ARN - Transcription et Traduction (PDF)

ARN **L'expression génique ** ========================= Définition  ----------- - Processus par lequel un gène exerce son effet sur une cellule ou sur un organisme - Processus par lequel une information génétique contenue dans un gène est lue et une molécule **effectrice** (**protéin...

ARN **L'expression génique ** ========================= Définition  ----------- - Processus par lequel un gène exerce son effet sur une cellule ou sur un organisme - Processus par lequel une information génétique contenue dans un gène est lue et une molécule **effectrice** (**protéine ou ARN)** correspondante est **produite** Dans le jargon, on dit qu'**un gène est « exprimé »** cela revient à regarder la présence ou l'absence de la protéine : à « Fortement exprimé » : beaucoup de copies trouvées de la protéine à « Pas exprimé » : pas de copie trouvée de la protéine L'expression génique chez tous les organismes vivants est faite en 2 étapes **:** **La transcription et la traduction.** La transcription et traduction  ------------------------------- Pour les **procaryotes**, les deux étapes ont lieu dans 1 seul compartiment cellulaire : - Pas de séparation physique ou **temporelle** entre ces 2 événements - Peuvent être **couplées** (traduction commence avant la fin de la transcription) Pour **les eucaryotes**, elles sont séparées dans deux compartiments cellulaires (noyau et cytoplasme/cytosol) : - Séparés par une membrane : l'**enveloppe nucléaire** - Découplage : séparation physique et temporel entre les 2 processus *NB : [diff eucaryote / procaryote] : La principale différence entre la cellule eucaryote et la cellule procaryote est le noyau : Les cellules eucaryotes possèdent un noyau alors que les cellules procaryotes n\'en possèdent pas (leur ADN flotte dans le cytoplasme).* La transcription  ================= Définition  ----------- - Processus par lequel l'information contenue dans le génome est copiée sous une forme utilisable par la cellule : **l'ARN.** - Copie d'un **brin ADN** en une séquence **ARN complémentaire** par une **ARN polymérase** à matrice ADNmême langage (nucléotides) Intérêt de copier l'information génétique ----------------------------------------- **Ce processus a été importé au cours de l'évolution afin de :** 1. **Protéger** le génome qui reste dans le noyau Transporter l'information dans le cytoplasme permet de ne pas mettre en danger l'intégrité des brins d'ADN se trouvant dans le noyau 2. **Contrôler le nombre de copies** en fonction des besoins de l'organisme et de l'identité de la cellule (chaque cell besoin diff) ce qui permet d'équilibrer les réactions afin de s'adapter à l'environnement (les gènes ont des nbr diff d'ARN)nbr d'ARN change si reçoit **signal** (hormone)moduler le taux de production (transcription) et destruction (dégradation (demi-vie))chaque cell n'a pas besoin des mêmes prot. Certaine possède une expression constante. 3. **Produire plusieurs ARN différents** à partir d'un même gène en utilisant différentes combinaisons d'exons (**épissage alternatif**choisir les exons d'un même gène)augmente diversité et complexité de l'info génétiqueplus **répandu organisme supérieur**. Les **gènes** sont découpés en exons et séparés par des **segments d'ADN** (introns). Chaque ARN n'a pas forcément tous les exons à chaque fois. 4. **Localiser l'information génétique** à des endroits précis de la cellule - Ex : neurone (envoyer ARN directement ou on a besoins de protéines) ARNm directement vers lieu grâce aux axones - Placer l'ARN ou on eut que la protéine soit synthétisée Toutes les cellules partagent le même matériel génétique. Cependant, des cellules peuvent avoir des fonctions différentes ou une même cellule peut remplir différentes fonctions selon son état de différenciation. Ce profil d'expression des gènes différent est dicté par la **spécificité cellulaire.