Université Ferhat Abbas Sétif 1 1 فيطس سابع تاحرف ةعماج
ةايحلاو ةعيبطلا مولع ةيلك
Faculté des sciences de la Nature et de la vie
Cours Génétique
Destiné aux étudiants 2éme année Biologie LMD (Tronc commun)
Année universitaire 2020-2021
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1- Structure générale d’un gène
« Structure générale d’un gène »
Un gène a une structure spécifique qui lui permettre sa transcription, il est généralement constitué par 3 zones,
Une zone promotrice avec deux brins transcrits, cette zone est reconnue par une enzyme appelée : ARN polymérase, sur laquelle il va se fixer.
Zone transcrite, elle porte l’information génétique.
Zone de terminaison, elle porte des signaux de terminaison (la fin) et elle est aussi transcrite.
- chez les procaryotes, plusieurs gènes peuvent faire partie d’une même unité de transcription (unité polycistronique), chez les eucaryotes, les unités de transcription sont monocistroniques (exception chez certains vertébrés).
-Les gènes eucaryotes sont répartis dans 3classes :
Les gènes de classe1 : le produit de leur expression est un ARNr (5,8s;18s et 28s).Il sont répétés en tandem et séparés par des espaces intergéniques.
Les gènes de classe2 : le produit final de leur expression est une protéine formée après traduction de l’ARNm, ces gènes sont constitués d’exons (séquences codantes) séparés par des introns (séquences non codantes).Les procaryotes ne possèdent pas d’introns.
Les gènes de classe3 : les produits finaux de leur transcription sont les ARNt et les ARNr 5s et les petits ARN.
2. La transcription
La transcription constitue l’ensemble des mécanismes par lequel l’ARN messager (mARN) est synthétisé.
Le mARN est une copie d’une portion de l’ADN. Seules certaines portions de l’ADN sont transcrites, ces séquences d’ADN sont appelées gènes .Enfin, seul l’un des deux brins d’ADN est copié en mARN, la transcription constitue l’étape préliminaire essentielle pour la biosynthèse protéique (ou traduction).La transcription ne produit pas seulement des mARN, mais aussi des tARN, des rARN et des snARN.
2-1- Caractéristiques générales de la transcription
A) Les règles de base : La synthèse d’un mARN à partir d’ADN s’effectue toujours : - Dans le sens 5’ 3 ‘
- De manière antiparallèle par rapport à la portion d’ADN copiée.
- De façon complémentaire (appariements G et C, A et U).
2 B) Les éléments nécessaires à la transcription :
1- La présence de nucléotides propres au mARN, c'est-à-dire contenant du ribose, des bases A, U, G et C et sous forme de nucléosides triphosphate (NTP) :ATP,UTP, CTP et GTP.
2- La présence d’une enzyme : l’ARN polymérase. Les sels de magnésium sont indispensables à cette enzyme.
3- La présence d’une matrice d’ADN servant de modèle. Ce modèle est indispensables à l’enzyme, on parle souvent d’ARN polymérase ADN dépendant.
4-Un seul brin est transcrit et ce n’est pas le même pour tous les gènes.
Gène A Gène B Gène C
3’ 5’ 3’ 5’
5’ 3’
5’ 3’
3’ 5’
Brin matrice
« Les brins d’ADN utilisés comme matrice pour la transcription »
5- Le brin d’ADN matrice est nommé brin (anti-sens, non sens, non codant, transcrit ou brin-), le brin qui n’est pas transcrit est nommé brin (sens, codant ou brin+).
« Brins sens et antisens » C)
Mécanisme de la transcription
La transcription est un mécanisme par lequel un ARN est synthétisé en contact d’un gène (ADN), elle est un phénomène sélectif contrairement à la réplication où tout l’ADN est dupliqué avant la division cellulaire. Elle se divise en 3 étapes successives : l’initiation (début), l’élongation de la chaine polynucléotidique et enfin la terminaison.
