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La cellule doit traduire la séquence de bases d’une molécule d’ARNm en une séquence d’acides aminés

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Academic year: 2022

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Du gène à la protéine

Les acides nucléiques (ADN et ARN) assurent le stockage et l’expression de l’information génétique.

Les acides nucléiques et les protéines (séquence spécifique d’acides aminés) contiennent donc une information écrite dans deux langages différents et le passage de l’un à l’autre se fait en deux étapes appelées transcription et traduction.

La transcription permet la synthèse d’ARN. L’information codante est transcrite en ARN messager (ARNm) à partir d’une séquence d’ADN (matrice) en utilisant le même langage. Cette polymérisation de nucléotides dans la molécule d’ARN est fidèle de la séquence originelle contenue dans l’ADN et est catalysée par une ARN polymérase qui chez les eucaryotes est l’ARN polymérase II.

La traduction est la synthèse d’un polypeptide à partir de l’ARNm qui se déroule dans un ribosome, des particules complexes composées de protéines et d’acides nucléiques comme les ARNr. La cellule doit traduire la séquence de bases d’une molécule d’ARNm en une séquence d’acides aminés.

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Les codons

Le code génétique est à triplets : il faut 3 nucléotides pour spécifier un acide aminé donné. Ce qui offre 43 = 64 possibilités. Ce code est presque universel.

Un seul des deux brins d’ADN est transcrit (= brin codant) et la séquence de triplets se retrouve dans la molécule d’ARNm. Selon les régions et les gènes, le brin codant peut se trouver sur l’un ou l’autre des deux brins de la double hélice d’ADN. La molécule d’ARNm et sa matrice d’ADN ne sont pas identiques mais complémentaires en respectant la règle d’appariement des bases à la différence que U (et non T) s’apparie avec A.

Ex  : le triplet ACC de l’ADN (appelé génon) devient UGG dans la molécule d’ARNm (appelé codon) et codera pour le tryptophane.

Au cours de la traduction, la séquence de codons alignés sur l’ARNm est traduite en une séquence d’acides aminés dans le sens 5’ à 3’.

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Le code génétique

Le dictionnaire du code génétique a été établi au milieu des années 1960. Parmi les 64 triplets théoriquement possibles, 61 codent pour des acides aminés et 3 codent pour des codons « STOP  » ou arrêt de la traduction. Le codon AUG code pour la Met et marque le début de la traduction.

Le code est «  redondant  », en effet à plusieurs codons différents correspondent un même acide aminé. Les codons «  synonymes » ne diffèrent que par la troisième base.

Le cadre de lecture

Pour que l’information soit intelligible, les codons seront lus dans l’ordre séquentiel (sans recouvrement) dans un cadre de lecture défini.

Ex : ..A AUU GCC GUG C.. ne peut être lu ..AAU UGC CGU GC..

Ile - Ala - Val Asn - Cys - Arg

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La transcription

L’ARN messager est transcrit à partir du brin codant d’un gène par l’ARN polymérase II (chez les eucaryotes). Cette enzyme ajoute des nucléotides à l’extrémité 3’ du polymère en cours de synthèse.

L’élongation de la molécule d’ARN se produit donc dans le sens 5’à 3’. Les séquences d’ADN auxquelles se lient l’ARN polymérase pour commencer et terminer la transcription s’appellent respectivement promoteur et terminateur qui délimitent ainsi le segment d’ADN transcrit en ARN (= unité de transcription).

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L’initiation de la transcription

Le promoteur contient le point de départ de la transcription et couvre plusieurs douzaines de paires de bases en amont. Chez les eucaryotes, un ensemble de protéines (les facteurs de transcription) reconnaissent le promoteur et positionnent l’ARN polymérase, le tout forme le complexe d’initiation de la transcription. Un de ces facteurs reconnaît spécifiquement la boîte TATA, une séquence riche en A et en T.

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La maturation de l’ARN

Dans le noyau des cellules eucaryotes, des enzymes apportent des modifications à l’ARN pré-messager.

En 5’, l’extrémité est recouverte d’une coiffe constituée d’un nucléotide de guanine (G) modifié : la 7-méthyl-guanosine triphosphate (m7G-PPP).

La coiffe protège l’ARNm de la dégradation par des enzymes hydrolytiques et fait partie du système de reconnaissance pour les ribosomes.

En 3’, l’extrémité se voit ajoutée une queue poly-A (50 à 250 nucléotides d’adénine). Tout comme la coiffe, elle empêche la dégradation de l’ARNm et facilite son transport dans le cytosol.

