Cours de Biologie Générale - 0809 octobre 2024 (PDF)

Interpréter l’information génétique : ARN et protéine Décodage biologique de l’information génétique grâce à des intermédiaires moléculaires ou ARNs synthétisés à partir de l’ADN :  ARNm (messager)  ARNr (ribosomique)  ARNt (transfert)...

Interpréter l’information génétique : ARN et protéine Décodage biologique de l’information génétique grâce à des intermédiaires moléculaires ou ARNs synthétisés à partir de l’ADN :  ARNm (messager)  ARNr (ribosomique)  ARNt (transfert)  Transcription = processus de passage de l’ADN à l’ARN 1 1 Chez les organismes eucaryotes, des ARN polymérases différentes assurent la transcription des ARNm, ARNr, et ARNt :  1 brin d’ADN d’une région spécifique = matrice de transcription 2 2 1  Ajout successif des ribonucléotides complémentaires des nucléotides de la matrice d’ADN et formation de liens phosphodiesters 3’ et 5’ grâce à l’ARN polymérase Détachement de la molécule d’ARN de sa matrice d’ADN  Reformation de la double hélice d’ADN 3 3 Seuls des morceaux de séquence d’ADN sont transcrits de sorte que de courts enchaînements de paires de bases (régions « signal ») au sein de l’ADN sont nécessaires pour assurer l’initiation de la transcription au nucléotide près et la terminaison au niveau d’un nucléotide spécifique 4 4 2  La séquence qui permet la régulation de l’initiation de la transcription (région amont ou PROMOTRICE) précède en général la séquence codante, et la séquence qui signale la terminaison suit cette dernière (région aval) 5 5 6 6 3  Du point de vue moléculaire, un gène correspond à une séquence spécifique de nucléotides transcrite en ARNm 7 7  Contrairement aux Eubactéries qui utilisent directement les ARNm transcrits, les ARNm eucaryotes sont synthétisés sous la forme de précurseurs ou ARN pré-messagers  Ces ARN pré-messagers subissent alors une maturation qui se déroule dans le noyau en 3 étapes : 1. L’ajout d’une coiffe à l’extrémité 5’ 2. Une poly-adénylation en 3’ 3. Un épissage 8 8 4  1. Mise en place de la coiffe https://youtu.be/DoSRu15VtdM  Quand ? En cours de transcription, après 20 à 30 nucléotides insérés  Addition du côté 5’ d’une 7-méthyl guanosine par des enzymes appartenant au complexe de l’ARN polymérase II  Rôles de la coiffe : transport des ARNm dans le cytoplasme, protection contre les nucléases, initiation de la traduction 9 9 2. Poly-adénylation  Ajout de 50 à 200 résidus adényliques à l’extrémité 3’ des ARNm par la Poly A polymérase = Queue PolyA  Rôles ? 1. Stimule la terminaison de la transcription 2. Participe à la migration des ARNm dans le cytoplasme, protège contre la dégradation 3. Contribue à l’initiation de la traduction 10 10 5  3. Epissage Gènes de structure (majorité des séquences d’ADN) codent des protéines Le produit fonctionnel de la transcription (expression) d’un gène de structure est un ARNm Chez les eucaryotes, la plupart des gènes de structure comportent un ensemble de régions codantes (EXONS) séparées par des régions non codantes (INTRONS) Après transcription d’un gène, les introns sont excisés du transcrit primaire et les exons sont reliés (épissage) dans l’ordre exact pour aboutir à l’ARNm fonctionnel 11 11 12 12 6  13 13 Longueur moyenne d’un exon ~ 150 à 200 bases Longueur moyenne d’un intron varie de 40 nucléotides à plus de 10000 Quelques gènes de structure sont dépourvus d’introns Par ailleurs, un ARNm peut être l’objet d’épissages alternatifs. De cette façon, différents produits géniques peuvent être synthétisés à partir du même gène de structure mais situé dans des tissus différents Ce mécanisme qui permet d’ignorer un exon est appelé « exon skipping » 14 14 7  15 15 La taille d’un gène de structure chez l’homme (exons + introns) varie de quelques milliers de pb jusqu’à plus de 2 Mb La taille de la région codante (exons seuls) est comprise entre 0,5 et 15 kb Une région codante de 1 kb code une protéine