2-2- Transcription chez les procaryotes
tous les types d’ARN de la cellule (ARNm, ARNt, ARNr...) sont synthétisés par une enzyme de type ARN polymérase unique qui contient cinq sous unités (α2, β, β’ et σ) cette forme est appelée holoenzyme. La sous unité σ peut se dissocier des autres sous unités pour laisser une forme appelée enzyme centrale (core enzyme)( fig 1)
La sous unité β’ (beta prime) assure la liaison à l’ADN
La sous unité β (beta) forme une partie du site actif. Elle est impliquée dans l’initiation et l’élongation
Les 2 sous unité α (alpha) permettent l’assemblage des autres sous unités
Intervention du facteur σ (sigma) pour la reconnaissance du site d’initiation
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Fig.1.Structure d’ARN polymérase
Chez les procaryotes, la transcription est plus simple et fait intervenir la formation d’un bulbe de transcription, par ailleurs une seule molécule d’ARNm peut contenir les informations provenant soit d’un seul soit de plusieurs gènes proches les uns des autres. Les ARN polymérases ne nécessitent pas d’amorce.
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L’initiation (début de la transcription)
Par convention on appelle +1 le premier nucléotide à partir lequel la transcription démarrera et -1 le nucléotide qui précède. Le signal de début de la transcription est le promoteur : c’est une région de l’ADN à peu près (4 nucléotides) elle est située juste avant le début de la région dite transcrite (où démarrera la transcription) (fig.2).
Cette zone promotrice comporte des séquences conservées (séquences consensus), se sont de courtes séquences jusqu’à (6N), il existe 2 :
- La première séquence est située à environ -35 paires de nucléotides et en amont de point de départ de la transcription «5’ TTGACA3’ »
- La 2ème séquence est située à environ -10 paires de nucléotides en amont de point de départ de la transcription, c’est une séquence riche en thymine, nommée La boite TATA ou Pribnow box ou TATA box «5’ TATAAT 3’ »
Fig.2. Promoteur et initiation de la transcription
La sous unité σ permet à l’ARN polymérase de reconnaitre les sites promoteurs (-35, -10), initialement, un complexe promoteur fermé se forme. Ensuite, la double hélice se dissocié au niveau de la boite -10 pour former un complexe ouvert. La sous unité σ se détache et la transcription est initiée (figure 3).
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Fig. 3. Initiation de la transcription des ARNm chez les bactéries
-Après liaison au promoteur, l’holoenzyme entraine:
Déroulement de l’ADN sur une vingtaine de paire de base autour du site de départ
Formation de la bulle ou bulbe de transcription (Fig.4)
• Mise en place du premier nucléotide (très souvent A ou G) par formation de la première liaison phosphodiester entre le groupement 3’OH du premier nucléotide et le groupement 5’ phosphate du nucléotide suivant
• Allongement d’une dizaine de nucléotides
• Détachement du facteur sigma, après la transcription des 10 premiers nucléotides.
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Fig.4. Initiation de la transcription chez les procaryotes.
La réaction est ici plus simple et caractérisée par la formation d’un bulbe de transcription.
2- Élongation
Le départ du facteur sigma permet à l’ARN polymérase d’assurer l’élongation.
L’élongation c’est la synthèse ou la transcription proprement dite se fait toujours dans le sens 5’...3’.
Au fur et à mesure de la progression de la transcription, les deux brins d’ADN se séparent, il ya copie d’un seul brin d’ADN (déplacement de la bulle de transcription le long de la molécule d’ADN), L’ARN polymérase ajoute les monoribonucéotides (NMP) à l’extrémité 3’OH de la chaine de l’ARN en cours de synthèse, le premier trinucléotide comporte aussi bien chez les procaryotes que chez les eucaryotes une base purique (adénine ou guanine).Ce premier nucléotide va conserver son groupement triphosphate.
L’ARN initialement apparié au brin d’ADN transcrit se détache. Les liaisons hydrogènes se reforment après passage de l’ARN polymérase et les deux brins d’ADN reprennent leur forme hélicoïdale (fig5).
