L'ADN et l'Expression des Genes
Duree : 60 min Β· Difficulte : ββββ
Objectifs du cours
- β’Decrire la structure de l'ADN (double helice, nucleotides, complementarite des bases)
- β’Expliquer le mecanisme de replication semi-conservative de l'ADN
- β’Comprendre la transcription (ADN β ARNm) et le role de l'ARN polymerase
- β’Maitriser la traduction (ARNm β proteine) et le fonctionnement des ribosomes
- β’Utiliser le code genetique pour predire une sequence d'acides amines
- β’Connaitre les mecanismes de regulation de l'expression genique
I. Structure de l'ADN
L'ADN (Acide DesoxyriboNucleique) est la molecule qui porte l'information genetique chez tous les etres vivants. Decouverte en 1953 par James Watson et Francis Crick(avec les travaux de Rosalind Franklin), sa structure en double helice est l'une des decouvertes les plus importantes de la biologie.
1.1 La double helice
L'ADN est constitue de deux brins polynucleotidiques enroules l'un autour de l'autre en forme d'echelle vrillΓ©e. Les deux brins sont antiparalleles : l'un va dans le sens 5' β 3', l'autre dans le sens 3' β 5'.
Schema de la double helice d'ADN
5' βββββββββββββββββββββββββββββββ 3'
| | | | | | | |
AβββT Gβ‘β‘β‘C TβββA Cβ‘β‘β‘G
| | | | | | | |
3' βββββββββββββββββββββββββββββββ 5'
βββ = 2 liaisons H (A-T)
β‘β‘β‘ = 3 liaisons H (G-C)1.2 Les nucleotides
Chaque brin est compose de nucleotides, les unites de base de l'ADN. Un nucleotide comprend trois elements :
π΅ Un groupement phosphate
Relie les nucleotides entre eux (liaison phosphodiester)
β¬ Un sucre (desoxyribose)
Sucre a 5 carbones, sans oxygene en position 2'
π· Une base azotee
A, T, G ou C - porte l'information
1.3 Les 4 bases azotees (ATGC)
| Base | Abreviation | Type | Appariement | Liaisons H |
|---|---|---|---|---|
| Adenine | A | Purine (2 cycles) | A βββ T | 2 liaisons |
| Thymine | T | Pyrimidine (1 cycle) | T βββ A | 2 liaisons |
| Guanine | G | Purine (2 cycles) | G β‘β‘β‘ C | 3 liaisons |
| Cytosine | C | Pyrimidine (1 cycle) | C β‘β‘β‘ G | 3 liaisons |
π― Regle de Chargaff (1950)
Dans tout ADN : [A] = [T] et [G] = [C]. Cette observation a permis de comprendre la complementarite des bases avant meme la decouverte de la structure en double helice.
Le savais-tu ?
Le genome humain contient environ 3,2 milliards de paires de bases (pb). Si on deroulait tout l'ADN d'une seule cellule humaine, il mesurerait environ 2 metres ! Tout cet ADN est compacte dans un noyau de seulement 6 ΞΌm de diametre.
II. La Replication de l'ADN
La replication est le mecanisme par lequel l'ADN se copie avant la division cellulaire. Elle permet de transmettre l'information genetique de cellule mere a cellules filles de maniere fidele.
2.1 Le modele semi-conservatif
La replication est dite semi-conservative : chaque molecule d'ADN fille contient un brin parental (ancien) et un brin neo-synthetise (nouveau). Ce modele a ete demontre par Meselson et Stahl en 1958.
Schema de la replication semi-conservative
ADN parental Replication 2 ADN filles
ββββββββββββββ β ββββββββββββββ ββββββββββββββ (ancien)
ββββββββββββββ ββββββββββββββ ββββββββββββββ (nouveau)
ββββββββββββββ ββββββββββββββ (nouveau)
ββββββββββββββ ββββββββββββββ (ancien)
ββ = brin parental (ancien)
ββ = brin neo-synthetise (nouveau)2.2 La fourche de replication
La replication debute a des sites specifiques appeles origines de replication. Une fourche de replication se forme, ou les deux brins se separent.
