Transcription et Traduction

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Dernière mise à jour : 2016-02-01

Sommaire

Dans ce cours :

1. La Transcription

1.1. Génome et information

1.1.1. ADN : support matériel de l'information génétique.

Le génome désigne l'ensemble de l'info héréditaire d'un organisme : l'ensemble de l'ADN (nucléaire et mitochondrial). Chez les eucaryotes, cette information est présente en totalité dans chacune des cellules de nos organismes (exception : le globule rouge).
Lorsqu'une cellule se divise, l'info est copiée et transmise aux cellules filles : réplication de l'ADN...

1.1.2. Géne : séquence d'ADN qui contient l'information d'un ARN.

Les génomes sont différents selon les espèces par :

La taille des génomes, mesurée en nombres de paires de bases, est très variable :

Séquençage du génome humain : 1995 - 2004

  1. Détermination de la succession des nucléotides composant le génome,
  2. localisation des gènes,
  3. identification et annotation des gènes

Le nombre de gènes contenus dans les génomes varie moins que leur taille :

La complexité des organismes n'est corrélée :

1.1.3. La Transcription

Transcription : synthèse, à partir d'un gène selectionné, d'un ARN dont la structure primaire reproduit celle du brin "sens" de ce gène, par une ARN polymérase.
La transcription d'un gène s'effectue à partir d'un seul des 2 brins de l'ADN; ce brin différe selon les gènes. Convention : brin matrice, transcrit (c'est le brin copié); brin sens, codant.

1.2. Eléments nécessaires à la transcription.

1.2.1 Les Nucléotides

1.2.2 ARN polymérase eucaryote

Complexité de la machinerie transcriptionnelle : 3 ARNpol différentes : à partir de gènes :

1.2.3. Gène : organisations des gènes sur les chromosomes

Différentes catégories d'ADN dans les cellules eucaryotes :

Les gènes transcrits par l'ARNpol II possèdent une structure commune. Par convention, on désigne par +1 le premier nucléotide à partir duquel la transcription du gène débute : site d'initiation de la transcription. Puis 2 régions :

1.2.3.1 En amont du site +1

Le gène de classe II commence par une région non transcrite,et indispensable à la transcription : le promoteur.
Enfin, on distingue le promoteur minimal et des régions régulatrices

1.2.3.1.1 Le promoteur minimal

(100 paires de bases) avec, en général, un motif TATA en position -30 (30 nucléotides en amont du site +1), un motif CAT ou CAAT à -70.

1.2.3.1.2 Des régions régulatrices

Difficiles à mettre en évidence et à délimiter. En général, ces séquences sont fonctionnelles dans un tissu en particulier, elles conférent au gène cible sa spécificité tissulaire.

Cette région peut présenter des séquences :

1.2.3.2. En aval du site +1

Le gène est composé d'une séquence :

les introns = environ 100 à 10000 paires de bases :

les exons :

1.2.4. En Conclusion, Les gènes

1.2.4.1. Gènes chevauchants

1.3. Mécanisme d'action de l'ARNpol

1.3.1. Initiation de la transcription.

1.3.1.1. Caractéristique des Transition Factor II

L'ARNpol II n'est pas capable de se lier directement sur l'ADN, elle n'agit qu'après l'intervention de facteurs généraux de la transcription : TFII (Transcription Factor ARNpol II).

1.3.1.2. Assemblage séquentielle des Transition Factor II

L'ensemble forme le complexe d'initiation de la transcription, recouvre une séquence d'environ 100 nucléotides.

enfin : synthèse d'une liaison ester : enchaînement des ribonucléosides triphosphate sur le brin d'ADN.

1.3.1.3. L'ARN Pol II

la phase d'élongation productive commence.

1.3.2. Elongation de la transcription

La transition entre les phases d'initiation et d'élongation correspond à la synthèse non abortive d'ARN.

L'ARNpol II est capable de corriger des nucléotides incorrectement insérés.

