Fiche de révision : Transcription, traduction et variation génétique

📋 Plan du Cours

1. Nucléotides et structure de l’ADN
2. Réplication de l’ADN
3. Lésions et réparation de l’ADN
4. Gènes et transcription générale
5. Transcription chez les eucaryotes
6. Organisation des gènes d’ARN
7. Maturation des ARN
8. Code génétique et traduction
9. Régulation de l’expression génétique
10. Mutations et brassage génétique

📖 1. Nucléotides et structure de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Composé d’une base, d’un ose et d’un acide phosphorique.

★ À maîtriser

• L’ADN contient les bases adénine, thymine, cytosine et guanine, tandis que l’ARN contient l’uracile à la place de la thymine.

📌 Les deux brins d’ADN sont complémentaires et antiparallèles, avec une extrémité 5′ phosphate et une extrémité 3′OH sur chaque brin.

Compléments

• Le ribose est le sucre de l’ARN et le désoxyribose celui de l’ADN.

• La liaison entre une base et le sucre en position 1′ forme un nucléoside.

• Les nucléotides triphosphates NTP, avec les bases A, U, G et C, sont utilisés pour l’ARN, tandis que les désoxynucléotides triphosphates dNTP, avec A, T, G et C, sont utilisés pour l’ADN.

• 🔄 L’ADN s’organise par étapes :

  1. L’ADN s’enroule autour de protéines pour former des nucléosomes.
  2. Les nucléosomes s’enroulent sur eux-mêmes grâce à la protéine H4.
  3. L’ADN atteint un état de superenroulement.

📖 2. Réplication de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication : Mécanisme qui multiplie l’ADN dans le noyau pour former deux molécules filles grâce à l’ADN polymérase.

★ À maîtriser

📌 La réplication est semi-conservative : chaque molécule fille contient un brin parental et un brin nouvellement synthétisé.

• La primase synthétise une amorce, car l’ADN polymérase ne peut pas se fixer sur un ADN simple brin sans amorce.

• L’ADN polymérase ajoute les désoxyribonucléotides à l’extrémité 3′ du brin fils, qui s’allonge donc dans le sens 5′ vers 3′.

Compléments

• Une origine de réplication correspond à une séquence d’ADN de 100 à 200 paires de bases.

📐 Formule - L’élongation du brin fils suit la réaction $(\text{brin fils})_n + dNTP \rightarrow (\text{brin fils})_{n+1} + PPi$.

• Sur le brin retardé, la réplication discontinue produit des fragments d’Okazaki qui sont amorcés, allongés, débarrassés de leur amorce, complétés par élongation puis reliés par ligation.

• Le réplisome est le complexe d’enzymes et de protéines assemblé au niveau de la fourche de réplication ; il avance dans une seule direction et le brin retardé forme une boucle autour de l’ADN polymérase.

💡 Astuce mémo

Amorce, élongation, correction puis ligation.

📖 3. Lésions et réparation de l’ADN

★ À maîtriser

📌 La dépurination entraîne la perte d’une base, tandis que la désamination modifie une base.

• 🔄 La correction sur épreuve suit ces étapes :
  1. L’ADN polymérase ajoute un dNTP.
  2. L’ADN polymérase vérifie son appariement avec le brin parental.
  3. En cas de mauvais appariement, une exonucléase élimine le dernier dNTP.

Compléments

• Les facteurs exogènes cités sont :

  • les produits chimiques
  • les UV
  • les rayons ionisants

• Des résidus de thymine peuvent se relier entre eux pour former un dimère de thymine.

• 🔄 La réparation par excision et resynthèse mobilise successivement :

  1. une endonucléase
  2. une exonucléase
  3. l’ADN polymérase

• Lorsqu’un dimère de thymine échappe à la reconnaissance pendant la réplication, l’ADN polymérase laisse un trou ou une brèche ; des systèmes de recombinaison interviennent ensuite avec l’ADN polymérase et la ligase pour rétablir la région contenant le dimère.

