BIOL-E1001 – Fondements biologiques I - Chapitre 6 : De l'ADN aux protéines

Le flux d’information génétique, de l’adn aux protéines

  • Le dogme central de la biologie moléculaire, décrit par Francis Crick en 1958, explique comment l'information génétique est conservée et utilisée dans les cellules.
  • Le dogme central : ADN → ARN → protéines.
  • L’ADN dirige sa propre réplication en ADN identique.
  • L’ADN dirige sa transcription en ARN.
  • L’ARN permet la traduction de l’information génétique en protéines.
  • Exception notable au dogme central : les rétrovirus.
    • Les rétrovirus (ex: VIH) peuvent convertir leur ARN en ADN grâce à la transcriptase inverse.
    • Cette conversion inverse le flux d'information habituel ARN → ADN.
  • Les virus contiennent des protéines et du matériel génétique (ARN ou ADN).
    • Virus à ARN (ex: grippe, rhume).
    • Virus à ADN (ex: herpès, varicelle, hépatite B).

Comment les virus respectent et contournent le dogme de la biologie moléculaire

  • Les virus à ADN répliquent leur génome en utilisant l’ADN polymérase de l’hôte.
  • Les virus à ARN utilisent l’ARN polymérase virale pour répliquer leur génome en ARN complémentaire (ARNc), traduit ensuite en protéines virales par les ribosomes de l’hôte.
  • Les rétrovirus convertissent leur ARN en ADN grâce à la transcriptase inverse, puis l'ADN viral est intégré dans le génome de l’hôte, où il peut être répliqué et transcrit en ARN viral.
  • Même dans le cas des rétrovirus, les machineries cellulaires de l’hôte sont utilisées.

La réplication de l’ADN

  • La réplication de l'ADN est une phase fondamentale de la croissance et de la division cellulaire.
  • La réplication requiert :
    • Un modèle (ADN parental).
    • Des nucléotides.
    • Une enzyme polymérase.
  • La réplication de l’ADN est la synthèse d’ADN à partir d’ADN, réalisée avant la mitose.
  • Le processus utilise la complémentarité des bases de nucléotides pour dédoubler le matériel génétique.
    • Molécules d’ADN.
    • Enzymes.
    • Bases (nucléosides triphosphates).
  • La double hélice est déroulée par une enzyme consommant de l’ATP, qui coupe les ponts hydrogène entre T et A, et entre C et G.
  • L’enzyme ADN polymérase catalyse cette réaction, reconstituant le double brin sur chacun des brins déroulés en ajoutant successivement les bases correspondantes.
  • Suffixe « -ase » indique qu’il s’agit d’une enzyme.
  • L’ADN polymérase polymérise les bases nucléotidiques pour faire de l’ADN.
  • Chaque nouvelle hélice est constituée d’un brin ancien et d’un brin nouveau.
  • Les deux molécules filles se séparent ensuite au cours de la mitose.

Transcription de l’adn en arn (dans le noyau chez les eucaryotes) et épissage (uniquement chez les eucaryotes)

