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Partie 2 : L’expression de l’information génétique et son contrôle Chapitre 1 : Expression de l’information génétique I. La transcription II. La maturation de l’ARN pré-messager chez les eucaryotes III. La traduction Chapitre 2 : Contrôle ou régulati...

Partie 2 : L’expression de l’information génétique et son contrôle Chapitre 1 : Expression de l’information génétique I. La transcription II. La maturation de l’ARN pré-messager chez les eucaryotes III. La traduction Chapitre 2 : Contrôle ou régulation de l’expression de l’information génétique I. Chez les procaryotes II. Chez les eucaryotes 1 III. La traduction  La traduction est le décodage de l’information génétique contenue dans l’ARNm en une chaîne peptidique. Autrement dit, c’est le mécanisme par lequel le flux d’information va passer de la forme acide nucléique ARN (code à 4 lettres A U C G) à la forme protéine (code à 20 lettres). Ce mécanisme repose sur le code génétique qui permet la conversion d’une séquence nucléotidique en une séquence d’acides aminés.  Outre l’ARNm, pour synthétiser la protéine il faut : 1. Les acides aminés : pièce de construction des protéines, 2. Les ribosomes : machine à assembler les acides aminés en protéines, 3. Les ARNt : molécule qui transporte les acides aminés au ribosome, 4. Les aminoacyl-ARNt synthétases : enzyme qui assure la liaison entre l’acide aminé et l’ARNt.  La traduction fait également intervenir différents facteurs de traduction (facteurs protéiques) ainsi que des nucléotides triphosphates qui fourniront l’énergie nécessaire à la synthèse des protéines. 2 III. La traduction III.1. Le code génétique  L’ARNm est composé de la succession de nucléotides portant chacun une des quatre bases azotées suivantes : A, C, G et U.  La lecture de ce message se fait par triplets de nucléotides, les codons, dans le sens 5’-3’.  Chaque codon correspond à un acide aminé et l’ordre de succession des codons détermine l’ordre des acides aminés dans la protéine.  Le code génétique comporte donc 64 codons (43=64 possibilités) pour coder vingt acides aminés. 3 III. La traduction III.1. Le code génétique 4 III. La traduction III.1. Le code génétique 5 III. La traduction III.1. Le code génétique  Redondant :  Le nombre de codons (64) étant supérieur au nombre d’acides aminés (20), le code génétique est redondant. Trois codons (UAA, UAG et UGA) ne codent pas pour un acide aminé ; ce sont des codons stop qui correspondent à un signal de fin de traduction.  Les autres 61 autres codons correspondent à des acides aminés.  Le codon AUG, correspondant à la méthionine, est appelé codon initiateur quand il débute la traduction et définit ainsi le cadre de lecture.  La plupart des autres acides aminés (excepté le tryptophane) sont codés par plusieurs codons (de 2 à 6). On parle de codons synonymes. Dans ce cas c’est généralement la troisième base du codon qui varie, elle est dite « dégénérée » et est à l’origine de l’effet wobble (flottement ou oscillation).  Non ambigu : Alors qu’un acide aminé peut être codé par plusieurs codons, l’inverse n’est pas vrai. En effet, chaque codon ne peut coder que pour un seul acide aminé.  Universel : La signification des codons est identique pour la majorité des êtres vivants. Il existe néanmoins quelques exceptions qui remettent en question ce concept de caractère universel. C’est le cas notamment dans les mitochondries humaines où les codons AGA et AGG codent pour des codons stop et non pour l’arginine. 6 III. La traduction III.2. Le Cadre de lecture  Dans l’ARNm, les codons seront lus de l’extrémité 5’ vers l’extrémité 3’.  Cet ARNm contient un cadre ouvert de lecture (ORF, Open Reading Frame) qui détermine le début (codon d’initiation AUG) et la fin (codon stop) de la traduction. A l’intérieur de ce cadre de lecture, les codons ne se chevauchent pas.  L’ARNm ne se limite pas à la séquence codant pour le polypeptide.  Il comprend également des séquences 5’ et 3’ non traduites, 5’ UTR et 3’-UTR (Untranslated regions) qui jouent des rôles importants dans le mécanisme de traduction et sa régulation, et dans la stabilité de l’ARNm. 7 III. La traduction III.3. ARN de transfert Les ARNt sont des adaptateurs moléculaires entre les codons de l’ARNm et les acides aminés. Chaque codon de l’ARNm correspond à un anti-codon spécifique de l’ARNt. Chaque anticodon correspond à un acide aminé spécifique. 