PARTIE 2. EXPRESSION DE L`INFORMATION GENETIQUE A

PARTIE 2. EXPRESSION DE L’INFORMATION GENETIQUE
Introduction :
On a montré que l’ADN est le support de l’information génétique, on a montré sa capacité à se répliquer,
et ses propriétés de stabilité, ses propriétés à maintenir une information constante de génération en
génération.
Il est le support de l’info génétique : la synthèse d’une protéine se fait à partir de l’information contenue
dans un gène. Comment se déroule la synthèse des protéines ? Quels sont les mécanismes
moléculaires de la transcription et de la traduction ? Ces deux étapes mettent en place la succession
des aa dans la protéine (structure I) or on a montré l’importance des structures II, III voire IV, comment
les protéines deviennent-elles fonctionnelles après la traduction ? Comment la quantité de protéines
synthétisées est-elle ajustée aux besoins de la cellule : quels sont les processus de contrôle de
l’expression de l’information génétique ?
On utilisera des exemples pris chez les Procaryotes et les Eucaryotes
I. LA TRANSCRIPTION : SYNTHESE ET MATURATION DES ARN
A. Quelques données expérimentales sur le rôle de l’ARN
1) Les ARN sont synthétisés à partir d’une matrice d’ADN
Le phage T2 est un virus à ADN, il y a synthèse d’ARN. Question est-il complémentaire de l’ADN ?
Expérience de Spiegelman 1961.
- Marquage des molécules : ARNm du T2 marqué au 32P, ADN duT2 au 3H.
- Dénaturation : un mélange ADN/ARN est chauffé, à 100° environ, ce qui provoque la séparation
des deux brins d’ADN. Puis le mélange est refroidi lentement.
- ultracentrifugation sur gradient de densité (chlorure de Césium) afin de séparer les molécules.
Résultats : 3 bandes de radioactivité. (Stryer p95)
Interprétation : La bande intermédiaire correspond à un hybride ADN/ARN. La séquence de l’ARNm est
complémentaire de celle d’un des brins d’ADN. L’ARN est donc transcrit à partir d’une matrice ADN.
Remarque : l’ARNm viral ne s’hybride pas avec d’autre catégories d’ADN (bactérien ou autres virus), ce
qui montre la spécificité de la complémentarité entre un ADN et son ARNm.
Les ARN sont synthétisés par des ARN polymérases :
- à partir d’une matrice ADN
- avec des précurseurs ribonucléotides triP ATP, GTP, UTP, CTP
- des ions métalliques divalents (Mg2+)
Transcription : synthèse d’une copie ARN à partir de l’ADN (étape commune pour les ARNm, ARNt,
ARNr)
Traduction : synthèse d’un polypeptide à partir de la matrice de l’ARNm, nécessite aussi les ARNr et
ARNr.
Chez les Procaryotes, la transcription et la traduction se fait selon une même unité de temps et
d’espaces. D’ailleurs, la traduction débute alors que la transcription n’est pas achevée. (MET E. coli)
Chez les Eucaryotes il y a une séparation des étapes dans le temps et l’espace : Les ARN sont
synthétisés dans le noyau puis exportés dans le cytoplasme où a lieu la traduction.
B. La synthèse des ARN chez les Procaryotes : étape de transcription
1) L’ARN polymérase de E. coli
Chez les Procaryotes, une seule enzyme catalyse la synthèse de tous les types d’ARN (r, t, m). L’ARN
polymérase est un complexe à plusieurs sous unités (450kD). On compte 4 types de sous unités, mais
on distingue 2 formes de l’enzymes (tab stryer p704) :
- l’holoenzyme 2’, la sous unité  peut se dissocier du complexe on a alors :
- l’enzyme cœur 2’ contient les sites catalytiques
3’
3’
3’
5’
5’
5’
ADN brin transcrit
ADN brin codant
ARNm
A T G G C T A G
U A C C G A U C
T A C C G A T C

L’holoenzyme est nécessaire pour initier la transcription, l’enzyme cœur peut poursuivre une
transcription déjà entamée.
