L'expression du patrimoine génétique
Cours complet · SVT (terminale), chapitre 5 · terminale, spécialité sciences de la vie et de la Terre
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L'ADN contenu dans le noyau de chaque cellule constitue le patrimoine génétique de l'individu. Cependant, posséder un gène ne suffit pas : encore faut-il que l'information qu'il porte soit exprimée. L'expression du patrimoine génétique désigne l'ensemble des mécanismes qui permettent de passer de la séquence des nucléotides de l'ADN à une molécule fonctionnelle, le plus souvent une protéine. Ce chapitre décrit les deux grandes étapes de cette expression, la transcription et la traduction, puis montre comment la relation entre génotype et phénotype est modulée par la régulation de l'expression des gènes, par les facteurs de transcription et par les mécanismes épigénétiques, eux-mêmes sensibles à l'environnement.
5.1 Du gène à la protéine
Chez les eucaryotes, l'ADN est confiné dans le noyau, tandis que la synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes. Il existe donc nécessairement un intermédiaire mobile capable de transporter l'information du noyau vers le cytoplasme : l'acide ribonucléique messager (ARNm).
Un gène est une portion de la molécule d'ADN, située à un emplacement précis (locus) sur un chromosome, qui porte l'information nécessaire à la synthèse d'une ou plusieurs molécules (le plus souvent une protéine). La séquence des nucléotides du gène détermine la séquence des acides aminés de la protéine correspondante.
L'expression d'un gène est l'ensemble des processus qui conduisent de la séquence nucléotidique de l'ADN à la production d'une molécule fonctionnelle. Elle se déroule en deux grandes étapes : la transcription (synthèse d'un ARN à partir de l'ADN) et la traduction (synthèse d'une protéine à partir de l'ARN messager).
On résume cette succession d'étapes par la relation :
Cette relation oriente le flux de l'information génétique. Les acides nucléiques (ADN et ARN) sont des polymères de nucléotides. L'ADN comporte quatre bases : adénine (A), thymine (T), guanine (G) et cytosine (C). L'ARN se distingue de l'ADN par trois caractères : il est constitué d'un seul brin, son sucre est le ribose (et non le désoxyribose), et la thymine y est remplacée par l'uracile (U).
5.2 La transcription
La transcription est la première étape de l'expression du génome. Elle a lieu dans le noyau chez les eucaryotes.
La transcription est la synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'un des deux brins de l'ADN, appelé brin transcrit (ou brin matrice). L'ARN produit est complémentaire du brin transcrit et identique (à l'uracile près) au brin non transcrit, appelé brin codant.
5.2.1 L'enzyme : l'ARN polymérase
L'enzyme responsable de la transcription est l'ARN polymérase. Elle reconnaît une région particulière située en amont du gène, le promoteur, s'y fixe puis ouvre localement la double hélice d'ADN. Elle parcourt ensuite le brin transcrit dans le sens et assemble les ribonucléotides complémentaires, synthétisant ainsi l'ARN dans le sens .
Lors de la transcription, l'appariement des bases respecte les règles suivantes entre le brin transcrit de l'ADN et l'ARN en formation :
La séquence de l'ARN obtenu est donc identique à celle du brin non transcrit (codant), à condition de remplacer chaque T par un U.
Soit le brin transcrit d'ADN suivant, lu dans le sens :
L'ARN messager synthétisé, lu dans le sens , est :
On vérifie que cette séquence est identique au brin codant ATGCCATGA en remplaçant T par U.
5.2.2 La maturation de l'ARN pré-messager chez les eucaryotes
Chez les eucaryotes, l'ARN issu directement de la transcription est appelé ARN pré-messager (ou transcrit primaire). Il n'est pas immédiatement fonctionnel : il subit une étape de maturation dans le noyau avant de sortir vers le cytoplasme.
Un gène eucaryote est dit morcelé : il alterne des séquences exons, qui seront conservées dans l'ARN messager mature, et des séquences introns, qui en seront éliminées. La maturation consiste essentiellement à exciser les introns et à raccorder les exons entre eux : c'est l'épissage.
L'épissage alternatif est un mécanisme par lequel un même ARN pré-messager peut être maturé de différentes façons, certains exons étant conservés ou éliminés selon les cas. À partir d'un seul gène, on peut ainsi obtenir plusieurs ARN messagers matures différents, et donc plusieurs protéines distinctes.
L'épissage alternatif augmente considérablement la diversité des protéines : le nombre de protéines qu'un organisme peut produire est très supérieur au nombre de ses gènes. Il explique en partie pourquoi l'espèce humaine, qui compte environ 20 000 gènes, peut synthétiser plusieurs centaines de milliers de protéines différentes.
