Cours-de-biologie-moléculaire

COURS DE BIOLOGIE MOLÉCULAIRE
1
Présenté par:
Pr A.HAMMOUMI
Ecole supérieure de Technologie
BIOLOGIE MOLÉCULAIRE

C’est une discipline consacrée à l'étude: des molécules qui portent
l’information génétique (=réplicons), leur structure, synthèse et altérations
(mutations).

L’information génétique est constituée des gènes codant pour des
protéines, mais également de séquences d'ADN non codantes, intervenant
dans la régulation de l'expression génique.

L’unité de l’information génétique est le gène.

La totalité de l’information génétique est le génome.
2
I- L’INFORMATION GÉNÉTIQUE

Le stockage du matériel génétique se fait dans une structure physiquement et
chimiquement stable. Cette structure doit être capable d’autoréplication et
d’autoréparation = réplicon

Les réplicons peuvent être :


l’ADN ou l’ARN chromosomique

ou l’ADN ou l’ARN extrachromosomique (plasmide, phage).
Pour la majorité des êtres vivants, cette structure est la double hélice formée de deux
brins antiparallèles (Watson et Crick, 1950).
3

Les molécules d’acides nucléiques sont porteuses de l’information génétique.

Il en existe deux types:
 ADN = acide désoxyribonucléique
 ARN= acide ribonucléique

ADN: chaque cellule présente une copie du matériel génétique sous forme d’une
longue molécule d’ADN qui porte plusieurs milliers de gènes. Chaque gène est un
segment linéaire de la molécule d’ADN.

ARN: les molécules d'ARN sont beaucoup plus courtes, sont utilisées pour
transmettre l'information génétique à la machinerie cellulaire, et transporter un seul
ou quelques gènes.
4
Remarque: certains virus utilisent l'ARN pour coder leurs génomes. Ces virus à ARN
ont des génomes courts comportant une dizaine de gènes.
5
DOGME CENTRAL
ADN
Transcription
ARN
Traduction
Protéines
Réplication
LES 3 EXCEPTIONS AU DOGME CENTRAL
(1) Transcription
Inverse
Cas du virus du SIDA,
le HIV.
Le
génome
du
rétrovirus,
constitué
d'ARN, est transcrit en
ADN après infection et
va s'intégrer dans le
génome de l'hôte, d'où
il
est
à
nouveau
transcrit pour former
de l'ARN et des
protéines virales.
ADN
(1)
ARN
(2)
Protéines
(2) Réplication
Cas des virus à ARN
Les virus à ARN
produisent
leurs
propres
enzymes
pour répliquer leurs
génomes, dans des
structures
pratiquement
indépendantes de la
machinerie normale
de l'hôte.
(3)
(3) Pseudo-réplication
cas des prions
Les prions sont des agents infectieux qui ne contiennent pas
d'acides nucléiques:
Ce sont des protéines porteuses d'information, mais que cette
information n'est que structurelle: les prions peuvent induire chez
des protéines normales un changement de conformation qui se
propage graduellement et peut être transmis d'individu à individu.
Les maladies à prions sont toutes des maladies dégénératives
6
du système nerveux central (maladie de la "vache folle").
7
II- STRUCTURE CHIMIQUE DES ACIDES NUCLÉIQUES


Les acides nucléiques sont des molécules linéaires constituées d’une chaîne de
nucléotides.
Il existe 4 nucléotides différents et chaque nucléotide est formé par:
 Un groupe phosphate
 Un sucre à 5 carbones (=pentose)
 Une base azotée
8

Les groupes phosphates se lient aux sucres pour former le squelette de la molécule
d’ADN ou d’ARN.

