Fiche de révision : Introduction à la transcription et régulation génétique

📋 Plan du Cours

1. Structure des gènes eucaryotes
2. Gènes chevauchants et taille du génome
3. ARN polymérases et transcription
4. Promoteurs bactériens et initiation
5. Initiation par l’ARN polymérase II
6. Complexe de pré-initiation
7. Transcription des gènes de classe III
8. Terminaison de la transcription
9. Maturation des ARN pré-messagers
10. Épissage alternatif et SR
11. Couplage transcription-maturation et opéron lac

📖 1. Structure des gènes eucaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Promoteur : Région de l’ADN reconnue par l’ARN polymérase et utilisée pour lancer la transcription à proximité du site d’initiation.
• Site d’initiation de la transcription : Position notée +1 correspondant au premier nucléotide incorporé sur l’ARN synthétisé à partir d’un gène.
• Terminateur de transcription : Région de l’ADN où la transcription prend fin pour un gène donné.
• Unité de transcription : Segment d’ADN transcrit en un ARN à partir d’un promoteur jusqu’au terminateur.
• Gène codant les protéines eucaryote : Organisation eucaryote d’un gène portant l’information nécessaire à la production d’un ARNm puis d’une protéine, via des phases de maturation.

📝 Points essentiels

• La transcription se fait uniquement sur de l’ADN double brin, et pour un gène donné un seul brin sert de matrice.
• Le brin matrice est lu dans le sens 3’→5’ tandis que le précurseur ARN est synthétisé dans le sens 5’→3’.
• Un même fragment d’ADN peut porter des gènes orientés de part et d’autre, donnant des brins transcrits de sens opposés selon le gène.

💡 Astuce mémo

Matrice 3’→5’ = ARN 5’→3’ (on lit dans un sens et on écrit dans l’autre).

📖 2. Gènes chevauchants et taille du génome

🔑 Notions clés & Définitions

• Gènes chevauchants : Gènes chevauchants désignent des gènes disposés de façon à partager une partie de la même séquence d’ADN, ce qui change l’usage de la place dans le génome.
• Taille du génome haploïde : La taille du génome haploïde correspond à la quantité d’ADN mesurée pour une seule copie des chromosomes, utilisée ici pour comparer différents organismes.
• Nombre d’isoformes protéiques : Le nombre total d’isoformes protéiques représente le nombre de variantes de protéines produites pour un gène donné grâce à l’épissage alternatif.
• Taille moyenne des exons : La taille moyenne des exons est la longueur typique des segments codants inclus dans l’ARN avant l’épissage, mesurée en paires de bases (pb) pour chaque organisme.
• Taille moyenne des introns : La taille moyenne des introns est la longueur typique des régions non conservées dans la séquence finale après épissage, exprimée en kilobases (kb) ici.

📝 Points essentiels

• Chez l’Homme, Souris, Drosophile (caenorhabditis) et Vers, la taille du génome haploïde vaut respectivement 3,300×10^6 pb, 3,300×10^6 pb, 165×10^6 pb et 100×10^6 pb.
• Le nombre total de gènes est d’environ 64.000 chez l’Homme, 39.000 chez la Souris, 16.000 chez Drosophile et 47.000 chez le Vers.
• Le nombre de gènes codants les protéines est d’environ 22.000 chez l’Homme et la Souris, 14.000 chez Drosophile et 20.000 chez le Vers.
• Les isoformes protéiques (par gène) produites par épissage alternatif atteignent environ 200.000 chez l’Homme, 100.000 chez la Souris, 30.000 chez Drosophile et 55.000 chez le Vers.
• La taille moyenne des exons est d’environ 300 pb chez l’Homme et la Souris, 500 pb chez Drosophile et 200 pb chez le Vers, avec des introns d’environ 7,5 kb, 6 kb, 2 kb et 0,5 kb respectivement.

💡 Astuce mémo

Isoformes = Épissage alternatif : Homme ≈ 95% des gènes, Souris ≈ 63%.

📖 3. ARN polymérases et transcription

🔑 Notions clés & Définitions

• ARN polymérase I : ARN polymérase eucaryote qui synthétise les ARNr précurseurs correspondant aux ARNr 28S, 18S et 5,8S.
• ARN polymérase II : ARN polymérase eucaryote qui produit les précurseurs d’ARN messagers (ARNm) à partir d’un gène donné.
• ARN polymérase III : ARN polymérase eucaryote qui synthétise des ARN structuraux comme l’ARNr 5S et de nombreux ARNt.
• Domaine CTD : Extrémité C-terminale de l’ARN polymérase II servant de plate-forme de recrutement pour des facteurs d’élongation et de maturation.
• Transcription : Processus cellulaire où une ARN polymérase lit l’ADN double brin et synthétise un ARN complémentaire du brin matrice.