de 333 acides aminés 16 16 8  ARN cellulaire = ARNm (3 à 5%) + ARNr (90%) + ARNt (4%) Une cellule peut contenir des centaines d’ARNm différents, mais seulement 4 types d’ARNr :  3 s’associent à un ensemble de protéines pour former un complexe ribonucléoprotéique ou GRANDE SOUS- UNITE du ribosome  L’autre ARNr s’associe à un autre ensemble de protéines pour former la PETITE-SOUS-UNITE du ribosome Une grande et une petite sous-unités s’associent dans le cytoplasme pour constituer un ribosome 17 17 Le ribosome est le site où se déroule la synthèse des protéines Une cellule contient des milliers de ribosomes 18 18 9 ARN de transfert (ARNt) :  ± 50 molécules d’ARNt différentes dans une cellule en phase active de synthèse protéique  Longueur variable de 75 à 93 nucléotides  Conformation en forme de L replié due à la complémentarité intracaténaire de segments de nucléotides 19 19 20 20 10   Une enzyme accroche un acide aminé par son extrémité carboxylique à l’extrémité 3’ d’un ARNt spécifique :  Exemple, l’arginyl-ARNt-synthétase fixe l’arginine sur la molécule d’ARNtarg  l’ARNt est dit « chargé »  A chaque acide aminé correspond au moins 1 ARNt  Une séquence de 3 nucléotides non appariés (ou ANTICODON) située dans une autre partie de l’ARNt joue un rôle crucial dans l’enchaînement linéaire des acides aminés qui constituent la protéine 21 21 La régulation de la transcription de l’ARNm  Présence de gènes de structure « communs » transcrits dans toutes les cellules pour effectuer les activités de base de la cellule  Présence de gènes de structure « spécifiques » transcrits de façon exclusive et conférant à un tissu ou un organe ses propriétés uniques  Exemple : les gènes qui codent pour les sous-unités a et b de l’hémoglobine de l’adulte ne sont transcrits que dans les cellules précurseurs des globules rouges 22 22 11   La capacité des cellules d’activer ou de réprimer la transcription des gènes de structure individuels est à l’origine de la spécificité cellulaire et représente un moyen efficace de préserver l’énergie  Les modalités de régulation de la transcription sont nombreuses et hautement spécifiques 23 23  Chez les eucaryotes, cette régulation est effectuée par des protéines appelés « facteurs de transcription »  De nombreux facteurs de transcription se fixent directement sur des séquences d’ADN < 10 pb et nommées « boîtes » ou « éléments de contrôle » ou « éléments de réponse » 24 24 12  25 25  Un élément de contrôle fréquent n’a pas forcément une séquence identique dans toutes ses occurrences mais il possède une série de nucléotides invariants  Le nom de l’élément est souvent fondé sur le motif hautement conservé de la séquence de l’un des brins, comme par exemple la « boîte TATA » ou « boîte de Hogness » 26 26 13   Les associations protéines-protéines sont aussi importantes dans la régulation de la transcription  Les éléments de contrôle sont généralement localisés en amont du point de départ de la transcription d’un gène de structure 27 27  Considérant la séquence de l’ADN, la paire de nucléotides dont l’une des bases est complémentaire du premier nucléotide de l’ARNm occupe la position +1  La paire de nucléotides adjacente et en amont de la position +1 occupe la position -1. La 25° paire de bases en amont de la position +1 occupe la position -25pb, …  De nombreux gènes de structure possèdent leur ensemble spécifique d’éléments de contrôle mais, de façon habituelle, le promoteur d’un gène de structure comporte : 28 28 14   une séquence de 8 nucléotides à laquelle appartient l’enchaînement TATA  une séquence CCAAT (boîte CAT)  et une série de répétitions de nucléotides GC (boîte GC) 29 29  Pour la plupart des gènes de structure dont le promoteur possède une boîte TATA, c’est la fixation du facteur de transcription IID (ensemble de 14 protéines) sur une séquence TATA accessible qui constitue la première étape de l’initiation de la transcription  D’autres facteurs de transcription se fixent successivement sur TFIID et sur l’ADN proche de la séquence TATA  Puis, l’ARN polymérase II, se fixe sur le complexe de facteurs de transcription et la transcription démarre à la position correcte 30 30 15  31 31  Il existe également des sites modulateurs ou régions « enhancers » de régulation de la transcription beaucoup plus éloignés de la position +1 (à des centaines voire des milliers de pb)  si l’on considère la chaîne d’ADN linéaire, comment ces régions éloignées peuvent-elles réguler la transcription du gène de structure?  