8 III. La traduction III.3. ARN de transfert 9 III. La traduction III.3. ARN de transfert Donc dans l’ARNt, on distingue : - Le bras accepteur comportant une extrémité 3’-OH terminée par le triplet 5’-CCA-3’ au niveau de laquelle se fixera l’acide aminé par liaison ester. - La boucle de l’anticodon, ou boucle centrale, comportant 3 nucléotides complémentaires du codon de l’ARNm - La boucle T contenant de la ribothymidine ainsi que de la pseudo-uridine - La boucle D contenant de la dihydro-uridine (D) - La boucle variable dans la taille (3 à 21 nucléotides dépend de la longueur de l’ARNt. Les interactions entre les boucles entrainent un repliement de la molécule qui adopte alors une structure tertiaire caractéristiques en forme de L. l’anticodon et le site d’attachement de l’acide aminé sont situés chacun à une des extrémités de la molécule. 10  Chapitre 1 Expression de l’information génétique III. La traduction III.3. ARN de transfert A. Reconnaissance codon-anticodon  Si l’appariement codon-anticodon respectait de manière stricte la règle générale d’appariement des bases, cela impliquerait la présence dans la cellule de 61 ARNt. Or beaucoup de cellules contiennent moins de 61 ARNt, ce qui implique qu’un même anticodon d’un ARNt peut reconnaitre plusieurs codons.  La fixation d’un acide aminé approprié à un ARNt est catalysée par une enzyme appelée : aminoacyl-ARNt synthétase spécifique.  Ces enzymes ont une double spécificité : reconnaissance de l’acide aminé et reconnaissance de l’ARNt non chargé correspondant.  Il existe une vingtaine d’aminoacyl-ARNt synthétases, chacune responsable de l’attachement d’un acide aminé à un ou plusieurs ARNt différents. Ces ARNt appelés iso-accepteurs recrutent le même acide aminé mais reconnaissent des codons différents. 11 III. La traduction III.3. ARN de transfert B. Activation des acides aminés et transfert sur l’ARNt  Lors de la fixation de l’acide aminé, il se forme une liaison ester entre la fonction acide de l’acide aminé et la fonction hydroxyle de l’adénosine à l’extrémité 3’ de l’ARNt. Cette réaction se déroule en 2 temps :  Activation de l’acide aminé : l’aminoacyl-ARNt synthétase hydrolyse un ATP en AMP et forme un aminoacyl-AMP par liaison de la fonction acide de l’acide aminé avec la fonction phosphate de l’AMP. L’acide aminé est dit activé.  Transfert de l’acide aminé sur l’ARNt : l’acide aminé activé est ensuite lié à l’extrémité 3’ de l’ARNt, ce qui entraine la libération d’AMP. Il se forme ainsi un aminoacyl-ARNt. La liaison ester formée, riche en énergie, fournira l’énergie nécessaire à la liaison entre les différents acides aminés. 12 13 III. La traduction III.4. Le ribosome  Le ribosome est la machinerie cellulaire qui dirige la synthèse des protéines.  Il est constitué de 2 sous unités, une petite et une grande, contenant des ARNr et des protéines.  Les 2 sous unités de structure asymétrique s’associent pour former la particule ribosomique complète.  La grande sous unité contient le centre peptidyl-transférase dont l’activité catalytique est responsable de la formation des liaisons peptidiques.  La petite sous-unité contient le centre de décodage responsable de l’interaction correcte entre les codons de l’ARNm et les anticodons de l’ARNt.  Les 2 sous-unités s’associent et se dissocient à chaque cycle de traduction. 14 III. La traduction III.4. Le ribosome  Au moment de la synthèse d’un polypeptide, les ribosomes sont généralement associés en polysome (polyribosome), ce qui leur donne l’aspect d’un collier de perles reliées entre elles par un ARNm. Un ARNm peut être ainsi traduit par plusieurs ribosomes en même temps, ce qui permet d’augmenter la vitesse de synthèse protéique et d’obtenir simultanément un grand nombre d’exemplaires du polypeptide. 15  III. La traduction III.4. Le ribosome Chez les procaryotes, le ribosome complet est de 70s et composé d’une petite s/u de 30S et d’une grande s/u de 50S. La 30S comporte un ARNr 16S et 21 protéines. La 50S comporte un ARNr 5S, un ARNr 23S et 31 protéines. Chez les eucaryotes, le ribosome est de 80S composé de s/u 40S et s/u 60S. La 40S contient un ARNr 18S et 33 protéines, la 60S comporte 3 ARNr (5S, 5,8S, 28S) et jusqu’à 50 protéines. 