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Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 1 sur 22 -

4- BIOLOGIE MOLÉCULAIRE

4.1- GÉNOME ET EXPRESSION

4.1.3- EXPRESSION DES GÈNES

1. Déroulement de la synthèse des protéines ................................................................................................ 3

1.1. Transcription ................................................................................................................................ 3

1.1.1. Définition et localisation cellulaire .................................................................................. 3

1.1.2. Acteurs de la transcription ............................................................................................... 3

1.1.3. Étapes de la transcription ................................................................................................. 3

a. Initiation ........................................................................................................................ 3

b. Élongation .................................................................................................................... 4

c. Terminaison .................................................................................................................. 5

1.2. Modifications post-transcriptionnelles ........................................................................................ 5

a. Coiffe (cap) en 5' ......................................................................................................... 5

b. Queue poly-A ............................................................................................................... 6

c. Excision - épissage ....................................................................................................... 6

1.3. Traduction .................................................................................................................................... 7

1.3.1. Définition et localisation cellulaire .................................................................................. 7

1.3.2. Code génétique ................................................................................................................ 7

a. Mise en évidence .......................................................................................................... 7

b. Caractéristiques ............................................................................................................ 8

1.3.3. Cadre de lecture ............................................................................................................... 8

1.3.4. Acteurs de la traduction ................................................................................................... 9

a. L'ARN messager orienté 5'®3' .................................................................................. 9

b. Les ribosomes ............................................................................................................... 9

c. Les ARN de transfert et les acides aminés ................................................................. 10

1.3.5. Synthèse de protéines au niveau des ribosomes libres .................................................. 11

1.3.6. Synthèse de protéines au niveau des ribosomes du RER (REG) ................................... 12

Schéma bilan de la synthèse protéique ....................................................................................................... 13

1.4. Maturation, adressage et transport des protéines ....................................................................... 14

1.4.1. Maturation et modifications post-traductionnelles ........................................................ 14

1.4.2. Transport au travers de l'appareil de Golgi ................................................................... 14

1.4.3. Adressage des protéines ................................................................................................. 14

2. Conséquences des mutations sur la synthèse protéique .......................................................................... 16

3. Régulation de l'expression des gènes ..................................................................................................... 17

3.1. Régulations transcriptionnelles chez les procaryotes : opérons inductibles et répressibles ....... 17

3.1.1. Structure de l'opéron-lactose ......................................................................................... 17

a. Gènes de structure ...................................................................................................... 17

b. Région régulatrice ...................................................................................................... 17

c. LacI : gène régulateur en amont de l'opéron .............................................................. 17

3.1.2. Régulation de l'expression de l'opéron lactose ............................................................. 18

3.1.3. Applications biotechnologiques ..................................................................................... 19

a. Identification bactérienne et test ONPG sur bactéries lactose - ................................. 19

b. Clonage et plasmide pUC19 ....................................................................................... 20

3.1.4. Chez les Eucaryotes : ..................................................................................................... 21

a. Séquences cis-régulatrices .......................................................................................... 21

b. Facteurs trans .............................................................................................................. 21

3.2. Régulations post-transcriptionnelles .......................................................................................... 21

3.3. Modifications des nucléosomes ................................................................................................. 21

3.4. Régulations traductionnelles par les ARN interférents .............................................................. 21

Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 2 sur 22 - L'expression des gènes comprend les étapes suivantes : • la transcription nucléaire d'un brin d'ADN en transcrit primaire • la maturation du transcrit primaire en ARNm • la translocation de l'ARNm dans le cytoplasme • la traduction de l'ARNm en polypeptide au niveau des ribosomes • la maturation de la protéine synthétisée TRANSCRIPTION NUCLEAIRE ET TRADUCTION CYTOPLASMIQUE

CYTOPLASME

NOYAU

MEMBRANE

PLASMIQUE

ENVELOPPE

NUCLÉAIRE

CELLULE

EUCARYOTE

Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 3 sur 22 -

1. Déroulement de la synthèse des protéines

1.1. Transcription

1.1.1. Définition et localisation cellulaire

La transcription correspond à la copie d'un brin d'ADN en une molécule d'ARN. Le " brin matrice » est orienté 3'®5'. Il est aussi appelé " brin transcrit ». La transcription a lieu chez les Eucaryotes dans le noyau. L'enzyme de la transcription est l'ARN polymérase ADN dépendante.

1.1.2. Acteurs de la transcription

• une matrice : brin transcrit d'ADN orientée 3' 5' • ARN polymérase ADN dépendante • NTP : ATP, UTP, CTP, GTP Remarque : chez les Eucaryotes, il existe 3 types d'ARN polymérases responsables chacune de la synthèse des 3 sortes d'ARN : ARNm, ARNr, ARNt.