| Enzyme / Element | Role |
|---|---|
| Helicase | Deroule la double helice en rompant les liaisons hydrogene |
| Primase | Synthetise une courte amorce d'ARN pour initier la replication |
| ADN polymerase III | Synthetise le nouveau brin d'ADN (sens 5' β 3' uniquement) |
| ADN polymerase I | Remplace les amorces ARN par de l'ADN |
| ADN ligase | Relie les fragments d'Okazaki (brin discontinu) |
| Topoisomerase | Relache les surenroulements en avant de la fourche |
2.3 Brin directeur vs brin retarde
L'ADN polymerase ne peut synthetiser que dans le sens 5' β 3'. Cela cree une asymetrie :
β‘οΈ Brin directeur (leading)
- β’ Synthetise en continu
- β’ Meme direction que la fourche
- β’ Une seule amorce necessaire
- β’ Synthese rapide et continue
β¬ οΈ Brin retarde (lagging)
- β’ Synthetise en discontinu
- β’ Direction opposee a la fourche
- β’ Multiples amorces necessaires
- β’ Fragments d'Okazaki (100-200 nt)
Schema de la fourche de replication
Direction de la fourche β
3' ββββββββββββββββββββββββββββββββββββββββββββ 5'
β Helicase β
βββββββββ βββββββββ
/ \
5' ββββββββββββββββ ββββββββββββββββ 3'
BRIN RETARDE ββ ββ BRIN DIRECTEUR
(discontinu) (continu)
[===][===][===] βββββββββββββββββββ
Fragments d'Okazaki Synthese continuePoint bac important
La fidelite de la replication est d'environ 1 erreur pour 10βΉ nucleotidesgrace au systeme de relecture (proofreading) de l'ADN polymerase et aux mecanismes de reparation de l'ADN.
III. La Transcription (ADN β ARNm)
La transcription est la premiere etape de l'expression des genes. Elle consiste a recopier un gene (sequence d'ADN) en une molecule d'ARN messager (ARNm).
3.1 Les acteurs de la transcription
| Element | Description |
|---|---|
| ARN polymerase | Enzyme qui synthetise l'ARN a partir de la matrice ADN (sens 5' β 3') |
| Brin matrice (antisens) | Brin d'ADN lu par l'ARN polymerase (3' β 5') |
| Brin codant (sens) | Brin d'ADN de meme sequence que l'ARNm (sauf T β U) |
| Promoteur | Sequence d'ADN ou l'ARN polymerase se fixe pour initier la transcription |
| Terminateur | Sequence signalant la fin de la transcription |
Attention : ARN vs ADN
L'ARN differe de l'ADN sur 3 points :
1. Sucre = ribose (pas desoxyribose)
2. Base Uracile (U) au lieu de Thymine (T)
3. Simple brin (pas double helice)
3.2 Les 3 etapes de la transcription
1. Initiation
L'ARN polymerase reconnait et se fixe sur le promoteur (sequence TATA box chez les eucaryotes). Les deux brins d'ADN se separent localement pour former une bulle de transcription.
2. Elongation
L'ARN polymerase avance le long du brin matrice (3' β 5') et synthetise l'ARNm dans le sens 5' β 3' en ajoutant des ribonucleotides complementaires.
ADN matrice : 3' - T A C G G C A T A - 5'
ARNm produit : 5' - A U G C C G U A U - 3'
3. Terminaison
L'ARN polymerase atteint une sequence terminatrice. L'ARNm est libere et l'ADN se referme.
3.3 Maturation de l'ARNm (eucaryotes)
Chez les eucaryotes, l'ARN pre-messager subit des modifications post-transcriptionnellesavant de devenir un ARNm mature :
π Coiffe 5'
Ajout d'une 7-methylguanosine en 5'. Protege l'ARNm et aide a l'initiation de la traduction.
π Queue poly-A
Ajout de 100-250 adenines en 3'. Stabilise l'ARNm et facilite son export du noyau.
βοΈ Epissage
Elimination des introns (non-codants) et jonction des exons (codants).
Schema de l'epissage
ARN pre-messager : [EXON 1]---intron a---[EXON 2]---intron b---[EXON 3] Apres epissage : [EXON 1][EXON 2][EXON 3] Les introns sont elimines, les exons sont reunis
IV. La Traduction (ARNm β Proteine)
La traduction est le processus par lequel l'information portee par l'ARNm est decodee pour synthetiser une chaine polypeptidique (proteine). Elle a lieu dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes.
