L’expression du patrimoine génétiqueCours

L'ensemble des cellules, obtenues par mitoses, possèdent dans leur noyau le même patrimoine génétique. On observe pourtant, dans un organisme pluricellulaire, des cellules spécialisées qui n'ont pas la même fonction. Cette spécialisation cellulaire est le résultat de l'expression différentielle des gènes.

I

L'expression du patrimoine génétique : du génotype au phénotype

Le génotype est l'ensemble de l'information génétique possédée par un individu. L'expression du génotype conduit à l'établissement du phénotype des individus. Le phénotype est l'ensemble des caractères observables d'un individu. Le phénotype se définit à différentes échelles d'observation : moléculaire, cellulaire et macroscopique.

Génotype

Le génotype désigne l'ensemble allélique de tous les gènes d'un individu. On utilise également le terme génotype lorsque l'on étudie la composition allélique d'un nombre restreint de gènes.

Phénotype

Le phénotype est le résultat observable de l'expression du génotype. On le décline à plusieurs échelles : moléculaire, cellulaire et organisme.

On peut observer le phénotype à différentes échelles : moléculaire, cellulaire et macroscopique. Le premier niveau d'observation, le phénotype moléculaire, correspond à l'ensemble des protéines synthétisées dans une cellule. Les protéines sont un assemblage précis de molécules plus petites, les acides aminés. Les protéines sont des molécules essentielles synthétisées à partir des gènes.

L'ensemble des gènes ne s'exprime pas dans une cellule. Sous l'effet de l'environnement et de facteurs de régulation, seul certains gènes s'expriment et permettent la spécialisation cellulaire.

II

L'expression d'un gène, de l'ADN à la protéine

L'expression d'un gène suit plusieurs étapes. D'abord, il y a la transcription, puis la traduction, elle-même divisée en trois étapes.

A

La transcription, première étape de l'expression d'un gène

L'ADN est protégé dans le noyau et ne peut pas en sortir, les pores nucléaires étant trop petits. Les protéines étant fabriquées dans le cytoplasme, la première étape de l'expression d'un gène est la synthèse d'un messager qui transportera l'information génétique vers les lieux de synthèse des protéines. Cette étape est la transcription qui permet la synthèse des ARNm ou ARN messagers.

Lorsqu'un gène est activé, l'ARN polymérase se fixe sur l'un des brins de l'ADN (brin non codant) et construit par complémentarité un nouveau brin.

transcription première étape expression gène

L'acide nucléique nouvellement formé, l'ARNpm ou ARN pré-messager, présente des différences avec la molécule d'ADN initiale. 

ARN pré-messager

L'ARN pré-messager désigne l'acide nucléique monocaténaire formé lors de la transcription d'un gène.

L'ARN pré-messager est monocaténaire (un seul brin) et ne contient pas de thymine mais de l'uracile. L'ARN étant monocaténaire, sa plus petite taille lui permet de sortir du noyau mais il subit avant une étape de maturation. L'ARNpm contient à ce stade deux types de séquence : les introns et les exons. Les introns vont être supprimés, c'est l'épissage des introns. Après l'épissage, l'ARNpm est devenu un ARNm ou ARN messager et migre dans le cytoplasme où il va être traduit par les ribosomes.

transcription première étape expression gène

ARN messager

L'ARN messager est un acide nucléique monocaténaire obtenu après l'épissage de l'ARN pré-messager. Il contient l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine.

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.

Transcription

La transcription est le mécanisme de synthèse d'un ARN pré-messager à partir de l'ADN. La transcription se déroule dans le noyau de la cellule.

B

La traduction, seconde étape de l'expression d'un gène

La seconde étape de l'expression d'un gène est la traduction du code génétique qu'il contient. L'ARNm est constitué de nucléotides et va être traduit par les ribosomes. Le résultat de cette traduction est une chaîne d'acide aminé ou chaîne polypeptidique, structure primaire de la protéine. La traduction se réalise en trois phases : l'initiation, l'élongation et la terminaison.