Fig .5. Elongation de la chaine d’ADN
6 3-Terminaison (Fin de la transcription)
La transcription se termine par la reconnaissance de sites spécifiques ou terminateurs, l’enzyme arrête alors la synthèse de l’ARN, libère le transcrit et se détache de l’ADN, les liaisons hydrogène formées entre L’ARN et l’ADN matrice sont rompues et le duplex d’ADN se reforme.
Deux types de sites sont décrits selon que la polymérase a ou non besoin de facteurs supplémentaires pour réaliser la terminaison :
3-1 terminateurs intrinsèques ; sites de terminaisons qui ne font intervenir aucun facteur supplémentaire pour assurer la terminaison (Terminaison rho-indépendante). Les séquences des terminateurs intrinsèques du brin matrice sont palindromique (2 séquences répétées inversées)(fig.6). Ce palindrome entraîne une complémentarité de séquence au niveau de l’ARNm qui permet la mise en place d’une structure en épingle à cheveux (ou tige-boucle) qui déstabilise l’ARN-polymérase(fig.7). La structure en épingle à cheveux riche en paires de bases G-C est suivie d’une séquence poly-U d’environ 6 nucléotides permettant une dissociation plus facile de l’hybride ADN-ARN et la libération de l’ARN polymérase, parce que les appariements A-U sont faibles en énergie. La présence de cette région poly-U est indispensable au détachement de l’ARN polymérase du brin matrice lors de son arrêt sur l’épingle à cheveux.
Fig.6.Terminateur intrinsèque (Terminaison rho-indépendante)
Sites spécifiques de terminaison: constitué de 3 segments caractéristiques (fig.6) :
• Deux séquences répétées inversées particulièrement riches en G et C, séparées par un court segment
• Cette région palindromique est terminée par un segment de bases répétées
• Une série de 6 à 8 bases A sur le brin matrice codant pour un poly-U (région de faible énergie)
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•Structure en épingle à cheveux, déstabilise le complexe
• Séquence ARN se termine par un poly -U (région de faible énergie)
Détachement de l’ARNpolymérase
Fig.7. Terminaison de la transcription des ARNm
3-2 terminateurs rho dépendants
On nomme terminateurs rho dépendants les terminateurs ayant besoin de la présence du facteur rho (ρ) pour assurer la terminaison, le facteur rho (ρ) est une hélicase hexamétrique ARN-dépendante présentant une activité ATPasique. Le facteur rho se fixerait sur un site de reconnaissance au niveau de l’ARN et se déplacerait le long de ce simple brin. Le facteur rho rejoint l’ARN polymérase lorsque celle-ci marque un temps d’arrêt au niveau de l’épingle à cheveux, cette dernière peut être courte et qui n’est pas riche en paires de bases G-C et qui est non suivie d’une séquence poly U ou carrément absente. La présence du facteur rho a pour conséquence la libération du transcrit (fig 8).
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Fig. 8.La terminateurs rho dépendants
2-3 La transcription chez les eucaryotes
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(ne fait pas intervenir de structure en épingle à cheveux), et la présence de trois enzymes polymérases réalisent un certain type de transcription :
L’ARN polymérase I: synthétise les grands ARNr (28S,18S, 5,8S).
L’ARN polymérase II : synthétise les ARN messagers.
L’ARN polymérase III : synthétise les petits ARN (ARNt,ARNr 5, ARNsn).
Les mitochondries et les chloroplastes possèdent leur propre système de transcription par le biais d’enzymes ARN polymérase mitochondriale et ARN polymérase chloroplastique.
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La transcription des gènes de l'ADN en ARN pré-messager a lieu dans le noyau, elle s'effectue de l'extrémité 5' vers l'extrémité 3' des gènes.
1- L’initiation (début de la transcription)
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’ARNpol II. Certaines séquences du promoteur (surnommées “boites”) ont une importance particulière dans ce processus, essentiellement parce que ces séquences sont reconnues spécifiquement par différentes protéines appartenant au complexe d’initiation.