1.3.3. Fin de transcription

L'ARNpol II reconnaît, en aval (après) du signal de polyadénylation, des signaux indiquant la fin d'activité de l'ARNpol II (mal connus). La transcription s'arrête à peu près 10 nucléotides après ces signaux.
Puis l'ARNpol II :

Les molécules d'ARNm nouvellement transcrites dans le noyau par l'ARNpol II sont dits "transcrits primaires". Ils sont appelés "ARN nucléaires hétérogènes" ARNnh.
Leurs tailles sont très variables : ils traduisent l'existence pour un même gène d'une famille d'ARN de tailles décroissantes depuis le transcrit primaire (copie compléte ac tous ses exons et ses introns) jusqu'à l'ARNm mature.

Exemple : les ammanites sont les plantes les plus toxiques connues : environ 30g, (1/2 chapeau de champignon) entraîne la mort d'un adulte. La toxine est l'alpha-ammanite : octapeptide cyclique résistant à la cuisson, absorbé par voie digestive.
ARNpol II puis ARNm; ARNpol III puis ARNt
Clinique : trois phases :
1) intestinale : dirrhée 6 à 24H après ingestion
2) embellie : 1ier à 2ième jour
3) hépato-rénales : 3ième 4ième jour, hépatite fulminante et insuffissance rénale aigüe.
Traitement : pas d'antidote, hospitalisation en soins intensifs, transplantation hépatique, mortalité env 20% des intoxications (100 morts/an).

1.4. Modifications des transcrits

Chez les eucaryotes, les ARnm matures sont synthétisés en plusieurs étapes.
Les transcrits primaires formés par l'ARNpol II subissent notamment des modifications covalentes :

1.4.1. Chapeau en 5'

Le chapeau ou coiffe est :

Résultat : Liaison triphosphate 5' - 5'. Méthylation :

Le chapeau a un rôle dans :

1.4.2. Excision - Epissage

Elimine les introns et relie les exons.

1.4.2.1. Les introns d'un transcrit primaire

Mécanisme

1.4.2.2. L'Epissage - Les Spliceosomes

Résultat : Repliement du trascrit primaire

1.4.3. Epissage et médecine

Des mutations des séquences d'épissage sont à l'origine de maladies; exemple : la phénylcétonurie; le dysfonctionnement de l'assemblage des spliceosomes est à l'origine de la myotrophie spinale (maladie dégénérative des motoneurones).

1.4.4 Poly A en 3'

Il s'agit d'un complexe enzymatique contenant :

Il reconnaît la séquence signal AAUAAA sur l'extrémité 3' terminale du transcrit primaire. Il coupe le transcrit 10 à 30 nucléotides en 3' de ce signal au niveau du site de polyadénylation.

Il synthétise une séquence PolyA d'environ 200 nucléotides sur l'extrémité 3' terminale du transcrit primaire. La queue "polyA" :

1.4.5 Trafic nucléocytoplasmique

Dans les cellules eucaryotes on observe une compartimentation du noyau et du cytoplasme. Le transport depuis le noyau jusqu'au cytoplasme est très sélectif :

1.4.6 Comparaison des transcriptions dans les cellules Eucaryote et Procaryote

La machinerie transcriptionnelle est beaucoup plus complexe dans les cellules eucaryotes que dans les procaryotes. Dans ces dernières :

1.5. Régulation de la trancription

Toutes les cellules d'un organisme contiennent le même génome : ≈ 24000 gènes (humain).

Notre organisme comporte environ 250 types cellulaires. Chaque type cellulaire posséde des phénotypes et des fonctions différentes.

A un instant donné, dans chaque type cellulaire, seule une fraction des gènes est exprimée : chaque type cellulaire est caractérisé par l'expression durable d'un ensemble de gènes qui lui est propre.

Ainsi les cellules de chaque tissu ou organe synthétisent des ARNm et des protéines différentes.

La plupart des gènes sont à l'état inactif ou peu actif dans la majorité des types cellulaires et dans la majorité des circonstances.

Dans la majorité des types cellulaires seul un petit nombre de gènes sont constamment exprimés à des niveaux d'expression de base; ce sont les "gènes constitutifs" ou "gènes domestiques".

Exemple : gènes codant pour les ARNr, les ARNpol, les enzymes du cycle de Krebs...