📖 4. Gènes et transcription générale

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Ensemble de séquences d’ADN nécessaires à la synthèse d’une protéine ou d’un ARN, comprenant une séquence codante et une séquence régulatrice.
• Transcription : Processus par lequel l’information de la séquence nucléotidique de l’ADN est transférée à l’ARN.
• Unité de transcription : Segment d’ADN borné en 5′ par le site d’initiation et en 3′ par le site de terminaison, transcrit en une seule fois et donnant naissance au transcrit primaire.

★ À maîtriser

• L’ARN polymérase reconnaît le début d’un gène, transcrit l’ADN en ARN, catalyse les liaisons phosphodiesters et ajoute les NTP à l’extrémité 3′ de l’ARN.

📌 Le brin sens est le brin non transcrit, parallèle et identique à l’ARN sauf que l’ADN contient T au lieu de U ; le brin antisens est le brin transcrit, complémentaire et antiparallèle à l’ARN.

Compléments

• La transcription produit notamment :
  • des ARN ribosomiques
  • des ARN de transfert
  • des ARN messagers

📌 L’ADN transcrit peut coder une protéine ou un ARN de structure, notamment un ARNr, un ARNt ou un ARN sn, tandis que certaines régions non transcrites ont un rôle régulateur ou aucune fonction connue.

• 🔄 La bulle de transcription évolue ainsi :
  1. Elle s’ouvre à des séquences promotrices précises.
  2. Elle se déplace sans changer de taille.
  3. Elle se ferme au signal de terminaison.

📌 Par convention, la séquence d’ADN fournie pour un gène est celle du brin sens, écrite dans le sens 5′ vers 3′.

💡 Astuce mémo

Le brin sens ressemble à l’ARN ; le brin antisens est transcrit et lui est complémentaire.

📖 5. Transcription chez les eucaryotes

★ À maîtriser

• Chez les eucaryotes, le promoteur est immédiatement en amont du site +1, mesure 100 à 200 paires de bases et contient une séquence conservée appelée boîte TATA.

• Au début de la transcription, l’ADN s’ouvre, l’ARN polymérase II polymérise le premier nucléotide à partir de +1, puis l’élongation commence.

Compléments

• La séquence consensus de la boîte TATA est TATAAA sur le brin sens et se situe autour des positions −25/−35.

• Les séquences régulatrices peuvent se trouver en amont ou en aval de +1, parfois très éloignées, et modulent la force et la sélectivité de la transcription selon le type cellulaire et les besoins du moment.

• Pendant l’élongation, la bulle de transcription se déplace avec la formation de l’ARN et garde une taille constante d’environ 12 paires de bases.

• Le signal de terminaison de la transcription est le signal de polyadénylation AATAAA, indiqué sur le brin sens dans le sens 5′ vers 3′.

• La transcription continue au-delà de 500 à 2 000 nucléotides sans site précis, ce qui produit des transcrits de taille variable pour un même gène.

💡 Astuce mémo

Initiation au promoteur, élongation, puis terminaison au signal.

📖 6. Organisation des gènes d’ARN

★ À maîtriser

• Une unité de transcription des gènes d’ARNr regroupe trois ARNr sous un même code, et 25 à 50 % du transcrit est éliminé pendant la maturation.

📌 Les ARNm sont transcrits par l’ARN polymérase II avec une boîte TATA, tandis que les ARNr sont transcrits par l’ARN polymérase I sans boîte conservée et les ARNt ainsi que l’ARNr 5S par l’ARN polymérase III avec deux séquences conservées aux positions +10 et +50.

• Un gène d’ARNr 5S est répété en tandem de 100 à 2 000 fois, tandis que les 30 gènes d’ARNt sont répétés en tandem de 10 à 100 fois.

Compléments

• Les unités de transcription des gènes d’ARNr sont répétées en tandem, notamment par groupes de six unités consécutives.

• La transcription des ARNm mobilise sept facteurs de transcription, celle des ARNr implique UBF et SL1, et celle des ARNt et de l’ARNr 5S implique TF III.

📌 La transcription des ARNm est discontinue et régulée, celle des ARNr est continue et sans régulateur, et celle des ARNt et de l’ARNr 5S est continue et sans régulateur.

