Biologie Moléculaire Ronéo 2: Expression des Gènes (PDF)

Dogme centrale de la biologie (Francis Crick) en 1958 : le flux de l'information génétique est unidirectionnel ; et l'ADN est un substrat biochimique de l'hérédité : il contient toutes les informations génétiques et a pour mission de s'assurer d'une bonne transmission du patrimoine héréditaire. Tra...

Dogme centrale de la biologie (Francis Crick) en 1958 : le flux de l'information génétique est unidirectionnel ; et l'ADN est un substrat biochimique de l'hérédité : il contient toutes les informations génétiques et a pour mission de s'assurer d'une bonne transmission du patrimoine héréditaire. Transcription dans l'ARN messager qui est une sorte d'intermédiaire entre le noyau et les ribosomes (= déchiffrer et traduire l'information sous la forme de protéine) Dans le cas général = ADN \--» ARN sinon inverse dans les cas particuliers I. Principes généraux de l'expression d'un gène transcription-traduction 1. Généralités Génome contient gène contient information (=enchainement linéaire de nucléotides = séquence de l'ADN) Gene codant : il sert a la synthese des proteines et leur sequence désoxyribonucléotides va etre d'abord transcrite en séquence ribonucléotides qu'on retrouvera dans l'ARN messager puis traduite en AA pour permettre la formation d'une proteine. Gene non codant : il sert uniquement à la synthese de l'ARNs non codant. Il sera donc uniquement transcrit. 2. La transcription Cette étape consiste simplement à transcrire une sequence désoxyribonucléotides en séquence ribonucléotides qui sera retrouvée dans l'ARNm L'ADN contient 2 brins : Brin codant : celui qui contient l'information génétique qui doit être retranscrite dans l'ARNm Brin non codant : ne contient pas d'information, mais joue un role dans la transcription au niveau de la complémentarité des bases. (Matrice= transcrire quasi a l'identique l'info du bruin codant dans l'ARNm) ADN polymérase (enzyme) = permettre d'assurer transcription ; role : synthétiser l'ADN en ARN en amont de la séquence codante du gène et l'achever en aval. Donc ARN plus grand que l'ADN de base (séquence codante de base) Pour les procaryotes= transcrit primaire et c'est suffisant Pour les eucaryotes= apres cette etape les cellules vont devoir subir encore des etapes de maturation 3. La traduction ARNm= traduction (=décoder le message (codon ; triplé AA) pour former une protéine) Début codon start (AUG=méthionine) / fin : codon stop (UAG=ambre) il ne code pour aucun AA il indique pour cela la fin Code génétique : il existe 64 combinaisons de trois nucléotides pour former un codon Caractéristique du code génétique : Quasi-universelle : pour la plupart des espèces vivantes il y a exactement la meme correspondance concernant les codons (triplé AA), sauf mithochondries car elles, elles reposent sur le sens. Non chevauchant : chaque nucléotide a une place précise et ne peut appartenir qu'a un seul codon sans bouger de place. Non ambigu : un codon donné correspond toujours au même AA Dégénéré : triuver uen def plus imple Le cadre de lecture : en theorie il existe 3 cadres de lecture pour dechiffrer la séquence de l'ARNm. Chacun est décaler d'une nucleotides donc cela aboutira a une traduction differente avec une composition differente de triplés de AA et donc de codon= proteine differente. Cependant en pratique, il existe en réalité un seul cadre de lecture, donc une seule proteine va etre obtenue a chaque fois car il existe les codons start (=méthionine) Les autres cadres sont ainsi dit bloqués car ils contiennent généralement des codons stop prématuré et ainsi leur traduction n'aboutira qu'a des proteines tronquées. Pour le ribosome= séquence spécifique selon dans quelle cellule on se trouve Procaryote= sequence de shine-Dalgarno / eucaryote= sequence de Kozak II. Les mutations 1. Les substitutions Remplacement d'un nucléotide par un autre Mutation faux-sens : création d'un autre AA= mutation va chnager le sens du codon et l'AA dans la sequence de la proteine. Mutation non-sens : Cette fois ci la mutation crée un codon qui interrmpt la traduction= creation d'un codon stop prématuré=arrete de la synthese de la proteine tronquée. 