Dans certains types cellulaires, dans certaines circonstances, en réponse à des signaux, l'expression d'un petit nombre de gènes est activée; ce sont les "gènes inductibles".

Exemple : gènes codant pour des protéines de la divison cellulaire.

On a donc trois niveaux de régulation :

1.5.1 Au niveau transcriptionnel

1.5.1.1 Des séquences nucléotidiques : les "éléments CIS"
1.5.1.2 Des facteurs de transcription : les "éléments TRANS"

Ces protéines possédent :

Ces protéines ont des structures secondo-tertiaires particulières avec des motifs : hélice-coude-hélice, hélice-boucle-hélice, fermeture éclair à leucine, doigt de zinc

1.5.1.2.1 Hélice - coude (Tour) hélice
1.5.1.2.2 hélice-boucle-hélice

Facteurs constitués :

1.5.1.2.3 fermeture éclaire a leucine

Facteurs constitués d'un domaine qui interagit avec l'ADN, d'un domaine hydrophobe en hélice a dans lequel les leucines se retrouvent alignées et interagissent entre les 2 monomères du dimère.

1.5.1.2.4 doigts de Zinc
1.5.1.3 Interaction ADN - Protéine
1.5.1.4 Comment ces facteur de transcription vont-il intervenir sur un gène

1.5.2 Régulation par choix du promoteur

Certains gènes possédent plusieurs promoteurs de force inégale et plusieurs sites d'initiation de la transcription.

Le choix du promoteur dépend de facteurs de transcriptions qui peuvent n'être présents que dans certains tissus.

Les ARNm produits sont alors différents, ualitativement et quantativement, selon les tissus.

Exemple : gène de l'α-amylase (enzyme : hydrolyse de l'amidon et du glycogène).

Le gène de l'α-amylase comprend 2 promoteurs alternatifs P1 et P2.

P1 est fonctionnel dans les glandes salivaires (très actif),

P2 est fonctionnel dans le foie (peu actif).

1.5.3 Régulation au niveau chromatinien

1.5.3.1 Remodelage de la chromatine
1.5.3.1.1 Généralité

La transcription fait intervenir de très nombreuses protéines dont l'encombrement est très important : -- la taille de l'ARNpol II est proche de celle du nucléosome, -- le complexe d'initiation recouvre une séquence d'environ 100 nucléotides.
Or l'ADN est compacté, empaqueté (nucléosome) pour former de la chromatine.
Pour que la machinerie transcripionnelle puisse accéder au gène il faut une modification :

d'où le complexe de "remodelage de la chromatine" pour dé-condenser la chromatine.

A la suite d'un signal cellulaire, des protéines de liaison se fixent l'ADN; ce qui engendre le recrutement d'autres protéines :

1.5.3.1.2 Rôle de HAT

Dans les nucléosomes, l'ADN s'enroule autour d'un noyau de protéine : les histones.

Les histones sont riches en acides aminés basiques Arg et Lys (chargés positivement). Elles forment des liaisons ioniques avec l'ADN chargé négativement (fonctions acides libres d'H3PO4 sur le squelette ribose-phosphate).

Les HAT sont des enzymes capables d'acétyler les résidus Lys des histones.

D'où modification covalente qui supprime leur charges positives, ce qui entraîne une diminution de leur intéraction avec l'ADN, d'où le remodelage de la structure chromatinienne : chromatine transcriptionnellement active.

1.5.3.1.3 SWI/SNF et HAT

ouverture de la chromatine : les bulles de transcription sont des régions décompactées et dépourvues de nucléosomes; ce qui entraîne un rapprochement de certaines séquences du promoteur.

1.5.3.1.4 Les TFII interviennent

recrutement de l'ARN pol II.

1.5.3.1.5 Initiation de la transcription

Il existe différentes combinaisons de ces modifications post-traductionnelles des histones : elles forment un code qui traduit l'état de condensation de la chromatine.

1.5.3.1.6 Histone H3

aucune modification : chromatine condensée, gène silencieux.
méthylation : idem
phosphorylation : idem
acétylation : gène exprimé.