Les bases azotées se lient aux sucres sur les côtés latéraux.
Le sucre est un:
Pour l’ARN
Base azotée + sucre = nucléoside
Nucléoside + groupe phosphate = nucléotide
Pour l’ADN
9
Les nucléotides sont liés par la liaison phosphodiester entre le groupe phosphate:

et le carbone 5’ du sucre d’un nucléotide;

et le carbone 3’ du sucre de le nucléotide suivant.
Les groupes phosphates portent une charge négative.
10

Il existe 5 bases azotées différentes liées aux nucléotides:
pour l’ADN, il contient: adénine (A), guanine (G), cytosine (C)
et thymine (T).

pour l’ARN, il contient: adénine (A), guanine (G), cytosine (C)
et uracile (U).


Les bases azotées peuvent se subdiviser en deux types:

Les purines (A et G): présente deux cycles

Les pyrimidines (T, C et U): présente seul cycle
11
ADN DOUBLE BRIN EN DOUBLE HÉLICE

La molécule d’acides nucléiques est polaire. Elle présente un groupe phosphate libre
à l’extrémité 5’ terminale de la chaîne et un groupe hydroxyle libre à l’extrémité 3’
terminale de la chaîne.

La lecture de l’information génétique commence de l’extrémité 5’ terminale.

L’ADN est généralement:
double brin et antiparallèle (l’extrémité 5’ d’un brin est opposé à l’extrémité
3’ de l’autre brin) = DOUBLE HELICE (Watson et Crick, 1950).


et, l’ARN est monobrin.
12

La double hélice est stabilisée par:

les liaisons hydrogènes entre les bases azotées
et par l’empilement des cycles aromatiques des bases azotées au centre de
l’hélice.

liaisons hydrogènes
cycles aromatiques
13
Les paires de bases (pb) se lient entre elles par des liaisons hydrogènes:
A s’apparie avec T avec 2 liaisons hydrogènes
=STRUCTURE SECONDAIRE DE
L’ADN
Dénaturation: température, urée,
formamide
G s’apparie avec C avec 3 liaisons hydrogènes
14
Dans une molécule d’ADN, il y a autant de A que de T et autant de C que de
G:
A = T et C = G
On peut aussi calculer le coefficient de Chargaff = (A + T) / (C+G)
Exemple de Coefficient de Chargaff
Organisme
A
T
G
C
Rapport
A+T/G+C
E. Coli
26.0
23.9
24.9
25.2
1.0
D.pneumoniae
29.8
31.6
20.5
18.0
1.59
Levure
31.3
32.9
18.7
17.1
1.79
Rat
28.6
28.4
21.4
21.5
1.33
Homme
30.3
30.3
19.9
19.8
1.52
15
Rappel: l’information génétique chez les procaryotes et les eucaryotes
1 seul chromosome:
d’environ 1 mm de long,
circulaire, bicaténaire
en double hélice.
Il contient 3000 à 4000
gènes.
Plus de 2 chromosomes:
linéaire, bicaténaire en
double hélice.
Ils contiennent plus de
50000 gènes.
16
TAILLES DES GÉNOMES
17

Les gènes sont des segments d’un long filament d’ADN connu sous le nom de
chromosome.
18

Chez les procaryotes:

Les gènes peuvent être séparés par des régions intergéniques qui sont très courtes.

Plusieurs gènes peuvent être regroupés sans être séparés par des régions
intergéniques = un opéron. Il est sous le contrôle d’une région de régulation. Les
opérons sont transcrits pour donner une seule molécule d’ARN comportant plusieurs
gènes.
19

A l’intérieur de la cellule, l’ADN bactérien est super-enroulé (=super-enroulement)
ou sous forme circulaire relâchée grâce à l’ADN gyrase et à la topoisomérase I :
20

Chez les eucaryotes:

L’ADN est linéaire et bicaténaire.

Les chromosomes sont de longs filaments d’ADN associés à des protéines pour
maintenir sa structure: les histones.
ADN + HISTONES = chromatine

L’unité de base de la chromatine = nucléosome
= ADN + 8 histones (H2A,
H2B, H3 et H4) + 1 histone
H1
21
La chromatine est
ensuite condensée
pour former le
chromosome.
22

Les gènes eucaryotes sont séparés par des régions intergéniques et des régions
non codantes appelées introns. Les régions codantes sont dites exons.
Intron = fragment non codant d'un gène
situé entre deux exons.
23
ELIMINATION DES INTRONS AVANT LA SYNTHÈSE DES PROTÉINES:
24
III- MULTIPLICATION CELLULAIRE: LA RÉPLICATION DE L’ADN

Définition: la réplication est le processus au cours duquel 2 copies d’ADN sont
synthétisées à partir de la molécule d’ADN parentale.

