L'expression du patrimoine génétique
Cours complet · SVT (première), chapitre 2 · première, spécialité sciences de la vie et de la Terre
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Chaque cellule de notre organisme possède, dans le noyau, la totalité de l'information génétique héritée de la cellule-œuf : les molécules d'ADN portées par les chromosomes. Pourtant, une cellule de peau, un neurone et un globule blanc n'ont ni la même forme, ni la même fonction. Comment une même information peut-elle produire des cellules aussi différentes ? La réponse tient dans un mot : expression. Un gène n'agit jamais directement sur la cellule ; il commande la fabrication de protéines, molécules qui réalisent les fonctions du vivant et déterminent les caractères de l'organisme.
Ce chapitre décrit le chemin qui relie le gène à la protéine. Il se déroule en deux étapes successives : la transcription, qui recopie le gène en un ARN messager dans le noyau, puis la traduction, qui convertit ce message en une chaîne d'acides aminés dans le cytoplasme. Nous verrons que cette conversion repose sur un dictionnaire universel, le code génétique, et que la régulation de l'expression explique la diversité des cellules d'un même organisme.
2.1 Du gène à la protéine
2.1.1 Le gène code une protéine
Rappelons qu'un gène est une portion de la molécule d'ADN, c'est-à-dire une séquence de nucléotides (A, T, C, G) située à un emplacement précis d'un chromosome. Cette séquence n'est pas une simple donnée inerte : elle contient, sous forme codée, l'information nécessaire à la fabrication d'une protéine déterminée.
Un gène est une séquence d'ADN qui contient l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine. Une protéine est une molécule constituée d'une ou plusieurs chaînes d'acides aminés (les polypeptides). L'ordre des acides aminés est directement déterminé par l'ordre des nucléotides du gène.
Les protéines sont les molécules qui travaillent dans la cellule : enzymes qui accélèrent les réactions chimiques (comme l'amylase de la salive), protéines de structure (kératine du cheveu, collagène de la peau), récepteurs, transporteurs, pigments (mélanine)… La diversité des protéines fait la diversité des fonctions cellulaires.
2.1.2 Du génotype au phénotype
Puisque chaque gène commande une protéine et que chaque protéine assure une fonction, l'ensemble des gènes d'un individu (son génotype) détermine l'ensemble de ses caractères (son phénotype). Ce lien s'établit par l'intermédiaire des protéines et se lit à trois échelles emboîtées.
Le phénotype d'un individu s'observe à trois niveaux :
- moléculaire : l'ensemble des protéines présentes (ex. : présence ou absence d'une enzyme fonctionnelle) ;
- cellulaire : l'aspect et le fonctionnement des cellules (ex. : forme d'un globule rouge) ;
- macroscopique : les caractères visibles de l'organisme (ex. : couleur des yeux, groupe sanguin).
Le phénotype macroscopique découle du phénotype cellulaire, lui-même issu du phénotype moléculaire, c'est-à-dire des protéines codées par les gènes.
2.2 La transcription : synthèse de l'ARN messager
L'ADN reste enfermé dans le noyau des cellules eucaryotes, tandis que les protéines sont fabriquées dans le cytoplasme, sur les ribosomes. Une molécule intermédiaire mobile est donc nécessaire pour transporter l'information : c'est l'ARN messager (ARNm), synthétisé lors de la transcription.
2.2.1 Le mécanisme
Dans le noyau, l'enzyme ARN polymérase ouvre localement la double hélice d'ADN et synthétise une molécule d'ARN messager en recopiant l'un des deux brins, le brin transcrit (ou brin matrice). L'assemblage se fait par complémentarité des bases :
L'ARNm obtenu possède donc la même séquence que le brin non transcrit (dit brin codant), à ceci près que la thymine (T) y est remplacée par l'uracile (U).
2.2.2 ADN et ARN : trois différences
L'ARN messager ressemble à l'ADN mais s'en distingue par trois caractéristiques essentielles, résumées dans le tableau suivant.
| Caractéristique | ADN | ARN messager |
|---|---|---|
| Nombre de brins | Deux (double hélice) | Un (simple brin) |
| Sucre (ose) | Désoxyribose | Ribose |
| Bases azotées | A, T, C, G | A, U, C, G |
| Localisation | Noyau uniquement | Noyau puis cytoplasme |
| Durée de vie | Longue (stable) | Courte (temporaire) |
2.2.3 Maturation et sortie du noyau
Chez les eucaryotes, l'ARN issu de la transcription (dit pré-ARNm ou transcrit primaire) subit une étape de maturation avant de quitter le noyau. Certaines portions, les introns, sont découpées et éliminées ; les portions conservées, les exons, sont raboutées les unes aux autres. Cette opération, appelée épissage, produit l'ARN messager mature qui traverse alors l'enveloppe nucléaire par un pore pour rejoindre le cytoplasme.