  • La transcription est l’étape permettant de polymériser une molécule d’ARN en prenant une portion de l’ADN (un gène) comme modèle.
  • La transcription est une synthèse d’ARN dirigée par l’ADN et effectuée par une enzyme, l’ARN polymérase.
  • Ce processus est basé sur le principe de complémentarité, pour édifier l’ARN en prenant l’ADN comme modèle.
  • L’ADN est bicaténaire et l’ARN monocaténaire, un seul des deux brins d’ADN doit être copié, c’est le brin matrice.
  • L’ARN polymérase se fixe et se déplace sur le brin matrice, créant les associations nécessaires en ajoutant des bases pour former un brin complémentaire, le brin transcrit.
  • Le complément de l’adénine est, dans le cas d’un brin d’ARN, l’uracile (U) et non pas la thymine (T).
  • Le brin d’ADN qui ne sert pas de modèle est le brin codant, puisque sa séquence est la même que celle du transcrit d’ARN, sauf que l’uracile de l’ARN correspond à une thymine dans le brin d’ADN codant.
  • L’ARN transcrit servant de modèle pour la synthèse des polypeptides est l’ARN messager (ARNm), qui transfère le message du code de l’ADN pour son utilisation.
  • L’ARNm quitte le noyau par les pores nucléaires chez les eucaryotes et s’associe avec le ribosome dans le cytoplasme.
  • Le ribosome est lui-même formé d’ARN ribosomique (ARNr).
  • L’ARNr est synthétisé de la même manière que l’ARNm, dans le noyau, à partir de l’ADN.
  • Il en va de même pour les ARN de transfert (ARNt).
  • Tous les ARN sont ainsi synthétisés à partir d’un brin matrice d’ADN :
    • ARN messager (ARNm) : transmet le message du code génétique venant de l’ADN.
    • ARN ribosomique (ARNr) : présent dans les deux sous-unités du ribosome.
    • ARN de transfert (ARNt) : molécule adaptatrice intermédiaire entre l’ARNm et les acides aminés.
  • Autres formes d’ARN :
    • MicroARN : régulent l’expression des gènes par dégradation ciblée des ARNm.
    • ARN longs non codants (ARNlnc) : régulent aussi l’expression des gènes par interaction avec l’ADN, notamment pour l’inactivation du chromosome X (lyonisation).

Épissage

  • Chez les eucaryotes, les gènes ne sont pas continus sur l’ADN.
  • Introns : séquences non codantes de l’ADN, qui interrompent la séquence du gène.
  • Exons : séquences codantes, qui s’expriment (sont traduites en protéines).
  • Le transcrit primaire de l’ARN (pré-ARNm) contient des exons et des introns.

Suite de l'Épissage

  • L’épissage se fait dans le noyau et consiste à découper le pré-ARN pour ne garder que les exons et les assembler bout à bout pour former l’ARNm final.
  • L’ARNm épissé quitte le noyau par les pores nucléaires pour rejoindre le cytoplasme.
  • Chez l’homme, les exons ne constituent qu’environ 1% du génome (= de l’ADN) et environ 25% du génome correspond aux introns.
  • Une autre partie de l’ADN sert à synthétiser l’ARNm et les ARNt.
  • Les fonctions d’une grande partie de l’ADN restent actuellement inconnues.
  • L’expression du génome est déterminé par l’épigénétique, c’est-à-dire des signaux extérieurs à la séquence d’ADN.
  • La transcription est un phénomène régulé en fonction de l’environnement, ce qui permet à la cellule de s’adapter.
  • L’ARNmmature va sortir du noyau et se retrouver dans le cytoplasme où il va se lier aux ribosomes. = Traduction.

Épigénétique

  • L'expression du génome est contrôlée par des mécanismes épigénétiques.
  • Génome = tout l’ADN.
  • Gène = séquence d’ADN qui code pour un peptide.
  • Peptide = polymère (chaine) d’acides aminés.
  • Protéine = soit un peptide soit plusieurs peptides associés (sous-unités), structure quaternaire.
  • Hémoglobine = molécule de transport formée de plusieurs peptides (polypeptide).
  • Épigénétique = ensemble des modifications réversibles de l’activité des gènes qui n’impliquent pas de modification de la séquence d’ADN elle-même.
  • Ces modifications influencent l’accessibilité de l’ADN à la machinerie cellulaire de transcription et déterminent ainsi quels gènes sont activés ou réprimés.