📝 Points essentiels

• La transcription se fait uniquement à partir d’ADN double brin, où un seul brin d’un gène sert de matrice pour l’ARN.
• Le brin matrice est lu dans le sens 3’→5’ et le précurseur ARN est synthétisé dans le sens 5’→3’.
• Chez les mammifères, l’ARN polymérase I génère environ 40 000 molécules d’ARNr par cellule pour les gènes de classe I.
• Chez les mammifères, l’ARN polymérase II produit environ 40 000 molécules d’ARNm par cellule pour les gènes de classe II.
• Chez les mammifères, l’ARN polymérase III produit environ 20 000 molécules par cellule pour les gènes de classe III.
• L’élongation de l’ARN polymérase II progresse à environ 30 nucléotides par seconde avec un taux de mutation d’environ 10-4 à 10-5.

💡 Astuce mémo

3’→5’ (matrice) et 5’→3’ (ARN) : l’ARN suit toujours le sens de l’ajout de nucléotides.

📖 4. Promoteurs bactériens et initiation

🔑 Notions clés & Définitions

• Boîtes de promoteur procaryote : En promoteurs bactériens, des motifs nucléotidiques appelés boîtes sont utilisés pour guider la reconnaissance du site d’initiation, mais tous ne sont pas forcément présents.

📝 Points essentiels

• Les promoteurs procaryotes possèdent des boîtes de séquence les plus courantes, mais la présence de toutes ces boîtes n’est pas systématique.
• La variabilité de composition des boîtes explique que l’initiation dépend du type de promoteur rencontré plutôt que d’un motif unique parfaitement identique partout.],

📖 5. Initiation par l’ARN polymérase II

🔑 Notions clés & Définitions

• CTD ARN polymérase II : Le domaine CTD correspond à une région C-terminale de l’ARN polymérase II servant de plateforme d’interaction pour recruter les machineries après l’initiation.
• TBP : TBP est la TATA binding protein, une sous-unité de TFIID qui se fixe sur la région TATA des promoteurs et aide au recrutement du complexe d’initiation.
• TFIIB : TFIIB est un facteur d’initiation qui reste associé à l’ARN polymérase II et stimule le passage vers l’élongation.
• TFIIS : TFIIS est un facteur qui réduit les pauses de polymérase et vérifie la séquence synthétisée grâce à une activité de type RNase.
• FACT : FACT est un hétérodimère qui facilite la transcription en aidant la polymérase à fonctionner sur la chromatine via réorganisation de nucléosomes.

📝 Points essentiels

• L’ARN polymérase II se détache des facteurs d’initiation avant l’entrée dans l’élongation.
• Les facteurs d’élongation sont recrutés par le domaine CTD de l’ARN pol II.
• Les facteurs de maturation sont aussi recrutés par le domaine CTD de l’ARN pol II.
• La vitesse d’élongation par l’ARN pol II est d’environ 30 nucléotides par seconde.
• Le taux de mutation pendant la synthèse par l’ARN pol II est estimé entre $10^{-4}$ et $10^{-5}$.

💡 Astuce mémo

CTD = Centre de Recrutement : il appelle élongation + maturation après l’initiation.

📖 6. Complexe de pré-initiation

📖 7. Transcription des gènes de classe III

🔑 Notions clés & Définitions

• Polymérase III : La polymérase III est l’enzyme eucaryote qui transcrit les gènes de classe III en ARN.
• ARN 5S : L’ARN 5S est un type d’ARN transcrit par les gènes de classe III.
• ARN 5,8S et 28S variable : Les ARN 5,8S et certains 28S à expression variable font partie des produits associés aux gènes de classe III.

📝 Points essentiels

• Les gènes de classe III sont transcrits par la polymérase III.
• Les produits cités pour la classe III incluent l’ARN 5S et des ARNs de type 5,8S avec 28S variable.
• Les transcrits de classe III ne contiennent pas d’introns, ne reçoivent pas de coiffe, et ne subissent pas de polyadénylation.

💡 Astuce mémo

Classe III = « pas d’introns, pas de coiffe, pas de queue polyA ».

📖 8. Terminaison de la transcription

🔑 Notions clés & Définitions

• CTD de l’ARN polymérase II : La région CTD de l’ARN polymérase II sert de plateforme d’accrochage des facteurs qui coordonnent transcription et maturation des ARNm.
• Relargage de l’ARN polymérase II : Le relargage correspond au moment où l’ARN polymérase II quitte le gène après la fin de la transcription.
• Site de polyadénylation : Le site de polyadénylation est une séquence reconnue pendant la transcription, dont la mise en place intervient avant la fin de celle-ci.
• Dégradation des ARN anormaux : La dégradation des ARN anormaux élimine des transcrits impropres, avec intervention de facteurs liés notamment au NMD.

