Fiche de révision : Transcription chez les procaryotes

📋 Plan du Cours

1. ARN : composition et structure
2. Principes de la transcription
3. ARN polymérases et synthèse
4. ARN polymérase bactérienne
5. Facteurs sigma et promoteurs
6. Cycle de transcription bactérien
7. Initiation et reconnaissance du promoteur
8. Élongation et correction des erreurs
9. Terminaison de la transcription bactérienne
10. Gènes et opérons bactériens
11. Détection et cartographie des transcrits

📖 1. ARN : composition et structure

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison phosphodiester : Relie des nucléotides successifs par un pont phosphate entre le carbone 3’ d’un sucre et le carbone 5’ du sucre adjacent.

★ À maîtriser

📌 L’ARN est une chaîne de nucléotides contenant du ribose, tandis que l’ADN contient du désoxyribose.

📌 Dans l’ARN, l’uracile remplace la thymine présente dans l’ADN.

• L’ARN est synthétisé et représenté dans le sens 5’ vers 3’, avec un phosphate à son extrémité 5’ et un hydroxyle à son extrémité 3’.

📌 La structure primaire de l’ARN est sa séquence de nucléotides, tandis que sa structure secondaire résulte de son repliement et de l’appariement de bases, notamment en tige-boucle.

📌 Les ARN messagers sont codants, tandis que les ARN ribosomiques, les ARN de transfert et les ARN non codants sont des catégories d’ARN non codants ou fonctionnels.

Compléments

• Les bases de l’ARN s’apparient selon les couples A-U et G-C.

• Les ARN non codants peuvent avoir des rôles structurels ou catalytiques après leur repliement en structures tridimensionnelles précises.

• Les ARN messagers représentent environ 5 % des ARN de la cellule.

💡 Astuce mémo

Un simple brin d’ARN se replie en tige-boucle.

📖 2. Principes de la transcription

🔑 Notions clés & Définitions

• Transcription : Le processus de synthèse d’un ARN à partir d’une matrice d’ADN ; l’ARN produit est appelé transcrit.

★ À maîtriser

📌 L’ARN transcrit est identique au brin codant de l’ADN, à la substitution de l’uracile à la thymine près, et complémentaire du brin matrice.

• 🔄 Les trois étapes de la transcription sont :
  1. l’initiation
  2. l’élongation
  3. la terminaison

📌 Chez les procaryotes, transcription et traduction se déroulent dans un compartiment commun et presque simultanément, tandis que chez les eucaryotes les transcrits subissent une maturation, notamment un épissage, avant de sortir du noyau pour être traduits.

Compléments

• La transcription ne concerne qu’une portion de l’ADN et démarre au promoteur pour s’arrêter au terminateur, sauf que le terminateur indiqué ici n’est pas présent chez les eucaryotes.

• Chez certains gènes, le produit final est un ARN fonctionnel plutôt qu’une protéine.

💡 Astuce mémo

Le brin matrice est lu ; le brin codant ressemble à l’ARN.

📖 3. ARN polymérases et synthèse

★ À maîtriser

• Les ARN polymérases catalysent la transcription en formant les liaisons phosphodiester qui relient les nucléotides de l’ARN.

• L’ARN polymérase allonge la chaîne d’ARN dans le sens 5’ vers 3’ à partir de nucléosides triphosphates ATP, CTP, UTP et GTP.

• Les procaryotes possèdent une seule ARN polymérase, tandis que les eucaryotes en possèdent trois, nommées I, II et III.

Compléments

• L’ARN polymérase se déplace le long du brin matrice dans le sens 3’ vers 5’ et ne nécessite pas d’amorce.

• Un même gène peut produire rapidement de nombreuses copies d’ARN, avec plusieurs milliers de transcrits synthétisés en une heure à partir d’un seul gène.

📌 La transcription est moins précise que la réplication de l’ADN : l’ARN polymérase commet environ une erreur par 10⁴ nucléotides copiés, contre une par 10⁷ pour l’ADN polymérase.

• L’ARN polymérase peut reculer après une erreur et exciser le ribonucléotide incorrect, mais elle peut aussi exciser plusieurs bases correctes.

📖 4. ARN polymérase bactérienne

★ À maîtriser

• Le complexe bactérien comprend :
  • une sous-unité β
  • une sous-unité β’
  • deux sous-unités α
  • une sous-unité ω

📌 Le cœur enzymatique bactérien α₂ββ’ω devient l’holoenzyme α₂ββ’ωσ lorsqu’il s’associe à la sous-unité sigma.

Compléments

• Le cœur enzymatique de l’ARN polymérase bactérienne a la composition α₂ββ’ω et une masse moléculaire d’environ 400 kDa.

• Chez Escherichia coli, la vitesse de synthèse des ARN messagers est de 50 nucléotides par seconde.

• Chez Escherichia coli, les sous-unités β et β’ comptent respectivement 1342 et 1407 résidus et contiennent le site catalytique, interagissent directement avec l’ADN et portent les sites de fixation des ribonucléosides triphosphates.

• Les sous-unités α participent à la dimérisation, à l’assemblage avec β et β’ et à la fixation à l’ADN au niveau de la séquence UP.