Mécanismes épigénétiques

  • Méthylation de l’ADN : ajout de groupements méthyle (-CH_3) à certaines bases nucléotidiques, limitant l’expression des gènes.
  • Modifications des protéines autour desquelles l’ADN est enroulé dans les chromosomes.
  • Certains ARN non codants, comme les microARN, participent à la régulation épigénétique.
  • Ces mécanismes sont influencés par des facteurs environnementaux (alimentation, stress, interactions sociales).
  • La plasticité de l’expression génétique permise par l’épigénétique joue un rôle dans le développement embryonnaire, la différenciation cellulaire et certaines maladies (cancer).
  • Modification de l’expression des gènes.
  • Ne modifie pas la séquence des nucléotides.
  • Réversible.

Traduction (de l’arn à la protéine, sur les ribosomes, hors du noyau)

  • Réplication : ADN à partir d’ARN polymérase (?).
  • Transcription : ARN à partir d’ADN.
  • Traduction : Protéines à partir d’ARN.

Traduction

  • La traduction utilise l’information de l’ARNm pour synthétiser les protéines.
  • Il s’agit de la traduction du message génétique d’une langue (acides nucléiques) en une autre langue (protéines).
  • La traduction est plus complexe que la réplication ou la transcription.
  • La « langue » des acides nucléiques a quatre « mots » (bases nucléotidiques), celle des protéines en a vingt (acides aminés).
  • La traduction met en jeu les ARN de transfert (ARNt) synthétisés par une ARN polymérase.
  • L’ARNt est une molécule d’ARN capable d’interagir avec l’ARNm et avec un acide aminé qui lui est spécifique. Il joue un rôle d’intermédiaire.

Suite de la traduction

  • La traduction se déroule hors du noyau, au niveau du ribosome, lui-même composé d’ARN ribosomique (ARNr).
  • Elle fait intervenir de multiples formes d’ARN (ARNm, ARNr et ARNt) et beaucoup de protéines.
  • La traduction traduit séquences de codons en séquences d’acides aminés.
  • 64 codons = 64 combinaisons possibles de 3 nucléotides.
  • 61 codons codent pour 20 acides aminés + 3 codons « stop ».
  • AUG code pour la méthionine et est le codon initiateur.

Le code génétique

  • Les ARNt sont les molécules adaptatrices intermédiaires entre l’ARNm et les acides aminés.
  • Ces molécules portent un acide aminé spécifique fixé à une extrémité et possèdent à l’autre bout une séquence de trois nucléotides (un anticodon) complémentaire à un codon de l’ARNm.
  • Les ARNt traduisent ainsi l’information portée par la séquence de l’ARNm en positionnant dans l’ordre prescrit les acides aminés sur le ribosome pour former un polypeptide.

Explication du Code génétique

  • Growing peptide chain = Protéine (= peptide) en cours de synthèse.
  • Chaîne d’acides aminés qui se forme (Trp = tryptophane, Lys = lysine, Asp = Asparte ou acide aspartique).
  • Incoming tRNA bound to amino acid = ARNt lié à l’acide aminé qui lui correspond (Phe = Phénylalanine).
  • Anticodon AAG correspond au codon UUC sur l’ARNm.
  • Outgoing empty tRNA = ARNt qui n’est plus lié à l’acide aminé qui lui correspond (Trp).
  • Anticodon ACC correspond au codon UGG sur l’ARNm.
  • Le code génétique consiste en une série de blocs d’information, ou codons, correspondant chacun à un acide aminé de la protéine codée.
  • Chaque codon porte l’information d’une séquence de trois nucléotides.
  • L’ADN dispose de quatre bases azotées (A-T-C-G).
  • Vingt acides aminés interviennent dans la constitution des protéines.
  • Le code génétique consiste donc en une série de séquences de bases azotées, des codons, correspondant chacune à un acide aminé.
  • Chaque codon est constitué de trois bases, ce qui permet de coder 64 acides aminés (4^3 = 64).
  • Le code génétique est donc « lu » de manière continue par groupes de trois bases (triplets).
  • La traduction consiste ainsi à décoder les codons d’ARNm en séquences d’acides aminés spécifiques.
  • L’attribution des 64 codons potentiels aux différents acides aminés fut réalisée dans les années 1960 par Marshall Nirenberg.