** Nature biochimique de l'ARN  ============================  ADN ARN ------------ -------------------------- -------------------------------------- Sucre Désoxyribose Ribose (groupement hydroxyle en 2') nucléotide Désoxyribonucléotide Ribonucléotide Base Thymine (méthyle sur C5) Uracile (pas de méthyle sur C5) Brin Bicaténaire Monocaténaire (simple brin) 5'-\> 3' Les formes de l'ARN simple brin  -------------------------------- - Possible repli sur lui-même et formations de **liaisons intra-moléculaires** car il possède de courts segments de séquences complémentaires répartis au sein du brincomplémentarité intramoléculaire - Formation de **structures 3D complexes** dont la forme déterminera également sa fonction. **=\> structure secondaire** - **Permet aux ARN ribosomaux** (et ARN de transfert ainsi qu'aux petits ARN nucléaires) d'assumer une fonction structurale et même catalytique *(action d'un élément qui accélère ou ralentit une réaction chimique, sans lui-même se modifier)* Synthèse de l'ARN : La transcription ==================================== Il s'agit d'une **réaction de polymérisation** par laquelle une séquence d'ARN est déterminée grâce à l'appariements des ribonucléotides par complémentarité au brin matrice d'ADN. Principe  --------- - **Utilisation de l'ADN comme matrice** - **ARN poly pas besoin d'amorce** - Le dernier nucléotide ajouté de la chaîne ARN (**NTP** : ribonucléotide triphosphate) possède un OH sur son carbone 3' auquel se liera le phosphate (sur le carbone 5') du prochain idem réplication ADN - Appariement selon la complémentarité et création d'une liaison covalente phosphodiester entre le dernier nucléotide et la chaîne d'ARN existante - Synthèse **ARN 5'3' lire ADN de 3' à 5'** Ce sont des ribonucléotides triphosphates. **ARNpoly ADN dépendante** Différence : CH~3~ sur groupe Thymine et pas sur Uracile - **Même liaisons de ponts hydrogènes avec A** Mécanisme de la transcription ----------------------------- 1. Séparation des 2 brins d'ADN sur une petite **portion par l'hélicase** et création d'une bulle. 2. Ajout des nucléotides : synthèse du transcrit par **l'ARN polymérase** sur une polarité inverse au brin matrice. 3. Etant donné que les **2 brins d'ADN ne portent pas la même information**, l'ARN polymérase transcrit spécifiquement **un des deux brins. =\> savoir quel brin prendre** Si on synthétise chacun des brins, on remarque qu'ils ne sont pas égaux. L'ARN polymérase  ================= **Cette enzyme a pour rôle de synthétiser l'ARN.** [Fonctionnement :] 1. Reconnaît un signal indiquant le début du gène et s'y attache. 2. **Sépare ensuite les 2 brins d'ADN** (attention c'est tout de même l'hélicase qui débute l'action) 3. Se déplace le long de l'ADN en déroulant l'hélice devant elle 4. **Ajoute des nucléotides au niveau de son site de polymérisation** 5. Son « pouce » (élément structurel) sépare l'ADN matrice et l'ARN néosynthétisé pour permettre le ré-appariement des 2 brins d'ADN **ADN polymérases vs ARN polymérases ** --------------------------------------- ### Similarités  - **ADN comme matrice (sauf télomérase = utilise de l'ARN !)** **C'est une polymérase : ARN comme amorce** Elles utilisent comme "briques de construction" des pièces détachées faite de nucléotides triphosphates. Leur synthèse se fait toujours selon le sens **5' à 3'** (et donc la lecture sur le brin matrice est en sens inverse) ### Différences  +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ADN polymérases | ARN polymérases | +===================================+===================================+ | Nécessite une amorce | **Pas d'amorce** | | (primase)extrémité 3' pour ADN | | | polym. | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Très peu d'erreurs grâce à | **Erreurs plus fréquentes** car | | l'activité auto-correctrice | l'activité correctrice est moins | | (proof-reading) | efficace que celle de l'ADN | | | polymérase. | | Erreur plus grave car ADN est | | | utilisé comme forme de stockage | Moins de conséquences car si une | | permanent de l'info génétique. | protéine n'est pas fonctionnelle | | | à 100% elle est perdue dans la | | | masse des bonnes ou détruite. | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Elles catalysent la | Elles catalysent la | | polymérisation des | polymérisation des | | désoxyribonucléotides (dNTP) | **ribonucléotides** (NTP) | +-----------------------------------+-----------------------------------+ **Les ARN polymérases** - **Virale -\> (1 seule protéine)** - **Procaryote (4sous-unités)** - **3 polymérases chez les eucaryotes : Pol 1,2,3** **Pol 2 avec un CTD ( carboxyterminal) =\> seule avec une sous-unité** **Polymérase = 10-12 sous unités =\> il y a des homologues** **Elles ont des régions orthologues (avec procaryote ou paralogues)** **Ils ont des protéines identiques ou des protéines différentes.