L'expression du patrimoine génétique
Cours · SVT (première), chapitre 2 · première, spécialité sciences de la vie et de la Terre · le début du chapitre, la suite sur Adloun
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) |