📖 5. Facteurs sigma et promoteurs

★ À maîtriser

• La sous-unité sigma s’associe de manière réversible au cœur enzymatique pour former l’holoenzyme et permettre l’initiation de la transcription.

📌 Un facteur sigma principal dirige la majorité de la transcription, tandis que les facteurs sigma alternatifs dirigent l’holoenzyme vers des sous-ensembles spécialisés de promoteurs.

• Les sept facteurs sigma d’Escherichia coli sont :
  • σ70 (RpoD)
  • σ54 (RpoN)
  • σ38 (RpoS)
  • σ32 (RpoH)
  • σ28 (FliA)
  • σ24 (RpoE)
  • σ19 (FecI)

Compléments

• Le nombre de facteurs sigma varie selon les bactéries : Mycoplasma genitalium en possède un et Streptomyces coelicolor en possède 63.

• Le facteur sigma σ70, ou RpoD, est le facteur général d’Escherichia coli et a une masse de 70 kDa.

• Les facteurs sigma alternatifs sont associés à des fonctions spécialisées liées notamment au stress, à la température, aux flagelles, au fer ou à l’azote.

📖 6. Cycle de transcription bactérien

★ À maîtriser

• Le cycle bactérien de transcription passe par la fixation de l’ARN polymérase au promoteur, la formation des complexes fermé, intermédiaire puis ouvert, l’initiation de la synthèse d’ARN, la libération du promoteur et l’élongation, puis la terminaison et la dissociation du complexe.

• Le site +1 correspond au nucléotide où commence la transcription, tandis que le promoteur est situé en amont, sert de signal d’initiation et n’est pas transcrit.

• Les promoteurs procaryotes présentent deux régions conservées, −35 et −10, situées respectivement à environ 35 et 10 paires de bases en amont du site +1.

📌 Les promoteurs dont les séquences sont proches des séquences consensus sont généralement forts et efficaces, tandis que ceux qui en sont éloignés sont faibles et peu efficaces.

• Les facteurs sigma présentés sont :
  • RpoD (σ70), de 70 kDa et général
  • RpoS (σS), de 38 kDa et associé au stress et à la phase stationnaire
  • RpoH (σ32), de 32 kDa et associé au stress thermique
  • RpoE (σE), de 24 kDa et associé au stress extracellulaire
  • FliA (σ28), de 28 kDa et associé aux flagelles
  • FecI (σI), de 19 kDa et associé au fer
  • RpoN (σ54), de 54 kDa et associé à l’azote

Compléments

• Le promoteur bactérien de type σ70 présente les séquences consensus TTGACA dans la région −35 et TATAAT dans la région −10, séparées typiquement par 17 paires de bases, avec une plage indiquée de 15 à 21 paires de bases.

• Aucun promoteur naturel ne contient tous les éléments consensus parfaits.

• RpoN (σ54) reconnaît des éléments promoteurs -24 et -12 séparés de 6 pb ; son activité nécessite une protéine auxiliaire qui hydrolyse l’ATP pour permettre la formation du complexe ouvert par l’ARN polymérase.

💡 Astuce mémo

Complexe fermé → intermédiaire → ouvert → élongation → terminaison.

📖 7. Initiation et reconnaissance du promoteur

★ À maîtriser

• Les éléments UP sont présents dans certains promoteurs en amont de la région -35, sont riches en A/T, sont reconnus par αCTD et renforcent l’interaction entre l’ARN polymérase et l’ADN.

📌 Chez les bactéries, les facteurs sigma guident l’ARN polymérase vers les promoteurs ; chez les eucaryotes, des facteurs généraux de transcription assurent une fonction comparable, car les ARN polymérases eucaryotes ne peuvent pas initier seules la synthèse sur les éléments d’ADN promoteurs.

• 🔄 Les étapes de l’initiation sont :
  1. formation du complexe fermé
  2. formation du complexe ouvert
  3. initiation de la synthèse d’ARN
  4. départ du facteur sigma et élongation

Compléments

• La sous-unité σ70 est produite principalement pendant la phase exponentielle de croissance, reconnaît le plus grand nombre de promoteurs et comporte quatre domaines.

• Les séquences des promoteurs bactériens et eucaryotes sont asymétriques, de sorte que l’ARN polymérase ne peut se fixer que dans une seule orientation.

• Dans le complexe ouvert, les deux brins d’ADN se séparent sur une région d’environ −12 à +3, qui inclut la région −10, et forment une bulle de transcription après la fixation de l’ARN polymérase.

• Avant l’élongation, l’ARN polymérase peut produire puis relâcher des transcrits abortifs généralement longs de 2 à 12 nucléotides, parfois jusqu’à 15 ou 17 nucléotides, sans se dissocier de l’ADN.

• La région 3.2 de σ70 obstrue une partie de la sortie de l’ARN et doit être déplacée lorsque le transcrit atteint 8 à 10 nucléotides, longueur à laquelle se forme généralement un complexe d’élongation ternaire stable.

• La libération du promoteur est la dernière étape de l’initiation : l’ARN polymérase se désengage du promoteur et le facteur sigma est relâché chez les procaryotes.