2) L’initiation de la transcription
Alberts p307 L’initiation nécessite des séquences promoteurs ; ce sont des séquences dites Cis situés
en amont du gène sur la molécule d’ADN. Ces séquences permettent la reconnaissance du complexe
enzymatique.
CIS : séquence d'ADN qui n'est pas transcrite mais qui fonctionne exclusivement in situ sous la forme
d'une séquence d'ADN, en contôlant l’expression de gènes situés sur le même chromosome (même
molécule d’ADN).
Rmq : sur le brin codant de l’ADN, le 1er nucléotide du gène est numéroté +1. Les séquences en amont
(du côté 5’) sont numérotées en négatif.
De nombreuses séquences promotrices ont été comparées pour de nombreux gènes : on a pu
construire une séquence consensus, issue de cette comparaison. Deux zones sont apparues
particulièrement importantes :
- La séquence autour du nucléotide -10 (région -10)
- La séquence autour du nucléotide -35 (région -35)
Mais tous les promoteurs ne sont pas strictement identiques :
- certains sont dits forts, la transcription y est forte (toutes les 2s environ)
- certains sont dits faibles, la transcription y est moins élevée (toutes les 10 min environ)
Si la séquence des régions promoteurs est modifiée alors le niveau de transcription est modifié (cf.
document véto partie 1)
C’est au stade de l’initiation que la sous unité  joue tout son rôle : elle permet la reconnaissance des
séquences promoteurs ainsi que la fixation sur ces séquences. L’holoenzyme se fixe sur l’ADN (double
brin) et se déplace le long de la molécule jusqu’à rencontrer un promoteur. Là elle se fixe (grâce à ) de
façon lâche sur les régions -35 et -10 : c’est le complexe promoteur fermé. Puis elle se fixe de façon plus
étroite à l’ADN, parallèlement, elle sépare les deux brins à proximité de la zone -10. L’ARN pol ouvre
environ 2 tours d’hélice : en effet, un seul des deux brins sert de matrice, les liaisons entre bases sont
rompues. C’est maintenant le complexe promoteur ouvert. On peut noter que le superenroulement
négatif favorise l’ouverture de la double hélice (il équivaut à des tours d’hélice en moins).
La synthèse de l’ARN peut commencer, il n’y a pas d’amorce contrairement à la synthèse d’ADN : l’ARN
pol peut commencer sa synthèse de novo.
3) L’élongation de la transcription
L’élongation se fait aussi toujours dans le sens 5’3’ Stryer p709. Là aussi un nucléotide libre avec 3’
phosphate est apporté, l’enzyme catalyse la formation de la liaison phosphodiester avec l’extrémité 5’OH
du nucléotide précédent. La rupture de la liaison entre les phosphates libère l’énergie nécessaire à la
mise en place de la liaison phosphodiester du polymère. C’est la sous unité  qui catalyse la formation
de cette liaison.
La synthèse se fait grâce au brin transcrit qui sert de matrice : l’ARN pol ajoute les nucléotides
complémentaires (complémentarité des bases encore), et réalise donc une copie à la séquence
identique (aux erreurs près). Le brin matrice est donc lu dans le sens 3’  5’.
La lecture et la synthèse se déroulent dans une bulle de transcription : une zone où les deux brins
d’ADN sont séparés. L’ARN forme un hybride avec l’ADN sur une longueur constante (environ 12pb).
sous unité nombre masse (kd) rôle
 2 37 mal connu
 1 151 forme les liaisons phosphodiester
’ 1 155 se fixe sur l’ADN matrice
 1 50 reconnaît le site promoteur et initie la synthèse
TTGACAT
Région -35
5’
TATAAT
Région -10
+1
promoteur
3’

L’ARN se détache progressivement avec la progression de l’élongation. La bulle se déplace tout comme
l’enzyme au fur et à mesure de l’élongation. La double hélice s’ouvre en avant et se réenroule à l’arrière.