📝 Points essentiels

• La formation de la coiffe et la polyadénylation se produisent avant la fin de la transcription par l’ARN polymérase II.
• Le schéma de couplage montre que des facteurs de maturation (coiffe et polyA) sont recrutés par l’ARN polymérase II puis qu’ils quittent le complexe avec sa sortie.
• La fin du processus est associée au relargage de l’ARN polymérase II dans le modèle de couplage transcription/maturation.
• Des facteurs liés au NMD s’associent et favorisent ensuite l’élimination des ARN anormaux.
• Le site de polyadénylation contribue à la protection de l’ARN contre les RNases et à la reconnaissance du ribosome pour la traduction.

💡 Astuce mémo

pA = “STOP AVANT la fin” : polyA avant le dernier coup de pol II → protection + traduction possible.

📖 9. Maturation des ARN pré-messagers

🔑 Notions clés & Définitions

• Coiffe 5' CAP : La coiffe 5' CAP est un marquage de l’ARN naissant qui facilite sa maturation, puis sa sortie vers le cytoplasme.
• Spliceosome : Le spliceosome est la machinerie protéique qui reconnaît les bornes d’introns et catalyse l’excision des introns pour assembler les exons.
• Complexe de polyadénylation : Le complexe de polyadénylation est l’ensemble des facteurs qui reconnaissent le site de polyadénylation et ajoutent la queue poly(A) à l’ARN pré-messager.
• PolyA Polymerase PAP : La PolyA Polymerase PAP est l’enzyme du complexe qui catalyse l’ajout des résidus de polyadénylate au site de polyadénylation.
• Dégradation par NMD : La dégradation par NMD est un mécanisme qui élimine des ARN messagers jugés anormaux, notamment quand un intron persiste.

📝 Points essentiels

• La maturation en eucaryote comprend coiffe 5', épissage des exons, puis polyadénylation avant la sortie de l’ARN messager mature du noyau.
• L’ARN polymérase II recrute les facteurs de la coiffe et ceux de la polyadénylation, ce qui coordonne la synthèse de l’ARN à sa maturation.
• La polyadénylation implique un site de polyadénylation et un complexe de polyadénylation incluant la PAP et la PABP.
• Après maturation, l’ARN messager se dirige vers le cytoplasme, tandis que les ARN « anormaux » sont dégradés par NMD.
• Le recrutement des facteurs de transport et du NMD est couplé à la transcription par le CTD de l’ARN polymérase II.

💡 Astuce mémo

CAP → Spliceosome → Poly(A) → Export, avec NMD si intron persiste.

📖 10. Épissage alternatif et SR

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéines SR : Des protéines d’épissage agissant comme activateurs en favorisant la reconnaissance de certaines bornes d’intron via les séquences ESE et ISE.
• ESE : Une séquence exoniqe d’amélioration qui, en fixant un activateur, aide à choisir la borne d’épissage située en amont.
• ISE : Une séquence intronique d’amélioration qui, en fixant un activateur, oriente le choix de la borne d’épissage située en aval.
• ESS : Une séquence exoniqe d’inhibition qui, en fixant un répresseur, empêche la reconnaissance de la borne d’épissage.
• ISS : Une séquence intronique d’inhibition qui, en fixant un répresseur, empêche l’épissage de l’intron.

📝 Points essentiels

• Dans l’épissage alternatif, un même groupe d’exons peut contenir des exons mutuellement exclusifs, entraînant le remplacement d’un exon par un autre dans l’ARN messager mature.
• Les bornes d’épissage 3' et 5' d’un intron peuvent être multiples et choisies selon les conditions du système d’épissage.
• Si la borne doit être reconnue, elle peut être activée par ESE en amont ou par ISE en aval, tandis que l’absence de reconnaissance peut être assurée par ESS en amont ou par ISS dans l’intron.
• Le choix d’une borne peut dépendre de la compétition entre activateurs et répresseurs lorsque la même borne subit plusieurs régulations.
• Pour le gène slo des mammifères, l’exon STREX est lié à une isoforme à désactivation rapide et faible sensibilité au Ca++ et à une isoforme sans STREX à désactivation lente et forte sensibilité au Ca++.
• Chez la drosophile, l’élément P est actif dans la lignée germinale et implique l’excision de l’intron N°3 suivie de la synthèse d’une transposase active.

💡 Astuce mémo

SR active via ESE/ISE : SR = Sélection des exons par activateurs sur ESE et ISE.