Elle a lieu avant la division cellulaire et est semi-conservative (Melselson et
Stahl, 1958): les doubles hélices résultantes sont constituées d’un brin
nouvellement formé et d’un brin parental (= brin matriciel).
 Un brin parental est conservé dans chaque nouvelle molécule d'ADN.
25

La réplication de l’ADN se fait toujours dans le sens 5’ 3’.

Les enzymes catalysant l’addition des nucléotides sont les ADN polymérases.
5’
3’
26

L’addition d’un nouveau nucléotide par l’ADN polymérase III nécessite une
extrémité 3’OH libre préexistante.

La synthèse d’une nouvelle chaine d’ADN nécessite donc la présence d’une
amorce nucléotidique à laquelle la polymérase pourra fixer le premier nucléotide.
Amorce = petit fragment d’ARN (<
15 nucléotides), complémentaire avec
le brin d’ADN matriciel et terminé par
un groupement 3’-OH libre. Cette
amorce est synthétisée au début de la
réplication par la primase.

L’élongation de la molécule se
fait sous forme d’ADN.
L’amorce sera ensuite enlevée
et remplacée par de l’ADN par
l’ADN polymérase I.
27

Résumé des étapes de la réplication: (à apprendre par cœur)
1)
Déroulement de la structure super-enroulée de l’ADN grâce aux topoisomérases.
2)
La réplication débute au point d’origine ori.
3)
4)
5)
6)
7)
L’hélicase s’attache à l’un des brins du chromosome et l’ouvrent en formant une
boucle.
Des protéines « ssb » vont se fixer à l’ADN simple brin pour empêcher les deux
brins de s’apparier et reformer la double hélice.
La primase synthétise les amorces pour fournir l’extrémité 3’-OH libre sur laquelle
seront attachés les nucléotides.
L’ADN polymérase III synthétise une première chaîne d’ADN (= brin avancé)
dans le sens 5’ 3’.
La synthèse de la deuxième chaîne (=brin retardé) se fait dans le sens opposé au
sens de déplacement de la fourche de réplication.
On distingue alors:
un
brin avancé qui est transcrit directement.
brin retardé qui est synthétisé sous forme de fragments d’Okazaki. Ces fragments
sont ensuite reliés entre eux grâce à l’ADN ligase.
un
28
8)
Les amorces sont enlevés et remplacés par l’ADN par la polymérase I.
9)
L’ADN ligase collent les coupures dans l’ADN.
29
A - LA RÉPLICATION DE L’ADN BACTÉRIEN

Quand la bactérie se divise, le chromosome s’ouvre au niveau de l’origine de
réplication « ori ». C’est une séquence unique d'ADN permettant l'initiation
de la réplication.

La réplication est généralement bidirectionnelle : deux fourches de réplication
progressent dans deux directions opposées (=structure thêta notée, Ɵ).
structure Ɵ
30
31
B - LA RÉPLICATION DE L’ADN EUCARYOTES


Un chromosome eucaryote possède plusieurs origines de réplication. Chaque
origine de réplication est appelée œil de réplication.
La réplication est aussi bidirectionnelle.
32
33
Correction des erreurs d’élongation:

Des erreurs peuvent se produire au cours de la réplication et conduire à des
mutations = changement dans la séquence d’ADN.