Après environ 10 nucléotides ajoutés, la sous unité  se détache, seule l’enzyme cœur poursuit
l’élongation. La fixation est alors plus importante sur l’ADN.
La vitesse de fonctionnement est de 50 nucléotides/seconde.
L’ARN pol n’a pas d’activité exonucléase : elle ne peut donc pas corriger d’éventuelles erreurs (comme
le fait l’ADN pol III). La fidélité de la transcription est un peu moindre que celle de la réplication. 10-4 par
gène environ mais cette copie est transitoire et il y a toujours de nombreuses copies des ARNm ou
ARNr ou ARNt.
La transcription produit la plupart du temps des ARNm polycistroniques, qui comportent la copie de
plusieurs gènes :
4) La terminaison de la transcription
Il existe aussi des signaux de terminaison qui entraîne l’arrêt de la polymérisation, la dissociation de
l’hybride ARN-ADN ainsi que la libération de l’enzyme et la fermeture de la bulle.
- Les séquences de terminaison comportent environ 40pb, riches en bases G et C puis une
séquence riche en A (brin matrice). La séquence riche en GC est telle que l’ARN peut
s’autoapparier. L’ARN forme un épingle à cheveux, double brin. Comme elle contient beaucoup
de G et C (3 liaisons) l’épingle est stable. Puis il y a la zone avec des A associés avec des U,
l’interaction ARN – ADN est plus faible, ce qui facilite le détachement de l’ARN. Ainsi : l’ARN
polymérase ralentit lorsque se forme l’épingle à cheveux, puis la zone avec A-U tend à séparer
l’ADN de l’ARN. Puis l’enzyme aussi se détache, le complexe ADN – enzyme est rompu.
- Il existe aussi un facteur protéique qui favorise la terminaison : le facteur  (rho). Il s’agit d’un
hexamère : 6 sous unités identiques. Il est capable d’hydrolyser l’ATP. Il peut se fixer sur l’ARN
simple brin (au niveau de séquences spécifiques) puis il se déplace le long de l’ARN grâce à
l’hydrolyse de l’ATP. Ainsi il finit par rencontrer l’enzyme ARN pol et par provoquer la séparation
entre l’enzyme et l’ARN.
Apparemment, les deux systèmes existent séparément : certains gènes sont associés au système
épingle à cheveu d’autre au système rho.
La sous unité  se réassocie avec l’enzyme cœur, l’holoenzyme part à la recherche d’un nouveau
promoteur.
Chez les Procaryotes, l’ARNm subit peu ou pas de modifications, d’ailleurs la traduction commence
alors même que la transcription n’est pas achevée. Les ARNm sont le plus souvent polycistroniques : ils
comportent la séquence de plusieurs gènes adjacents.
Par contre les ARN m d’Eucaryotes subissent une maturation.
C. Synthèse des ARN et maturation de l’ARN messager chez les Eucaryotes
Chez les Eucaryotes, il existe 3 types d’ARN polymérases :
- L’ARN pol I est située dans le nucléole, permet la synthèse des ARNr 18S, 5.8S et 28S
- L’ARN pol II est située dans le nucléoplasme, permet la synthèse des ARNm. Notons que les
ARNm sont monocistroniques : correspondent à un gène.
- L’ARN pol III est située dans le nucléoplasme, permet la synthèse des ARNt et de l’ARNr 5S.
On ne détaillera pas la structure des ARN pol eucaryotes.
Les caractéristiques de l’élongation sont assez similaires à celles des Procaryotes : pas d’amorce,
élongation 5’3’, pas d’activité exonucléase.
L’initiation est assez différente, chez les Eucaryotes, l’initiation et la régulation de la transcription sont
très liées. On reviendra sur le complexe d’initiation lors de la régulation. Voyons ici un peu, l’organisation
des promoteurs eucaryotes

Ces séquences promoteurs (séquences en Cis) ne sont pas reconnues par l’ARN pol elle-même, mais
par des protéines TF (Transcription Factors), ce sont les facteurs de transcription généraux
(indispensables à toute transcription), qu’on peut qualifier de facteurs Trans. Pour l’ARN pol II il y a par
exemple TFII A, B, C, D, E, et F. TF II D se fixe le premier en reconnaissant les séquences puis les
autres arrivent, en coopération avec TBP (TATA Binding Protein).
