Transcription de l'ADN en ARN : synthèse et mécanismes - Prof. Jacques, Study Guides, Projects, Research of Genetics

Download Transcription de l'ADN en ARN : synthèse et mécanismes - Prof. Jacques and more Study Guides, Projects, Research Genetics in PDF only on Docsity! 27/11/2018 1 COURS DE GENETIQUE Dr Jacques KABORE 1ère année Sciences biologiques Chapitre III Le fonctionnement du gène La synthèse protéique comprend 2 étapes : de l'ADN à ARNm qui est la transcription de l'ARNm à la protéine qui est la traduction I. La transcription de l'ADN ou la synthèse de l'ARN La transcription correspond au mécanisme par lequel une séquence d’ADN est copiée en ARN. On dit que l’ADN est transcrit en ARN. L’ARN synthétisé est appelé un transcrit La synthèse de l’ARN est réalisé par des ARN polymérases qui utilisent l’ADN comme matrice. Un seul brin de l’ADN, le brin non-codant est transcrit au cours d’une transcription. La séquence d’ARN est donc complémentaire de celle du brin transcrit, et est identique à celle du brin non-codant sauf que l’ARN présente des bases uraciles (U) au lieu de bases thymines (T) dans l’ADN. On parle aussi de brin sens (+) pour le brin codant et de brin antisens (-) pour le brin matrice. L’ARN est synthétisé par polymérisation de sous-unités ribonucléosides triphosphates (UTP, CTP, ATP, GTP). Le premier ribonucléotide (habituellement ATP ou GTP) s’apparie au nucléotide complémentaire de l’ADN. Le nucléotide suivant se lie au premier par une liaison phosphodiester. La polymérisation se fait dans le sens 5’ => 3’ selon l’anti- parallélisme des chaînes, l’ARN polymérase se déplaçant dans le sens 3’ => 5’ 27/11/2018 2 La transcription se réalise au sein d’une « bulle de transcription » à l’intérieur de laquelle l’ADN est déroulé sur une courte région et où l’ARN polymérisé s’apparie au brin matrice dont il est complémentaire. Il se forme un hétéroduplexe sur moins d’un tour d’hélice où les 2 molécules d’ARN et d’ADN sont liées par des liaisons hydrogène. La bulle progresse le long de l’unité de transcription sur la matrice d’ADN, et le duplexe d’ADN se reforme après son passage, déplaçant l’ARN sous forme d’une chaîne polynucléotidique simple brin. On appelle unité de transcription la séquence allant du promoteur au terminateur. Une unité de transcription peut contenir plusieurs gènes. On décrit trois étapes dans la transcription : L’initiation: la transcription est initiée au niveau d’un site spécifique nommé promoteur, l’ARN polymérase se lie à l’ADN au niveau de ce site spécifique; L’élongation: l’ARN polymérase se déplace le long de la molécule d’ADN en déroulant l’ADN et en séparant les deux brins, et synthétise un brin complémentaire d’ARN; La terminaison: la transcription s’arrête au niveau d’un signal spécifique ou séquence de terminaison ou terminateur signifiant l’arrêt de la synthèse d’ARN. Par définition, le brin sens est le brin d’ADN qui a la même séquence que l’ARN messager. Dans ce dernier, les bases T sont évidemment remplacées par les bases U. Le brin anti-sens est le brin opposé. Pour le brin d’ADN: 5’-A-G-C-T-T-A-A-C-G-C-G-T-A-3’, on parle de brin non transcrit, il ne sert pas de brin-matrice de lecture à l’ARN polymérase. Par contre le brin d’ADN orienté en sens inverse: 3’-T-C-G-A- A-T-T-G-C-G-C-A-T-5’ est appelé brin transcrit. Il sert de brin-matrice de lecture à l’ARN polymérase. Par référence à la synthèse des protéines, on appelle également le brin non transcrit, le brin codant pour l’information génétique et le brin transcrit, le brin non codant pour l’information génétique. 27/11/2018 5 c. Terminaison La terminaison de la transcription se fait au niveau du terminateur, localisé après la séquence codante. Des séquences d’ADN riches en paires G-C avec 3 liaisons hydrogènes, par conséquent plus fortes, ralentissent la progression de l’ARN polymérase, et d’autre part la formation d’une boucle à épingle à cheveux entre deux régions de l’ADN bloque l’enzyme. Enfin une protéine de terminaison (Rho) libère la molécule d’ARN. L’ARNm ainsi produit est directement utilisable par la machinerie cellulaire pour être traduit 3. Particularités de la transcription procaryote a. Transcription polycistronique b. Couplage avec la traduction Transcription chez les Eucaryotes 1. Les ARN polymérases Chez les eucaryotes, les mécanismes de la transcription sont proches de ceux décrits chez les procaryotes. Les différences portent sur la complexité de l’initiation, l’absence d’une terminaison aussi bien définie que chez les procaryotes, et la présence de trois enzymes polymérases réalisant un certain type de transcription. 