Mais le taux de mutations sont très faibles: 10-8 à 10-11 erreurs par pb inséré. Ce
faible taux est dû à 2 raisons:

Règles d’appariement de bases A avec T et G avec C sur le brin matriciel.
correctrice des polymérases I et III. Elles sont capables d’enlever le
nucléotide mal apparié et de le remplacer par le bon.
 Activité
34
IV-TRANSCRIPTION DES GÈNES
35
Définition: la transcription produit une copie d’un gène sous forme d’ARN.
Promoteur: permet l’initiation
(début) de la transcription
Terminateur: permet la
terminaison (fin) de la
transcription
36
On distingue deux grandes classes d’ARN:
1. ARN informationnels (= porteur de l’information génétique):
 Ce sont des ARN intermédiaires dans le décodage des gènes en protéines = ARN
messager (ARNm)
2. ARN fonctionnels :
 Ces ARN sont le produit final et ne sont jamais traduits en protéines.
 Ils interviennent dans différentes étapes du traitement de l’information génétique
de l’ADN en protéines:

ARN de transferts (ARNt): permettent le transfert des acides aminés
(aa) au cours de la synthèse des protéines.

ARN ribosomaux (ARNr): forment les ribosomes et interviennent donc
dans la synthèse des protéines. En plus du rôle fonctionnel, ils ont un rôle
structure.
37
Comparaison transcription/ réplication
 Les ressemblances
• Transcription se fait toujours dans le sens 5’ 3’. Le brin matrice est
antiparallèle au brin nouvellement synthétisé.
• Trois phase principales: Initiation, Elongation et Terminaison
 Les différences
L’ARN est différent de l’ADN sur plusieurs point importants:
1. ARN est une séquence nucléotidique simple brin
2. Le sucre de l’ARN est un ribose et non un désoxyribose (ADN)
3. La synthèse des ARN utilise les mêmes bases sauf que l’Uracile
remplace la thymine ( U forme des liaisons hydrogène avec l’adénine)
Les enzymes intervenant dans la transcription ne sont pas les mêmes utilisés
dans la réplication et ne nécessitent pas d’amorce pour initier la synthèse de
l’ARN.
38
Enzyme clé de la transcription
La transcription est une lecture d’un gène par une enzyme dite ARN
polymérase qui synthétise un acide ribonucléique dont la structure primaire
reproduit celle du brin « sens » de ce gène
39
•
Il existe différentes ARN polymérases:
 Chez les procaryotes : une seule ARN polymérase
transcription des ARNm + autres types d’ARN

