Fiche de révision : Transcription et expression génétique

📋 Plan du Cours

1. Gènes et classes eucaryotes
2. ARN polymérases et ribosomes
3. Promoteurs et initiation eucaryote
4. Initiation procaryote et terminaison
5. Maturation et stabilité des ARN
6. Épissage et diversité des transcrits
7. Transcriptome et régulation
8. PCR et amplification de l’ADN

📖 1. Gènes et classes eucaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Segment d’ADN constituant une unité d’expression qui produit un ARN fonctionnel ou un polypeptide.

★ À maîtriser

📌 Chez les procaryotes, plusieurs gènes peuvent appartenir à une même unité de transcription polycistronique, comme l’opéron lactose, tandis que les unités de transcription eucaryotes sont monocistroniques, sauf exception chez certains vertébrés.

📌 Les gènes eucaryotes de classe 2 produisent des précurseurs d’ARN messagers traduits en protéines et comprennent des exons codants et des introns non codants.

Compléments

• Les gènes eucaryotes de classe 1 produisent des ARN ribosomiques et sont répétés en tandem, séparés par des espaces intergéniques.

• La transcription des gènes eucaryotes de classe 1 produit un précurseur d’ARN qui est maturé en différents ARN ribosomiques.

• Les procaryotes ne possèdent pas d’introns.

• Les gènes eucaryotes de classe 3 produisent des ARNt, des ARNr 5S et de petits ARN, mais ne sont pas tous répétés en tandem comme les gènes de classe 1.

📖 2. ARN polymérases et ribosomes

★ À maîtriser

• La transcription des gènes eucaryotes codant les protéines est assurée par l’ARN polymérase II, tandis que les bactéries possèdent une ARN polymérase unique.

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

• L’ARN polymérase II synthétise les précurseurs des ARNm codant les protéines et la grande majorité des petits ARN nucléaires et nucléolaires stables non traduits.

• L’ARN polymérase III synthétise l’ARNr 5S, les ARNt et plusieurs petits ARN nucléaires non traduits.

• Les ribosomes bactériens sont de 70S, avec des sous-unités 50S et 30S, tandis que les ribosomes eucaryotes sont de 80S, avec des sous-unités 60S et 40S; les coefficients de sédimentation ne sont pas additifs.

Compléments

📌 L’ARN est essentiellement monocaténaire, mais il peut former des régions partiellement bicaténaires par appariement intramoléculaire ou s’associer à un brin d’ADN pour former un hétéroduplex.

• Les ARNr représentent environ 80 % des ARN cellulaires totaux, et les ribosomes sont constitués d’environ 35 % de protéines et 65 % d’ARN.

• Chez les eucaryotes, les ARNr sont transcrits dans le noyau, maturés et assemblés avec des protéines dans les nucléoles, puis les sous-unités ribosomiques passent dans le cytoplasme.

• Le pré-ARNr eucaryote 45S est maturé en ARNr 28S, 18S et 5,8S; la grande sous-unité contient aussi l’ARNr 5S, tandis que la petite sous-unité contient l’ARNr 18S.

• Les ARNt transportent les acides aminés, représentent environ 15 % de l’ARN cellulaire total et existent en environ 70 types pour 20 acides aminés.

💡 Astuce mémo

70S bactérien contre 80S eucaryote

📖 3. Promoteurs et initiation eucaryote

★ À maîtriser

• La boîte TATA, aussi appelée boîte de Hogness, se trouve du côté 5′ dans environ 80 % des promoteurs et généralement à 25–30 paires de bases en amont du site de départ de transcription (+1).

• L’ARN polymérase II ne suffit pas à initier la transcription et nécessite des facteurs généraux de transcription qui interagissent avec le promoteur et recrutent ou activent le complexe d’initiation.

Compléments

• La boîte TATA est une séquence d’environ 8 paires de bases riche en adénines et thymines, dont le consensus indiqué est GTATAAAAGGCGGGG malgré de nombreuses variations.

• La boîte CAAT est un élément cis-régulateur situé environ 75 paires de bases en amont de nombreux promoteurs eucaryotes transcrits par l’ARN polymérase II.