Continuation du code génétique

  • Sur les 64 combinaisons possibles de trois nucléotides, 61 codons servent à spécifier les 20 acides aminés utilisé pour synthétiser des protéines.
  • Certains acides aminés sont codés par plusieurs codons différents (synonymes).
  • Les trois codons restants (UAA, UAG, UGA) sont des codons stop, qui marquent le point où la traduction de l’ARNm doit se terminer.
  • Ces codons stop ne correspondent à aucun ARNt.
  • Le codon AUG, qui est aussi le codon de l’acide aminé méthionine, est appelé codon initiateur, car il signale le début du message génétique.
  • Le code génétique est le même chez presque tous les organismes.

Décodage

  • La traduction se déroule dans le cytoplasme et exige la participation de multiples formes d’ARN (ARNm, ARNt et ARNr), d’un ribosome et de diverses protéines.
  • L’ARNt dispose, à l’une de ses extrémités, d’acides aminés, et, à l’autre extrémité, d’un anticodon, ce qui lui permet de jouer le rôle d’intermédiaire entre l’ARNm et les acides aminés.
  • Quand l’ARNt qui correspond au code initiateur (AUG, donc UAC sur l’ARNt) rencontre l’ARNr d’une sous-unité d’un ribosome, il s’y attache.
  • Quand l’ARNt est placé sur le premier codon AUG de l’ARNm, la grande sous-unité ribosomique s’y unit et forme le ribosome complet.
  • L’ARNt interprète alors l’information de l’ARNm et intervient dans le positionnement des acides aminés sur le ribosome (structure primaire de la protéine).
  • Lorsque le ribosome atteint un codon stop, la lecture s’arrête, les deux sous-unités se détachent et la protéine est libérée.

Ribosomes

  • Les ribosomes « libres » synthétisent les protéines qui fonctionnent dans le cytoplasme, le noyau, les mitochondries et d’autres organites ne dérivant pas du complexe de membranes internes.
  • Les ribosomes fixés au réticulum endoplasmique synthétisent les protéines constitutives des membranes internes à la cellule ainsi que celles qui sont destinées à êtres intégrées à la membrane plasmique ou à être exportées vers des sites extérieurs à la cellule (par exocytose).

Transport des protéines

  • La séquence d’acides aminés de la protéine en voie de synthèse détermine si le ribosome impliqué s’associera au réticulum endoplasmique ou restera au sein du cytosol.
  • Les protéines synthétisées à la surface du réticulum endoplasmique rugueux sont destinées à être exportées de la cellule, ou expédiées aux lysosomes ou aux vacuoles, ou encore à être intégrées à la membrane plasmique.
  • Dans un premier temps, ces protéines entrent dans l’espace interne des citernes, d’où elles seront expédiées vers leur destination finale.
  • Ce transfert implique des vésicules et l’appareil de Golgi.
  • Les protéines destinées à être sécrétées, c’est-à-dire à se rendre en dehors de la cellule, sont séparées des autres et emmagasinées dans des vésicules qui migrent vers l’appareil de Golgi.

Réplication, la transcription et la traduction au niveau des mitochondries

  • Les mitochondries contiennent une molécule d’ADN, l’ADN mitochondrial (ADNmt).
  • Elle ne forme pas un ou plusieurs chromosome, mais une molécule unique, bicaténaire, refermée sur elle-même : C’est une molécule d’ADN circulaire.
  • Chez l’humain, le génome mitochondrial (c’est-à-dire l’ADNmt) code pour 13 protéines qui sont des composants essentiels de la chaîne de transport d'électrons et de la phosphorylation oxydative (dont l’ATP synthase).