4.1 Les acteurs de la traduction
| Element | Structure | Role |
|---|---|---|
| Ribosome | 2 sous-unites (grande + petite) | Machine de synthese proteique, lit l'ARNm |
| ARNm | Sequence de codons (triplets) | Porte l'information genetique a traduire |
| ARNt | Structure en trefle, anticodon + acide amine | Adaptateur : lit le codon et apporte l'acide amine |
| Aminoacyl-ARNt synthetases | 20 enzymes specifiques | Chargent chaque ARNt avec le bon acide amine |
4.2 Les sites du ribosome
Le ribosome possede 3 sites fonctionnels :
Site A
Aminoacyl
Accueil du nouvel ARNt charge
Site P
Peptidyl
ARNt portant la chaine en cours
Site E
Exit
Sortie de l'ARNt decharge
4.3 Les 3 etapes de la traduction
1. Initiation
- β’ La petite sous-unite se fixe sur l'ARNm
- β’ Elle repere le codon initiateur AUG (start)
- β’ L'ARNt-Met (methionine) se place au site P
- β’ La grande sous-unite s'assemble
2. Elongation (cycle repetitif)
- 1. Reconnaissance : Un ARNt charge entre au site A (appariement codon-anticodon)
- 2. Liaison peptidique : La chaine peptidique du site P est transferee sur l'acide amine du site A
- 3. Translocation : Le ribosome avance de 3 nucleotides (1 codon). L'ARNt du site P passe en E et sort. L'ARNt du site A passe en P.
Ce cycle se repete pour chaque codon jusqu'au codon stop.
3. Terminaison
- β’ Un codon stop (UAA, UAG ou UGA) entre au site A
- β’ Aucun ARNt ne le reconnait
- β’ Un facteur de liberation entre au site A
- β’ La chaine polypeptidique est liberee
- β’ Le ribosome se dissocie
Schema simplifie de la traduction
ARNm : 5' ---AUG-UUU-GCA-UAC-UGA--- 3'
β β β β β
Met-Phe-Ala-Tyr-STOP
[E] [P] [A]
β β β
sortie β entree
chaine
en cours
Direction de lecture : 5' β 3'V. Le Code Genetique
Le code genetique est la correspondance entre les codons (triplets de nucleotides de l'ARNm) et les acides amines. Il est universel (meme chez tous les etres vivants), degenere (plusieurs codons pour un meme acide amine) et non-chevauchant.
5.1 Proprietes du code genetique
β Universel
Le meme code est utilise par tous les organismes vivants (avec quelques rares exceptions chez les mitochondries et certains protozoaires).
π Degenere (redondant)
64 codons pour seulement 20 acides amines + 3 codons stop. Plusieurs codons peuvent coder le meme acide amine (ex: 6 codons pour Leu, Ser, Arg).
π Non-chevauchant
Chaque nucleotide n'appartient qu'a un seul codon. Les codons sont lus les uns apres les autres sans partage de nucleotides.
π Sans ponctuation
Les codons sont lus en continu sans espace entre eux. Le cadre de lecture est determine par le codon initiateur AUG.
5.2 Tableau du code genetique
Lecture : 1ere base (gauche) + 2eme base (haut) + 3eme base (droite) = acide amine
| 1ere base | 2eme base | 3eme base | |||
|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||
| U | Phe (F) | Ser (S) | Tyr (Y) | Cys (C) | U |
| Phe (F) | Ser (S) | Tyr (Y) | Cys (C) | C | |
| Leu (L) | Ser (S) | STOP | STOP | A | |
| Leu (L) | Ser (S) | STOP | Trp (W) | G | |
| C | Leu (L) | Pro (P) | His (H) | Arg (R) | U |
| Leu (L) | Pro (P) | His (H) | Arg (R) | C | |
| Leu (L) | Pro (P) | Gln (Q) | Arg (R) | A | |
| Leu (L) | Pro (P) | Gln (Q) | Arg (R) | G | |
| A | Ile (I) | Thr (T) | Asn (N) | Ser (S) | U |
| Ile (I) | Thr (T) | Asn (N) | Ser (S) | C | |
| Ile (I) | Thr (T) | Lys (K) | Arg (R) | A | |
| Met (M) START | Thr (T) | Lys (K) | Arg (R) | G | |
| G | Val (V) | Ala (A) | Asp (D) | Gly (G) | U |
| Val (V) | Ala (A) | Asp (D) | Gly (G) | C | |
| Val (V) | Ala (A) | Glu (E) | Gly (G) | A | |
| Val (V) | Ala (A) | Glu (E) | Gly (G) | G | |
5.3 Codons importants a memoriser
AUG
Codon START
Methionine (Met/M)
Initie TOUJOURS la traduction
UAA UAG UGA
Codons STOP
Aucun acide amine
Terminent la traduction
UGG
Tryptophane
Unique codon non degenere
(avec AUG pour Met)
Exercice type bac
ADN brin matrice : 3' - TAC AAA CGT ATC ACT - 5'
ARNm : 5' - AUG UUU GCA UAG UGA - 3'
Proteine : Met - Phe - Ala - (STOP)
Attention : UAG est un codon STOP, donc la traduction s'arrete la (3 acides amines seulement).