• L’INR se trouve autour du site de début de transcription, entre les positions −3 et +5, et est présent dans environ 60 % des promoteurs; l’ARN polymérase II peut parfois initier avec l’INR seul.

• Les éléments BRE sont associés à la boîte TATA et recrutent TFIIB, tandis que le DPE se situe environ 30 paires de bases en aval et requiert la présence de l’INR.

• TFIID se fixe au promoteur, notamment à la boîte TATA par sa protéine TBP lorsqu’elle est présente, et TFIIA stabilise TFIID sur le promoteur.

• TFIIB se fixe en aval de la boîte TATA près du site d’initiation et recrute l’ARN polymérase ainsi que TFIIF.

• TFIIE recrute TFIIH, dont l’activité hélicase participe à l’ouverture de l’ADN et dont l’activité kinase phosphoryle le domaine CTD de l’ARN polymérase II pour activer la transcription.

• Les îlots CpG sont des régions riches en dinucléotides CG, souvent associées aux régions 5′ des gènes de vertébrés, longues typiquement de 1 à 2 kb et composées d’environ 70 % de G et C, contre 40 % dans le reste du génome humain.

• Les îlots CpG sont associés à tous les gènes housekeeping et à 40 % des gènes tissu-spécifiques.

📖 4. Initiation procaryote et terminaison

★ À maîtriser

• L’ARN polymérase bactérienne minimale comprend deux sous-unités α, une sous-unité β et une sous-unité β′; le facteur sigma lui permet de reconnaître les promoteurs et d’initier la transcription.

• Chez les bactéries, le facteur sigma dirige l’ARN polymérase vers le promoteur et le bon site de départ, puis quitte le complexe au début de l’élongation; l’ARN est ensuite allongé de 5′ vers 3′ jusqu’au site de terminaison.

📌 La terminaison bactérienne intrinsèque repose sur un terminateur transcrit formant une épingle à cheveux riche en GC suivie d’une série de U, tandis que la terminaison dépendante de rho nécessite le facteur protéique rho.

Compléments

• Les promoteurs bactériens d’E. coli présentent notamment une séquence consensus −10, appelée boîte de Pribnow, et une séquence −35 de consensus TTGACA.

📌 Chez E. coli, des mutations dans les régions −10 ou −35, ou des délétions modifiant leurs distances entre elles ou par rapport au site de départ, affectent l’initiation de la transcription.

📖 5. Maturation et stabilité des ARN

★ À maîtriser

• La maturation des pré-ARNm eucaryotes comprend :
  • L’ajout d’une coiffe en 5′
  • L’ajout d’une queue poly(A) en 3′
  • L’épissage des introns

📌 La coiffe en 5′ protège l’ARNm contre la dégradation par les exonucléases et est nécessaire à son export vers le cytoplasme et à sa liaison avec la petite sous-unité ribosomique lors de l’initiation de la traduction.

📌 Chez les eucaryotes, la queue poly(A) stabilise généralement les ARN, tandis que chez les bactéries la polyadénylation favorise leur dégradation par le dégradosome.

Compléments

• La coiffe est ajoutée au début de la transcription, avant que l’ARN ne compte 30 nucléotides, par ajout d’une guanine en 5′ puis méthylation de cette base et du ribose du premier ou des deux premiers nucléotides.

• La queue poly(A) peut atteindre environ 200 nucléotides chez les eucaryotes supérieurs et environ 50 nucléotides chez les levures.

• La poly(A) polymérase ajoute des adénosines à l’extrémité 3′ de l’ARN en utilisant l’ATP, sans matrice d’ADN.

• Chez les eucaryotes, la polyadénylation des transcrits de l’ARN polymérase II est dirigée par le signal AAUAAA, auquel se fixe notamment le complexe CPSF qui participe au clivage de l’ARN.

📌 La majorité des ARNm eucaryotes sont polyadénylés, mais certains ARNm viraux et les ARNm des histones font exception.

• Les ARNm de mammifères ont des demi-vies pouvant varier de 15 minutes pour l’ARNm c-fos à 24 heures pour l’ARNm de la globine.