En fait, des repliements de l’ADN permettent des rapprochements de séquences a priori éloignées 32 32 16  33 33  De ce fait, des facteurs de transcription fixés sur ces régions « enhancers » peuvent former une chaîne et créer des ponts de protéines entre 2 sites sur l’ADN  Des gènes de structure « réprimés » peuvent être activés par une cascade d’événements déclenchée par un signal intra- ou extracellulaire, comme par exemple la libération d’une hormone sous le contrôle de l’axe hypothalamo-hypophysaire (rappel des voies de signalisation cellulaires) 34 34 17   Par ailleurs, la fixation de certaines protéines aux éléments de réponse bloque la transcription  Par exemple, une série de gènes chez les vertébrés sont activement transcrits dans les neurones mais inactifs dans les autres cellules  Chacun de ces gènes dans les neurones possède un élément de contrôle long de 24pb appelé séquence « silencer » (NRSE ou neuron restrictive silencer element) 35 35  Dans les cellules autres , une protéine « silencer » de la spécification neuronale (NRSF ou neurone-restrictive silencer factor) se fixe à chaque NRSE et bloque la transcription de ces gènes  Inversement, les neurones ne synthétisent pas NRSF et NRSE est donc exprimé! 36 36 18  La traduction  TRADUCTION = processus qui consiste à décoder l’information portée par un ARNm en une séquence linéaire d’acides aminés liés les uns aux autres  Interaction entre ARNm, ARNt chargés, ribosomes et des protéines qui favorisent l’initiation, l’élongation et la terminaison de la chaîne polypeptidique 37 37  Chez les eucaryotes : 1. Initiation par la fixation sur la petite sous-unité du ribosome d’un « ARNt initiateur » spécifiquement chargé (Met-ARNtmet) 2. Le complexe ainsi formé se fixe au niveau de l’extrémité 5’ d’un ARNm, et migre le long de l’ARNm jusqu’à rencontrer une séquence AUG (ou codon d’initiation) 38 38 19  39 39  Chez les eucaryotes (suite) : 3. La séquence UAC de l’anticodon de l’ARNt initiateur s’apparie avec la séquence AUG de l’ARNm 4. La migration cesse 5. La grande sous-unité ribosomique s’associe au complexe 6. L’étape de l’élongation impose d’établir un lien peptidique entre les acides aminés selon l’enchaînement dicté par le code de l’ARNm 40 40 20  41 41 7. Le codon de la séquence d’ARNm à la suite du codon AUG impose la séquence de l’anticodon et donc le choix de l’ARNt chargé devant se fixer au complexe ribosomique 8. Une fois l’ARNt chargé correctement positionné, un lien peptidique est établi entre son acide aminé spécifique et la méthionine portée par l’ARNt initiateur 9. Cette liaison peptidique est catalysée par une enzyme associée à la grande sous-unité 42 42 21  10. La mise en place de cette liaison décharge l’ARNt initiateur, alors expulsé du complexe ribosomique 11. L’ensemble [méthionine - acide aminé – ARNtaa – ARNm] glisse le long du ribosome et le codon suivant de l’ARNm est disponible pour recevoir un ARNt chargé et possédant la séquence appropriée au site de l’anticodon 12. Une nouvelle liaison peptidique est établie 13. Le cycle se répète jusqu’à ce que la totalité des acides aminés codés par l’ARNm soient assemblés 43 43  Le ribosome se déplace le long de l’ARNm de l’extrémité 5’ vers l’extrémité 3’ à la vitesse approximative de 15 acides aminés par seconde  L’extrémité 5’ d’un ARNm libre de tout