Les séquences consensus promotrices chez les eucaryotes sont :
- Une séquence nommée TATA box située à la position -25 pb environ du site de démarrage de la transcription (noté +1
)
, de séquence consensus TATA(A/T)A(A/T) et généralement comprise entre des séquences riches en GC. La boite TATA box est un site d’attachement pour L’ARN polymérase II. La liaison de l’ARN polymérase II à la boite TATA fait appel à l’aide d’une série de facteurs de transcription TFII(Transcription Factor for RNApolymerase II) notés TFII A, TFII B, TFII D… . Les facteurs de transcription se fixent dans un ordre précis.La première étape de l’initiation de la transcription est la formation d’un complexe au niveau de la TATA box du promoteur par fixation du facteur TFII D, ce facteur comporte une protéine de liaison TBP (TATA box-binding-protéine ou protéine de liaison à la boite TATA) impliquée dans la reconnaissance de la TATA box est comporte également diverses protéines associées nommées TAF (pour TATA associated factors).
Lorsque le facteur TFIID est fixé, d’autres facteurs indispensables à l’initiation s’associent au complexe dans un ordre déterminé. On a la fixation de TFII A suivie de celle de TFII B. La polymérase rejoint alors le complexe. Le facteur TFIIF pourrait amener l‘ARN polymérase jusqu’au complexe de transcription en cours d’assemblage notamment par l’intermédiaire d’une petite sous unités qui se fixe à l‘ARN polymérase. Ce facteur assisterait la fixation de la polymérase au complexe.
La transcription peut alors débuter. Les facteurs TFIIE et TFIIH interviennent ensuite pour permettre à la polymérase de se dégager du promoteur. Il semblerait qu’une phosphorylation de l’ARN polymérase au niveau de son domaine carboxyl-terminal (DCT) par l’activité kinase du facteur TFIIH soit nécessaire pour que la polymérase quitte la région du promoteur et permette la transcription. Juste avant le début de l’élongation, les différents facteurs sont libérés à l’exception du facteur TFIIH qui peut intervenir lors de cette étape parce qu’ilcomporte aussi une activité hélicase permettant l'ouverture de la double hélice d'ADN au niveau du promoteur (fig.9)
La séquence nommée CAAT box située entre la position -75 pb et -80, cette séquence augmente l’efficacité du promoteur.
Et la séquence GGGCGG ou GC box située à la position -90 qui agit également sur la régulation de la transcription. peut être présente entre la boîte CAAT et la boîte TATA.
Les amplificateurs ou activatrices (enhancers) sont des séquences situées parfois à plusieurs milliers de nucléotides d'un promoteur(en dehors du promoteur) et qui, par un jeu d'interactions protéiques, stabilisent le complexe d'initiation, favorisant ainsi la transcription. Ces interactions sont rendues possibles par la courbure de l'ADN qui rapproche des éléments situés à de grandes distances les uns de autres fig10.
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Fig.9. La régulation spécifique de la transcription
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Fig. 10. La régulation spécifique 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.
2. Elongation et mise en place de la coiffe (capping)
C’est la synthèse ou la transcription proprement dite se fait toujours dans le sens 5’...3’
L’ARN polymérase liée au TFIIF avance sur le brin matrice, ajoutant les NMP à l’extrémité 3’OH de la chaine en cours de synthèse. Au fur et à mesure de la progression de l’ARN polymérase II ; l’ARN nouvellement synthétisé se sépare de l’ADN, La double hélice se reforme.