**  **Les ARNpoly ne reconnaissent pas les gènes ni le brin d'ADN à copier.** **Promoteur et GTF disent où se trouve le gène et donnent le sens.** **Les facteurs de transcription généraux (GTF) se fixent sur le promoteur et peuvent recruter la polymérase et l'aider à trouver le sens de la transcription.** **Le promoteur donne le début et GTF donne le sens** **Hélicase fait partie des GTF.** **Tata = séquences répétées =\> reconnu par TBP** **La TBP fait partie de la TF2D.**  **On peut ensuite recruter la polymérase pour transcrire.** **L'information ne va pas tout le temps dans le meme sens** Les deux catégories d'ARN  ========================== ### ARN fonctionnant **comme effecteurs** **(non-codants) :** **1. ARN ribosomaux (constitue le ribosome)** **2. ARN de transfert (décoder ARN messager)** **3. les petits ARN (snoRNA, snRNA)** **4. les tous petits ARN (micro, piwi)** **5. les longs ARN non codants (IncARN)** **Les ARNs effecteurs** ont une **forme bien définie et inchangeable**. Ils possèdent leur propre fonction en tant qu'enzyme. - **ARN ribosomaux **: forment le **noyau structurel des ribosomes** - **ARN transfert **: sélectionnent des acides aminés et les maintiennent en place sur les ribosomes pendant la synthèse des protéines - **Petits ARN **: participent à l'épissage des transcrits primaires, transportent les protéines vers le réticulum endoplasmique, participent à la régulation de la traduction et à la réplication des extrémités chromosomes (matrice de la télomérase) Ils sont très importants pour la traduction des ARNm en protéines. ### ARNs portant une **information génétique** qui sera traduite en protéine (grande majorité des gènes)**codants :** 1.**ARN messagers (ARNm)** *NB : Les 2 types d'ARN sont nécessaires pour contrôler la production des protéines* 3 ARN polymérases chez les eucaryotes ===================================== Les 3 ARN polymérases eucaryotes assurent la transcription de plusieurs classes de gènes : - ARN poly I : synthèse ARNr (ribosomaux) - ARN poly II : synthèse ARNm (messager), ARN long non codant (IncARN), certains petits ARN - ARN poly III : synthèse ARNt (transfert) et d'autres petits ARN *Nb : R1 / 2M / 3T* ARN ribosomaux (synthétisé par ARN poly I) ------------------------------------------ - **Fonction **: composants du noyau des ribosomes (des protéines viennent s'assembler autour pour former le ribosome) - **Structure **: Très compacte et organisée en courts segments complémentaires qui s'apparient en formes complexes - **Synthèse **: ARN très abondant, environ 175-200 copies du gène (duplication par recombinaison inégale) - **Lieu de synthèse **: nucléole (compartiment du noyau) - **Types **: 4 types d'ARNr, on en trouve 1 copie de chaque par ribosome - **Maturation** (≠ épissage)** **: ARNr précurseur clivé en entités séparées (introns excisés) - Il y a deux précuseurs pour les ARNr matures - **Représente 80% de la [masse] totale d'ARN =\> 2.5 x 10^6^ cellules**  **Petite sous unité : 18S** **Grande sous-unité : 5, 5.8 et 28 S.** Grande quantité nécessaire à la cellule **Nb : ARN = 1.1% et ADN = 0.25%** ARN transfert (ARN poly III) ---------------------------- - **Fonction **: fait le lien entre ARNm et les acides aminés en tant qu'adaptateur sélectionnant les acides aminés et les maintenant en place sur le ribosome lors de la synthèse des protéines - **Structure **: petit, fortement replié en trèfle - **Sur certaines portions l'ARNt est bicaténaire (double brin)** - **Synthèse **: transcrits d'une famille d'environ 500 gènes - Représentent **10 à 15%** de la masse d'ARN (nombreux et petits) - **Mais beaucoup plus que ARNr car 20 x 10^6^ cellules** - **Anticodon et codon** Tous petits ARN (ARN poly II ou III) ------------------------------------ - **Fortement repliés sur eux-mêmes** - **Rôle :** implication dans diverses fonctions de maturation d'ARNm et télomérase - **Micro-ARN (miRNA)**: - Controle et accompagne l'ARN messager (21-23 nucléotides) - Plus de 4000 différents =\> séquençage haut débit - **Piwi-ARN (piRNA) ** - Protection génome (limite les nouveaux éléments de transposition) - Germinale -\> hérédité - 23-34 nucléotides - **Longs ARN non codants (IncARN)** - Inactiver un chromosome (allèle) - Contrôle des expressions de gènes - 200 nucléotides à des milliers de bases **Biogénèse des microRNAs** Des microARNs peuvent se former le long des **ARNm ou des longs ARN non codants.