ribosome peut alors s’associer à nouveau à un autre complexe d’initiation  Un ARNm unique peut être traduit par plusieurs ribosomes simultanément, chaque ribosome assurant la synthèse d’une chaîne polypeptidique 44 44 22   L’étape de l’élongation se poursuit tant qu’un codon UAA, UAG, ou UGA n’est pas rencontré  Aucun ARNt portant l’anticodon complémentaire d’un de ces trois codons dits « stop » ou de terminaison 45 45  Une protéine (facteur de terminaison) est capable de reconnaître un codon stop et de se fixer au ribosome  Rupture du lien entre le dernier ARNt et son acide aminé porté  Libération de l’ARNt non chargé de la protéine complète et de l’ARNm  Les sous-unités du ribosome se dissocient 46 46 23   Une protéine peut subir diverses modifications après la traduction (modifications post-traductionnelles) :  Pour certaines, la méthionine de l’extrémité N- terminale est éliminée  Pour d’autres, la protéine est coupée au niveau de sites spécifiques pour donner naissance à des protéines plus courtes qui exerceront des fonctions distinctes 47 47  Parfois, des enzymes ajoutent des phosphates, des lipides, des hydrates de carbone, ou d’autres groupements chimiques sur des acides aminés spécifiques et les protéines ainsi modifiées peuvent alors accomplir leur fonction cellulaire propre 48 48 24   64 codons composent la totalité du code génétique  3 codons « stop »  1 codon « initiateur »  Lorsque la séquence d’une protéine comporte une méthionine, le codon AUG est alors reconnu par un autre ARNtMet, mais pas par l’ARNt initiateur  Le tryptophane n’est codé que par un seul codon (UGG)  Les autres acides aminés sont codés par 2 à 6 codons 49 49 50 50 25  51 51 52 52 26  Transport et adressage des protéines dans la cellule animale Dans une cellule, la localisation d'une protéine est essentielle à son bon fonctionnement Problème : le lieu de production d'une protéine est souvent différent de son lieu d'action??? L'adressage est l'ensemble des mécanismes qui permettent à une protéine d'être dirigée vers la bonne position 53 JM COLET 53 Quelques protéines synthétisées sur les polysomes mitochondriaux Mais pour une majorité de protéines, la synthèse débute sur les polysomes libres présents dans le cytosol Ensuite, que deviennent ces protéines une fois synthétisées ?  tout dépend de la présence ou non d’une «séquence d’adressage» qui oriente la distribution des protéines vers différents sites intracellulaires 54 JM COLET 54 27  Il existe deux voies principales d’adressage des protéines : Un premier tri s’effectue au niveau du cytosol : 1. Tri par défaut ou négatif : Tri par absence de séquence d’adressage dans la protéine pour les protéines dont la synthèse se fait entièrement sur les polysomes libres Quand la synthèse de ces protéines est finie, elles sont libérées sous forme libre dans le cytosol 55 JM COLET 55 2. Tri par choix ou tri positif : Tri des protéines dont la synthèse est initiée SRP = particule de sur les reconnaissance du signal polysomes libres et se termine sur les polysomes liés au REG Dans ce cas, les protéines possèdent une « séquence d’adressage » au début de leur structure primaire 56 JM COLET 56 28  2. Tri par choix ou tri positif : Quand la synthèse est terminée, les protéines sont :  soit sous forme soluble  soit sous forme membranaire (enchâssées ou non dans la membrane) 57 JM COLET 57 58 58 29  Après ce premier tri, les deux grandes catégories de protéines obtenues vont suivre deux voies différentes d’adressage dans la cellule : 1. Première voie de circulation des protéines : Protéines sans signal de tri spécifique dans leur structure restent par défaut dans le cytosol Protéines avec signal de tri (séquence d’acides ainés variable) dans leur chaîne polypeptidique. Exportation en fonction de la séquence du cytosol vers différentes destinations cellulaires :  noyau, mitochondries, ou peroxysomes En général, 1 à 2 min de trajet 59 JM