L’ARN pol II est équipée de facteurs protéiques d’élongation qui facilitent sa progression au travers d’une chromatine dont ils relâchent la structure. Un ARN pré-messager complémentaire du brin matrice de l’ADN (brin antisens), donc identique au brin codant de l’ADN (brin sens), aux riboses et uraciles près, commence à être synthétisé selon la direction 5'-3' (voir fig. 11)
L'ARN polymérase lit le brin patron (ou brin antisens), qui est complémentaire du brin codant (ou brin sens), depuis son extrémité 3' vers son extrémité 5'. Le brin d'ARN néosynthétisé est donc identique au brin codant d'ADN, aux uraciles et riboses près
Fig. 11. La phase d'élongation de la transcription
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Les transcrits primaires des eucaryotes (pré-ARNm) subissent au niveau de leur extrémité 5’, une modification appelée capping, qui correspond à l’addition d’un nucléotide modifié (GMP méthylée sur l’azote 7)(GMP-N7-CH3), la 7-méthyleguanosine, qui est liée par une liaison triphosphate 5’ -5’inhabituelle au premier nucléotide de l’ARNm, cette réaction est catalysée par une enzyme la guanyl transférase.
D’autre modifications peuvent se produire comme des méthylation en 2’ sur le ribose situés sur les deux premiers nucléotides de l’extrémité 5’ du transcrit primaire (fig 12).
Sur cette coiffe viennent se fixer des protéines spécifiques qui jouent un rôle fonctionnel important. Les protéines qui se lient à la coiffe constituent le cap binding complex (CBC).
La coiffe constitue un signal de reconnaissance du début de la molécule d’ARNm (extrémité 5’) par le ribosome et évite la dégradation en 5’ de l’ARNm par les exonucléases du cytoplasme, elle permet aussi l'export de l'ARNm vers le cytoplasme pour la traduction.
Fig. 12. Mise en place de la coiffe
NB. Les ARN ribosomaux et les ARN de transfert ne contiennent pas de coiffe et ne sont donc pas traduits.
3-Terminaison et polyadénylation
Après synthèse, les prè- ARN messagers sont clivés en leurs extrémités 3’ une vingtaine de bases en aval d’une séquence spécifique signale de polyadénylation : AAUAAA (correspondant sur le brin d’ADN non transcrit à la séquence AATAA). Cette coupure est réalisée par une endonucléase. Après cette coupure, une enzyme la poly(A) polymérase en présence d’ATP additionne un nombre variable d’Adénine consécutive au moins 200- 250 à l’extrémité 3’ et appelée à ce titre queue poly A (fig13). On pense que la polyadénylation permet de protéger l’extrémité 3’ d’une dégradation des exonucléases.
Sur ces queues poly(A) peuvent aussi se fixer des protéines : les poly(A)-Binding proteins.Elles jouent plusieurs rôles :
- Dans la reconnaissance des ARNm, - Dans l’exportation hors du noyau.
- Et probablement un rôle de protection de l’ARNm lors de la traduction.
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Fig .13. la polyadénylation
3-1 Excision et épissage
Etape de la maturation des acides ribonucléiques messagers, où les introns parties non codantes des gènes des eucaryotes sont coupés (excision) de la structure primaire et les exons parties codantes liés les uns à la suite des autres c’est à dire liés entre eux bout à bout (épissage). Cette opération a lieu dans le noyau et produit un ARNm mature qui est traduit en protéines quand il arrive dans le cytoplasme.
L’excision des introns et l’épissage des exons est l’étape la plus importante de la maturation du transcrit dans le noyau cellulaire.
Les introns du génome nucléaire des eucaryotes sont dits splicéosome – dépendant. Les sites d’épissage des introns contiennent des éléments de reconnaissance situés de part et d’autre des introns. Dans la quasi- totalité des gènes, les deux premiers nucléotides de l’extrémité 5’ des introns sont GU et les deux derniers, à l’extrémité 3’, sont AG. Au sein de l’intron, on trouve une autre séquence signal appelée la séquence de branchement (branchpoint) (AMP), 30 bases en amont de la séquence signal en 3’, l’adénine permettant de créer le point de jonction conduisant à l’élimination de l’intron (Figure 14).
Fig.14. Les sites d’épissage des introns
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L’épissage commence par le clivage de l’intron à son extrémité 5’ après le G du GU (splicéosite 5’) et son attachement à la séquence de branchement. L’intron est ensuite libéré en étant clivé à son extrémité 3’après le G du AG (splicéosite 3’) et les exons sont mis bout à bout puis liés chimiquement (Figure 15).