**  Il y a des structures secondaires : début, pendant ou fin ARN - ARN double (pri-miARN) coupé par **Drosha** plus de m7G et A - Pre-miARN sort avec **EXPO5** - **DICER** coupe en un brin mature de miARN - **Création du complexe RISC** Ils sont faits par de l'ARN qui font les structures secondaires. **Biogénèse des piwi ARNs** - Protection du génome des éléments transposables - Lignée germinale - Cluster de séquences répétées **On les associe à des piwi aubergines** =\> protection du génome des éléments transposables. **Longs ARN non codants** - Découverte par **séquencage à haut débit** - Seulement chez les femmes de manière mono allélique ARN messager (ARN poly II) -------------------------- - **Structure générale **: région **5' non-codante** / région codante / **région 3' non-codante** - **Structure **: pas 3D, pas replié - **Fonction** : transport d'information jusqu'au ribosome pour la traduction de la protéine - Régions non-codantes servent de signal pour le ribosome - Eucaryote : 1 ARNm mature code pour 1 protéine - Représente **3 à 5 %** de la masse d'ARN - Il y a 10'000 ARNm différents par cellule - Chaque cellule utilise environ 10\'000 gènes sur 25\'000 (c'est ce qui fait la spécificité cellulaire) - 1 à 10'000 ARNm par gène selon le nombre de copies dont la cellule à besoin - **Environ 300'000 molécules d'ARNm par cellule** Maturation et transport des ARNm  ================================= Après la synthèse de l'ARNm, celui-ci n'est pas encore capable de diriger la synthèse de protéines (transcrit primaire) et doit encore subir 3 modifications pour être mature : ### Les 3 modifications pour qu'ARNm soit mature 1. Ajout d'une **coiffe** à l'extrémité 5' de l'ARNm 2. Ajout d'une **queue poly-A** à l'extrémité 3' de l'ARNm 3. Élimination des introns : **épissage** Ces étapes ont pour but d'augmenter la stabilité de l'ARNm car grâce à cela, il se détruit moins rapidement. Elles ont aussi pour but de permettre le transport de l'ARNm dans les différents compartiments. **L'ajout d'une coiffe en 5' ** ------------------------------- Ce mécanisme est **unique aux ARN messagers.** - Se fait par l'ajout d'un **nucléotide G qui est méthylé**. - La coiffe est ajoutée par l'intervention de 3 enzymes (donc 3 gènes impliqués) juste après que **l'ARN polymérase II ait synthétisé l'extrémité 5' de l'ARN donc pendant la transcription !!!!!** - Attention : liaison particulière 5'à 5' entre le **7-méthylguanosine et l'ARN** (ce n'est donc pas une liaison phosphodiester 5'à 3') - Cette coiffe constitue un **signal** important dans la traduction **La queue poly(A) en 3' (polyadénylation)** -------------------------------------------- - [Problème] : la synthèse des ARNm par la Polymérase II ne s'arrête pas à un endroit précis. Elle n'a pas besoin de matrice. - [Solution] : une extrémité 3' comune à tous les ARNm qui est **une séquence particulière** : **le signal de polyadénylation** - Ce signal entraîne le clivage*(séparation)* de celui-ci par une enzyme - Dégradation de la partie superflue qui libère le côté 3' - Puis, l'enzyme **Poly(A) polymérase** ajoute une succession de A (100-250 nucléotides) à la nouvelle extrémité, sans matrice car l'information est redondante -\> **la queue A** - **Stabilité de l'ARNm** - **Transport ARNm** - **Rôle clé dans traduction** **Élimination des introns (épissage)** -------------------------------------- **L'épissage (splicing)** a lieu dans le **noyau**. Il s'agit de l'**élimination des introns** du transcrit primaire (introns + exons)(première synthèse de l'ARN) C'est un processus nécessaire **avant l'export de l'ARNm dans le cytoplasme.** ### Définition exon et épissage alternatif **[Déf] : Un exon est un** segment de gène dont la séquence se retrouvera dans **[au moins] 1 ARN mature**, en effet certains exons ne sont pas inclus dans tous les ARNm matures lors de **l'épissage alternatif** (comme l'épissage mais il se peut que des exons soient aussi enlevé) Une hybridation a lieu entre un ARNm et un brin d'ADN matrice. ### **Région 5' et 3' non-codante (=/= intron)** Les régions non codantes aux extrémités 5' et 3' (**région UTR « UnTranslated Region »**) de l'ARN **diffèrent des introns**. En effet, elles sont présentes dans l'ARNm mature. =\> donc il y a des parties non codantes **Les exons ont donc des régions non codantes !