COLET 59 2. Deuxième voie de circulation des protéines : Translocation des protéines dans la lumière du réticulum Elles ont déjà subi un premier tri positif grâce à leur séquence d’adressage et il se produit un second tri au niveau du réticulum Une faible partie des protéines reste dans le réticulum, un phénomène de rétention dû au signal de tri dans la chaîne polypeptidique 60 JM COLET 60 30  Au niveau du Golgi, on assiste à un 3ème tri important des protéines avec 4 possibilités : Retour vers le réticulum Par défaut vers la surface cellulaire pour donner des protéines membranaires ou des protéines solubles excrétées hors de la cellule Par tri positif, dans des vésicules de sécrétion et sécrétées hors de la cellule quand celle-ci reçoit un signal externe spécifique : voie de sécrétion souvent contrôlée par le Ca++ Par tri spécifique vers les lysosomes La majorité des protéines qui suivent la 2ème voie mettent 1h pour atteindre leur destination 61 JM COLET 61 Comment les protéines se déplacent-elles entre les différents compartiments cellulaires ? 1. Transport à ouverture contrôlée : Circulation des protéines entre le cytosol et le noyau grâce au « complexe du pore nucléaire » Ce sont des filtres sélectifs qui ne laissent passer que certaines macromolécules ou groupes de macromolécules spécifiques 62 JM COLET 62 31  2. Transport transmembranaire, translocation : Certaines protéines peuvent être directement transportées au travers d’une membrane et passer du cytosol à un compartiment différent :  lors du déplacement initial des protéines qui passent dans le réticulum  pour les protéines qui vont aller du cytosol vers les mitochondries 63 JM COLET 63 Mode de déplacement nécessitant une protéine de translocation particulière au niveau de la membrane à traverser Déploiement de la protéine à transloquer à l’aide de protéines de stress (chaperonnes, HSP Heat shock proteins) 64 JM COLET http://www.ebiologie.fr/cours/s/18/les-mitochondries 64 32  3. Transport vésiculaire : Les protéines sont transportées d’un compartiment cellulaire à un autre par l’intermédiaire de vésicules de transport Un tel transport se produit dans le cas des protéines solubles et membranaires lors de leur adressage du RE à l’appareil de Golgi Ces 3 modes de transport sont contrôlés de façon sélective par des signaux de tri qui existent dans les protéines de transport et reconnus par des récepteurs protéiques complémentaires situés sur des organites cibles 65 : JM COLET 65 Pour le transport à ouverture contrôlée : une protéine destinée au noyau doit avoir un signal de tri particulier reconnu par des récepteurs protéiques associés à des pores nucléaires http://www.ulysse.u- bordeaux.fr/atelier/ikramer/bi ocell_diffusion/gbb.cel.fa.108. b3/content/access.htm 66 JM COLET 66 33  Pour la translocation, la protéine doit avoir un signal de tri spécifique. Ce signal de tri doit ensuite être reconnu par la protéine de translocation de la membrane à traverser http://www.ulysse.u- bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gb b.cel.fa.108.b3/content/access.htm 67 JM COLET 67 Pour le transport vésiculaire, 2 cas : o Les protéines de transport peuvent sélectionner les protéines à transporter dans le compartiment donneur : les protéines ont alors un signal de tri qui se lie à une protéine particulière présente dans la membrane vésiculaire o Les vésicules de transport peuvent ne pas être sélectives : elles prélèvent toutes les protéines sans signal de tri pour les diriger vers un autre compartiment. Dans les 2 cas : la vésicule de tri ne renferme que les protéines destinées au compartiment cible approprié 68 JM COLET 68 34  En résumé : Le tri vésiculaire des protéines nécessite : la présence d’un signal de tri sur la protéine des vésicules de transport des récepteurs membranaires de reconnaissance sur les vésicules de tri et sur les compartiments cibles L’adressage est dit positif quand