1

Définitions de traduction et de code génétique

La traduction est l'étape de synthèse des protéines par les ribosomes.à partir des ARN messagers : elle permet la traduction du code génétique. Le code génétique permet de faire la correspondance entre séquence de ribonucléotides et acide aminé.

Traduction

La traduction est l'étape de synthèse des protéines par les ribosomes à partir des ARN messagers. Le ribosome traduit les codons de l'ARN messager en acide aminé, constituant des protéines. La traduction se déroule dans le cytoplasme de la cellule.

Dans le code génétique, on trouve un ensemble de trois nucléotides, un codon et un code pour un acide aminé. Il existe 64 combinaisons pour 20 acides aminés.

Le code génétique est :

  • universel (identique pour tous les êtres vivants) ;
  • univoque (chaque codon a une seule signification) ;
  • redondant (plusieurs codons différents peuvent coder le même acide aminé).
traduction seconde étape expression gène code génétique

Dans ce code, 4 codons sont particuliers. Il y a 3 codons-stop, signal de fin de traduction, et un codon d'initiation, signal de début de traduction.

2

La première phase : l'initiation

La première phase de la traduction est l'initiation. 

Les petite et 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.

initiation ribosome ARNm codon AUG
L'initiation de la traduction
3

La deuxième phase : l'élongation

La deuxième phase de la traduction du code génétique est l'élongation : le déplacement du ribosome et de l'ARN messager entraîne l'allongement de la chaîne polypeptidique.

Chaîne polypeptidique

Une chaîne polypeptidique est une chaîne d'acides aminées.

Le ribosome permet d'associer le second acide aminé. Pour cela, il faut lire le codon suivant de l'ARNm. Une liaison peptidique est formée par le ribosome entre les deux acides aminés.  

Liaison peptidique 

La liaison peptidique est le type de liaison utilisé pour relier les 21 acides aminés. Elle est formée par une liaison covalente (liaison chimique par mise en commun d'électrons) entre le groupe amine (-NH2) d'un acide aminé et le groupe acide carboxylique (-COOH) d'un autre acide aminé.

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. Le processus continue le long de l'ARNm.

élongation ribosome acide aminé
L'élongation de la traduction
4

La terminaison

La troisième et dernière phrase de la traduction est 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.

terminaison ribosome ARNm codons-stop UAA UAG UGA
La terminaison de la traduction

Une fois la chaîne polypeptidique synthétisée, elle se replie spontanément dans l'espace pour acquérir sa structure tridimensionnelle. La forme et les propriétés d'une protéine dépendent de sa séquence d'acides aminés. En produisant la protéine, la cellule a transformé l'information génétique de l'ADN en information fonctionnelle.

III

Des variations dans l'expression du programme génétique

La diversité des protéines synthétisées par les cellules (protéome) est plus grande que la diversité des gènes (génome). En effet, plusieurs ARNm différents peuvent être produits à partir d'un même gène, et chacun de ces ARNm code une protéine différente.  

Lors de la maturation de l'ARNpm, les introns sont supprimés et les exons sont rattachés entre eux. Un même ARNpm permet de fabriquer plusieurs ARNm différents qui résultent de différentes combinaisons de ses exons.

variations expression programme génétique

Grâce à ce mécanisme appelé épissage alternatif, la cellule peut fabriquer plusieurs protéines différentes à partir de la séquence d'un seul gène, en fonction des données de l'environnement et du programme génétique.

L'activité des gènes de la cellule, comme l'expression ou l'épissage alternatif, est régulée sous l'influence de différents facteurs :

  • des facteurs internes à l'organisme (stade de développement, position de la cellule qui détermine sa spécialisation éventuelle) ;
  • des facteurs externes (réponse aux conditions physico-chimiques de l'environnement, aux signaux provenant d'autres êtres vivants).