Les séquences 5’UTR et 3’UTR ne sont pas traduites ; elles interviennent dans la régulation de la traduction.

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L’épissage de l’ARN (= splicing)

Un gène d’une cellule eucaryote est discontinu : les séquences d’ADN sont caractérisées par la présence d’introns (séquences non codantes) et d’exons (séquences codantes). La maturation de l’ARNm comporte également l’élimination des séquences non codantes (introns) par un processus complexe d’« excision » et de « recollage » appelé épissage.

pRNRn = petites ribonucléoprotéines nucléaires

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L’importance des introns

La présence des exons et des introns a un avantage : ils permettent à un même gène de coder pour plusieurs polypeptides. Par épissage alternatif (épissage différentiel), on peut assembler un ensemble différent d’exons encodés par un même gène pour produire plusieurs protéines différentes.

Ces gène sont appelés des gènes mosaïques. C’est ce phénomène qui explique pourquoi le nombre de protéines que peut produire un organisme est plus élevé que le nombre de ses gènes.

Les protéines sont souvent constituées de régions structurales et fonctionnelles différentes (= domaines). Ce sont des exons différents qui codent pour chacun de ces domaines.

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La traduction

La série de codons alignés sur l’ARNm est « interprétée » par une série de molécules d’ARN de transfert (ARNt). Les différents ARNt fixent chacun un acide aminé pour l’acheminer vers les ribosomes. Le ribosome (structure ribonucléoprotéique) ajoute alors chaque acide aminé apporté par les ARNt à l’extrémité de la chaîne polypeptidique en élongation.

Chaque ARNt traduit un certain codon de l’ARNm en l’acide aminé correspondant.

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Les ARN de transfert

La molécule d’ARNt porte un acide aminé donné à l’une de ses extrémités. A l’autre extrémité, se trouve un triplet de nucléotides, l’anticodon, qui se lie au codon complémentaire de l’ARNm, conformément aux règles d’appariement des bases.

Un ARNt est une molécule d’ARN d’environ 80 nucléotides adaptant une structure tridimentionnelle particulière, due aux appariements intramoléculaires.

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Les ARN de transfert

Chaque acide aminé est lié à l’ARNt correspondant par une enzyme spécifique appelée aminoacyl-ARNt-synthétase. Le site actif de chaque type de ces enzymes ne peut former qu’une combinaison d’acide aminé et d’ARNt.

On ne dénombre que 45 ARNt et non 61 comme le prévoit le code. Ceci est dû au fait qu’il y a un relâchement sur la reconnaissance de la troisième base entre codons et anticodons (= oscillation). Un même anticodon peut donc reconnaître 2 codons différents (ex : le 3ème U de l’anticodon peut reconnaître A ou G). Cela explique pourquoi les codons synonymes diffèrent par leur 3ème base et pas par les autres.

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Les ribosomes

Ils permettent l’appariement des anticodons d’ARNt avec les codons d’ARNm au cours de la synthèse des protéines.

Ils sont composés d’une grande sous-unité et d’une petite sous-unité qui s’assemblent lors de la reconnaissance de l’ARNm. Chaque ribosome comprend, en plus du site de reconnaissance à l’ARNm, trois sites (P, A et E) de liaison à l’ARNt. Il y a aussi un tunnel de sortie pour la protéine en croissance.

Chaque sous-unité est formée de protéines et d’ARNr. Le ribosome est donc une structure ribonucléoprotéique. Les sous-unités, chez les eucaryotes, sont synthétisées dans le nucléole.

Les ribosomes des procaryotes ayant une taille et une composition différentes de celles des eucaryotes sont la cible de certains antibiotiques (streptomycine, tétracycline).

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Les ribosomes

La structure du ribosome reflète sa fonction, qui est de rapprocher les ARNt de l’ARNm à traduire. Chaque ribosome contient un site de liaison à l’ARNm et trois sites de liaison à l’ARNt :

- le site P (site peptidyl-ARNt) retient l’ARNt qui porte la chaîne protéique en cours d’élongation

- le site A (site aminoacyl-ARNt) retient l’ARNt qui porte le prochain acide aminé à ajouter

- le site E (site exit) à partir duquel l’ARNt vide quitte le ribosome

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L’initiation de la traduction

La traduction comprend trois étapes : l’initiation, l’élongation et la terminaison. Ces étapes ne peuvent se dérouler qu’en présence de facteurs (protéines) qui assistent le ribosome et d’énergie, fournie par du GTP.