les signaux de tri sont présents, et négatif quand ils sont absents Mais au fond, c’est quoi un signal de tri? 69 JM COLET 69 70 70 35  Signaux de tri des protéines a. Les peptides " signal" : Séquence continue d’acides aminés, de 15 à 60 acides aminés. Il y a 3 zones dans cette séquence : 1. région restreinte chargée positivement 2. région centrale hydrophobe, de 5 à 10 acides aminés. Quand la protéine est membranaire, cette séquence permet l’ancrage de la protéine dans la bicouche lipidique 71 JM COLET 71 Signaux de tri des protéines : 3. Région variable contenant ou non un site de clivage qui, quand il existe, contient 2 petits acides aminés ( Gly, Ser, Ala, Pro,...) qui interrompent l’hélice-a Ceci permet l’action enzymatique de la " signal peptidase » et, dans ce cas, la libération du peptide signal : la protéine devient alors hydrosoluble 72 JM COLET 72 36  Localisés dans des endroits variés de la protéine mais sont souvent à une extrémité de la chaîne polypeptidique sur la protéine dépliée, ou sur la protéine repliée le peptide signal est exposé à la surface, il est donc facilement reconnaissable Souvent, mais pas obligatoirement, le peptide signal est enlevé à la protéine quand le choix de la destination est pris (« signal peptidase ») 73 JM COLET 73 La « signal peptidase » possède 2 sites fonctionnels reconnaissant chacun un des deux petits acides aminés du site de clivage et un résidu de sérine intervenant dans la coupure de la liaison peptidique entre ces 2 petits acides aminés Libération du peptide signal quand il est terminal cette peptidase appartient à une famille particulière de « protéases à sérine » 74 JM COLET 74 37  Ces peptides « signal » correspondent à des catégories différentes selon la destination cellulaire : 2ème voie d’adressage des protéines : le peptide signal est à l’extrémité N-terminale. Il va ensuite par défaut dans le Golgi, ou devient une protéine résidente du réticulum qui possède en position C- terminale un autre peptide signal. 1ère voie d’adressage des protéines : un certain nombre de protéines sont transloquées dans le noyau : elles portent un peptide signal avec des acides aminés centraux chargés positivement 75 JM COLET 75 Il faut noter que les peptides « signal » présents dans les protéines qui ont la même destination cellulaire ne sont pas toujours identiques (séquence en acides aminés plus ou moins variable)  mais fonctionnellement interchangeables! 76 JM COLET 76 38  b. Régions " signal" : Dans certains types d’adressage des protéines, le signal de tri ne correspond pas à une séquence en acides aminés, mais il correspond à un arrangement 3D particulier d’acides aminés Donc, la région signal se forme au cours du repliement correct de la protéine. La « région signal » est ainsi constituée de plusieurs séquences séparées sur la protéine déroulée Quand la protéine se replie, les 3 séquences sont alors plus ou moins juxtaposées et superficielles pour être 77 accessibles JM COLET 77 Ainsi, la « région signal » dépend de la conformation 3D de la protéine, et elle est reconnue pour le tri sélectif de la protéine La structure des « régions signal » est beaucoup moins connue que celle des peptides signal, elle est plus difficile à déterminer car :  Les « régions signal » ne peuvent pas être transférées en bloc d’une protéine donnée à une protéine ayant une autre destination cellulaire 78 JM COLET 78 39   Les « régions signal » ne peuvent pas être modifiées au niveau de la séquence par des modifications ponctuelles ou chimiques car il y aurait perte de la configuration générale de la protéine Remarque : (modifications post-traductionnelles) Au cours de la circulation des protéines, dans le cas de la 2ème voie d’adressage (passage par le système endomembranaire), il peut y avoir des modifications supplémentaires de la structure protéique comme par exemple l'addition de produits glyco-conjugués 79 JM COLET 79 40