Fiche de révision : Régulation de l’expression génique

📋 Plan du Cours

1. Structure et fonctions des ARN
2. Étude des transcrits
3. Principes de la transcription
4. Transcription par l’ARN polymérase II
5. Maturation des ARN messagers
6. Transcription par les polymérases I et III
7. Régulation transcriptionnelle
8. Enhancers et remodelage de la chromatine
9. Méthodes d’étude des régions régulatrices
10. Facteurs de transcription et signalisation
11. Déficit du CMH-II et facteur RFX
12. Régulations post-transcriptionnelles
13. Petits ARN non codants
14. Machinerie et étapes de traduction
15. Régulation de la traduction et des protéines

📖 1. Structure et fonctions des ARN

🔑 Notions clés & Définitions

• Ribozyme : Molécule d’ARN qui joue un rôle d’enzyme.

★ À maîtriser

• Les ARNm codent les protéines et représentent 2 % des ARN, les ARNr représentent 82 % et participent à la structure des ribosomes ainsi qu’à la catalyse de la synthèse protéique, tandis que les ARNt représentent 16 % et servent d’adaptateurs entre ARNm et acides aminés.

📌 Pour un gène codant un polypeptide, le polypeptide est le produit fonctionnel final de l’expression, tandis que pour un gène d’ARN, l’ARN est le produit fonctionnel final.

Compléments

• L’ARN est généralement une chaîne simple brin, mais des appariements intramoléculaires peuvent former des structures secondaires et des appariements intermoléculaires peuvent aussi se produire.

• Les cellules contiennent des ARN associés à des protéines.

💡 Astuce mémo

ARNm code une protéine ; ARNr et ARNt participent à sa synthèse

📖 2. Étude des transcrits

★ À maîtriser

• Le Northern blot renseigne sur la taille du ou des transcrits et sur leur abondance par rapport à une référence.

• 🔄 La synthèse d’ADNc comprend les étapes suivantes :

  1. Produire le premier brin par transcription inverse à partir d’ARNm polyadénylé.
  2. Éliminer l’ARN avec la RNase H ou la soude.
  3. Synthétiser le second brin avec une ADN polymérase.

• Une banque d’ADNc représente les ARN exprimés dans un type cellulaire et à un moment donné, tandis qu’une banque génomique représente le génome de l’organisme.

• En qRT-PCR, le cycle seuil Ct est le nombre de cycles à partir duquel le produit devient détectable et il est inversement proportionnel au logarithme décimal du nombre initial de copies.

Compléments

• 🔄 La purification des ARN totaux comprend les étapes suivantes :

  1. Lyser les cellules avec du thiocyanate de guanidine dénaturant.
  2. Charger l’échantillon sur une colonne de silice en fortes conditions salines.
  3. Laver pour éliminer les contaminants.
  4. Éluer les ARN avec de l’eau.

• La courbe de fusion de la qRT-PCR vérifie le nombre de produits amplifiés : un pic unique indique un produit, tandis que plusieurs pics indiquent un mélange d’amplicons de séquences différentes.

• Les puces à ADN mesurent simultanément l’expression de plusieurs centaines ou milliers de gènes dans une cellule ou un tissu, à un moment et dans un état donnés.

📖 3. Principes de la transcription

🔑 Notions clés & Définitions

• Transcription : Copie de l’information génétique de l’ADN en un brin d’ARN.

★ À maîtriser

• Un seul des deux brins d’ADN sert de matrice pour transcrire un gène donné, mais le brin matrice peut différer d’un gène à son voisin.

• L’ARN est complémentaire du brin matrice et sa séquence est identique à celle du brin codant, à la différence près que l’ARN contient de l’uracile à la place de la thymine.

📌 Les éléments cis-régulateurs sont des séquences d’ADN, tandis que les éléments trans-régulateurs sont des produits de gènes, notamment des ARN ou des protéines, qui reconnaissent les éléments cis.

• Chez les procaryotes, un ARNm peut être polycistronique et coder plusieurs protéines, tandis qu’un ARNm eucaryote mature présenté dans le cours porte une seule phase ouverte de lecture et produit une protéine.

Compléments

• L’ARN polymérase ajoute les ribonucléotides à l’extrémité 3′ du brin d’ARN en cours d’élongation en formant des liaisons phosphodiester.

💡 Astuce mémo

Brin matrice lu ; brin codant ressemblant à l’ARN

📖 4. Transcription par l’ARN polymérase II

★ À maîtriser

• Le promoteur est une région d’ADN non transcrite située en amont de la région transcrite et dont la séquence permet le recrutement de l’ARN polymérase.