Considérons un gène comportant quatre exons notés E1, E2, E3 et E4. Selon les types cellulaires, l'épissage peut produire :
- un ARNm contenant E1-E2-E3-E4 (protéine complète) ;
- un ARNm contenant E1-E2-E4 (exon E3 éliminé, protéine plus courte) ;
- un ARNm contenant E1-E3-E4 (exon E2 éliminé).
Ces trois ARNm proviennent d'un même gène mais codent trois protéines différentes, par exemple actives dans des tissus distincts.
5.3 La traduction
Une fois l'ARN messager mature exporté dans le cytoplasme, il est traduit en protéine par les ribosomes.
La traduction est la synthèse d'une protéine, c'est-à-dire d'un enchaînement d'acides aminés (polypeptide), à partir de la séquence des nucléotides de l'ARN messager. Elle se déroule dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes.
5.3.1 Le code génétique
La correspondance entre la séquence des nucléotides de l'ARNm et la séquence des acides aminés de la protéine est assurée par le code génétique.
Le code génétique est le système de correspondance qui associe à chaque codon (groupe de trois nucléotides consécutifs de l'ARNm) un acide aminé déterminé, ou un signal d'arrêt. Le codon AUG (méthionine) constitue généralement le codon d'initiation. Les codons UAA, UAG et UGA sont des codons stop qui ne codent aucun acide aminé.
Le code génétique possède plusieurs caractéristiques fondamentales :
- il est universel : il est (à de très rares exceptions près) le même pour tous les êtres vivants, ce qui témoigne d'une origine commune ;
- il est redondant (ou dégénéré) : un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons différents (par exemple la leucine) ;
- il est non ambigu : un codon donné code toujours un seul et même acide aminé ;
- il est non chevauchant : les codons sont lus successivement, trois nucléotides par trois nucléotides, sans recouvrement.
5.3.2 Les acteurs : ribosomes et ARN de transfert
Le ribosome est un complexe formé de deux sous-unités (constituées de protéines et d'ARN ribosomiques) qui se fixe sur l'ARNm et le parcourt codon après codon. À chaque codon, un ARN de transfert (ARNt) spécifique apporte l'acide aminé correspondant.
L'ARN de transfert (ARNt) est une petite molécule d'ARN en forme de trèfle qui porte, à une extrémité, un acide aminé déterminé et, à l'autre, un triplet de nucléotides appelé anticodon. L'anticodon est complémentaire d'un codon de l'ARNm ; c'est cette complémentarité qui garantit le respect du code génétique lors de la traduction.
5.3.3 Les étapes de la traduction
La traduction se déroule en trois phases :
- Initiation : la petite sous-unité du ribosome se fixe sur l'ARNm et reconnaît le codon initiateur
AUG; l'ARNt portant la méthionine s'y apparie, puis la grande sous-unité s'assemble. - Élongation : le ribosome avance d'un codon à la fois ; pour chaque codon, l'ARNt correspondant amène son acide aminé, qui est relié au précédent par une liaison peptidique. La chaîne polypeptidique s'allonge.
- Terminaison : lorsque le ribosome atteint un codon stop, aucun ARNt ne s'y apparie ; la traduction s'arrête, la protéine est libérée et le ribosome se dissocie.
Soit l'ARNm suivant :
La lecture commence au codon AUG (méthionine, Met). Le codon GCA code l'alanine (Ala), le codon UUU code la phénylalanine (Phe), et le codon UGA est un codon stop. La protéine obtenue comporte donc trois acides aminés : Met – Ala – Phe.
Méthode : Traduire une séquence d'ADN en protéine
Pour déterminer la séquence d'acides aminés codée par un brin d'ADN :
- Identifier le brin transcrit (lu ) et écrire l'ARNm complémentaire (), en remplaçant
TparU. - Repérer le codon initiateur
AUGet découper l'ARNm en codons successifs à partir de ce point. - À l'aide du tableau du code génétique, attribuer un acide aminé à chaque codon.
- S'arrêter dès qu'un codon stop (
UAA,UAGouUGA) est rencontré.
5.4 La relation génotype – phénotype
Le génotype est l'ensemble des allèles que possède un individu pour les gènes considérés. Le phénotype est l'ensemble des caractères observables d'un individu ; on le décrit à trois échelles : moléculaire (les protéines), cellulaire (la cellule) et macroscopique (l'organisme).
Le phénotype dépend des protéines synthétisées, donc en partie du génotype. Une mutation modifiant la séquence d'un gène peut changer la protéine produite et, de proche en proche, modifier le phénotype cellulaire puis macroscopique.