L'ARN polymérase Il synthétise l'ARNm.

1.1.3. Étapes de la transcription

a. Initiation L'ARN polymérase se fixe sur une région régulatrice en amont du gène pour initier la transcription. De nombreux facteurs protéiques dont les facteurs de transcription sont nécessaires à cette fixation. * Promoteur ou région, séquence promotrice

Le promoteur est une séquence de plusieurs nucléotides située dans la région régulatrice

en amont du site d'initiation non transcrite. Chez les Procaryotes, il existe deux séquences en amont " - 35 box » et " - 10 box ». La boîte " TATA box » ou Pribnow a pour séquence TATAAT et commence en - 10.

AMONT ¬½® AVAL

-35 -10 +1

TATA box site d'initiation

Chez les Eucaryotes, la séquence promotrice contient un motif " TATA » placé entre - 30 et - 25 bases

du premier nucléotide transcrit. Cette boîte TATA est reconnue par l'ARN polymérase eucaryote.

-30 / -25 +1

TATA box site d'initiation

* Facteurs de transcription Un facteur de transcription est une protéine qui régule l'expression des gènes, soit en l'activant soit en l'inhibant. Toutes nos cellules possèdent un génome identique et pourtant elles n'expriment qu'une partie de l'ensemble de gènes sélectionnée suivant le type cellulaire. Les facteurs de transcription interviennent dans cette régulation en se fixant directement sur l'ADN au niveau des séquences régulatrices des promoteurs. Ils ouvrent alors la double hélice d'ADN pour permettre la transcription. Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 4 sur 22 - * Site d'initiation La transcript ion débute à 20-30 pai res de base en aval de la boite TATA, au s ite d'initiation de la transcription (ATG), qui par convention est noté " +1 ». Le complexe d'initiation de la transcription va catalys er la format ion de la première liaison phosphodiester entre les deux premiers nucléotides de l 'ARN messager (ARNm). Figure 1 : schéma de l'initiation de la transcription b. Élongation L'ARN polymérase II se déplace ensuite le long de l'ADN en ouvrant une partie de la molécule d'ADN par déroulement de la double hélice sur une courte distance en formant une boucle de transcription. La boucle de transcription se déplace dans le sens 3'®5' du brin matrice et la chaîne d'ARN pré-messager s'allonge dans le sens 5'®3'. Cette élongation néces site l'intervention de facteurs d'élongation nécessa ires au déplacement de l'ARN polymérase II. L'ADN lu se rembobine immédiatement après la lecture. L'élongation de la molécule d'ARN pré-messager se fait par complémentarité de bases où la thymine est remplacée par de l'uracile. Le brin matrice orienté 3'®5' comporte une séquence complémentaire à celle de l'ARN

pré-messager. Il est appelé aussi " brin transcrit », " brin non codant », " brin anti-sens ».

Figure 2 : schéma de la phase d'élongation de la transcription Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 5 sur 22 - c. Terminaison L'ARN polymérase II est également équipée de facteurs protéiques de terminaison, et reconnaît ainsi un ou plusieurs signaux de terminaison portés par le brin progressivement parcouru et qui annoncent la fin de la transcription sur le brin d'ADN matrice. Elle arrête alors son travail de transcription et libère l'ARN pré-messager.

Remarque :

Plusieurs ARN polymérases peuvent " travailler » en même temps, les unes derrière les autres, sur le

même brin d'ADN. On observe alors en microscopie électronique des images en arbre de Noël. Figure 3 : transcriptions simultanées d'un même brin d'ADN et image en " arbre de Noël »

1.2. Modifications post-transcriptionnelles

Elles correspondent aux étapes de la maturation du transcrit primaire en ARNm. a. Coiffe (cap) en 5' L'addition de la coiffe (capping en anglais) a lieu en début de transcription. Elle consiste en l'ajout d'un nucléotide à guanine sur l'extrémité 5' de l'ARN suivi de sa méthylation sur l'azote 7 de la base, ainsi que de la méthylation en 2' du ribose des nucléotides 1 et/ou 2 du transcrit primaire (schéma ci-contre). Ainsi l'extrémité 5' de l'ARNm n'est pas porteuse de phosphates libres, mais d'un GMP qui limite la réactivité et la reconnaissance par les exonucléases. Cette coiffe confère donc une protection de l'extrémité 5' de l'ARNm contre la dégradation par les exonucléases. Elle est également nécessaire à l'exportation de l'ARNm vers le cytoplasme et à la liaison de ce dernier avec la petite sous-unité du ribosome lors de l'étape d'initiation de la traduction.