Il existe de nombreuses protéines capables de reconnaître ces modifications épigénétiques des histones.

Il existe également des intéractions entre ces modifications au niveau de la même histone et entre différentes histones du nucléosome

1.5.3.2 Méthylation de l'ADN

La méthylation des régions du promoteur des gènes s'oppose à la transcription des gènes. Au contraire, les gènes hypométhylés ont une transcription active.

1.5.3.3 Z-ADN

Il diminuerait l'accessibilité des gènes aux protéines alors que le B-ADN augmenterait leur accessibilité.

1.5.4 Régulation au niveau post-transcriptionnel

Régulation de la durée de vie des ARNm :

Modification éditoriale de l'ARNm :

Normalement, chez les eucaryotes, il existe une stricte colinéarité entre :

L'enchaînement des acides aminés dans la protéine est l'exacte traduction de l'enchaînement des nucléotides dans les exons du gène.

Modification éditoriale :

Addition, suppression ou substitution d'un ou plusieurs nucléotide aboutissant à un ARnm dont la séquence nucléotidique différe de celle du brin sens du géne. Elle a lieu dans le noyau de la cellule (phase post-traductionnelle).

L'enchaînement des acides aminés dans la protéine n'est plus exactement celui de l'enchaînement des nucléotides dans les exons du gène.

Un même gène peut donner naissance à des protéines différentes.

Exemple le plus connu : l'apolipoprotéine B (protéine de transport des lipides dans le sang).

Dans le foie, l'ARNm donne une protéine de 4536 acides aminés (ApoB -- 100).

Dans les cellules intestinales, un C est désaminé en U → un codon CAA (Gln) est modifié en un codon UAA (codon stop). L'ARNm transcrit dans l'intestin donne une protéine de 2152 aa. L'enzyme qui intervient est un éditosome : son activitée est modulée par des facteurs spécifiques du tissu.

Epissage alternatif.

Certains gènes peuvent donner naissance à plusieurs ARNm matures différents (et des protéines différentes) à partir d'un même transcrit primaire.

Un même ARNnh peut être différement épissé selon le type cellulaire ou selon son stade de développement.

Ces épissages sont "tissus-spécifiques". Chez l'Homme, on estime que 60% des gènes font l'objet d'un épissage alternatif. Exemple : La calcitonine.

Contrôle par des ARNi : ils sont :

Rôle des ARNi :

2. La Traduction

Seuls les ARNm codent pour des protéines. Traduction ?

Où l'info se trouve-t-elle dans les Acides nucléiques ?

alors cela permet de coder 43 acides aminés possibles

le code génétique sera décrypté aux alentours de 1960

2.1. Définition

2.1.1. Traduction

Synthèse, à partir d'un ARNm, d'une protéine.

C'est un assemblage, sous forme d'une structure primaire, d'acides aminés déterminés par l'information contenue dans les codons de l'ARNm.

2.1.2. Codons

C'est une suite ordonée de trois nucléotides de la séquence d'un acide nucléiques, les codons porteent l'information génétique pour un acide aminé

2.2. Caractéristiques du code génétique

2.2.1. Universalité

Il est identique dans tous les organismes (animal, végétal, bactérie, virus) sauf à de très rares exception près (code mitochondrial légérement différent).

Ainsi cela suggére que tous les organismes connus à ce jour dérivent d'un même ancêtre

2.2.2. Dégénéré

Théorie de la base flottante (wobble) :

En principe, chaque codon d'un ARNm devrait s'apparier avec l'anticodon complémentaire d'un ARNt.
Attendu : nombre d'ARNt (anticodons) = nombre de codons...

En pratique chez l'Homme il y a environ 31 ARNt (anticodon) pour 61 codons :
un ARNt donné peut reconnaître plusieurs codons différents codant pour un même acide aminé.

Exemple : Ala (Alanine) :

En théorie, les 3 autres codons GCU, GCC, GCA devraient s'apparier à 3 ARNt correspondants :

En pratique : un seul ARNt ala s'apparie sur ces 3 codons. Son anticodon est :

3'-- CGI -- 5' ( 5' - IGC -- 3')

I symbolise l'hypoxanthine et identifie l'IMP (inosine mono phosphate). Lorsque I est en 1ière position sur l'anticodon , il peut s'apparier à A, C, U situés en 3ième position du codon.