27/11/2018 6 Ainsi, L’ARN polymérase I synthétise les grands ARNr (28S, 18S, 5,8S) l’ARN polymérase II synthétise les ARN pré-messagers l’ARN polymérase III synthétise les petits ARN (ARNt, ARNr 5S, ARNsn). La transcription se déroule en 2 étapes : formation d’un ARN pré-messager et puis maturation de cet ARN pré- messager pour former un ou plusieurs ARN messagers. 2. Formation d’un ARN pré-messager La transcription des gènes se déroule selon trois phases principales : phase d’initiation, d’élongation et de terminaison a. Initiation de la transcription Le promoteur Le promoteur correspond à une région non transcrite de l'ADN, généralement juste en amont du début de la région transcrite, dont la séquence permet le recrutement de l'ARN polymérase II. Certaines séquences du promoteur (surnommées "boites") ont une importance particulière parce que ces séquences sont reconnues spécifiquement par différentes protéines appartenant au complexe d'initiation : la "boite TATA", la plus importante, est située vers -25 à -30 nt du site de démarrage de la transcription (noté +1); des éléments proximaux : • la "boîte CAAT" (facultative), est située vers -120 à - 80 nt du site de démarrage de la transcription . • la "boîte GC" (facultative également), peut être présente entre la boîte CAAT et la boîte TATA.. Contrairement à ce qui se passe chez les procaryotes, l'ARN polymérase II des eucaryotes ne reconnaît pas seule le promoteur proximal. Elle effectue ce travail en compagnie de nombreux co- facteurs protéiques qui se recrutent les uns les autres et qui forment avec elle un complexe d'initiation. Ces facteurs sont notés TFIIA, TFIIB, etc... pour Transcription Factor for RNA polymerase II. Ils correspondent aux facteurs généraux de la transcription car ils s'assemblent sur tous les promoteurs utilisés par l'ARN polymérase II. Le complexe d’initiation La TBP est la première protéine qui reconnait une séquence spécifique de l'ADN initiatrice de la transcription (la boite TATA). Arrivée de TF IID 27/11/2018 7 Le facteur TFIIB semble impliqué dans la sélection précise du site d'initiation (nucléotide à partir duquel se déroule la transcription). Arrivée de TF IIB et TF IIA Recrutement de l’ARN polymérase associée à TF IIF Le facteur TF IIH comporte plusieurs activités enzymatiques : une activité hélicase permettant l'ouverture de la double hélice d'ADN au niveau du promoteur, une activité kinase responsable de la phosphorylation de la queue C-terminale de l'ARN polymérase II. Cette phosphorylation entraîne une modification de la structure tridimensionnelle de l'ARN polymérase entraînant la dissociation du complexe d'initiation et le début de la transcription. TFII = Transcription Factor for RNA polymerase II (Facteurs généraux de la transcription pour l'ARN polymérase II); TBP = TATA box-Binding Protein (Protéine de liaison à la boite TATA). Arrivée de TF IIE et H complétant le complexe de pré-initialisation Phosphorylation de l’ARN polymérase II, dissociation du complexe et début de la transcription La liaison du complexe de transcription au promoteur proximal provoque l'ouverture et le déroulement des deux brins de son ADN, tout en indiquant le brin qui va être transcrit. Intervention de facteurs spécifiques de la transcription Le complexe d'initiation composé de l'ARN polymérase II et des différents TFII est suffisant pour obtenir une activité transcriptionnelle in vitro mais à très faible taux. L'augmentation de cette activité basale (ou sa répression) est sous la dépendance de facteurs spécifiques qui vont interagir avec le complexe d'initiation. Ces protéines activatrices ou inhibitrices se lient à des promoteurs distaux, séquences spécifiques de l'ADN, appelées « enhancer » lorsqu'ils recrute des cofacteurs activateurs, ou silencer lorsqu'ils recrutent des cofacteurs inhibiteurs. Ces promoteurs distaux peuvent être situés à des milliers de nucléotides du promoteur proximal et agissent sur le promoteur proximal par le jeu de courbures de l'ADN. 27/11/2018 10 Par ailleurs, le ribose du premier nucléotide de l'ARN natif est méthylé sur l'oxygène porté par le carbone 2'. Ce peut également être le cas du nucléotide suivant. L'excision-épissage Chez les eucaryotes, les archéobactéries et les cyanobactéries, les gènes sont morcelés : constitués d'une alternance d'exons (parties codantes du gène) et d'introns (parties non codantes, bornées par des séquences de bases spécifiques : 5'GU et 3'AG), Ils sont d'abord intégralement recopiés dans l'ARN pré- messager, puis subissent une opération d'excision des introns (ainsi que celle parfois de petits morceaux d'exons) suivi d'un épissage (splicing), c'est à dire la réunion bout à bout des exons restants qui constituent l'ARNm. Ce remaniement se déroule au fur et à mesure de la progression de la transcription. L'excision des introns s'opère par