2. Les additions et le delections Ajout ou suppression d'un nucléotide ou plusieurs dans la sequence de l'ADN Non decalante : le nombre de nucléotide inseré ou supprimé va etre un multiple de 3 ainsi le cadre de lecture ne va pas etre modifié il va etre respecté Decalante : ce n'est pas un multiple de 3 ainsi on change le cadre de lecture et il y a la creation de nouvelles proteine en raisons de la creation de nouveaux codons (triplé AA) Consequneces : faux sens multiple, voir meme modification de la position du codon stop. III. Les acteurs de la traduction L'ARNm= contient les instructions pour la synthèse de la protéine Des ARNs de transfert= charges de leur AA et qui vont venir se fixer au codon de l'ARNm Les aminoacyl-ARNt-synthétases : enzyme qui fixent les AA sur les ARNs de transfert Ribosomes : formés de protéine et d'ARNs ribosomaux ; role : accueillir les ARNs de tranfert qui sont chargés de relier entre eux les AA grace aux liaisons polypeptidiques pour former des proteines. ARN de tranfert : apportent les AA au ribosome ; ils sont constitués d'une tige acceptrice (prend un AA avec son extremité 3'-OH) et de trois boucles et l'une d'entre elle est la boucle de l'anticodon qui contient 3 nucléotides appelé l'anticodon. Cette séquence va etre specifique a chauque ARNt Et c'est par l'intermédiaire de cette sequence que l'ARNT vient se fixer par complémentarité au codon de l'ARNm qui spécifie l'AA fixe sur l'ARNt (=produit à partir de genes non codant puis etape de maturation (=entre 10 et 25% des bases vont etre modifiées= bases mineures) donc ARNt va contenir des bases comme l'inosine, l'uridine ou encore la thymine qui est spécifique à l'ADN normalement. IV. Le déroulement de la traduction 3 phases successive : - Initiation : assemblange du ribosome complet sur l'arn messager au niveau du codon start. Formation d'un cortexe pré-initiation : il va se former a deux endroits differents chez les procaryotes (= au niveau du codon start) et les eucaryotes (en amont au codon start). Assemblage du ribosome complet : pour les eucaryotes cela neccesite un deplacmement du cortexe pré-initiation qui est sur l'ARNm jusqu'au codon start. - D'élongation : déplacamenr du ribosome sur l'ARNm selon le cadre de la lecture jusqu'au codon stop= arrêt de la traduction. La phase d'élongation est un cycle avec des étapes qui se suivent successivement. Voir une vidéo pour mieux comprendre - La phase de terminaison : fin de la traduction= codon stop+ libération de la protéine complète. Il y n'y aura pas d'ARNt mais plutôt une protéine qu'on appelle facteur de terminaison. Elle va etre libérée et le ribosome va se dissocier de la sequence aussi grace à elle en s'induisant dans le site A. Polyribosomes= l'ensemble ARNm-ribosomes ; rôle: plus efficace et plus rapide pour la traduction. Récap : - L\'expression des gènes correspond à un transfert d\'information génétique. Un gène est une séquence d\'ADN qui contient une information - L\'information des gènes qu\'on appelle codant va fournir les instructions pour la synthèse d\'une protéine. Son expression comprend une étape de transcription et une étape de traduction - L\'information des gènes appelés non codant va être utilisée pour synthétiser des ARN divers. Son expression va se limiter à une étape de transcription. - La transcription d\'un gène va reposer sur le principe de complémentarité des bases - Elle fait intervenir une ARN polymérase qui est une enzyme capable de synthétiser une molécule d\'ARN en prenant comme modèle une séquence d\'ADN. - La transcription d\'un gène codant va produire un ARN messager et la transcription des gènes non codant va produire divers autres types d\'ARNs appelés ARNs non codant. - La traduction est la seconde étape de l\'expression des gènes codant - Elle correspond à la conversion de la séquence codante de l\'ARN messager en une séquence d\'acides aminés - C\'est le code génétique qui établit la correspondance entre un ou plusieurs codons synonymes et un acide aminé. - Le code est dit dégénéré, ce qui va lui permettre de minimiser l\'effet de certaines mutations. - Ce sont les ARNs de transferts qui vont assurer la correspondance entre les codons de l\'ARN messager et les acides aminés. - Un ARN de transfert est associé à un acide aminé par une aminoacyl-ARNt synthétase ct il possède une séquence appelée anticodon qui lui permet de s\'apparier de façon flexible à un ou plusieurs codons de l\'ARNm.