💡 Astuce mémo

Coiffe 5′, queue poly(A) 3′, puis épissage

📖 6. Épissage et diversité des transcrits

🔑 Notions clés & Définitions

• Épissage : Élimination des introns d’un pré-ARNm et ligation des exons adjacents.

★ À maîtriser

• L’épissage nucléaire se déroule par deux trans-estérifications : la première forme un lasso intronique autour d’une adénosine du point de branchement, puis la seconde détache l’intron et relie les deux exons.

📌 L’épissage alternatif permet à une séquence génomique unique de produire plusieurs ARNm et des protéines distinctes par des choix différents de sites d’épissage et d’inclusion ou d’exclusion d’exons.

Compléments

• Le spliceosome comprend les snRNP U1, U2, U4, U5 et U6 ainsi que des protéines accessoires, notamment SF1 et U2AF.

• Les sites d’épissage 5′ et 3′ sont situés aux jonctions exon-intron, et le site de branchement contenant une adénosine conservée se trouve en amont du site 3′ accepteur.

• L’assemblage du spliceosome passe par les complexes E, A, B et C avant les réactions catalytiques d’épissage.

• L’épissage alternatif est régulé par des protéines activatrices ou répresseuses qui se lient à des séquences cis-régulatrices de l’ARN, et la structure secondaire de l’ARN peut aussi influer sur le choix des exons.

💡 Astuce mémo

Reconnaissance des sites, lasso intronique, ligation des exons

📖 7. Transcriptome et régulation

🔑 Notions clés & Définitions

• Transcriptome : Ensemble des ARN issus de la transcription du génome.

★ À maîtriser

• L’expression des gènes codant les protéines comprend :
  • La transcription des gènes en pré-ARNm
  • La maturation des pré-ARNm en ARNm, leur transport et éventuellement leur localisation cytoplasmique
  • La traduction des ARNm
  • La dégradation des ARNm

Compléments

• Le RNA-seq utilise des séquenceurs de nouvelle génération pour identifier et quantifier les transcrits sans nécessiter de connaître au préalable leurs séquences ni de disposer d’un génome de référence.

📌 La dégradation des ARNm permet de réguler rapidement la production de protéines, car leur élimination rapide rend possible une réponse rapide aux changements de transcription.

💡 Astuce mémo

Dégradation rapide des ARNm → ajustement rapide de la production protéique

📖 8. PCR et amplification de l’ADN

★ À maîtriser

• 🔄 Chaque cycle de PCR comprend :

  1. Dénaturation de la matrice à 94 °C pendant 30 secondes
  2. Hybridation des amorces à une température déterminée au cas par cas pendant environ 30 secondes
  3. Polymérisation à 72 °C pendant 30 secondes à 5 minutes selon la longueur du fragment

• La PCR nécessite une ADN polymérase thermotolérante, la Taq polymérase, identifiée chez la bactérie Thermus aquaticus et fonctionnant de façon optimale à 72 °C.

Compléments

📌 Les amorces de PCR sont généralement longues de 17 à 25 paires de bases, spécifiques de la séquence à amplifier et orientées de façon à permettre la synthèse d’ADN de 5′ vers 3′.

• Le fragment amplifié en PCR est délimité par les deux amorces oligonucléotidiques.

📐 Formule - La température d’hybridation approximative d’une amorce peut être estimée par $T_m = 4(G+C) + 2(A+T) - 4$, où A, T, G et C sont les nombres de ces bases dans l’amorce.

• Le mélange réactionnel de PCR contient :
  • Une matrice d’ADN
  • Des amorces oligonucléotidiques
  • Les désoxyribonucléotides dATP, dCTP, dGTP et dTTP
  • La Taq polymérase
  • Une solution tampon contenant notamment du MgCl₂

📌 Le Mg²⁺ est un cofacteur essentiel de la Taq polymérase et favorise l’hybridation de l’ADN; une concentration trop élevée peut augmenter les signaux non spécifiques.

• Après n cycles de PCR, l’amplification théorique est proportionnelle à $2^n$.

💡 Astuce mémo

Dénaturation → hybridation → polymérisation

📊 Tableaux de synthèse

ARN polymérases eucaryotes