• Les facteurs généraux de transcription comprennent notamment :

  • TFIIA
  • TFIIB
  • TFIID
  • TFIIF
  • TFIIE
  • TFIIH

• 🔄 L’initiation et le passage à l’élongation suivent ces étapes :

  1. TBP se lie à la boîte TATA.
  2. Le complexe de préinitiation s’assemble.
  3. TFIIH ouvre partiellement la double hélice d’ADN.
  4. La polymérase synthétise une dizaine de nucléotides.
  5. TFIIH phosphoryle la polymérase, qui passe à l’élongation.

Compléments

• La boîte TATA du promoteur de la polymérase II se situe approximativement entre −35 et −25 par rapport au site d’initiation.

• La boîte CAAT et la boîte GC sont des éléments proximaux du promoteur, tandis que les enhancers sont des éléments cis-activateurs distaux.

• TFIID comprend TBP et 13 autres protéines appelées TAF, ou TBP-associated factors.

💡 Astuce mémo

TBP reconnaît la TATA, le complexe s’assemble, TFIIH ouvre l’ADN

📖 5. Maturation des ARN messagers

🔑 Notions clés & Définitions

• Intron : Région non codante d’un gène eucaryote située entre les exons et excisée du transcrit primaire lors de l’épissage.
• Exon : Séquence de nucléotides présente dans l’ARNm définitif après l’épissage.

★ À maîtriser

• L’épissage du pré-ARNm assemble les exons après deux réactions de transestérification : le site donneur s’apparie d’abord avec U1 et le point de branchement avec U2, puis l’intron est éliminé et les exons sont ligaturés.

• Les petits ARN nucléaires du spliceosome sont :

  • U1
  • U2
  • U4
  • U5
  • U6

• La coiffe de l’ARNm comprend une 7-méthylguanosine liée à l’extrémité 5′ par une liaison triphosphate 5′-5′.

• La polyadénylation produit une queue poly-A à l’extrémité 3′ de l’ARNm, et la protéine PABPII accélère l’addition des adénosines par la poly-A polymérase.

Compléments

• Chez les mammifères, la longueur moyenne d’un exon est d’environ 150 pb et celle d’un intron d’environ 3 500 pb ; l’intron le plus long mentionné atteint 500 kb.

💡 Astuce mémo

Coiffe, épissage, clivage et polyadénylation précèdent l’export

📖 6. Transcription par les polymérases I et III

★ À maîtriser

• L’ARN polymérase I transcrit le précurseur des ARNr 18S, 5,8S et 28S dans le nucléole.

• Pour initier la transcription par la polymérase I, UBF se lie aux éléments UCE et CPE, recrute le facteur SL-1, puis le complexe UBF–SL-1 recrute la polymérase I.

• L’ARN polymérase III transcrit notamment les ARNt, l’ARNr 5S et le snRNA U6.

Compléments

• Le précurseur d’ARNr 45S de 13 000 nucléotides est traité pour produire les ARNr 18S, 5,8S et 28S.

• Les snoRNP reconnaissent les sites du précurseur d’ARNr par interaction avec les snoRNA et participent à ses modifications chimiques et à sa maturation.

• TFIIIB, composé de TBP, BRF1 et BDP1, est essentiel à l’initiation par la polymérase III et au recrutement de cette polymérase.

💡 Astuce mémo

Pol I produit les grands ARNr ; Pol III produit ARNt et ARNr 5S

📖 7. Régulation transcriptionnelle

🔑 Notions clés & Définitions

• Enhancesome : Complexe qui s’assemble par liaison coopérative de facteurs de transcription sur un enhancer.
• Médiateur : Complexe protéique qui permet aux protéines de l’enhancesome de communiquer avec l’ARN polymérase II et les facteurs généraux de transcription.

📝 Points essentiels

• Les enhancers sont des éléments cis-activateurs distaux, tandis que les silencers sont des éléments régulateurs associés à la répression.

• Les familles de complexes de remodelage citées sont :

  • SWI/SNF
  • ISWI
  • Mi2/NuRD

• Les histones acétyltransférases HAT acétylent les histones, tandis que les histones désacétylases HDAC les désacétylent.

• La chromatine décondensée favorise l’assemblage des facteurs de transcription et de l’ARN polymérase, tandis que la chromatine condensée est associée à un gène inactif.

💡 Astuce mémo

Chromatine décondensée → assemblage facilité → transcription favorisée

📖 8. Enhancers et remodelage de la chromatine

🔑 Notions clés & Définitions

• Enhancesome : Complexe qui s’assemble à partir de facteurs de transcription liés de façon coopérative sur un enhancer.