2.3 La traduction : synthèse de la protéine
Une fois dans le cytoplasme, l'ARN messager est pris en charge par un ribosome, la machine qui va lire son message et assembler les acides aminés dans le bon ordre. Cette étape est la traduction.
2.3.1 Codons, ARN de transfert et ribosome
Un codon est un groupe de trois nucléotides consécutifs de l'ARN messager. Chaque codon désigne un acide aminé précis (ou un signal de fin). L'ARNm est ainsi lu de trois en trois nucléotides.
L'apport des acides aminés est assuré par de petites molécules spécialisées, les ARN de transfert (ARNt). Chaque ARNt porte, d'un côté, un acide aminé déterminé et, de l'autre, un triplet de bases appelé anticodon, complémentaire d'un codon de l'ARNm. C'est cet appariement codon–anticodon qui garantit que le bon acide aminé est ajouté au bon endroit.
Le ribosome se fixe sur l'ARNm au niveau du codon start (AUG). Il progresse ensuite codon après codon : pour chaque codon, l'ARNt portant l'anticodon complémentaire vient déposer son acide aminé, qui se lie au précédent par une liaison peptidique. La chaîne polypeptidique s'allonge ainsi jusqu'à ce que le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG ou UGA), qui ne code aucun acide aminé et provoque la libération de la protéine.
2.3.2 Schéma-bilan du flux de l'information
Le trajet complet de l'information génétique, du noyau au cytoplasme, se résume par le flux suivant : ADN ARN messager protéine.
2.4 Le code génétique
Comment le ribosome « sait-il » quel acide aminé associer à chaque codon ? Grâce à une table de correspondance commune à presque tous les êtres vivants : le code génétique.
Le code génétique est le système de correspondance entre les codons de l'ARN messager et les acides aminés de la protéine. Il associe chacun des codons possibles soit à un acide aminé, soit à un signal (start ou stop).
| Codon(s) | Acide aminé | Abréviation |
|---|---|---|
| AUG | Méthionine (start) | Met |
| UUU / UUC | Phénylalanine | Phe |
| GCU / GCC / GCA / GCG | Alanine | Ala |
| GGU / GGC / GGA / GGG | Glycine | Gly |
| UAU / UAC | Tyrosine | Tyr |
| CAU / CAC | Histidine | His |
| UAA / UAG / UGA | (aucun) — signal stop | --- |
2.4.1 Les propriétés du code génétique
Propriété : Les quatre propriétés du code génétique
- Universel : le même code est utilisé par la quasi-totalité des êtres vivants, de la bactérie à l'être humain. C'est un argument majeur en faveur d'une origine commune du vivant.
- Redondant (ou dégénéré) : la plupart des acides aminés sont codés par plusieurs codons différents (ex. : quatre codons pour l'alanine). C'est logique car il y a 61 codons « sens » pour seulement 20 acides aminés.
- Non ambigu : un codon donné code toujours un seul et même acide aminé. La lecture est sans équivoque.
- Non chevauchant : les codons se lisent les uns après les autres, sans partager de nucléotide ; un même nucléotide n'appartient qu'à un seul codon.
Méthode : Utiliser le code génétique pour traduire une séquence
Pour obtenir la protéine à partir d'une séquence d'ADN, on procède par étapes :
- Repérer le brin transcrit (brin matrice), celui que lit l'ARN polymérase.
- Transcrire : écrire l'ARNm par complémentarité (AU, TA, CG, GC). Astuce : l'ARNm est identique au brin codant en remplaçant T par U.
- Découper l'ARNm en codons, en commençant au codon start AUG et en lisant strictement de trois en trois.
- Traduire chaque codon en acide aminé à l'aide de la table du code génétique, jusqu'au codon stop.
Exemple. ARNm : AUG - GCU - UUU - UAA. Traduction : Met – Ala – Phe – (stop). La protéine comporte donc trois acides aminés : Méthionine, Alanine, Phénylalanine.
2.5 La complexité de l'expression génétique
Le schéma « un gène = une protéine » est une première approche utile, mais la réalité est plus riche : un même gène peut donner naissance à plusieurs protéines, et surtout tous les gènes ne s'expriment pas dans toutes les cellules.