16 III. La traduction III.4. Le ribosome  Le ribosome comporte 3 sites particuliers de fixations des ARNt, situés à l’interface entre les 2 s/u.  Le site A est le site de liaison de l'aminoacyl-ARNt, le site P interagit avec le peptidyl-ARNt et le site E est le site de sortie de l’ARNt qui quitte le ribosome.  Le ribosome comporte également des canaux permettant l’entrée et la sortie de l’ARNm (deux petits canaux situés dans la petite sous-unité) et la sortie du polypeptide (via un canal situé dans la grande sous-unité). 17 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction La traduction comporte trois étapes :  L’initiation qui correspond à la recherche du codon AUG de début de traduction et l’assemblage du ribosome.  L’élongation correspondant à l’addition d’acides aminés  La terminaison au cours de laquelle la chaine polypeptidique est libérée et les deux sous- unités du ribosome se dissocient.  Ces différentes étapes nécessitent la participation de nombreuses protéines appelées Facteurs de traduction 18 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction Bien que les mécanismes fondamentaux de synthèse des protéines soient très voisins chez les procaryotes et les eucaryotes, il existe des différences importantes, notamment au cours de l’étape de l’initiation, qui méritent d’être soulignées. 19  Chapitre 1 Expression de l’information génétique III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction A. Chez les procaryotes  L’initiation de la traduction démarre avec la fixation de la petite sous-unité ribosomique à l’extrémité 5’ de l’ARNm au niveau de laquelle se trouve la Séquence de Shine et Delgarno (SD) ou RBS (Ribosome binding site).  Cette courte séquence est complémentaire d’une séquence située sur l’ARNr 16S de la petite sous unité 30S. L’interaction entre ces deux ARN permet de localiser le codon d’initiation de la traduction et définit ainsi le cadre de lecture de l’ARNm.  Chez les eubactéries, le codon initiateur AUG code pour une forme modifiée de la méthionine, la N- formyl-méthionine (fMet), chargé sur un ARNt particulier, l’ARNt initiateur (ARNtifMet). Cet ARNt initiateur se positionne au niveau du site P de la petite sous unité du ribosome. Le groupement formyl sera ensuite éliminé par une déformylase. 20 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction A. Chez les procaryotes : L’étape d’initiation requiert trois facteurs d’initiation (IF) : -3 l’IF3 se lie à la petite sous unité et l’empêche de s’associer avec la grande sous unité libre, et favorise la liaison correcte de l’ARNm. -2 IF2 c’est une protéine liant et hydrolysant la GTP. C’est une GTPase qui recrute le fMet-ARNt et l’amène à la petite sous-unité tout en empêchant la fixation d’autres ARNt chargés. Il reconnait spécifiquement la fMet-ARNt et non la Met-ARNt. 1 -IF1 empêche la fixation d’un ARNt au site A de la petite sous unité du ribosome. Ce facteur semble nécessaire à la libération de l’IF-2 et du GDP. -Il peut aussi faciliter l’assemblage des deux sous-unités. 21 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction A. Chez les procaryotes : L’étape d’initiation requiert trois facteurs d’initiation (IF) : - Suite à l’appariement entre le codon d’initiation et fMet-ARNtifMet, la petite sous-unité ribosomique subit un changement de conformation qui va entrainer la libération d’IF3 et permettre ainsi l’association des 2 sous unités ribosomiques. - La liaison des 2 sous unités ribosomiques stimule l’activité GTPase de IF2 conduisant à l’hydrolyse du GTP. - IF2-GDP, dont l’affinité pour l’ARNti est faible, se détache, tout comme IF1, du ribosome. Le ribosome complet (complexe 70S) est maintenant formé, avec le fMET- ARNti au site P et le site A libre pour l’aminoacyl-ARNt suivant. 22 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction B. Chez les eucaryotes : Chez les eucaryotes, l’étape d’initiation présente un certain nombre de spécificités :  La liaison de l’ARNt initiateur à la petite sous-unité du ribosome précède toujours l’association avec l’ARNm.  L’ARNt initiateur charge une méthionine et non pas une formyl-méthionine. On le nomme Met-ARNtiMet.  