** *NB : Un gène commence et se termine toujours par un exon.* **Les signaux d'épissage sur l'ARNm ** ====================================== **Site d'épissage (séquence sur ADN)** -------------------------------------- Il existe des séquences nécessaires (sur l'intron) pour que l'excision de l'intron s'effectue : - GU (début) - A (env. 30 nucléotides de la fin) - AG (fin) ***Syndrome lymphocytes nus** *: *1 mutation dans le site d'épissage change le G en A au début de l'intron ce qui mène à un épissage anormal. S'en suit l'excision de l'exon qui précède cette mutation. Il est éliminé comme s'il faisait partie de l'intron (élimination d'une séquence codante nécessaire à la fonction normale du coactivateur)* Le mécanisme de l'épissage  --------------------------- L'excision d'un intron se fait grâce à deux **réactions de trans-estérification**. Plus précisément, il s'agit d'une attaque nucléophile du OH situé en 2' du ribose du A, sur la liaison phosphodiester située en amont du premier nucléotide de l'intron. Une liaison covalente se forme entre l'extrémité 5' de l'intron avec le A, ce qui forme **un lasso**. C'est l'adénine du milieu qui est le nucléotide clé car elle sert de point d'embranchement du lasso. L'extrémité 3' du premier exon réagit avec l'extrémité 5' du deuxième en coupant l'extrémité 3' de l'intron. Cela permet la jonction des deux exons. Il s'agit donc d'une attaque nucléophile du 3'OH libre du premier exon sur la liaison phosphodiester après le dernier nucléotide de l'intron. À la suite de cela, le lasso d'intron est **dégradé dans le noyau.** *NB : L'ADN ne pourrait pas être épissé car n'a pas de OH sur son carbone 2'.* Les acteurs de l'épissage (snRNP) --------------------------------- - Un ensemble de ribonucléoprotéines (**snRNP** « small nuclear ribonucléoprotein particles ») sont des petits ARN (snRNAs = small nuclear RNAs) **associés à des protéines** - Les snRNPs reconnaissent et **se lient aux différents signaux d'épissage présents** dans l'ARNm grâce à la complémentarité de séquences présentes dans les **snRNAs** - Les interactions entre les snRNAs, portés par les différents snRNPs, **rapprochent les deux extrémités** - Les petits ARN s'apparient les uns aux autres et regroupent les bases en un seul point ce qui **permet le clivage de l'intron** entre deux exons de l'intron ce qui permet l'épissage. - Ce sont **les ARN (pas protéine) qui fonctionnent comme enzyme et catalysent la réaction d'épissage** Pourquoi la coiffe, la polyadénylation et l'épissage que pour l'ARNm ? La CTD de l'ARN polymérase II  ============================== L'ajout de la coiffe, la polyadénylation et l'épissage se font pendant que la transcription est en cours, **ce sont donc des modifications co-transcriptionnelles.** - Ces modifications sont uniques aux ARNm car ils sont **synthétisés par l'ARN polymérase II**. Les facteurs protéiques de ces 3 modifications « voyagent » avec l'ARN polymérase II, **attachés à la CTD** (C-terminal domain) située à l'extrémité de la **plus grande sous-unité**. Cette sous-unité particulière est unique à l'ARN polymérase II Ce sont les **phosphates (phosphorylation)** rajouté sur CTD qui **permettent la fixation des différentes protéines.** ***Ceci se fait par le complexe TF2H (cf ADN prot 6).*** **Transport des ARNm ** ======================= Les pores nucléaires  --------------------- Après synthèse, l'ARNm mature est transporté du noyau jusqu'au cytoplasme, à travers des pores nucléaires. Ceux-ci sont situés dans la double membrane imperméable constituant l'enveloppe nucléaire. A noter que ces pores nucléaires permettent aussi un transport du cytoplasme vers le noyau si besoin. Par exemple, ils permettent d'amener une ARN-polymérase dans le noyau. **Structure **: le complexe du pore nucléaire est **un ensemble de protéines** permettant une filtration de molécules entrant ou sortant du noyau Complexe ribonucléoprotéique ---------------------------- Lors de sa synthèse, l'**ARNm est emballé par des protéines** formant ainsi le **complexe ribonucléoprotéique (RNP)**. Celui-ci permet le transport de l'ARNm à travers le pore nucléaire. Parmi ces protéines qui emballent l'ARNm, il y a notamment les **protéines de transport**. Certaines protéines restent liées à l'ARNm lors de son passage à travers le pore (accrochées à la coiffe et la queue) et d'autres restent dans le noyau.