La fixation de tous ces facteurs de transcription permet la fixation de l’ARN pol II. C’est le complexe
d’initiation de la transcription. En qq sorte, le minimum vital, mais si il est seul le niveau de transcription
reste assez faible : de nombreuses autres molécules interviennent … mais on rentre dans le contrôle…
On ne parlera pas de terminaison, on va par contre préciser les mécanismes de maturation des ARNm.
En effet, l’ARNm (ou plutôt le transcrit primaire) subit des modifications dans le noyau avant d’être
exporté vers le cytoplasme.
- une méthyl guanosine tri phosphate est ajoutée à l’extrémité 5’, ce qui forme la coiffe (guanyl
transférase). L’ajout de la coiffe se fait au cours de la transcription. Apparemment, la coiffe
semble protéger l’ARNm contre la dégradation des nucléases.
- Une queue poly A est ajoutée à l’extrémité 3’. En fait une endonucléase coupe un fragment
proche de l’extrémité 3’. Puis une poly A polymérase ajoute entre 150 et 200 résidus A.
On obtient alors l’ARN primaire ou ARN prémessager. Ensuite, vient un étape très importante : celle de
l’épissage. D’abord, il faut comprendre la structure morcelée des gènes eucaryotes. La micrographie
(TD p80) montre une expérience d’hybridation entre un ARNm mature et la séquence correspondante de
l’ADN. L’ARNm mature est plus court, et certaines portions de l’ADN ne s’hybrident pas avec l’ARNm.
Elles ont été retirées lors du processus de maturation.
On distingue ainsi : les exons, les régions effectivement codantes qui sont maintenues dans l’ARNm et
les introns qui ne sont pas des zones codantes. L’épissage consiste à retirer les introns et à ne
conserver que les exons. L’épissage a lieu dans le noyau après la fin de la transcription.
Le mécanisme de détail n’est pas à connaître mais voyons le principe. Le complexe enzymatique
responsable de l’épissage comprend des protéines et une classe particulière de petits ARN nucléaires
snARN. L’ensemble s’appelle spliceosome Alberts p318.
- Les petits ARN reconnaissent des séquences particulières à la jonction des introns et des exons, en
fait ils sont complémentaires des ces séquences. Stryer p722
- Ensuite, le spliceosome réalise un clivage à la jonction intron – exon (côté 5’)
- L’extrémité libre de l’intron forme une liaison avec un nucléotide A particulier (site de branchement) : on
obtient un intermédiaire en lasso
- L’autre extrémité de l’intron est clivée.
- Les deux extrémités libres des exons sont raboutées.
Rmq : chez les unicellulaires, on a trouvé des systèmes d’autoépissage : les ARN prémessagers
catalysent leur propre épissage. Seul cas où la catalyse n’est pas réalisé par des protéines.
Bilan des modifications de la maturation d’un ARNm : Exemple de l’ovalbumine (Griffiths p309).
Brin codant
5’
TATAAA
Boîte TATA
entre -100 et -30
+1
3’
-150
-40
GC
CAAT
Position en amont du gène
mais sur le brin transcrit ou
sur le brin codant
-90
-25

Une des conséquences du phénomène d’épissage : l’épissage alternatif. A partir d’un gène morcelé
d’Eucaryote (ou gène mosaïque), on peut produire différents ARNm matures comportant différentes
combinaisons d’exons. Et par conséquent, autant de protéines différentes. Par exemple, le gène de la
protéine  tropomyosine du Rat. C’est une protéine du cytosquelette des muscles ou d’autres cellules.
