Biologie de Campbell #17 : L'expression génétique, du gène à la protéine

L'expression génétique est le processus par lequel l'ADN régit la synthèse des protéines (ou, dans certains cas, seulement des ARN). Il y a deux étapes : la transcription et la traduction. 

Le début du chapitre évoque les méthodes expérimentales qui ont permis de décrypter l'expression génétique, notamment en créant à l'aide de rayons X des mutant d'une moisissure et en observant les besoins nutritionnels différents de ces mutants, qui par exemple ont perdu par mutation la capacité de synthétiser une enzyme. Dans les faits, les gènes commandent la synthèse d'autres protéines que les enzymes, on parle de la synthèse de polypeptides. Cependant, c'est encore plus compliqué : plusieurs gènes peuvent encoder de façon liée plusieurs polypeptides, de nombreux autres codent pour des molécules d'ARN...

Les gènes contiennent les instructions qui permettent de fabriquer des protéines spécifiques, mais c'est l'acide ribonucléique, l'ARN, qui établit le lien entre les gènes et la synthèse des protéines.

La transcription est la synthèse d'ARN à partir de l'information contenue dans l'ADN.

L'ARN messager (ARNm) est un type d'ARN qui sert de messager entre l'ADN et le dispositif de synthèse protéique de la cellule. On nomme transcription la synthèse de tout type d'ARN à partir d'une matrice d'ADN. L'information est transcrite, ou transposée, de l'ADN à l'ARN.

La traduction est la synthèse d'un polypeptide à partir des informations contenues dans l'ARNm.

Il y a passage d'une "langue" à une autre : la cellule traduit la séquence de nucléotides d'une molécule d'ARNm en une séquence d'acides aminés appartenant à un polypeptide. La traduction se déroule dans les ribosomes.

Le flux de l’information génétique peut se résumer ainsi :

ADN → ARN → protéine

La transcription et la traduction se déroulent dans tous les organismes. Il y a cependant des différences entre les organismes procaryotes (cellules sans noyau) et les organismes eucaryotes (cellules avec noyau).

LE CODE GÉNÉTIQUE

Comment 4 nucléotides peuvent détenir le message génétique correspondant à 20 acides aminés différents ? (Les protéines sont des polymères d'acides aminés, les acides aminés sont donc les blocs structurels des protéines.)

Pour résoudre ce problème, le flux d'information allant du gène à la protéine repose sur un code à triplet. Les instructions génétiques pour la synthèse d'une chaine polypeptidique se présentent sous la forme d'une série de mots composés chacun de trois nucléotides d'ADN qui ne se chevauchent pas.

Dès le milieu des années 1960, les 64 codons, qui codent pour les acides aminés, sont déchiffrés (3 de ces 64 codons codent en fait pour un signal d'arrêt marquant la fin de la traduction).

Le code génétique est presque universel. Il est le même de la plus simple des bactéries jusqu'aux animaux et végétaux les plus complexes. Par exemple, la traduction du codon CCG de l'ARNm donne l'acide aminé proline chez tous les organismes dont on a examiné le code génétique.

Donc, ce langage est nécessairement apparu très tôt dans l'évolution de la vie.

Le reste du chapitre est pour l'essentiel une étude détaillée des processus de transcription et de traduction. Je saute ici beaucoup de choses, mais :

•  Un mot sur la transcription

L'ARNm est créé par une "lecture" de l'ADN par l'enzyme ARN polymérase, qui écarte les deux brins d'ADN et transcrit l'information. Encore une fois, on retrouve l'analogie de la fermeture éclair. 

Plus tard, une étape importante consiste à "simplifier" la transcription : c'est l'épissage de l'ARN. En effet, la plupart des gènes d'eucaryotes ont de longues séquences non codantes (introns) qui viennent interrompre les séquences qui codent les protéines (exons) et sont donc destinées à être exprimées. Les introns sont éliminés de la transcription de l'ARN. Les exons sont donc les séquences de l'ADN qui parviennent à l'extérieur du noyau.  

La raison d'être des introns sur le plan évolutionnaire fait encore débat, mais leur rôle pourrait être (en autres choses) de favoriser l'assemblage de différentes parties de différents gènes en les "prédécoupant" afin d'augmenter les possibilités d'expression génétique. En effet, un organisme produit un nombre de protéines différentes beaucoup plus élevée que le nombre de ses gènes. On compte 20000 gènes humains codant pour les protéines, alors que les cellules peuvent produire entre 75000 et 100000 protéines différentes.

• Un mot sur la traduction

Un nouvel agent fait son apparition : l'ARNt, ou ARN de transfert. Cet ARN a pour fonction d'acheminer des molécules d'acides aminés présentes dans le cytosol vers un polypeptide en cours de synthèse dans un ribosome. La cellule garde toujours en réserve une quantité des 20 acides aminés dans son cytosol.

Évidemment, tout ça est très complexe quand on se plonge dans les détails, ce que je ne vais pas faire. Il y a pas moins de 9 pages de développements sur la traduction. Notons cependant qu'une seule molécule d'ARNm sert en général à synthétiser simultanément un grand nombre de copies d'un même polypeptide, à l'aide de plusieurs ribosomes qui s'associent : les polyribosomes. C'est un des phénomènes qui permettent de décupler l'effet concret des signaux instructeurs.

Résumé : 

1. Transcription. L'ARN est transcrit à partir d'une matrice d'ARN
2. Maturation de l'ARN. Épissage.
3. L'ARNm quitte le noyau et se lie au ribosome qui le lit et envoie des ARNt appropriés chercher les acides aminés. 
4. Activation de l'acide aminé. Chaque acide aminé se lie à l'ARNt qui lui correspond à l'aide d'un enzyme spécifique et d'ATP.
5. Traduction. Une série d'ARNt ajoutent leur acide aminé à la chaine polypeptidique pendant que l'ARNm traverse le ribosome un cordon à la fois. Une fois complété, le polypeptide se détache du ribosome.

 LES MUTATIONS

On voit donc comment une modification (mutation) de l'information génétique a un impact concret. Ces mutations sont à l'origine de l'immense diversité génétique. C'est la principale source de nouveaux gènes.

Le chapitre détaille les mutations à petite échelle, comme la substitution d'une paire de bases, les insertions ou délétions. Il y a des mutations spontanées, qui font partie intégrante du processus qu'est l'évolution. Il existe aussi des agents chimiques ou physiques appelés mutagènes qui peuvent interagir avec l'ADN et provoquer des changements.

Définition du gène dans le cadre l'expression génétique : Un gène est une région de l'ADN qui peut être exprimée pour produire un produit final fonctionnel, soit un polypeptide, soit une molécule d'ARN.