'acides aminés. Dans ce cas :
ARN transcrit (agissant en tant qu'ARN messager) : 5'-AUCAUCUCGUAA-3' ; Polypeptide : Met-Ile-Ser-STOP

L'ARN polymérase

L'enzyme principale impliquée dans la transcription est l'ARN polymérase, qui utilise une matrice d'ADN simple brin pour synthétiser un brin complémentaire d'ARN. Plus précisément, l'ARN polymérase construit un brin d'ARN dans la direction de 5' vers 3', en ajoutant chaque nouveau nucléotide au niveau de l'extrémité 3' du brin.
L'ARN polymérase synthétise un brin d'ARN complémentaire du brin matrice d'ADN. Elle synthétise le brin d'ARN dans la direction de 5' vers 3', tout en lisant le brin matrice d'ADN dans le sens 3' vers 5'. Le brin matrice d'ADN et le brin d'ARN sont antiparallèles.
ARN transcrit : 5'-UGGUAGU...-3' (les points indiquent que des nucléotides sont encore ajoutés au niveau de l'extrémité 3') ; Matrice d'ADN : 3'-ACCATCAGTC-5'

Les étapes de la transcription

La transcription d'un gène se fait en trois étapes : l'initiation, l'élongation et la terminaison. Ici, on va rapidement étudier comment ces étapes se déroulent chez les bactéries. Vous pouvez en apprendre plus sur chaque étape (et découvrir en quoi la transcription eucaryote est différente) dans l'article sur les étapes de la transcription.
  1. L'initiation. L'ARN polymérase se lie à une séquence d'ADN située au début d'un gène et nommée promoteur. Chaque gène (ou groupe de gènes co-transcrits dans la bactérie) possède son propre promoteur. Une fois liée, l'ARN polymérase sépare les brins d'ADN, ce qui rend accessible la matrice simple brin nécessaire à la transcription.
    La région promotrice se situe avant (et légèrement à cheval sur) la région transcrite dont elle contrôle la transcription. Elle contient des séquences de reconnaissance pour la fixation de l'ARN polymérase ou de ses protéines auxiliaires. L'ADN s'ouvre au niveau de la région promotrice afin que l'ARN polymérase puisse commencer la transcription.
  2. L'élongation. Un brin d'ADN, le brin matrice, sert de modèle à l'ARN polymérase. En "lisant" cette matrice une base à la fois, la polymérase construit une molécule d'ARN à partir de nucléotides complémentaires, formant une chaîne qui s'étend de 5' vers 3'. L'ARN transcrit porte les mêmes informations que le brin d'ADN non-matrice (codant), mais il contient la base uracile (U) à la place de la thymine (T).
    L'ARN polymérase synthétise un transcrit complémentaire du brin matrice d'ADN dans le sens 5' vers 3'. Elle se déplace le long du brin matrice de 3' vers 5' et ouvre la double hélice d'ADN au fur et à mesure qu'elle avance. L'ARN synthétisé ne reste lié au brin matrice qu'un court instant, puis il quitte la polymérase sous la forme d'une corde ballotante, ce qui lui permet de se refermer et de former une double hélice.
    Dans cet exemple, les séquences du brin codant, du brin matrice et de l'ARN transcrit sont :
    Brin codant : 5' - ATGATCTCGTAA-3'
    Brin matrice : 3'-TACTAGCATT-5'
    ARN : 5'-AUGAUC...-3' (les points indiquent que des nucléotides sont encore ajoutés au brin d'ARN à partir de son extrémité 3')
  3. La terminaison. Les séquences appelées des terminateurs signalent que la transcription de l'ARN est terminée. Une fois qu'elles sont transcrites, elles provoquent la libération du transcrit par l'ARN polymérase. Un exemple de mécanisme de terminaison impliquant la formation d'une épingle à cheveux dans l'ARN est présenté ci-dessous.
    L'ADN du terminateur encode une région d'ARN qui forme une structure en épingle à cheveux suivie d'une chaîne de nucléotides U. La structure en tige-boucle du transcrit provoque le blocage de l'ARN polymérase. Les nucléotides U qui suivent l'épingle à cheveux forment des liaisons faibles avec les nucléotides A du brin matrice d'ADN, ce qui permet au transcrit de se séparer du brin matrice et de mettre fin à la transcription.