\ Le déchiffrage de l\'information de l\'ARN messager va être réalisée au sein du ribosome depuis le codon Start d\'initiation de la traduction jusqu\'au codon Stop, et ce, selon un cadre de lecture fixe pour aboutir à la synthèse d\'une protéine. Chapitre 2 : expression génique et régulation chez les procaryotes Intro : l'expression des gènes procaryotes et eucaryotes diffèrent dans leur organisation En absence de noyau, la transcription+ traduction=en même temps= procaryote Les ribosomes peuvent s'associer à l'ARNm dès le début de sa synthèse et commencer à le traduire en protéine. I. Organisation des gènes procaryotes Et c'est cette organisation qui explique et autorise la simultanéité de la transcription et de la traduction. II. La régulation d'un opéron Des séquences « ci-régulatrice » On parle de régulation « cis » car ces éléments sont formés de séquences d'ADN contenue dans l'opéron lui-même. Le motif qui est formé par ces sequences régulatrices va constituer un signal de fixation pour des proteines regulatrice immpliquées, selon les cas, dans l'activation ou dans la repression de transcription. Defintions : Promoteur : type de séquences régulatrice qui va etre reconnu par l'ARN polymérase et au niveau de laquelle elle va se fixer pour initier la transcription. Opérateur : séquences plus ou moins eloignées du promoteur qui participe à la regulation de l'opéron. Des proteines appelés facteurs transrégulateurs vont venir activer ou inhiber la transcription en se fixant à l'ADN au niveau de la séquence régulatrice qui leur est specifique. Les sequences trans-régulatrices : On parle de trans car le gene codant pour une proteine régulatrice est situés a distanxe de l'opéron et possede lui-même son propre promoteur et sesq sequences regulatrices propres. En plus d'un domaine de liaison d'ADN, ces proteines possèdent un domaine de fixation modifie leur conformation et leur identité. 1. Differents types d'opéron On en distingue 2 types : [REPRESSIBLE] Un opéron dit répressible est un opéron qui s\'exprime de façon « constitutive ». Ce type d\'opéron contient généralement des gènes impliqués dans une voie anabolique permettant la synthèse d\'une molécule : comme par exemple l\'opéron de synthèse du tryptophane. → En l\'absence de cette molécule, l\'opéron s\'exprime et permet la synthèse de la molécule qui fait défaut. → Lorsque la molécule est disponible pour la cellule, elle va jouer le rôle de ligana corépresseur en se fixant sur une protéine régulatrice répressive et en l\'activant. Cette protéine régulatrice va ainsi pouvoir se fixer à une séquence cible de l\'opéron et le réprimer, l\'expression de ses gènes anaboliques étant superflue en présence de la molécule OPERON REPRESSIBLE : s\'exprime quand il n\'y a pas de ligand  [INDUCTIBLE] Un opéron dit inductible C\'est-à-dire qu\'il peut être réprimé de façon « constitutive » Ce type d\'opéron contient généralement des gènes impliqués dans une voie catabolique permettant la dégradation d\'une molécule: comme par exemple, l\'opéron permettant le catabolisme du lactose. → En l\'absence de la molécule de lactose, l\'opéron et l\'expression des gènes cataboliques sont réprimés par une protéine répressive fixée à sa séquence d\'ADN cible → En présence de la molécule de lactose, cette molécule va jouer le rôle de ligand inducteur en se fixant sur la protéine répressive et en l\'inactivant. Ainsi l\'opéron peut s\'exprimer. OPÉRON INDUCTIBLE : s\'exprime quand il y a le ligand +++ Opéron lactose : c\'est un opéron inductible de la bactérie E.coli Cette bactérie est capable de proliférer en présence de glucose et de lactose → En présence des 2 nutriments, sa préférence ira pour le glucose → Puis, lorsque le glucose est épuisé, le lactose ne pourra être utilisé qu\'après un temps de latence nécessaire à l\'activation de l\'expression de l\'opéron et des gènes du catabolisme du lactose 2. La régulation de l'opéron lactose La régulation de l'opéron lactose fait intervenir differents éléments : L'opéron lactose comprend 3 gènes et leur sequence régulatrices communes : Un promoteur unique fixant l'ARN polymerase Un ensemble de séquences appelées opérateur Et en aval, les gènes necessaires au catabolisme du lactose. Le gène Lac I situé à distance, code un represseur de la transcription de l'opéron. Cette opération appelée LacI réprime de façon constitutive l'expression de l'opéron. Elle se fixe au séquences opératrice et bloque au passage de l'ARN Polymérase. L'opérateur est un élément comprenant 3 séquences appelées O1 ; O2 ; O3 O1 et O3 = encadrent le promoteur de l'opéron O2= situé plus en aval 3. La protéine Lacl La protéine Lacl réprime l'opéron (homotétramère) ; en se fixant sur les séquences opératrices La protéine LacI est un répresseur qui bloque l\'expression des gènes de l\'opéron lac (impliqués dans la dégradation du lactose) chez E. coli. Rôle : \- Bloquer la transcription des gènes lac en se liant à l\'opérateur de l\'ADN. Élément extérieur nécessaire : \- Lactose (ou son dérivé allolactose) : il agit comme inducteur. Fonctionnement : \- Sans lactose : LacI se fixe à l\'opérateur et empêche l\'ARN polymérase de transcrire les gènes. \- Avec lactose : L\'allolactose se lie à LacI, modifie sa conformation, LacI se détache de l\'opérateur, et la transcription des gènes peut avoir lieu. Cela permet à la bactérie d\'activer la dégradation du lactose uniquement en présence de celui-ci. 4. La proteine CAP : La proteine CAP est un facteur trans-régulateur activateur de l'opéron. La protéine CAP (Catabolite Activator Protein) est un activateur qui stimule l\'expression des gènes de l\'opéron lac. Rôle : \- Activer la transcription des gènes lac en facilitant la liaison de l\'ARN polymérase au promoteur. Élément extérieur nécessaire : \- AMPc (adénosine monophosphate cyclique), dont le niveau augmente lorsque le glucose est faible. Fonctionnement : \- En absence de glucose : L\'AMPc se lie à CAP, permettant à CAP de se fixer au promoteur. Cela facilite la liaison de l\'ARN polymérase, augmentant la transcription des gènes lac. \- En présence de glucose : Le niveau d\'AMPc est bas, donc CAP ne s\'active pas, et la transcription est réduite. CAP aide la bactérie à utiliser le lactose quand le glucose est absent. Deux autres éléments participent à la régulation de l'opéron 1\. \*\*La séquence CAP se trouve juste avant la boîte TATA, un élément important pour contrôler l\'expression de l\'opéron (un ensemble de gènes régulés ensemble). 2\. \*\*Rôle de la séquence CAP\*\* : elle agit comme un point d\'ancrage pour une protéine spécifique, ce qui aide l\'ARN polymérase (l\'enzyme qui fabrique l\'ARN) à se lier plus facilement au promoteur, la région qui déclenche la transcription du gène. 3\. \*\*Pourquoi est-ce nécessaire ?\*\* L\'ARN polymérase a du mal à se lier toute seule au promoteur car la boîte TATA du promoteur est légèrement différente de la séquence idéale, ce qui la rend moins efficace. 4\. \*\*Structure de la séquence CAP\*\* : elle est composée de deux séquences répétées inversées, chacune pouvant fixer une protéine appelée CAP (Catabolite Activator Protein). Cette protéine renforce la liaison de l\'ARN polymérase au promoteur, facilitant ainsi la transcription des gènes. En résumé, la séquence CAP et la protéine CAP aident l\'ARN polymérase à mieux se lier au promoteur pour démarrer plus efficacement la transcription des gènes de l\'opéron. III. Les etats transcriptionnels de l'opéron lactose On distingue 3 etats transcriptinnels de l'opéron lactose (role des diffrents element presents pour la regulation de l'opéron lactose. Etat réprimé : En l'absence de lactose : lacl(proteine)---«  fixation sur opérateur---«  blocage du promoteur=pas de transcription Etat permissif : Présence de lactose+glucose :lactose---«  fixation sur la lacl---«  changement de conformation---« dissociation de l'opérateur Glucose---«  baisse AMPc---« CAP inactif---«  pas de stabilité de l'arn polymerase État actif : Présence de lactose seul : Lactose---« fixation sur la lacl---« liberation de l'opérateur AMPc---«  activation du CAP---«  fixation sur ppromoteur---«  stabilité ARN polymerase---transcription optimale Récap : la régulation de l'expression des genes est purement transcriptionnelle chez les procaryotes Un opéron est constitué par une juxtaposition de sequences codantes de gens dont l'expression peut etre induite ou reprimée de facon coordonnées par differents elements regulateurs.\ l'etat transcriptionnel de base d'un opéron inductible est réprimé a l'etat transcriptionnel de base d'un opéron repressible es activé L'induction ou la repression d'un operon fait intervenir des proteines trans-regulatrices capable de se lier a l »ADN au niveau des sequences cis-regulatrices specifique La capacite des facteurs trans-regulateurs a se lier a l'ADN depend de leur conformation, elle-meme soumise a la disponibilité de ligants corégulateurs Ces principes de regulation transcriptionnelle s'applique egalement aux eucaryotes chez lesquels la regulation de l'expression des genes s'est complexifiée et s'opere a d'autres niveaux Chapitre 3/ expression génique et régulation chez les eucaryotes I. Introduction 1. La structure des genes Chez les procaryotes les genes codants sont pour la plupart organisé sur le modele de l'operon : Ils sont regroupés et controlés par un promoteur et des sequences regulatrices communes. Leur sequence codante est compacte et inninterompu et l'opéron entier est transcrit sous la forme unique et logn ARNm (polycistron) immediatement mature Les gènes codants eucaryotes sont morcelés et régulés de façon individuelle Leur région destinée à être transcrite est morcelée (c'est une succession de région codante (exon) dont la séquence nucléotidique sera convertie en séquence d'AA et de régions codantes (introns) = inutile à la traduction. Leur région régulatrice non transcrite ne contrôlent qu'un seul gène à la fois Chaque gène possède son propre promoteur représenté dans la majorité des cas par la TATAbox et ses séquences régulatrices a elle !! 