l'entremise d'une formation dite "en lasso". Excision de l'intron par formation d'un lasso : vue d'ensemble du mécanisme L'excision-épissage est réalisée par réaction d'un nucléotide à adénine (A) situé dans l'intron avec un nucléotide à guanine situé en 5' de l'intron. Cela entraîne la séparation de l'intron d'avec l'exon 1 (situé en amont) et la formation d'une structure en lasso interne à l'intron. Ensuite, l'extrémité 3' de l'exon 1 réagit avec l'extrémité 5' de l'exon 2 permettant l'épissage des deux exons et la libération du lasso qui sera dégradé par des ribonucléases. Excision de l'intron par formation d'un lasso : le splicéosome 27/11/2018 11 Le splicéosome fait appel à des facteurs spécifiques : ribonucléoprotéines contenant des petits ARN (snRNP), ribozymes (ARN ayant des propriétés catalytiques), des enzymes spécifiques (maturases)... La structure secondaire du transcrit I met en contact trois séquences de l'intron : la séquence du début de l'intron (extrémité 5'-GU ou site donneur), la séquence de la fin de l'intron (extrémité 3'-AG ou site accepteur) et un nucléotide à adénine (A du branchement) 40 nucléotides avant le site receveur. Mais l'épissage n'est pas seulement constitutif : il existe également des épissages alternatifs, dans lesquels l'élimination des introns (ou des portions d'exons) peut faire se lier entre eux des exons différents. C'est ce mécanisme qui démultiplie les capacités codantes d'un gène. A partir du même pré-ARNm peuvent être obtenus deux ARNm matures différents codant pour deux isoformes de la troponine, une molécule impliquée dans la structure des myofibrilles. Exemple d'épissage alternatif L'addition d'une queue polyA en 3' Le site de polyadénylation est codé au niveau du gène. Le site de clivage déterminé par le dinucléotide CA est entouré par une séquence AAUAAA très conservée située 10 à 30 nucléotides en amont du site de clivage, et par une séquence DSE (DownStream Element) riche en U ou en GU situé une trentaine de nucléotides en aval du site de clivage. La séquence AAUAAA est reconnue spécifiquement par un complexe protéique appelé CPSF (Cleavage and Polyadenylation Specific Factor), et la séquence DSE par un complexe CstF (Cleavage Stimulation Factor). Ces deux complexes et d'autres composants, comme l'ARN polymérase II et la poly(A) polymérase (PAP), vont interagir en formant le complexe de clivage qui va cliver la molécule de pré-ARN au niveau du site de clivage. CPSF = Cleveage and Polyadenylation Specific Factor, CstF = Cleavage Stimulation Factor, PAP = Poly(A) Polymerase, CF = Cleveage Factor, DSE = Downstrem Element. Le complexe de clivage impliqué dans la maturation en 3' du pré-ARNm 27/11/2018 12 La PAP va alors ajouter environ 200 nucléotides, une poly(A) binding protein II (PABP2) qui interagit avec la PAP se chargeant d'activer l'enzyme et de contrôler la longueur de cette queue poly(A). Il est intéressant de noter que cette polymérase n'utilise pas de matrice ADN pour créer cette séquence poly(A). La queue Poly(A) n'est donc pas codée par le génome. Notons que ce n'est pas un exemple isolé, d'autres mécanismes comme l'éditing ou la modification enzymatique de certaines bases (cytosine en uracile par exemple) étant encore beaucoup plus intrigants. Cette queue poly(A) confère de la stabilité au futur ARNm et se perd au fur et à mesure qu'il est traduit. Conclusion La formation de l'ARN pré-messager puis de l'ARNm a été élucidée dans ses grandes lignes au prix d'un formidable travail dont Joseph Goldstein a rendu compte de façon très amusée, en 2003, lors de l'attribution du prix Lasker à l'un de ses contributeurs, Robert Roeder. Son mécanisme dépend à la fois d'une foule de protéines et de ribonucléoprotéines, elles-mêmes codées par une foule de gènes, et des séquences d'ADN avec lesquelles elles interagissent. On devine à quel point la moindre mutation se produisant à l'un ou l'autre de ces niveaux peut avoir des conséquences majeures sur la transcription. Bibliographie Références : Housset C. et Raisonnier A. Cours (2006-2007) de biologie moléculaire du CHU Pitié Salpêtrière. Sabine Caussanel. (2003) Contribution à l'étude du rôle de CKIP-1 dans la différenciation musculaire régulée par PI3-K - Identification des ARN messagers correspondant aux formes de la protéine CKIP-1 Mémoire de l’Ecole Pratique des Hautes Etudes. Gottlieb S. (2003) The splice of life Nature Horizon. Discours de Joseph Goldstein présentant le Prix Lasker de Robert Roeder. (2003) Fondation Lasker. Quelques livres généraux : Alberts B. (2004). "Biologie moléculaire de la cellule", 4ème édition. Flammarion. Médecine sciences, ISBN 2257161211. Campbell N.A. et Rice J.B. (2004). " Biologie ", 2ème édition. De Boeck Université