VI. Regulation de l'Expression Genique
Toutes les cellules d'un organisme possedent le meme genome, mais elles n'expriment pas les memes genes. Un neurone n'exprime pas les memes proteines qu'un globule rouge. Cette expression differentielle est finement regulee.
6.1 Niveaux de regulation
1. Regulation transcriptionnelle (principale)
Controle de l'initiation de la transcription par des facteurs de transcriptionqui se fixent sur des sequences regulatrices (promoteur, enhancers, silencers).
2. Regulation epigenetique
Modifications de l'ADN (methylation) ou des histones (acetylation) qui modulent l'accessibilite des genes sans changer la sequence d'ADN.
3. Regulation post-transcriptionnelle
Epissage alternatif (production de proteines differentes a partir d'un meme gene), stabilite de l'ARNm, micro-ARN qui bloquent la traduction.
4. Regulation traductionnelle
Controle de l'initiation de la traduction, disponibilite des ribosomes, sequences regulatrices dans les UTR (regions non traduites).
5. Regulation post-traductionnelle
Modifications des proteines (phosphorylation, glycosylation), degradation par le proteasome, localisation cellulaire.
6.2 L'operon lactose (modele procaryote)
L'operon lac chez E. coli est un exemple classique de regulation. Il controle les genes necessaires a l'utilisation du lactose.
Sans lactose (OFF)
- β’ Le represseur est actif
- β’ Il se fixe sur l'operateur
- β’ L'ARN polymerase est bloquee
- β’ Pas de transcription
Avec lactose (ON)
- β’ Le lactose se fixe au represseur
- β’ Le represseur change de forme
- β’ L'operateur est libere
- β’ Transcription des genes lacZ, lacY, lacA
Schema de l'operon lactose
Sans lactose (repression) :
[Promoteur][Operateur][lacZ][lacY][lacA]
β
[Represseur] β ARN pol bloquee
Avec lactose (induction) :
[Promoteur][Operateur][lacZ][lacY][lacA]
β ββββββββββββββββββΊ
[Rep]-[Lac] ARN polymerase transcrit
(inactif)π Chiffres cles a retenir
3,2 Md
pb dans le genome humain
20 000
genes codants (humain)
64
codons (4Β³)
20
acides amines
2 m
longueur ADN/cellule
10β»βΉ
taux d'erreur replication
1953
decouverte double helice
AUG
codon START (Met)
𧬠Le Dogme Central de la Biologie Moleculaire
ADN
Information genetique
ARNm
Messager
Proteine
Fonction
+ Replication (ADN β ADN) et Transcription inverse (ARN β ADN chez les retrovirus)
π Resume
- ADN : double helice, 4 bases (A=T, Gβ‘C), porte l'information genetique
- Replication : semi-conservative, fourche de replication, ADN polymerase (5'β3')
- Transcription : ADN β ARNm, ARN polymerase, maturation (coiffe, poly-A, epissage)
- Traduction : ARNm β proteine, ribosomes (sites A-P-E), ARNt, AUG (start), UAA/UAG/UGA (stop)
- Code genetique : 64 codons, 20 acides amines, universel et degenere
- Regulation : transcriptionnelle, epigenetique, post-transcriptionnelle, traductionnelle, post-traductionnelle
π― Points cles pour le bac
A savoir par coeur :
- β’ Complementarite des bases (A-T, G-C / A-U)
- β’ Sens de synthese : 5' β 3'
- β’ Codon START : AUG (Methionine)
- β’ Codons STOP : UAA, UAG, UGA
- β’ Utiliser le tableau du code genetique
Pieges courants :
- β’ Ne pas confondre brin matrice et brin codant
- β’ T dans l'ADN β U dans l'ARN
- β’ La traduction commence TOUJOURS par AUG
- β’ Compter les acides amines (attention aux STOP)
- β’ Anticodon = complementaire et antiparallele au codon