L’initiation est l’étape la plus lente. L’ARNm s’associe d’abord à la petite sous-unité d’un ribosome et fixe l’ARNt qui porte une méthionine modifiée. La petite sous-unité effectue alors un balayage de l’ARNm jusqu’à trouver le codon d’initiation AUG auquel l’anti-codon se lie alors.

La grande sous-unité s’assemble ensuite.

A la fin de l’initiation, l’ARNt d’initiation se retrouve dans le site P et le site A redevient vacant pour accepter l’ARNt suivant.

Une protéine est toujours synthétisée depuis l’extrémité NH2-terminale vers l’extrémité carboxy-terminale.

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L’élongation de la traduction

Les acides aminés sont ajoutés un à un selon un cycle de trois phases : - reconnaissance du codon par l’ARNt correspondant (2 GTP)

- formation de la liaison peptidique

- translocation : le ribosome passe au codon suivant, l’ARNt portant la protéine en croissance passe du site A au site P et l’ARNt vide passe au site E avant de quitter le ribosome (1 GTP).

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La terminaison de la traduction

Quand le ribosome arrive au codon stop (UAG, UAA ou UGA pour lesquels il n’existe pas d’ARNt), un facteur de terminaison se lie, ajoute un H2O au dernier acide aminé pour hydrolyser la liaison protéine-ARNt et la protéine est libérée par le tunnel de sortie. L’ARNm et les deux sous-unités du ribosome se dissocient ensuite.

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Les polyribosomes

Une même molécule d’ARNm sert en général à synthétiser simultanément plusieurs protéines : cela est possible car plusieurs ribosomes traduisent l’ARNm en même temps. Dès que le premier ribosome dépasse le codon d’initiation, une deuxième peut commencer, et ainsi de suite.

La cellule peut ainsi synthétiser un grand nombre de protéines à partir de peu d’ARNm.

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Achèvement de la protéine nouvellement synthétisée

Repliement : pendant la synthèse, la chaîne polypeptidique se replie spontanément pour acquérir sa conformation. Souvent, cela se fait avec l’aide de chaperonine(s).

Modifications post-traductionnelles : ajout de sucres, de lipides, … clivage (par une enzyme spécifique), association de plusieurs sous-unités.

Acheminement vers les différents organites (= adressage) : les ribosomes libres synthétisent les protéines qui se retrouvent d’abord dans le cytosol mais qui peuvent par la suite, migrer vers leur organite cible (ex mito). Les ribosomes liés synthétisent les protéines qui passent directement dans la citerne du réticulum endoplasmique rugueux. Cet adressage se fait via le peptide signal.

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Les différentes fonctions des ARN

Les ARN remplissent différentes fonctions dans la cellule grâce à trois propriétés :

- appariement avec les bases correspondantes (ex codon-anticodon) - structure tridimentionnelle particulière (ex ARNt)

- groupements fonctionnels qui agissent comme des catalyseurs (ex complexe d’épissage)

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Comparaison procaryotes - eucaryotes

Transcription et traduction sont fort similaires dans les deux types de cellules.

Petites différences :

- l’ARN polymérase eucaryote a besoin de facteurs de transcription - la terminaison de la transcription ne se passe pas de la même manière - les ribosomes ne sont pas tout à fait identiques

Grandes différences :

- compartimentation noyau - cytosol chez les eucaryotes alors que transcription et traduction peuvent se dérouler en même temps chez les procaryotes (les protéines sont déjà synthétisées sur l’ARNm en croissance)

- maturation du pré-ARN en ARNm chez les eucaryotes

- acheminement des protéines pendant ou après leur synthèse, vers leur organite cible

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Les mutations ponctuelles affectent la structure et/ou la fonction des protéines

Les mutations sont des modifications du patrimoine génétique. Une mutation ponctuelle est une modification touchant UNE paire de bases dans l’ADN. Si elle se passe dans un exon, elle peut ainsi changer la nature de l’acide aminé codé par le codon dans lequel se trouve cette mutation (ex anémie falciforme).

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Les mutations ponctuelles

Substitution : changement d’un nucléotide -->

- aucun effet si mutation silencieuse (codons redondants) - changement de l’acide aminé (mutation faux sens) - changement en codon stop (--> protéine tronquée) Délétion ou insertion --> changement du cadre de lecture : tous les nucléotides en aval seront changés jusqu’à arriver à un nouveau codon stop.

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Transcription et traduction : résumé

Un gène est une région de l’ADN dont le produit final est, soit une molécule d’ARN, soit un ou plusieurs polypeptides.

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