L’expression de l’information génétique Cours

Sommaire

ILes protéines, intermédiaires entre gène et caractèreALes protéines, acteurs du phénotypeBPrincipe général de l'expression des gènesIILa synthèse des protéinesALa transcriptionBLa traduction1L'initiation2L'élongation3La terminaisonIIILe déterminisme du phénotype

 

Notion Rappels
ADN

Molécule porteuse de l'information génétique. 

C'est une molécule formée de deux chaînes complémentaires de nucléotides associées par l'intermédiaire des bases azotées (A, T, G, C)

Allèle Une des versions sous lesquelles peut se présenter un gène
Caractère Élément entrant dans la description d'un individu (couleur des cheveux, taille, forme du nez, etc.).
Gène Portion d'ADN qui code pour un caractère.
Protéine

Ensemble d'acides aminés liés les uns aux autres, et dont la forme détermine l'activité. 

Les protéines interviennent dans toutes les fonctions biologiques.


 

 

L'information génétique portée par les molécules d'ADN détermine les caractéristiques héréditaires des cellules et des individus. 

L'ADN est subdivisé en gènes. Comment s'exprime l'information génétique ? Comment passe-t-on du gène au caractère ?

-

ADN

I

Les protéines, intermédiaires entre gène et caractère

A

Les protéines, acteurs du phénotype

Phénotype

Le phénotype correspond à l'ensemble des caractères observables chez un individu. 

Le phénotype se définit :

  • au niveau macroscopique (organisme entier) : par exemple, couleur des yeux, des cheveux, etc. ;
  • au niveau cellulaire : capacité des cellules à effectuer une tâche particulière, forme des cellules, etc. ;
  • au niveau moléculaire : protéines fabriquées par les individus.

C'est le phénotype moléculaire qui détermine le phénotype cellulaire, lequel est à l'origine du phénotype macroscopique.

De nombreuses observations montrent que les caractéristiques héréditaires des individus dépendent de protéines. 

La comparaison de deux individus possédant chacun des allèles différents montre qu'outre un caractère différent qui s'exprime chez eux, il existe une différence dans au moins une des protéines qu'ils fabriquent.

Un individu atteint de drépanocytose aura un phénotype macroscopique différent de celui d'un individu sain : il présentera une anémie chronique et des douleurs articulaires, liées au passage difficile d'hématies (= érythrocytes) déformées dans les capillaires sanguins.

Le phénotype cellulaire des hématies d'un individu drépanocytaire est différent de celui d'un individu sain. Ses hématies sont en forme de faucille (cette maladie porte également le nom d'anémie falciforme) à cause des hémoglobines HbS qui se lient entre elles et déforment les cellules. 

Le phénotype moléculaire d'un individu atteint de drépanocytose comporte une protéine HbS (hémoglobine malade), contre une protéine HbA pour un individu sain.

Il y a donc deux situations :

-

De manière générale, il y a une protéine entre le gène et le caractère exprimé.

L'expression de l'information génétique revient donc à la synthèse de protéines qui, par leur activité, entraînent l'apparition d'un caractère.

Deux variantes d'un même gène, c'est-à-dire deux allèles, n'entraînent pas la synthèse de la même protéine et ce n'est alors pas le même caractère qui se met en place.

-

L'expression de l'information génétique passe par les protéines

B

Principe général de l'expression des gènes

L'ADN est une molécule fragile qui peut être facilement endommagée. Elle est protégée dans le noyau et ne peut pas en sortir. 

Mais les protéines, dont la structure est codée par les gènes, sont fabriquées dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes. 

Pour que l'information portée par la molécule d'ADN soit utilisable par la cellule, une copie qui puisse sortir du noyau doit en être faite : c'est l'ARN.

ARN

L'ARN, acide ribonucléique, est une chaîne nucléotidique monobrin, composée de ribonucléotides.

Les ribonucléotides sont formés de trois éléments :

  • un groupement phosphate, 
  • un sucre (le ribose),
  • et l'une des quatre bases azotées : l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) ou l'uracile (U).

L'uracile, complémentaire de l'adénine, n'existe pas dans l'ADN (où l'on trouve la thymine, T).

L'expression de l'information génétique fait intervenir deux phénomènes complémentaires :

  • la transcription de l'ADN en ARN ;
  • la traduction de l'ARN en protéine.
-

Principe de l'expression de l'information génétique

II

La synthèse des protéines

A

La transcription

La transcription se déroule dans le noyau. Elle est assurée par des enzymes, les ARN polymérases, qui « lisent » un des brins de l'ADN et synthétisent un ARN qui lui est complémentaire.

C'est en réalité un précurseur qui sera fabriqué : l'ARN pré-messager (pré-ARNm). Il devra ensuite subir un ensemble de maturations pour devenir un ARN pouvant diriger la synthèse protéique.