★ À maîtriser

📌 Les enhancers sont des éléments cis-activateurs distaux, tandis que les silencers sont des éléments cis-répresseurs.

• Le remodelage de la chromatine et l’acétylation des histones contribuent à décondenser la chromatine et à favoriser l’assemblage des acteurs de la transcription sur le promoteur.

📌 Les HAT acétylent les histones et favorisent l’activation de la transcription, tandis que les HDAC désacétylent les histones après recrutement par un répresseur.

Compléments

• Chez Saccharomyces cerevisiae, la plupart des gènes possèdent une seule région régulatrice appelée UAS, pour Upstream Activating Sequence.

• Les complexes de remodelage de la chromatine comprennent les familles SWI/SNF, ISWI et Mi2/NuRD, et leur activité ATPase permet notamment de faire glisser les nucléosomes sur l’ADN.

💡 Astuce mémo

Acétylation et remodelage → chromatine ouverte → transcription favorisée

📖 9. Méthodes d’étude des régions régulatrices

🔑 Notions clés & Définitions

• EMSA : Ou gel-shift, détecte une interaction entre une protéine et une sonde d’ADN ou d’ARN par retard de migration en électrophorèse non dénaturante.

★ À maîtriser

• Dans l’empreinte à la DNase I, une protéine liée à l’ADN protège son site de liaison de la coupure enzymatique, ce qui révèle une région protégée appelée footprint.

• La ChIP permet d’analyser in vivo l’association d’une protéine avec l’ADN dans la chromatine, après fragmentation de la chromatine par sonication en fragments de 500 à 1000 pb et immunoprécipitation avec un anticorps dirigé contre la protéine étudiée.

• Un gène rapporteur permet de tester l’activité de séquences régulatrices en plaçant les séquences à tester avec un promoteur basal et un gène rapporteur, puis en transfectant les cellules et en mesurant l’activité du rapporteur.

Compléments

• Les gènes rapporteurs présentés comprennent :
  • la luciférase
  • la bêta-galactosidase
  • la GFP
  • la GUS (β-glucuronidase) chez les plantes

💡 Astuce mémo

Footprinting protège une séquence ; ChIP détecte une association in vivo

📖 10. Facteurs de transcription et signalisation

★ À maîtriser

• Les facteurs de transcription eucaryotes ont une structure modulaire comprenant un domaine de liaison à l’ADN, un domaine d’activation de la transcription et parfois un domaine flexible.

• NFAT et AP1 coopèrent pour se lier à leurs sites faibles et contrôler l’expression de l’IL2 ; ils ne se lient jamais l’un sans l’autre.

• 🔄 L’activation du récepteur aux glucocorticoïdes entraîne :

  1. sa libération
  2. sa translocation dans le noyau
  3. la stimulation de la transcription

Compléments

• Les domaines de liaison à l’ADN établissent notamment des liaisons hydrogène, des liaisons ioniques ou des interactions hydrophobes avec l’ADN.

• Chaque doigt de zinc se lie à cinq nucléotides dans le grand sillon de l’ADN, tandis qu’un leucine zipper interagit avec l’ADN sur deux sillons majeurs adjacents.

• Les récepteurs nucléaires présentés répondent notamment à :

  • le cortisol
  • la thyroxine
  • l’acide rétinoïque
  • les œstrogènes
  • la progestérone

📖 11. Déficit du CMH-II et facteur RFX

★ À maîtriser

• Le syndrome des lymphocytes dénudés de type II est une immunodéficience héréditaire sévère et rare, autosomale récessive, caractérisée par l’absence de protéines HLA de classe II à la surface des lymphocytes.

• Chez les patients étudiés, aucune mutation n’a été identifiée dans le locus MHC-II et l’analyse a montré l’absence de transcrits des gènes HLA de classe II.

• L’analyse par spectrométrie de masse d’une fraction RFX complétant la transcription in vitro a identifié RFX5, muté chez les patients atteints du syndrome des lymphocytes dénudés. - V Steimle, B Durand, E Barras, M Zufferey, M R Hadam, B Mach, W Reith, A novel DNA-binding regulatory factor is mutated in primary MHC class II deficiency (bare lymphocyte syndrome)

Compléments

• Chez les patients atteints du syndrome des lymphocytes dénudés, RFX1 est présent et n’est donc pas la protéine déficiente responsable du défaut de régulation des gènes HLA de classe II.

• La stabilisation de RFX5 sur le promoteur HLA-DR nécessite les protéines RFXAP et RFXANK.