La coiffe 5’ et la queue poly(A) des ARNm interviennent dans l’initiation de la traduction.  Il n’existe pas de séquence SD dans les ARNm eucaryotiques. La recherche du codon d’initiation se fait par balayage de l’ARNm et elle est favorisée par la présence d’une séquence spécifique, entourant le codon AUG, nommée séquence de Kozak.  Les facteurs d’initiation sont plus nombreux et nommées eIF (Eukaryotic Initiation Factors). 23 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction B. Chez les eucaryotes :  Avant le début de la synthèse, quatre facteurs d’initiation, eIF1, eIF1A, eIF3 et eIF5 se lient à la petite sous-unité du ribosome. Ils jouent des rôles analogues à ceux décrits pour IF1 et IF3 chez les procaryotes, empêchant l’association avec la grande sous unité et la liaison d’un ARNt au site A.  Le Met-ARNtiMET est recruté par le facteur eIF2 lié au GTP, l’ensemble formant le complexe ternaire. Ce complexe se fixe ensuite au site P de la sous unité pour constituer le complexe de pré-initiation 43S. 24 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction B. Chez les eucaryotes : Une fois assemblé, le complexe de pré-initiation 43S est recruté à l’extrémité 5’ de l’ARNm par l’intermédiaire d’un complexe de quatre protéines ayant chacune une fonction propre :  eIF4E reconnaît la coiffe située à l’extrémité 5’ de l’ARNm et s’y fixe.  eIF4A possède une activité hélicase et ATPase permettant de dérouler les éventuelles structures secondaires proches de la coiffe de l’ARNm. Cette activité hélicase est stimulée par la présence d’eIF4B.  eIF4G est un adaptateur entre les différents facteurs d’initiation. Il se lie à la fois à eIF4A, à eIF4E et à l’ARNm via la protéine PABP qui est une protéine associée à la queue poly(A), ce qui permet la circularisation de l’ARNm pendant la traduction. 25 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction B. Chez les eucaryotes : 26 Dès que ce complexe est formé, le ribosome peut balayer l’ARNm dans le sens 5’-3’ à la recherche du premier codon d’initiation situé dans un contexte nucléotidique favorable, c’est-à-dire encadré par la séquence de Kozak. Il s’agit d’une séquence consensus (5’-CCRCCAUGG-3’) possédant une purine conservée. Le balayage consomme de l’énergie sous la forme d’ATP en raison de l’activité hélicase d’eIF4A. 27  L’appariement correct entre l’anticodon de l’ARNt initiateur chargé (positionné au site P) et le codon initiateur entraîne l’hydrolyse du GTP lié à eIF2 et la libération des facteurs eIF2-GDP, eIF1, eIF3 et eIF5 de la petite sous-unité. La grande sous-unité 60S est alors recrutée pour former le ribosome 80S. Cette étape nécessite l’action d’un autre facteur, eIF5B-GTP, qui se lie à l’ARNt initiateur chargé. L’association de la grande sous unité entraîne l’hydrolyse du GTP associé à eIF5B et la libération des facteurs d’initiation restants. Le complexe d’initiation 80S est ainsi formé et le ribosome prêt à accueillir un ARNt chargé au site A et former la première liaison peptidique. 28 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.1. Initiation de la traduction B. Chez les eucaryotes : Il faut noter que le polypeptide est toujours synthétisé dans le même sens : à partir d’une méthionine à l’extrémité amine (-NH2) ou extrémité N-terminale, vers l’acide aminé terminal à l’extrémité carboxyle (-COOH) ou extrémité C-terminale.  Chez les eucaryotes, l’interaction entre le facteur eIF4G et la PABP qui recouvre la queue poly(A) maintient l’ARNm dans une configuration circulaire.  Cette configuration est très stable puisqu’elle se maintient pendant de nombreux cycles de traduction. Ainsi, lorsque le ribosome a terminé la synthèse de la protéine, il se trouve très proche de la coiffe ce qui favorise une ré-initiation rapide de la traduction du même ARNm. 29 III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.2. Elongation de la traduction  Le mécanisme d’élongation est très conservé entre procaryotes et eucaryotes.  La description qui suit concerne les procaryotes. Les caractères spécifiques aux eucaryotes seront mentionnés au fur et à mesure.  L’élongation correspond à l’ajout d’acides aminés à l’extrémité C-terminale de la chaîne polypeptidique en cours de synthèse.  