2.5.1 Un gène, plusieurs protéines : l'épissage alternatif
Lors de la maturation, les exons d'un même pré-ARNm peuvent être assemblés de plusieurs façons différentes : c'est l'épissage alternatif. En conservant ou en éliminant tel ou tel exon, la cellule fabrique, à partir d'un seul gène, plusieurs ARNm matures distincts, donc plusieurs protéines différentes. Cela explique qu'un génome d'environ 20 000 gènes puisse produire une bien plus grande variété de protéines.
2.5.2 La régulation de l'expression et la différenciation cellulaire
Toutes les cellules d'un organisme possèdent le même génome, mais chacune n'exprime qu'une partie de ses gènes. Un gène exprimé conduit à la synthèse de sa protéine ; un gène non exprimé n'est ni transcrit ni traduit. Le jeu des gènes activés varie d'un type cellulaire à l'autre : c'est ce qui détermine la spécialisation (ou différenciation) des cellules.
Dans une cellule donnée, seuls certains gènes sont exprimés. Le répertoire de protéines synthétisées dépend des gènes activés. C'est cette expression sélective des gènes qui explique qu'à partir d'un génome identique, un organisme produise des cellules variées (neurone, cellule musculaire, globule blanc…) aux formes et aux fonctions différentes.
2.6 Documents d'étude
La drépanocytose est une maladie du sang. On compare, sur le gène de la -globine (une chaîne de l'hémoglobine, protéine des globules rouges), la séquence d'un individu sain et celle d'un individu malade.
| ADN (brin codant) | 6e acide aminé | |
|---|---|---|
| Individu sain | `… GAG …` | Glutamate (Glu) |
| Individu malade | `… GTG …` | Valine (Val) |
Analyse. Le changement d'un seul nucléotide (A remplacé par T) modifie le codon de l'ARNm (GAG GUG) et donc un seul acide aminé de la protéine. Cette hémoglobine anormale déforme les globules rouges (en « faucille »), qui obstruent les vaisseaux. Conclusion : une modification minime de la séquence d'ADN se répercute sur la protéine, donc sur le phénotype à toutes les échelles.
On dispose de ribosomes purifiés, d'acides aminés et de tous les constituants nécessaires à la traduction, mais sans ADN ni ARN. Aucune protéine n'est fabriquée. On ajoute alors un ARN messager artificiel constitué uniquement d'uracile : UUU - UUU - UUU -…
Résultat. On obtient une chaîne d'un seul acide aminé répété : la phénylalanine (codon UUU Phe).
Analyse. La synthèse ne démarre qu'en présence de l'ARNm : celui-ci apporte bien l'information nécessaire. De plus, la séquence de l'ARNm détermine la séquence de la protéine, ce qui confirme l'existence d'un code lisant l'ARNm codon par codon. Cette expérience historique (Nirenberg, 1961) a permis de « déchiffrer » le premier mot du code génétique.
2.7 Bilan
L'expression du patrimoine génétique est le processus qui relie l'information contenue dans l'ADN aux caractères de l'organisme. Elle se déroule en deux étapes : la transcription du gène en ARN messager dans le noyau, puis la traduction de cet ARNm en protéine sur les ribosomes du cytoplasme, à l'aide du code génétique. Les protéines ainsi fabriquées réalisent les fonctions cellulaires et déterminent le phénotype. Enfin, l'épissage alternatif et la régulation de l'expression enrichissent ce schéma et expliquent la diversité des cellules d'un même individu.
Propriété : Synthèse du chapitre
- Un gène (séquence d'ADN) code une protéine ; les protéines déterminent le phénotype aux échelles moléculaire, cellulaire et macroscopique.
- Transcription (noyau) : l'ARN polymérase synthétise un ARNm par complémentarité d'un brin d'ADN. L'ARN est simple brin, contient du ribose et de l'uracile (U) au lieu de la thymine.
- Chez les eucaryotes, l'ARNm subit une maturation (épissage : élimination des introns) avant de sortir du noyau.
- Traduction (cytoplasme, ribosomes) : l'ARNm est lu par codons (triplets) ; les ARNt apportent les acides aminés (appariement codon–anticodon), du codon start (AUG) au codon stop.
- Le code génétique (codon acide aminé) est universel, redondant, non ambigu et non chevauchant.
- Un gène peut donner plusieurs protéines (épissage alternatif) ; la régulation de l'expression (tous les gènes ne s'expriment pas partout) est à l'origine de la différenciation cellulaire.