💡 Astuce mémo

La bulle d’ADN s’ouvre → l’ARN polymérase peut initier l’ARN.

📖 8. Élongation et correction des erreurs

★ À maîtriser

• Pendant l’élongation, l’extrémité 3′ de l’ARN naissant s’apparie au brin matrice sur environ 7 à 8 nucléotides, tandis que son extrémité 5′ passe dans le canal de sortie de l’ARN polymérase, qui couvre environ 7 nucléotides.

• 🔄 La correction d’une erreur suit ces étapes : incorporation d’un nucléotide incorrect, pause de l’élongation, activation de l’activité nucléase de l’ARN polymérase, clivage de l’ARN puis reprise de la synthèse

📌 GreA clive généralement 2 à 3 nucléotides et prévient la formation de complexes arrêtés, tandis que GreB peut cliver jusqu’à 18 nucléotides et réactiver des complexes déjà arrêtés.

Compléments

• GreA et GreB se fixent à l’ARN polymérase et au transcrit naissant, puis activent l’activité nucléase de l’ARN polymérase pour cliver l’ARN mal apparié.

• GreA et GreB sont des protéines d’environ 160 acides aminés comprenant un domaine N-terminal qui induit l’activité nucléolytique et un domaine C-terminal responsable de la fixation à l’ARN polymérase.

💡 Astuce mémo

Mauvais nucléotide → pause → clivage de l’ARN → reprise de l’élongation.

📖 9. Terminaison de la transcription bactérienne

★ À maîtriser

📌 La terminaison bactérienne peut être intrinsèque, sans facteur extrinsèque, ou dépendante du facteur Rho.

• 🔄 La terminaison intrinsèque se déroule ainsi : formation d’une tige-boucle riche en G et C, présence d’une série de U dans l’ARN, pause de l’ARN polymérase, déstabilisation du complexe de transcription et arrêt

• La protéine Rho est formée de six sous-unités identiques disposées en anneau et se fixe au site rut, une région simple brin de l’ARN de 40 à 60 nucléotides riche en C.

• Lors de la terminaison dépendante de Rho, Rho se fixe au site rut, progresse le long de l’ARN grâce à l’hydrolyse de l’ATP, rejoint l’ARN polymérase en pause et provoque l’arrêt de la transcription.

Compléments

• Lors de la terminaison intrinsèque, l’hélice d’ARN riche en GC qui émerge du canal de sortie éloigne l’extrémité 3′ riche en U de son appariement faible avec le brin matrice d’ADN.

• La terminaison dépendante de Rho ne possède pas de point précis de terminaison : elle se produit à un site où l’ARN polymérase marque une pause.

💡 Astuce mémo

Intrinsic : tige-boucle et U ; Rho : protéine qui suit l’ARN.

📖 10. Gènes et opérons bactériens

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Région d’ADN portant l’information nécessaire à la synthèse d’un ARN ou d’une protéine.
• Opéron : Région d’ADN transcrite en un seul ARNm contenant l’information nécessaire à la synthèse de plusieurs protéines.

📝 Points essentiels

• Chez les procaryotes, le nom d’une protéine commence par une majuscule, par exemple HisA, tandis que le symbole d’un gène est écrit en italique ou souligné, par exemple hisA.

📖 11. Détection et cartographie des transcrits

★ À maîtriser

• Le Northern-blot permet de détecter un ARN grâce à une sonde oligonucléotidique complémentaire d’une région de la séquence recherchée, d’en déterminer la taille et d’estimer la quantité du transcrit.

• Pour cartographier le site +1 par nucléase S1, un fragment d’ADN marqué couvrant le site est hybridé avec les ARN, digéré par la nucléase S1, puis séparé par électrophorèse ; la diminution de taille du fragment marqué permet de positionner le +1.

Compléments

• Une sonde oligonucléotidique est une courte séquence nucléotidique d’environ 20 bases, complémentaire d’une région de la séquence d’intérêt.

• 🔄 Les étapes du Northern-blot sont : extraction des ARN totaux, séparation des ARN par électrophorèse selon leur taille, transfert sur une membrane, hybridation avec une sonde marquée, révélation du signal

• Pour détecter un ARN par protection à la RNAse, un ARN antisens marqué est synthétisé et hybridé avec les ARN ; la RNAse digère les régions non appariées, puis l’électrophorèse permet de détecter l’ARN marqué protégé et d’estimer la quantité du transcrit.

• Pour déterminer le site +1 par extension d’amorce, un oligonucléotide hybridé à l’ARN est allongé par une transcriptase inverse, puis la taille de l’ADN synthétisé est mesurée après électrophorèse afin de positionner le site d’initiation.

• 🔄 La transcription in vitro se déroule ainsi : transcription d’un fragment d’ADN de taille connue avec un extrait cellulaire ou une ARN polymérase purifiée, incorporation de nucléotides dont un est marqué, séparation de l’ARN marqué par électrophorèse, positionnement du site d’initiation à partir de la taille de l’ARN

📊 Tableaux de synthèse

Terminaison intrinsèque et dépendante de Rho