Cette phase comprend trois étapes clés :  Fixation d’un aminoacyl-ARNt au site A du ribosome;  Formation d’une liaison peptidique entre l’aminoacyl-ARNt du site A et le dernier acide aminé du peptidyl-ARNt du site P (transpeptidation);  Déplacement du peptidyl-ARNt du site A vers le site P et déplacement du ribosome d’un codon dans le sens 5’-3’ le long de l’ARNm. Ces mouvements sont désignés par le terme de translocation.  Tout comme dans le cas de l’initiation, l’élongation nécessite également la présence de facteurs protéiques, les facteurs d’élongation EF (Elongation Factor). Ils sont trois : EF-Tu, EF-Ts et EF-G chez les procaryotes, correspondant respectivement à eEF-1α, eEF-1B et eEF-2 chez les eucaryotes. 30  III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.2. Elongation de la traduction  Etape 1 : Les aminoacyl-ARNt sont incapables de se lier spontanément au ribosome. Ils doivent être escortés par le facteur EF-Tu (ou eEF-1α) qui se lie à l’extrémité 3’ de l’aminoacyl-ARNt. Ce facteur est lui-même lié au GTP qui sera hydrolysé après l’arrivée de l’aminoacyl-ARNt au site A et à condition que l’appariement anticodon-codon soit correct.  L’acide aminé lié à l’ARNt est ainsi démasqué et disponible pour former une liaison peptidique. 31 III.La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.2. Elongation de la traduction Etape 2 : Lorsque l’ARNt chargé se trouve au site A, il s’établit une liaison peptidique entre le groupement carboxyle du dernier acide aminé porté par le peptidyl-ARNt du site P et le groupement aminé de l’aminoacyl-ARNt du site A (transpeptidation). Cette liaison est catalysée par un ribozyme (une partie de l’ARNr 23S de la grande s/u 50S chez les procaryotes ou de l’ARNr 28S de la grande s/u 60S chez les eucaryotes) qui possède une activité peptidyl-transférase. 32 III.La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.2. Elongation de la traduction Etape 3 : Après formation de la liaison peptidique, l’ARNt du site P est désacylé et la chaîne peptidique naissante est attachée à l’ARNt du site A. le ribosome subit une translocation le long de l’ARNm et se déplace d’un codon. L’ARNt déchargé situé au site P passe au site E, puis est libéré du ribosome. Dans le même temps, le peptidyl-ARNt passe du site A au site P. Le mécanisme de translocation requiert la participation du facteur EF-G (eEF2 chez les eucaryotes) associé au GTP. Ce facteur s’insère dans le site A en poussant le peptidyl-ARNt vers le site P, grâce à l’hydrolyse du GTP. Cette hydrolyse et la libération du GDP favorisent le retour du système à sa configuration d’origine de telle sorte qu’il est prêt pour un nouveau cycle. La régénération du GDP en GTP se fera grâce à l’intervention du facteur EF-Ts (ou eEF-1B). 33  Chapitre 1 Expression de l’information génétique III. La traduction III.5. Les étapes de la traduction III.5.3. Terminaison de la traduction  L’élongation de la chaine peptidique se poursuit jusqu’au moment où un codon stop (UAG, UAA, UGA) arrive au site A. Ils sont reconnus par des facteurs de terminaison RF (Releasing Factor) qui se fixent sur le ribosome et entrainent la libération de la chaîne peptidique. Il en existe trois : RF1, RF2 et RF3 chez les procaryotes (eRF1, eRF2 et eRF3 chez les eucaryotes).  Il existe 2 classes des facteurs de terminaison :  Ceux de la classe I qui reconnaissent les codons stop. Chez les procaryotes, RF1 reconnait le codon UAG et RF2 le codon UGA. UAA est reconnue indifféremment par RF1 et RF2. Chez les eucaryotes, un seul facteur, eRF1, reconnait les trois codons stop.  Ceux de la classe II sont des facteurs qui nécessitent du GTP. Chez les procaryotes, le facteur RF3 et le facteur eRF3 chez les eucaryotes :  La fixation d’un de ces facteurs au site A va transformer l’activité peptidyl-transférase de ribosome en activité hydrolase et entrainer le clivage de la liaison ester entre le peptide et l’ARNt au site P. Cet évènement permet de libérer le peptide nouvellement synthétisé. 34  Partie 2 : L’expression de l’information génétique et son contrôle Chapitre 1 : Expression de l’information génétique I. La transcription II. La maturation de l’ARN pré-messager chez les eucaryotes III. La traduction Chapitre 2 : Contrôle ou régulation de l’expression de l’information génétique I. Chez les procaryotes II. Chez les eucaryotes 35