La drépanocytose résulte d'une mutation du gène de la -globine : un seul nucléotide est modifié, ce qui remplace l'acide glutamique par la valine au sixième acide aminé de la chaîne. Cette substitution rend l'hémoglobine anormale (phénotype moléculaire). Les molécules s'agrègent et déforment les globules rouges en forme de faucille (phénotype cellulaire), provoquant anémie et crises douloureuses (phénotype macroscopique). Un même gène, deux allèles, deux phénotypes.
Toutefois, le phénotype n'est pas entièrement déterminé par le génotype : il résulte de l'interaction permanente entre le génome et l'environnement.
5.5 La régulation de l'expression des gènes
Toutes les cellules d'un organisme possèdent le même génome, et pourtant un neurone, une cellule musculaire et une cellule du foie sont très différents. Cette diversité s'explique par le fait que les cellules n'expriment pas les mêmes gènes : l'expression des gènes est finement régulée.
La régulation de l'expression des gènes est l'ensemble des mécanismes qui contrôlent quels gènes sont exprimés, dans quelles cellules, à quel moment et avec quelle intensité. Elle agit principalement au niveau de la transcription.
Les facteurs de transcription sont des protéines qui se fixent sur des séquences régulatrices de l'ADN, situées notamment au niveau du promoteur, et qui favorisent ou empêchent la fixation de l'ARN polymérase. Ils permettent d'activer ou de réprimer la transcription d'un gène.
La présence ou l'absence de certains facteurs de transcription dans une cellule détermine l'ensemble des gènes qu'elle exprime, et donc son identité. C'est la combinaison de gènes exprimés, et non le génome lui-même, qui distingue les types cellulaires d'un même organisme.
Certains facteurs de transcription sont activés par des signaux extérieurs : hormones, température, nutriments. Par exemple, une hormone peut pénétrer dans la cellule, se lier à un récepteur qui agit comme facteur de transcription, et déclencher l'expression de gènes cibles. Ainsi l'environnement influence directement l'expression du patrimoine génétique.
5.6 L'épigénétique
Au-delà de la séquence de l'ADN, l'expression des gènes dépend de marques chimiques portées par l'ADN et les protéines qui lui sont associées : c'est l'objet de l'épigénétique.
L'épigénétique désigne l'ensemble des modifications de l'expression des gènes qui sont transmissibles au cours des divisions cellulaires mais qui ne modifient pas la séquence des nucléotides de l'ADN. Ces modifications sont réversibles et souvent influencées par l'environnement.
Deux grands mécanismes épigénétiques sont au programme.
La méthylation de l'ADN consiste en l'ajout d'un groupement méthyle () sur certaines cytosines de l'ADN. Une région fortement méthylée est généralement moins accessible à la machinerie de transcription : la méthylation tend donc à réprimer l'expression des gènes concernés.
L'ADN est enroulé autour de protéines appelées histones, formant la chromatine. Des modifications chimiques des histones (acétylation, méthylation, etc.) modifient le degré de compaction de la chromatine. Une chromatine décondensée rend l'ADN accessible et favorise la transcription ; une chromatine condensée la limite.
Contrairement aux mutations de la séquence d'ADN, les marques épigénétiques sont réversibles : elles peuvent être ajoutées ou retirées au cours de la vie. Elles sont sensibles à des facteurs de l'environnement (alimentation, stress, exposition à certaines substances), ce qui établit un lien direct entre le mode de vie et l'expression du génome.
Les vrais jumeaux possèdent un génome identique. Pourtant, avec l'âge, leurs phénotypes peuvent diverger : l'un peut développer une maladie que l'autre n'a pas. L'étude de leurs cellules montre des profils de méthylation de l'ADN différents, d'autant plus marqués que les jumeaux ont vécu dans des environnements distincts. Cet exemple illustre l'influence de l'environnement sur l'expression du génome via l'épigénétique.
5.7 Complexe protéique et phénotype
Une fonction biologique n'est pas toujours assurée par une protéine isolée. De nombreuses fonctions reposent sur l'association de plusieurs protéines en un complexe protéique.
Un complexe protéique est un assemblage de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités), produites parfois par des gènes différents, qui coopèrent pour réaliser une fonction. Le phénotype dépend alors de la production et de l'assemblage correct de toutes les sous-unités.
L'hémoglobine adulte est un complexe formé de quatre sous-unités : deux chaînes et deux chaînes , codées par des gènes distincts, associées chacune à un groupement hème portant le fer qui fixe le dioxygène. Une anomalie touchant n'importe lequel de ces gènes peut modifier le complexe et donc le phénotype, comme dans la drépanocytose. Le phénotype final dépend de l'expression coordonnée de plusieurs gènes.