 Chez les eucaryotes: plusieurs ARN polymérases
 ARN pol.I
 transcription des ARNr sauf l’ARNr 5S
 ARN pol.II
 transcription des ARNm
 ARN pol.III 
transcription des ARNt et de l’ARNr 5S
40
A. LA TRANSCRIPTION CHEZ LES PROCARYOTES: E. COLI
 INITIATION
Elle commence avec la fixation spécifique de l’ARN polymérase au niveau
du site d’initiation appelé promoteur grâce au facteur sigma ( ).
Qu’est qu’un promoteur et qu’est ce que le facteur
?
41
Qu’est qu’un promoteur?
•
Les promoteurs sont des séquences d’ADN spécifiques auxquelles se fixent les ARN
polymérases. Il a pour rôle d’orienter l’ARN polymérase dans une direction précise.
•
Il existe deux courtes séquences importantes dans le promoteur : -35 et -10  elles
permettent la reconnaissance du promoteur par l’ARN polymérase (facteur sigma).
•
Les deux séquences diffèrent entre différentes espèces d’E. coli mais des séquences
consensus ont été établi :
1) La région -35 = 5ʹ–TTGACA–3ʹ
2) La région -10 = 5ʹ–TATAAT–3ʹ
42
Etablissement d’une séquence consensus chez E.coli:
43
La force (ou efficacité) d’un promoteur est le nombre d’initiation par unité de
temps (vitesse de la transcription).
La force du promoteur dépend:
 de la proportion des paires de bases A-T par rapport aux paires de bases C-G.
 de la position des séquences en -35 et en -10. Plus les séquences consensus
sont proches du site d’initiation plus le promoteur sera fort.
 de la force d’interaction de l’ARN-polymérase avec le promoteur.
44
Qu’est ce que le facteur
?
•
ARN polymérase est formée de 5 sous-unités α2ββʹϖ (= core
enzyme) et d’une 6ème sous-unité appelée le facteur sigma ( ) 
l’ensemble est appelé holoenzyme.
•
Seule l’holoenzyme peut initier la transcription
•
l’holoenzyme parcourt l’ADN à la recherche des promoteurs et le
facteur reconnait spécifiquement les deux région -35 et -10
•
La phase de l’initiation se termine quand l’holoenzyme réussit la
synthèse d’un ARN < à 9 nucléotides
le facteur se détache laissant le core enzyme de l’ ARN pol
poursuivre l’élongation.
45
SCHÉMA DE L’INITIATION
DE LA TRANSCRIPTION
46
 ÉLONGATION
1. ARN pol. glisse sur l’ADN et synthétise l’ARN complémentaire du brin matrice d’ADN
2. Au fur et à mesure, ARN pol. sépare les brins d’ADN ( voir bulle de transcription)
3. L’élongation se fait dans le sens 5’  3’ par la formation des liaisons phosphodiesters
4. ARN pol. forme un hybride ARN-ADN transitoire dans la région déroulée
5. Derrière l’ARN pol. l’ADN se referme
6. ARN sort du complexe ARN pol. sous forme simple brin (en vert)
Région hybride ARN-ADN
Sens de l’élongation
Brin matriciel
Brin codant
bulle de transcription
SCHÉMA DE L’ÉLONGATION
AU COURS DE LA TRANSCRIPTION
47
Remarque: l’élongation se réalise de la même manière chez les eucaryotes.
 TERMINAISON
La terminaison se produit quand la région hybride ARN-ADN est forcée à se
séparer. Il y a libération de l'ARN polymérase + du brin d’ARN (= le transcrit).
Il existe deux mécanismes
de terminaison.
48
LES MÉCANISMES DE LA TERMINAISON

Deux mécanismes:
 Pour certains gènes, une protéine appelée facteur ρ (rho) est responsable
de la terminaison  Terminaison ρ dépendante
 Pour d'autres gènes, la terminaison ne nécessite pas la participation du
facteur ρ  Terminaison ρ indépendante.
49
 Terminaison ρ-dépendante
Le processus de terminaison nécessite deux sites:
1. Le facteur ρ se lie sur un site qu’il reconnait sur l’ARN puis
se déplace dans la direction de l'ARN polymérase.
2. Sur le site de terminaison, l'ADN code pour une séquence
d'ARN riche en GC. Une structure en épingle à cheveux est
immédiatement formée. Elle se lie rapidement à l'ARN
polymérase provoquant l’arrêt de la synthèse de l'ARN.

Cet arrêt de la synthèse de l'ARN:
 permet au facteur ρ de rattraper la structure en épingle à cheveux et de casser les liaisons
hydrogènes entre l'ADN et l'ARN dans le complexe ouvert. Le facteur ρ est une hélicase qui
sépare les 2 brins hybrides ARN-ADN.
 le brin d'ARN est séparé de l'ADN avec l'ARN polymérase.
50
site de terminaison:
Structure en épingle à cheveux
51
 Terminaison ρ-indépendante

Ne nécessite pas de facteur ρ

Dans ce cas, le terminateur est composé de deux séquences nucléotidiques voisines qui
interagissent avec l'ARN :
1. Une séquence riche en U située à l'extrémité 3ʹ de l'ARN
2. Une séquence qui favorise la formation d'une structure en épingle à
cheveux.
52
53
NB:
Chez E.coli, environ ½ des gènes montrent des terminateurs rho
indépendants et l'autre ½ des terminateurs rho dépendants.
54
B.
LA TRANSCRIPTION CHEZ LES EUCARYOTES
 Les eucaryotes possèdent plusieurs ARN polymérases

ARN pol.I
 transcription des ARNr sauf l’ARNr 5S

ARN pol.II
 transcription des ARNm

ARN pol.III 
transcription des ARNt et de l’ARNr 5S
 Les ARN pol I, II et III ont une structure très semblable et sont formés
de plusieurs sous unités.
55
TRANSCRIPTION CHEZ LES EUCARYOTES
56
PROMOTEUR ET ÉLÉMENTS DE RÉGULATION
Le gène chez les eucarytes est formé:

Promoteur formé par une séquence consensus TATAAA dite TATA box et
du site d’initiation de la transcription.