2. Organisation de l'expression génique chez les procaryotes, l'ARNm est demblée mature et en l'absence de noyau, transcription et la traduction se font simultanément ; au contraire chez les eucaryotes la traduction et la transcription sont des étapes distinctes séparer par le noyau et une étape de maturation 3. Régulation des gènes eucaryotes Contrairement aux cellules procaryotes chez les eucaryotes la régulation ne se limite pas a une régulation transcriptionnelle, elle est régulée a plusieurs niveaux : - Compaction de la chromatine - Transcription du gène - Maturation du transcrit - Stabilité de l'ARNm - Traduction du transcrit II. Régulation par épidémiologie La compaction de l'ADN est une étape limitante de l'expression des gènes. L'ADN peut exister sous forme lâche (euchromatine) ou compactée (hétérochromatine) Les gènes ne sont accessibles que sous forme euchromatine mais ces deux états de la chromatide peuvent s'interchanger grâce à des mécanismes de régulation dits épigénétiques (infos non codées par l'ADN) qui vont ainsi autoriser la transcription Régulation par l\'épigénétique \- régulation de l\'ADN : L\'ADN existe sous forme d\'euchromatine (lâche) ou d\'hétérochromatine (compactée). Les gènes ne sont exprimés que sous forme d\'euchromatine. Ces états sont interconvertibles, régulés par des modifications épigénétiques. \- Modifications épigénétiques : Elles influencent l\'expression des gènes sans altérer la séquence d\'ADN, en modifiant la compaction de la chromatine. Ces modifications sont partiellement réversibles et permettent la transmission d\'un profil d\'expression à la descendance cellulaire. \- Mémoire épigénétique : Elle conserve et transmet les profils de différenciation des cellules tout au long de la vie.  Types de modifications épigénétiques : 1\. Méthylation de l\'ADN : Méthylation des cytosines dans les îlots CpG par les ADN méthyltransférases (DNMT), associée à une compaction de la chromatine et à la répression de l\'expression génique. 2\. Modifications post-traductionnelles des histones : Réactions comme l\'acétylation, la méthylation, et la phosphorylation ciblent les queues des histones, influençant l\'ouverture ou la fermeture de la chromatine. Par exemple, l\'acétylation des lysines favorise l\'ouverture de la chromatine.  Régulation au niveau transcriptionnel \- Chaque gène eucaryote possède une combinaison unique de séquences régulatrices, qui permettent l\'interaction avec des facteurs de transcription spécifiques et la machinerie transcriptionnelle. \- Facteurs de transcription spécifiques : Ils modulent l\'expression des gènes en fonction de leur présence. Ils peuvent être activateurs (enhancers) ou répresseurs (silencers). \- Complexe Médiator : Il agit comme un intermédiaire entre les facteurs de transcription et la machinerie transcriptionnelle.  Régulation au niveau de la maturation de l\'ARNm \- Épissage : Processus qui élimine les introns (non codants) et assemble les exons (codants). L\'épissage alternatif permet de produire plusieurs protéines à partir d\'un même gène en fonction du type cellulaire et des conditions. \- Modifications de l\'ARNm : Ajout d\'une coiffe en 5' et d\'une queue Poly-A en 3' pour protéger l\'ARNm de la dégradation et favoriser la traduction.  Régulation au niveau de la traduction \- ARN interférence (miARN) : Les microARN, via le complexe RISC, ciblent les ARNm spécifiques pour bloquer leur traduction ou provoquer leur destruction. \- Exemple de la ferritine : La synthèse de la ferritine, une protéine de stockage du fer, est régulée en fonction de la disponibilité du fer. Lorsque le fer est absent, la protéine IRP bloque la traduction de l\'ARNm de la ferritine.  Synthèse : \- Les gènes eucaryotes sont régulés individuellement, avec des séquences régulatrices propres. Leur expression dépend de la structure de la chromatine, des facteurs de transcription et des processus comme l\'épissage alternatif et la traduction ajustée par des mécanismes post-transcriptionnels et post-traductionnels.