📖 11. Couplage transcription-maturation et opéron lac

🔑 Notions clés & Définitions

• Opéron lac : Groupe de gènes permettant la synthèse coordonnée des enzymes nécessaires à l’utilisation du lactose chez la bactérie.
• LacR : Répresseur de l’opéron lac qui contrôle la transcription en bloquant l’accès de l’ARN polymérase aux sites opérateurs.
• Allolactose : Inducteur naturel qui se fixe au répresseur LacR et modifie son activité pour permettre la transcription de l’opéron lac.
• IPTG : Inducteur synthétique de l’opéron lac, non métabolisable, utilisé pour déclencher l’expression du gène en imitant l’inducteur naturel.
• CRP-AMPc : Complexe activateur qui module la transcription de l’opéron lac en condition de disponibilité nutritionnelle, via le système PTS.

📝 Points essentiels

• Sans inducteur, l’ARN polymérase se fixe près du répresseur et la dissociation spontanée du répresseur conduit à une transcription de base avec un seul ARNm.
• Avec inducteur (allolactose), la transcription augmente fortement et peut atteindre un niveau multiplié par environ 1000 par rapport au niveau de base.
• La présence d’inducteur augmente l’affinité de l’ARN polymérase pour le promoteur d’environ 100 fois en présence du répresseur.
• L’allolactose est l’inducteur naturel de l’opéron, tandis que l’IPTG est un inducteur synthétique non métabolisable.
• LacR agit comme dimère et interagit avec les trois opérateurs, provoquant un changement de conformation qui module la répression.
• La répression catabolique de l’opéron lac dépend du système PTS et du complexe CRP-AMPc, qui favorise ou empêche la synthèse selon l’état cellulaire.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

ARN polymérases et gènes transcrits (mammifères)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Inverser les sens : le brin matrice est lu 3’→5’ tandis que l’ARN est synthétisé 5’→3’.
2. Confondre site (+1) et promoteur : le TSS correspond au premier nucléotide sur l’ARN, pas à la région du promoteur.
3. Croire que tous les promoteurs bactériens ont toutes les mêmes boîtes : leur présence n’est pas systématique.
4. Mélanger classes de transcription eucaryote : pol I ne produit pas des ARNm (c’est pol II), et pol III ne met pas de coiffe/polyA.
5. Penser que les transcrits de classe III ont des introns/coiffe/polyadénylation : ils n’en reçoivent pas (selon le cours).
6. Penser que la coiffe et la polyadénylation sont après la fin de transcription : elles ont lieu avant le relargage de l’ARN pol II.
7. Dire que l’épissage dépend uniquement de GU/AG sans rôle des protéines SR (ESE/ISE/ESS/ISS) dans la reconnaissance des bornes.

✅ Checklist Examen

1. Définir promoteur, site d’initiation (+1/TSS), terminateur, et unité de transcription, et relier chacun à la transcription.
2. Reconnaître que la transcription eucaryote se fait sur ADN double brin avec un seul brin matrice, et donner les sens matrice 3’→5’ / ARN 5’→3’.
3. Indiquer les ordres de grandeur (par l’homme/souris/drosophile/vers) : taille du génome haploïde, nombre total de gènes, gènes codant protéines, isoformes par gène, tailles moyennes exons et introns.
4. Citer les rôles des ARN polymérases I, II, III et associer pol I→ARNr (28S/18S/5,8S), pol II→ARNm, pol III→5S et ARNt, avec les quantités données pour les mammifères.
5. Expliquer comment l’initiation bactérienne dépend des boîtes de promoteur et pourquoi une initiation dépend du type de promoteur plutôt que d’un motif unique.
6. Pour l’initiation par l’ARN pol II, nommer TBP, TFIIB, TFIIS, FACT et donner l’idée générale : CTD recrute élongation et maturation, et pol II se détache avant l’élongation.
7. Décrire les étapes et idées de terminaison/arrêt chez l’eucaryote : formation coiffe + polyadénylation avant la fin, relargage de pol II, polyA protège/assure reconnaissance ribosome, NMD élimine les ARN anormaux.
8. Lister les étapes de maturation des pré-messagers eucaryotes dans l’ordre : coiffe 5’ CAP, épissage, polyadénylation, export, puis dégradation NMD pour anormaux.
9. Décrire l’épissage alternatif : exons mutuellement exclusifs, intron retenu/cassette, bornes 3’ ou 5’ alternatives, et lien avec isoformes protéiques.
10. Définir ESE, ISE, ESS, ISS et expliquer le rôle des protéines SR comme activateurs/régulateurs de reconnaissance des bornes d’intron.
11. Expliquer la régulation de l’opéron lac : rôle de LacR et allolactose vs IPTG, augmentation ~1000 avec inducteur, affinité promoteur x100 en présence du répresseur, et répression catabolique via CRP-AMPc et le système PTS.