Réplication de l'ADN mitochondrial

  • La réplication de l'ADN mitochondrial est indépendante de la réplication de l'ADN nucléaire.
  • Elle se déroule dans les mitochondries, régulée par d’autres enzymes et d’autres facteurs de réplication.
  • Elle est catalysée par une ADN polymérase spécifique aux mitochondries.
  • Comme la réplication de l’ADN nucléaire, elle commence par la dénaturation de la double hélice au niveau du site d’origine de réplication.
  • Comme l’ADNmt est circulaire (comme celui des bactéries et des chloroplastes), la réplication se fait dans les deux directions.
  • L’ADN polymérase mitochondriale synthétise l’ADN complémentaire en ajoutant des nucléotides complémentaires à chaque brin d'ADNmt.
  • Chaque nouvelle molécule d'ADNmt contient un brin « parental » et un brin nouvellement synthétisé.
  • L’ADN mitochondrial est uniquement d’origine maternel.

Transcription de l'ADN mitochondrial

  • La transcription de l’ADNmt permet à l’information génétique codée dans l'ADNmt d’être utilisée pour produire des ARNm qui servent de modèles pour la synthèse des protéines mitochondriales.
  • Elle a lieu dans les mitochondries, où se trouvent des ribosomes mitochondriaux et les enzymes nécessaires.
  • Elle est catalysée par l’ARN polymérase mitochondriale.
  • Comme dans le noyau, l’ARNm produit par transcription est considéré comme un ARN pré- messager, car il comporte des introns en plus des exons.
  • Cet ARN fait ensuite l’objet d’une maturation par épissage pour éliminer les séquences non codantes et générer les ARNm matures, fonctionnels.

Traduction de l'ADN mitochondrial

  • La traduction des ARNm mitochondriaux en protéines mitochondriales se déroule dans les ribosomes mitochondriaux, situés à l'intérieur des mitochondries.
  • Ces ribosomes sont plus petits que les ribosomes cytoplasmiques (d’une taille inférieure à 50 % de ceux-ci chez les mammifères).
  • Ils sont composés d’ARNr qui est synthétisé par transcription de l’ADNmt, et de protéines qui, elles, sont encodées dans l’ADN nucléaire.
  • Les protéines sont importées du cytoplasme vers la mitochondrie, où les ribosomes mitochondriaux sont assemblés.
  • Les ribosomes mitochondriaux permettent la synthèse des protéines nécessaires à la fonction mitochondriale qui sont encodées dans l’ADNmt, y compris les protéines impliquées dans la respiration cellulaire et la production d'énergie.
  • La traduction débute par la fixation du ribosome mitochondrial à l’ARNm.
  • Ensuite, le ribosome parcourt l’ARNm et lit le code génétique pour synthétiser une protéine à l’aide des ARNt transportant les acides aminés correspondants pour former une chaîne polypeptidique.
  • La traduction se termine lorsque le ribosome atteint un codon stop.
  • Une fois la protéine synthétisée, elle subit souvent des modifications post-traductionnelles pour devenir fonctionnelle.

Réplication, la transcription et la traduction au niveau des chloroplastes

  • La réplication, la transcription et la traduction se produisent d’une manière généralement similaire dans les chloroplastes et les mitochondries.
  • Ces deux organites possèdent leur propre ADN circulaire, et ils doivent donc être capables de le répliquer pour se diviser et se reproduire.
  • La réplication y est semi-conservative, comme pour l’ADN nucléaire.
  • Les chloroplastes (comme les mitochondries) transcrivent leur propre ARN à partir de leur ADN, produisant des ARNm, des ARNr et des ARNt nécessaires à la synthèse protéique.
  • La transcription dans les chloroplastes et les mitochondries est catalysée par des ARN polymérases spécifiques, qui diffèrent entre les organites.
  • Les chloroplastes synthétisent aussi des protéines sur leurs propres ribosomes, qui sont de structure et de composition légèrement différentes de celles des ribosomes cytoplasmiques.
  • Mais les protéines des chloroplastes sont en grande majorité d’origine nucléaire.