📖 7. Maturation des ARN

★ À maîtriser

• La maturation de l’ARNm comprend :

  • l’ajout d’une coiffe 5′
  • l’ajout d’une queue polyA en 3′
  • l’excision-épissage des introns

• La coiffe de l’ARNm : permet la reconnaissance de l’ARNm aux pores nucléaires, le protège des enzymes attaquant son extrémité 5′ libre, facilite l’initiation de sa traduction

• Après l’arrêt de la transcription, l’ARN est raccourci jusqu’à 10 à 35 nucléotides du signal de terminaison, puis une polyA polymérase ajoute sans matrice une queue de 100 à 250 adénines.

📌 Les exons restent dans l’ARN fonctionnel, tandis que les introns sont éliminés lors de l’épissage.

• 🔄 L’épissage des introns suit cette séquence :

  1. Le spliceosome reconnaît les jonctions introniques conservées GU et AG.
  2. Il coupe l’ARN aux jonctions exon-intron.
  3. Il rapproche et ressoude les deux exons.
  4. Les introns sont dégradés dans le noyau.

• Les pré-ARNr 18S, 5,8S et 28S sont coupés pour éliminer les séquences intermédiaires transitoires et se replient en structures complexes de type tige-boucle.

Compléments

• La coiffe de l’ARNm est une guanosine 7-méthylée ajoutée très tôt par une autre polymérase, sous forme monophosphate et par une liaison 5′-5′.

• La queue polyA facilite la sortie de l’ARNm dans le cytoplasme et le protège des enzymes attaquant son extrémité 3′ libre.

• Le spliceosome est un complexe de petits ARN nucléaires et de quelques protéines.

• Après sa maturation, l’ARNm fonctionnel quitte le noyau pour être traduit dans le cytoplasme.

• Les ARNr fonctionnels s’associent dans le noyau à des protéines ribosomales pour former le ribosome, tandis que l’ARNr 5S ne subit aucune maturation.

• La maturation des ARNt comprend :

  • le raccourcissement de l’extrémité 5′
  • la formation d’une structure tige-boucle
  • l’excision-épissage d’un intron
  • le remplacement des U en 3′ par CCA
  • la formation chimique de bases atypiques

💡 Astuce mémo

Pour l’ARNm, coiffe 5′, queue polyA 3′, puis épissage.

📖 8. Code génétique et traduction

★ À maîtriser

• Un codon est un groupe de trois nucléotides correspondant à un acide aminé, et les quatre nucléotides permettent de former 64 codons différents.

📌 Le code génétique est dégénéré mais non ambigu : plusieurs codons peuvent coder le même acide aminé, mais un codon donné ne code qu’un acide aminé ou un signal stop.

• Parmi les 64 codons, 61 codent pour des acides aminés et trois sont des signaux de terminaison sans acide aminé associé.

• L’ARNt sert d’adaptateur entre un codon et l’acide aminé correspondant, car il n’existe pas de reconnaissance directe entre eux.

• L’appariement wobble permet de pallier en partie l’écart entre 61 codons et 20 acides aminés : les deux premières bases du codon s’apparient selon les règles standards, tandis qu’en troisième position sont aussi possibles les appariements G-U, I-U, I-C et I-A.

• Dans le ribosome, le site A accueille l’aminoacyl-ARNt, le site P le peptidyl-ARNt et le site E l’ARNt dépourvu d’acide aminé.

• 🔄 L’initiation de la traduction se déroule ainsi :

  1. Le complexe d’initiation reconnaît la coiffe en 5′.
  2. Il parcourt l’ARNm vers 3′ jusqu’à l’AUG de la séquence Kozak ou au premier AUG rencontré.
  3. L’anticodon du Met-ARNt s’apparie à AUG.
  4. Les facteurs d’initiation partent et la grande sous-unité s’associe.

• 🔄 Un cycle d’élongation suit cette séquence :

  1. Un aminoacyl-ARNt rejoint le site A.
  2. Une liaison peptidique se forme.
  3. Le ribosome avance d’un codon vers 3′.
  4. L’ARNt déchargé passe au site E et le peptidyl-ARNt au site P.

• La traduction se termine lorsque le ribosome atteint UAG, UGA ou UAA, codons stop auxquels aucun ARNt ne correspond.

Compléments

• Un ARNm possède trois cadres de lecture possibles selon le point de départ, qui peuvent potentiellement produire trois protéines différentes.