Mais les ARNm sont différents selon le type de muscle (lisse ou strié) et dans les fibroblastes ou le
cerveau. Chacun correspond à une combinaison d’exons particulière. Une modalité de régulation de
l’expression de l’information génétique chez les Eucaryotes Alberts p 319
L’ARNm mature est enfin exporté vers le cytoplasme via les pores nucléaires. Rappel de la structure
d’un pore nucléaire Alberts p315.
D. Maturation des ARN de transfert et des ARN ribosomiaux
1) Modifications chimiques et structure III des ARNt
Ces modifications concernent les ARNt procaryotes et eucaryotes, dont les organisations sont proches.
Les ARNt sont des ARN contenant entre 70 et 90 nucléotides. Il existe à peu près autant d’ARNt que
d’acides aminés. Chez les Procaryotes comme les Eucaryotes, les gènes d’ARNt forment des
séquences alignées en tandem. Chez l’Homme, on connaît une 50aine de sites chromosomiques des
gènes d’ARNt portant chacun 10 à 100 copies. La plupart du temps, un long précurseur ARN contenant
plusieurs gènes est synthétisé (ARN polycistronique). Puis ce précurseur est clivé par une ribonucléase.
Rappel de la structure d’un ARNt. Ils subissent des modifications chimiques :
- Certaines bases sont méthylées ou au contraire déméthylées. Il y a aussi des bases très
modifiées (atypiques) par exemple  dont on ne détaillera pas la structure.
- Les précurseurs d’ARNt subissent des clivages : des fragments sont retirés par exemple au
niveau de la boucle anticodon.
- L’extrémité 3’ est toujours identique CCA –OH, ces 3 nucléotides sont ajoutés après la
transcription. C’est l’endroit où sera attaché l’acide aminé.
Il y a aussi l’acquisition d’une structure 3D.
- Une bonne partie des bases sont appariées, formant 3 épingles à cheveux (structure en feuille
de trèfle). Sauf au niveau de 3 boucles, dont la boucle anticodon ainsi que la partie CCA en 3’.
On peut parler de structure II.
- Mais il y a aussi une structure III : les branches se replient, l’ARNt acquiert une forme en L. Des
interactions hydrophobes stabilisent cette structure. On remarque que l’extrémité CCA 3’ est à
l’opposé de la boucle anticodon.
Enfin, il y a activation de l’ARNt, c’est-à-dire association entre l’ARNt et son acide aminé. Ce processus
implique la reconnaissance de l’acide aminé correspondant à l’anticodon de l’ARNt. L’activation est
réalisée par l’aminoacyl ARNt synthétase. Cette enzyme catalyse la formation de la liaison covalente
entre l’ARNt et son acide aminé. Il existe une vingtaine d’enzymes, spécifiques de chaque couple ARNt–
aa. Alberts p339.
1ère étape : l’acide aminé réagit avec un ATP au niveau de son groupement COOH. Stockage d’énergie.
2ème étape : Liaison entre le COOH de l’aa et l’extrémité 3’OH de l’ARNt. La rupture de la liaison ATP –
aa fournit l’énergie pour la liaison aa-ARNt.
Il s’agit d’une étape cruciale : c’est la véritable association anticodon – aa. C’est d’ailleurs une
association très fidèle grâce aux propriétés de l’enzyme, qui possède Alberts p341 :
- un site de reconnaissance de l’anticodon
- un site de reconnaissance de l’aa
- le site catalytique où se réalise la liaison mais aussi
- un site de vérification – correction : la liaison est hydrolysée si l’aa est trop encombrant ou pas
assez… elle vérifie la nature de l’aa grâce principalement à des interactions faibles.
2) Assemblage protéines ARNr dans les ribosomes
80 à 90% des ARN synthétisés sont en fait des ARNr.
Chez les Eucaryotes, les gènes d’ARNr forment des familles répétées en tandem dans une région
appelée l’organisateur nucléolaire (ON). L’ON des chromosomes X et Y de la Droso contient
respectivement 250 et 150 copies en tandem des gènes d’ARNr. Ainsi, grâce à ces nombreuses copies,
ARNt1
ARNt2
ARNt3
ARNt4
ARNt5
Etc…