La modification des ARN eucaryotes

Chez les bactéries, les transcrits peuvent servir immédiatement d'ARN messagers (ARNm). Chez les organismes eucaryotes, le transcrit d'un gène qui encode des protéines se nomme un pré-ARNm. Il doit être maturé avant de pouvoir être traduit.
  • Les pré-ARN eucaryotes présentent des extrémités modifiées par l'ajout d'une coiffe 5' (au début) et d'une queue poly-A en 3' (à la fin).
  • Beaucoup de pré-ARNm eucaryotes subissent un épissage. Au cours de ce processus, des portions de l'ARNm (appelées introns) sont éliminées, et les parties restantes (appelées exons) sont assemblées.
    Haut de l'image : Schéma d'un pré-ARNm par l'ajout d'une coiffe 5' et d'une queue polyA en 3'. La coiffe 5' se trouve à l'extrémité 5' du pré-ARNm et comporte des nucléotides G modifiés. La queue poly-A se situe à l'extrémité 3' du pré-ARNm et se compose d'une longue chaîne de nucléotides A (dont seuls quelques-uns sont représentés).
    Le pré-ARNm contient encore des exons et des introns. Sur toute la longueur de l'ARNm, on observe une alternance d'exons et d'introns (Exon 1 - Intron 1 - Exon 2 - Intron 2 - Exon 3), chacun étant constitué d'un enchaînement de nucléotides d'ARN.
    Au cours de l'épissage, les introns sont retirés du pré-ARNm et les exons sont joints pour former un ARNm mature.
    Bas de l'image : ARNm mature qui ne contient pas les séquences des introns (Exon 1 - Exon 2 - Exon 3 uniquement).
Les modifications finales augmentent la stabilité de l'ARNm, tandis que l'épissage confère à l'ARNm sa séquence adéquate. (Si les introns ne sont pas supprimés, ils seront traduits avec les exons, produisant un polypeptide "charabia".)
Pour en savoir plus sur les modifications apportées aux pré-ARNm chez les organismes eucaryotes, consultez l'article sur la maturation des pré-ARNm.

La transcription des gènes s'opère individuellement

Tous les gènes ne sont pas transcrits en même temps. En fait, la transcription est contrôlée individuellement pour chaque gène (ou, chez les bactéries, pour les petits groupes de gènes qui sont transcrits ensemble). Les cellules régulent soigneusement la transcription et ne transcrivent que les gènes dont les produits sont nécessaires à un moment donné.
Par exemple, le schéma ci-dessous montre un "aperçu" des ARN d'une cellule imaginaire à un moment donné. Dans cette cellule, les gènes 1, 2 et 3 sont transcrits, tandis que le gène 4 ne l'est pas. En outre, les gènes 1, 2 et 3 sont transcrits à des niveaux distincts, ce qui signifie qu'on fabrique un nombre différent de molécules d'ARN pour chaque gène.
Schéma montrant que les gènes individuels sont transcrits en quantités différentes.
Région d'ADN contenant quatre gènes, avec la région transcrite de chaque gène représentée en bleu foncé. Le nombre de transcrits de chaque gène est indiqué au-dessus de l'ADN (sur un axe Y). Il y a six transcrits du gène 1, un transcrit du gène 2, douze transcrits du gène 3 et aucun transcrit du gène 4.
Il ne s'agit pas d'une illustration d'un ensemble réel de gènes et de leur niveau de transcription. Ce schéma vise plutôt à montrer que la transcription est contrôlée individuellement pour les gènes et les autres unités de transcription.
Dans les articles suivants, on étudiera plus en détail l’ARN polymérase, les étapes de la transcription et le processus de maturation des ARN eucaryotes. On examinera également quelques différences importantes entre la transcription bactérienne et eucaryote.