• Le ribosome est composé de particules riboprotéiques comprenant 83 protéines L et S ainsi que quatre ARNr, et S désigne une vitesse de sédimentation en unités Svedberg.

• La séquence de Kozak qui facilite l’initiation est ACC AUG G, et le codon initiateur AUG correspond à la méthionine.

• La formation de la liaison peptidique est assurée par l’activité peptidyl-transférase de l’ARNr 28S, et l’énergie nécessaire est fournie par la liaison ester du peptidyl-ARNt du site P.

• 🔄 La terminaison de la traduction comprend :

  1. L’hydrolyse de la liaison peptidyl-ARNt libère le peptide de l’ARNt au site P.
  2. Les deux sous-unités ribosomales se dissocient.
  3. Le dernier ARNt et l’ARNm sont libérés.

• Les modifications post-traductionnelles décrites comprennent : le clivage de la méthionine initiale, le clivage du peptide signal de 10 à 30 acides aminés côté NH₂, le clivage d’une région interne, la formation de ponts disulfure, la glycosylation, l’ajout d’un lipide

💡 Astuce mémo

Initiation, élongation, terminaison : le ribosome démarre, allonge, puis libère.

📖 9. Régulation de l’expression génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Épissage alternatif : L’épissage alternatif permet de produire plusieurs ARNm codant des protéines différentes à partir d’une même unité de transcription, comme pour la tropomyosine α.
• Retouche des ARNm : La retouche des ARNm est la modification de leur séquence par ajout, suppression ou substitution de nucléotides.

★ À maîtriser

• La régulation de l’expression des gènes permet une activation ou une inactivation à court terme, et l’épissage alternatif peut produire des protéines différentes à partir d’un même gène.

• 🔄 La méthylation de l’ADN peut réprimer l’expression ainsi :

  1. Les cytosines des séquences 5′-CG-3′ sont méthylées.
  2. La méthylation est conservée après réplication.
  3. Elle empêche la fixation de certains facteurs de transcription.
  4. L’expression de certains gènes est empêchée.

• Les séquences régulatrices proximales sont des activateurs situés dans le promoteur, tandis que les séquences distales sont des amplificateurs ou des atténuateurs pouvant se trouver loin du gène en amont ou en aval.

Compléments

• Les facteurs de transcription spécifiques possèdent un domaine de fixation à l’ADN et un domaine effecteur, et certains présentent une structure en doigt de zinc.

• Le taux de transcription correspond à la somme des signaux apportés par l’ensemble des facteurs de transcription.

• La demi-vie moyenne d’un ARNm dans une cellule est de 10 heures, et sa durée de vie dans le cytoplasme influence la quantité de protéines produites.

• Le contrôle traductionnel peut modifier la durée de vie des produits concernés, tandis que la régulation post-traductionnelle peut agir sur un facteur d’initiation de la traduction et modifier la vitesse moyenne de traduction des ARNm.

💡 Astuce mémo

Chromatine, transcription, post-transcription, traduction, post-traduction.

📖 10. Mutations et brassage génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Recombinaison homologue : La recombinaison homologue est l’échange de portions d’ADN entre deux doubles hélices homologues du génome et constitue un mécanisme fréquent participant à l’évolution.

★ À maîtriser

• Une mutation régulatrice modifie une séquence régulatrice, l’affinité du facteur de transcription pour cette séquence et le profil d’expression du gène, tandis qu’une mutation dans une région sans fonction connue n’a pas d’action connue.

• Dans une région transcrite, une mutation silencieuse au troisième nucléotide d’un codon ne change pas l’acide aminé, une mutation faux-sens modifie un acide aminé et une mutation non-sens introduit un codon stop.

• Le brassage interchromosomique de la méiose résulte de la ségrégation indépendante des chromosomes, tandis que le brassage intrachromosomique résulte du crossing-over.

Compléments

• La délétion ou l’inversion d’une base peut décaler le cadre de lecture et modifier les acides aminés ainsi que la protéine produite.

• Une mutation peut être héréditaire selon le type d’organisme ; chez les organismes unicellulaires, chaque mutation est héréditaire.

💡 Astuce mémo

La mutation modifie l’ADN ; la recombinaison échange des portions entre molécules homologues.