Un ARNt donné peut donc s'apparier :

Mais un ARNt donné ne transportera jamais 2 acides aminés différents.

L'ensemble des différents ARNt qui transportent le même acide aminé s'appelle "ARNt isoaccepteurs".

N.B :

2.2.3. Non ambigüe

Un codon code pour un acide aminé

2.2.4. Ponctué

Un codon initiateur universel AUG (=Met)

3 Codons Stop (UAA, UAG ou UGA)

2.2.5. Non chevauchant

La traduction des codons se fait successivement triplet après triplet

2.2.6. Sans interruption de la phase de lecture

(région comprise entre entre le codon intiateur et le codon stop)

Cadre de lecture :

2.3. Eléments nécessaires à la traduction

2.3.1 ARNr

Les petites sous-unités des ribosomes possédent des sites de fixation :

Les grandes sous-unités des ribosomes :

2.3.2. ARNm

Les codons de l'ARNm :

Les ARNt joueront le rôle d'intermédiaire.

2.3.3. ARNt

2.3.3.1. L'amynoacyl ARNt synthétase active l'acide aminé

Elimination d'une molécule d'eau entre :

=> liaison acide aminé ~ AMP, riche en Energie

2.3.3.2. L'amynoacyl ARNt synthétase fixe l'acide aminé activé sur l'ARNt

liaison ester entre :

la liaison entre l'acide aminé et l'ARNt est riche en énergie : son hydrolyse fournira l'énergie nécessaire à la création de la liaison peptidique lors de l'incorporation de l'acide aminé dans le peptide.

2.4. Mécanisme de la traduction

2.4.1. Initiation : Etape limitante de la traduction

Elle met en jeu :

2.4.1.1. Activation de la petite sous-unité 40 S du Ribosome

La fixation du facteur eIF-3 empêche sa réassociation avec la grande sous-unité 60S.

2.4.1.2. Activation de L'ARNt initiateur

Le facteur eIF-2 est activé par phosphorylation du GDP, auquel il est fixé, en GTP-eIF-2-GTP se fixe sur l'ARNt initiateur; => complexe eIF-2-GTP-Met-ARNtimet

2.4.1.3. Associations de la sous-unité 40S et de l'ARNt initiateur activés.
2.4.1.4. Recrutement de l'ARNm.
2.4.1.5.EIF-5

Quand l'ARNt initiateur se fixe sur le site P, son anticodon s'hybride ac le premier codon de l'ARNm. => L'encombrement stérique est alors tel que le codon suivant de l'ARNm se positionne sur le site A de la sous-unité 40S.

2.4.2. Elongation de la traduction

Elle commence avec la fixation, sur le site A, d'un acide aminé - ARNt dont l'anticodon est complémentaire du deuxième codon de l'ARNm.

=> met en jeu des facteurs protéiques, facteurs d'élongation eEF (eukaryotic elongation factor).

2.4.2.1. Fixation de l'ARNt
2.4.2.2 La sous-unité 60S catalyse la liaison peptidique

entre :

La sous-unité 60S de l'ARNr est un ribozyme : elle catalyse l'activité peptidyl-transférase.

2.4.2.3. "translocation"

2.4.3. Fin de la traduction

Généralement, le ribosome initie un nouveau cycle de traduction sur le même ARNm.

2.4.4. Polyribosomes ou "polysomes"

2.5. Signal Peptide

2.6. Régulation

2.6.1 Traductionnelle

Dans une cellule, la quantité d'une protéine n'est pas proportionnelle comme la quantité de l'ARNm => régulation de la traduction

2.6.2 Post-traductionnelle

Des modifications se produisent sur les protéines une fois leur synthèse terminée. Certaines sont réversibles, d'autres irréversibles.