L’épissage est catalysé par de petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP). Celles-ci sont composées de petites molécules d’ARN riche en uracile, appelées ARN U ou snARN (small nucléair) et complexées à des protéines. Il existe de nombreuses snRNP mais les plus abondantes sont U1, U2, U4, U5 et U6 qui catalysent la réaction d’épissage.
U1 qui se lie au site d’épissage en 5’ et U2 qui se lie à la séquence de branchement ; U5 et U4/6 forment ensuite un complexe appelé splicéosome avec U1 et U2 (Figure 15).
L’excision des introns s’opère par l’entremise d’une formation dite « en lasso » (voir fig15).L’intron, libéré sous forme de lasso, est détruit par des nucléases. Le transcrit perd successivement tous ses introns et les exons épissés constituent la séquence codante du messager.
L’ARNm mature est ensuite transporté au travers des pores nucléaires vers le cytoplasme ou il est traduit
Fig.15. Formation du lasso ou boucle
L’épissage peut être alternatif, c’est à dire peut conduire à plusieurs structures de ARNm : les ARNm alternatifs ont chacun en propre certains exons ainsi que des exons en commun.
Comme il a été cité précédemment, la maturation des ARN est l’étape qui permet d’obtenir après la transcription un ARN « opérationnel ». A partir d’un transcrit primaire ou pré-ARNm on obtient un ARN dit mature.
Cette étape ne concerne que certains ARN :
Les ARNr et les ARNt, que ce soit chez les procaryotes ou les eucaryotes sauf l’ARN 5S des eucaryotes.
et les ARNm des eucaryotes.
4. Maturation différentielle des ARNm eucaryotes
Chez les eucaryotes, il peut y avoir une maturation différentielle, qui peut toucher les trois évènements de maturation : le cap, la poly A ou l’épissage.
- Un gène peut générer différents ARN suivant les sites de poly-adénilation utilisés
- Un pré ARNm peut donner naissance à différentes protéines suivant un mécanisme de maturation différentielle touchant l’épissage : l’épissage alternatif.
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générés par le même gène (par le même pré ARNm), ces protéines possèdent des fonctions différentes au sein de la cellule.
La cellule peut utiliser des sites d’épissage différents, des sites accepteurs d’un intron et des sites donneurs d’un intron différents pour exciser ainsi un fragment d’ARN pré messager.
a- Maturations alternatives des ARNm
Des variations dans les zones épissées conduisent parfois à produire des ARNm ayant des séquences variées, ce qui permet à un pré- ARNm unique de produire plusieurs ARNm, et donc différentes protéines, peuvent être synthétisées à partir d’une même séquence d’un gène. Ceci se rencontre dans les cas d’épissage alternatif des pré-ARNm, ou les cellules font varier le site d’épissage utilisé, de sorte que certains exons peuvent être enlevés ou retenus pendant l’épissage. L’utilisation des signaux polyadénylation alternative conduit également à produire plusieurs ARNm(fig 16).
Fig.16. Epissage alternatif
5. RAPPEL ET COMPLEMENTS CHEZ LES PROCARYOTES :
Chez les procaryotes, il n’y a pas de maturation de transcrit, donc il n’y a pas de poly-adénylation des ARNm, pas d’ajout de coiffe en 5’ du transcrit et pas d’épissage.
La notion d’intron et d’exon n’existe pas chez la bactérie. S’il n’y a pas de maturation différentielle dans le système bactérien, on peut considérer que la séquence en ARNm d’un gène donne naissance à une protéine.
Un ARNm bactérien peut contenir l’information génétique de plusieurs gènes : les Polycistroniques. Même si chez les bactéries, on peut dire que la séquence en ARNm pour un gène donne naissance à une seule protéine, elle peut aussi donner naissance à différentes protéines, puisqu’elle peut contenir l’information génétique de plusieurs gènes.
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6. Comparaison de la synthèse des ARNm chez les eucaryotes et les procaryotes