Éléments de régulation qui sont de courtes séquences d’ADN qui jouent
un rôle dans la reconnaissance du promoteur par l’ARN pol. Il en existe
deux types:
o séquences d’activation qui stimulent la transcription
o Séquences d’ inhibition qui inhibent la transcription
 Ces éléments sont reconnus par des Facteurs de Transcription
(FT).
57
FACTEURS DE TRANSCRIPTION (FT)
 Les ARN pol I, II et III sont incapables de se fixer sur l’ADN en
absence du FT (I, II ou III selon l’ ARN pol considéré).
 Initiation de la transcription se fait grâce à:
ARN pol + FT
 les FTs fixent l’ARN pol sur le promoteur.
La transcription commence par l’assemblage séquentiel des FTs
58
L’ASSEMBLAGE SÉQUENTIEL DU COMPLEXE D’INITIATION
ARN polymérase II
1. Le promoteur (boîte TATA) est reconnu par le
facteur TFIID.
2. L’adjonction successive de TFIIB et TFIIF, sont
nécessaires pour la fixation de la ARN pol.
3. TFIIE et TFIIH s’ajoutent successivement 
initiation de la transcription.
4. TFIIH : activité hélicase dérouler l’ADN au
voisinage du site d’initiation, et une activité
protéine kinase qui, en phosphorylant l’ARN
polymérase, lui permet de se libérer du
complexe d’initiation et d’assurer l’élongation.
59
La terminaison de la transcription
Les mécanismes sont moins bien connus que chez les procaryotes.
Les mécanismes diffèrent d’une ARN pol à une autre.
Pour les gènes transcrits par ARN pol II, l’arrêt de la transcription s’effectue
toujours après un site de polyadénylation.
Arrêt de
la transcription
ADN
ARN
60
LA MATURATION DES ARN MESSAGERS
 Eucaryotes : ARNm = les ARN pré-messagers  maturation fonction
 La maturation des ARN pré-messagers :
 se déroule dans le noyau
et se fait en 3 étapes principales:
1)Mise en place de la coiffe (ou cap)
à l’extrémité 5’,
1)Poly-adénylation en 3’,
2)et excision-épissage.
61
1) Mise en place de la coiffe à l’extrémité 5’
 Elle se produit après le début de transcription.
 C’est l’ajout de 7-méthylguanosine du côté 5’ par une guanyltransférase
(2) suivi de deux étapes de méthylation par des méthyltransférases (3 et
4).
62
 La coiffe a plusieurs fonctions:
a) Définit l’extrémité 5’ du premier intron,
b) Permet un épissage dans de bonnes conditions,
c) Participe au transport des ARNm dans le cytoplasme,
d) Protège les ARNm des nucléases et
e) Intervient dans l’initiation de la traduction
63
2) Poly-adénylation de l’extémité 3’
 une endonucléase coupe la fin de l’ARN à environ une quinzaine de
nucléotides après le signal : AAUAAA .
 Sur l’extrémité 3’OH de cette coupure, une polyA polymérase synthétise 200
à 2000 adénine L’ARN primaire se trouve allongé d’une « queue poly(A) ».
endonucléase
64
 Rôles de la polyadénylation:
1. La migration des ARNm dans le cytoplasme,
2. Protège les ARNm de la dégradation et
3. Contribue à l’initiation de la traduction
65
3) Excision-épissage
•
Les introns sont excisés (coupés) du pré-ARNm (= excision).
•
Les exons sont ensuite liés entre eux bout à bout (= épissage).
Excision
66
67