Figure 4 : structure de la coiffe en 5'

Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 6 sur 22 - b. Queue poly-A La polyadénylation consiste en l'addition d'une queue poly(A), une s uccession de nombreux ribonucléotides d'adénosine (A) à l'extrémité 3' des ARNm. Chez les Eucaryotes, cette étape s'effectue dans le noyau, lors de la maturation de l'ARNm alors qu'il n'a pas encore subi l'épissage. La taille de la queue poly(A) peut atteindre quelques centaines de nucléotides. La très grande majorité des ARN messagers est polyadénylée ainsi que quelques ARN non codants. La queue poly(A) confère de la stabilité au futur ARNm et se perd au fur et à mesure qu'il est traduit. c. Excision - épissage Les gènes des cellules eucaryotes sont morcelés c'est-à-dire qu'ils com portent des séquences codantes (appelées exons) interrompue s par des séquenc es non codantes (appelées introns). La molécule d'ARN directe ment synthétisée à partir du modèle A DN, ou transcrit primaire reste dans le noyau et est traitée par un complexe enzymatique qui enlève tous les introns : " excision » et qui réunit les exons : " épissage ». À partir d'un même ARN pré-messager, plusieurs ARNm matures différents codant pour

des isoformes de protéines peuvent être obtenus. On parle alors d'" épissage alternatif ».

Figure 5 : exemple d'épissage alternatif

Après les étapes de transcription et de modifications post-transcriptionnelles, on obtient un ARNm

coiffé en 5' et polyadénylé en 3'. UTR : Untranslated Transcribed Region ; région transcrite non traduite Cet ARN messager est alors transloqué dans le cytoplasme à travers les pores nucléaires. Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 7 sur 22 -

1.3. Traduction

L'ARNm est alors traduit en protéine à partir des acides aminés en présence des ribosomes et des

ARN de transfert (ARNt).

1.3.1. Définition et localisation cellulaire

La traduction correspond à la lecture du brin d'ARNm au niveau des ribosomes en chaîne polypeptidique. L'ARNm est orienté 5'®3'. La chaîne polypeptidique produite est orientée NH 2

®COOH

La traduction a lieu :

• chez les Procaryotes dans le cytoplasme • chez les Eucaryotes : o pour les protéines cytoplasmiques : au niveau des ribosomes libres ; o pour les protéines adressées aux membranes ou sécrétées : au niveau des ribosomes liés à la membrane du réticulum endoplasmique rugueux (ou granuleux ; RER ou REG).

1.3.2. Code génétique

a. Mise en évidence

Le code génétique a été déchiffré au début des années 60. Trois biochimistes américains

Nirenberg, Holley et Khorana ont reçu le prix Nobel de Physiologie et Médecine en 1968 pour leur travail sur le code génétique.

Marshall Nirenberg

(1927-2010)

Robert Holley

(1922-1993)

Har Gobind Khorana

(1922-2011)

Prix Nobel de Médecine en 1968

La première expérience, réalisée en 1961, a montré qu'un ARNm poly-U, était traduit en

une protéine composée uniquement de phénylalanine. Figure 6 : expérience de mise en évidence du code génétique Cours biochimie BTS_ABM1 2022-2023 4.1.3- Expression_gènes - Page 8 sur 22 - b. Caractéristiques

3 nucléotides de l'ADN et de l'ARN

m forment un codon qui code un acide aminé. Le codon présenté dans le code génétique est un codon d'ARNm orienté 5'®3'.

Le code génétique est :

• universel : tous les êtres vivants (sauf quelques exceptions) possèdent le même. • non ambigu : à un codon correspond un seul et unique acide aminé.

• dégénéré ou redondant : à un acide aminé peuvent correspondent plusieurs codons

(il existe en effet 64 possibilités de codons, et seulement 20 acides aminés).

3 codons UAA, UAG, UGA ne codent pas pour un acide aminé. On les appelle des

" codons-stop ». 2

ème

position

U C A G

1

ère

position (extrémité 5') U Phe Phe Leu Leu Ser Ser Ser Ser Tyr Tyr STOP STOP Cys Cys STOP Trp U C A G 3

ème

position (extrémité 3') C Leu Leu Leu Leu Pro Pro Pro Pro His His Gln Gln Arg Arg Arg Arg U C A G A Ile Ile Ile Met Thr Thr Thr Thr Asn Asn Lys Lys Ser Ser Arg Arg U C A G G Val Val Val Val Ala Ala Ala Ala Asp Asp Glu Glu Gly Gly Gly Glyquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47

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