• L’analyse des patients atteints du syndrome des lymphocytes dénudés a mis en évidence quatre groupes de complémentation.

💡 Astuce mémo

Absence de transcrits → défaut de liaison → RFX5 muté

📖 12. Régulations post-transcriptionnelles

★ À maîtriser

• L’épissage alternatif permet de produire différentes protéines à partir d’une même unité de transcription, et le cours indique que 100 % des gènes humains peuvent présenter des variants d’épissage.

• L’édition par ADAR convertit une adénine en inosine dans l’ARN, et l’ARN double brin attire cette enzyme.

• En présence de fer, l’aconitase se lie aux éléments IRE de l’ARNm du récepteur de la transferrine et favorise sa dégradation, ce qui empêche la production du récepteur.

• En absence de fer, l’ARNm du récepteur de la transferrine reste stable et est traduit, permettant la production du récepteur nécessaire à l’entrée du fer dans les cellules.

Compléments

• La polyadénylation cytoplasmique peut déclencher l’initiation de la traduction par interaction de la PABP avec les facteurs d’initiation.

📖 13. Petits ARN non codants

★ À maîtriser

• Les petits ARN non codants mesurent de 20 à 30 nucléotides et sont associés à des protéines effectrices Argonaute qui ciblent une molécule d’acide nucléique.

📌 Les miRNA, longs d’environ 22 nucléotides, sont issus du génome et régulent des gènes endogènes, tandis que les endo-siRNA, longs de 21 nucléotides, défendent l’intégrité du génome contre des acides nucléiques étrangers ou invasifs.

• 🔄 La biogenèse canonique des miRNA suit ces étapes : les pri-miRNA sont clivés par le microprocesseur en pré-miRNA, les pré-miRNA sont exportés vers le cytoplasme, Dicer produit un duplex de miRNA, un brin est chargé dans Argonaute, le miRNA guide la répression post-transcriptionnelle de l’ARNm

Compléments

• Les piRNA mesurent de 21 à 34 nucléotides et sont produits dans les cellules germinales.

💡 Astuce mémo

miRNA régule des gènes endogènes ; siRNA défend contre des acides nucléiques invasifs

📖 14. Machinerie et étapes de traduction

★ À maîtriser

• Les ribosomes sont des particules ribonucléoprotéiques composées d’environ 60 % d’ARN et 40 % de protéines.

📌 Le ribosome eucaryote est de type 80S et comprend des sous-unités 60S et 40S, tandis que le ribosome procaryote est de type 70S et comprend des sous-unités 50S et 30S.

• Les aminoacyl-ARNt synthétases reconnaissent un acide aminé et les ARNt correspondants afin de charger chaque ARNt avec le bon acide aminé.

• La séquence de Shine-Dalgarno, riche en AG, est située de 3 à 10 nucléotides en amont du codon AUG et est complémentaire d’une séquence de l’ARNr 16S de la sous-unité 30S.

Compléments

• L’inosine en première position de l’anticodon peut s’apparier avec l’adénine, la cytosine ou l’uracile et permettre à un ARNt de reconnaître plusieurs codons.

• Les sites ribosomiques sont :

  • le site A, accepteur d’aminoacyl-ARNt
  • le site P, accepteur de peptidyl-ARNt
  • le site E, site de sortie

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison

📖 15. Régulation de la traduction et des protéines

★ À maîtriser

• 🔄 La traduction comprend : l’initiation, l’élongation de la chaîne polypeptidique par addition d’acides aminés, la terminaison au codon stop et la libération du polypeptide

• Les codons stop sont :

  • UAA
  • UAG
  • UGA

• Chez les eucaryotes, l’initiation comprend le balayage de l’ARNm jusqu’à la reconnaissance d’un AUG, processus qui nécessite de l’ATP.

Compléments

• La séquence consensus entourant le codon d’initiation eucaryote est gccRccAUGG, selon Marilyn Kosak (1987).

• La méthionine N-terminale est excisée de 55 à 70 % des protéines selon l’organisme et le compartiment cellulaire, et cette modification est cotraductionnelle.

• Chez les procaryotes, la peptide déformylase retire le groupement formyl de la méthionine initiatrice, puis une méthionine aminopeptidase peut cliver cette méthionine ; chez les eucaryotes, seule la méthionine est clivée par une méthionine aminopeptidase.

💡 Astuce mémo

Fer absent → ARNm du récepteur stable et traduit → captation du fer

📊 Tableaux de synthèse

Polymérases eucaryotes et ARN transcrits

Traduction procaryote et eucaryote