Les constituants de l'ARN pré-messager et de l'ARN messager (ARNm) sont identiques.

Le pré-ARNm est formé par l'ARN polymérase, par complémentarité des bases du brin transcrit de l'ADN.

Quand la cellule exprime un besoin protéique, l'ARN polymérase va effectuer la transcription de la séquence du gène nécessaire. Elle ouvre la molécule d'ADN au début du gène, et forme un pré-ARNm avec les ribonucléotides libres par complémentarité des bases d'un des deux brins de l'ADN : le brin transcrit. Elle se déplace le long de l'ADN jusqu'au signal de la fin du gène. L'ARN polymérase quitte alors l'ADN qui se referme, le pré-ARNm libéré subit une maturation pour former l'ARNm et sort du noyau.

-

La transcription

B

La traduction

L'ARNm, après sa maturation, passe du noyau au cytoplasme où il va être traduit en protéine. La traduction est effectuée par les ribosomes et est permise par un système de correspondance entre ARNm et protéine, appelé le code génétique. Il est commun, à quelques exceptions près, à tous les êtres vivants.

Ribosome

Le ribosome est une structure cellulaire composée de deux sous-unités :

  • la petite sous-unité,
  • la grande sous-unité, qui dispose de deux emplacements pour les acides aminés correspondants à l'ARNm lu dans l'espace entre les deux sous-unités.

Dans ce code, un ensemble de trois ribonucléotides (que l'on nomme codon) code pour un acide aminé. 

Il existe soixante-quatre combinaisons ribonucléotidiques possibles pour vingt acides aminés : certaines combinaisons codent pour le même acide aminé (le code est dit « redondant » ou « dégénéré »).

Certains codons ont une signification particulière :

  • AUG : c'est le codon initiateur, au niveau duquel la synthèse protéique débute (les nucléotides situés avant le premier AUG ne sont pas traduits).
  • UAA, UGA, UAG : ce sont des « codons-stop », qui arrêtent la synthèse protéique. Les codons se trouvant après un codon-stop ne sont pas traduits.
-

Le tableau du code génétique

La traduction se réalise en trois phases : l'initiation, l'élongation et la terminaison.

1

L'initiation

La petite et la grande sous-unités du ribosome s'assemblent à l'arrivée de l'ARNm. Les deux sous-unités se placent de part et d'autre de l'ARNm, et se déplacent le long de celui-ci jusqu'à lire le signal de début de traduction. 

Le signal est le codon AUG (codon initiateur), correspondant à l'acide aminé méthionine. La méthionine vient se placer dans le premier emplacement de la grande sous-unité du ribosome.

-
L'initiation de la traduction
2

L'élongation

Le ribosome permet ensuite d'associer le second acide aminé : pour cela, il faut lire le codon suivant de l'ARNm. 

Dans le cas représenté ci-dessous, c'est UCA (sérine) qui va venir se placer à côté de la méthionine. Une liaison peptidique est formée par le ribosome entre les deux acides aminés. 

Ensuite, le ribosome se décale et laisse le second emplacement libre.

L'acide aminé correspondant au codon suivant se place dans le second emplacement, et le ribosome lie les deux acides aminés suivants ensemble. 

Le processus continue le long de l'ARNm.

-
L'élongation de la traduction
3

La terminaison

Le ribosome lit l'ARNm jusqu'à arriver à l'un des trois codons-stop : UAA, UGA ou UAG. Ces codons ne correspondent à aucun acide aminé et déclenchent la séparation des deux sous-unités du ribosome. La protéine terminée est libérée dans le cytoplasme.

-
La terminaison de la traduction

La transcription fait appel à un mécanisme très précis : la complémentarité entre les bases azotées, c'est-à-dire entre le brin transcrit d'ADN et l'ARNm. 

La traduction, qui se fait selon le code génétique, est également très précise (à un codon ne correspond qu'un seul acide aminé).

Il y a finalement fabrication d'une protéine précise en réponse à l'expression d'un gène. En réalité ce sont même plusieurs exemplaires de la même protéine (une quinzaine pour un ARNm) qui sont fabriquées et dont la structure, et donc l'activité, est déterminée par la séquence des nucléotides du gène.

III

Le déterminisme du phénotype

Le phénotype résulte à la fois :

  • de l'ensemble des produits de l'ADN : ARNm et protéines ;
  • de l'environnement (pH, température) dans lequel ces molécules se trouvent.

En effet, le protéome (ensemble des protéines fabriquées à un moment donné) d'un individu est changeant, selon son âge, sa nutrition, son histoire personnelle.

C'est donc un ensemble complexe d'interactions qui détermine le phénotype d'un individu.

-

Le déterminisme du phénotype et le contrôle des gènes