Protéine immature => protéine fonctionnelle : active ou inactive

3. Synthèse Protéique : Bilan

3.1. Régulation

cf. schéma "Niveaux de contrôle de l'expression des gènes"

Au sein de chaque tissu,

Exemple 1 : dans le foie, elle adapte la synthèse de protéine à la modification de l'état nutritionnel de l'organisme : période digestive ou période de jeûne.

Dans le foie, comme dans la plupart des tissus, le glucose est dégradé par la voie de la glycolyse. => Il existe certaines enzymes de la glycolyse qui ne sont exprimés que dans cet organe : => régulation "tissu - spécifique" des gènes codant pour ces enzymes.

Régulation en réponse à des conditions particulières : période digestive :

  1. glucose / intestin => foie
  2. apparition d'un signal extracellulaire, l'insuline.

Le glucose pénétre dans la cellule du foie : l'insuline génère un signal intracellulaire

Régulation en réponse à des conditions particulières : période de jeûne :

  1. disparition du glucose / intestin,
  2. le pancréas ne sécréte plus d'insuline

Dans le foie : il n'y a plus de mise en réserve du glucose / glycogène. => Il n'y a plus d'oxydation du glucose par la voie de la glycolyse.

Exemple 2 : pour connaissance de la structure du gène, application médicale

3.2. Bilan Energétique

3.2.1 Transcription

allongement d'un nucléiotide sur le transcrit primaire : premier nucléoside triphosphate = 2 liaisons riches en énergie, longueur moyenne d'un gène 30 000 paire de bases

3.2.2. Traduction

3.2.2.1. Initiation de la traduction

1 GTP pour eIF-2 et 1 ATP pour fixation de l'ARNm (une seule fois au cours de la synthèse d'une protéine)

3.2.2.2. Fin de la traduction

1GTP pour eRF

3.2.2.3. Allongement d'un acide aminé sur la chaine peptidique

=> 4 liaisons riches en E / acide aminé
Contenu moyen d'une protéine : ≈ 100 à 1000 acides aminés.

=> La traduction consomme en réalité beaucoup plus d'énergie que la transcription : un ARNm est traduit en des centaines, voire des milliers, de protéines.

=>La synthèse protéique consomme plus d'énergie que n'importe quelle autre voie métabolique dans l'organisme.

3.3. Comment ?

  1. Meilleure connaissance des mécanismes physiologique => meilleure compréhension des mécanismes pathologiques;
  2. Mise en évidence de nouvelles cibles pour de nouvelles thérapeutiques.

Exemple : les antibiotiques : Comparaison des mécanismes de la synthèse protéique eucaryote / procaryotes (cf. schéma).

Ces différences structurales et fonctionnelles sont mises à profit pour le développement de nouveaux antibiotiques.
Antibiotiques = molécules agissant à différents niveaux sur le métabolisme des bactéries et pas (ou peu) dans les cellules eucaryotes => médicaments utilisés chez l'Homme dans le traitement des infections bactériennes.

3.4. Pourquoi ?

Quand? Les protéines sont continuellement renouvelées.

Où ? Dans tous les tissus... 4 tissus y contribuent majoritairement :

Balance azotée (balance protéique) : représente l'équilibre "synthèse protéique/ protéolyse".


Commentaires

 

Il y a une faute à la partie 2.2.4 , il est marqué que le codon initiateur universel est "UGA" alors qu'il s'agit de "AUG"

Karlito  (le 2010-02-01 08:26:21)PermalienProfil auteur
 

Merci de cette remarque, il y avait effectivement eu une inversion de lettres et c'est corrigé.
J'ai rajouté les codons stop aussi.

Matthieu  (le 2010-02-01 19:13:53)PermalienProfil auteur
 

Il y a aussi une faute de frappe à 1.1, il y a 20000 gènes qui codent pour de l'ARNm et non 200 000.

Karlito  (le 2010-03-12 17:06:48)PermalienProfil auteur
 

Merci pour la remarque. Nous allons corriger cela.

Vincent  (le 2010-03-12 20:20:42)PermalienProfil auteur
 

Bonjour,

C'est corrigé :)

Matthieu  (le 2010-03-13 09:43:27)PermalienProfil auteur
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