Thème I-A : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

Thème I : La Terre dans l'Univers, la vie et l'évolution du vivant

Partie A : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

Chapitre 3 (SUITE) : L’expression de l’information génétique.

3/ Du génotype au phénotype : du gène aux caractères.

En génétique, le génotype d'un individu correspond à la composition allélique de tous les gènes de cet individu.

Le phénotype est l'ensemble des caractères observables d'un individu. 

Très souvent, l'usage de ces termes est plus restrictif : le phénotype est par exemple considéré au niveau d'un seul caractère, à l'échelle cellulaire ou encore moléculaire.

a- Les différents niveaux du phénotype

Un gène code une ou plusieurs protéines. L’expression du génotype se traduit donc en premier lieu par un phénotype moléculaire. Le fonctionnement, ou dysfonctionnement dans le cas de mutation, de ces protéines induisent un phénotype cellulaire, lui même responsable d’un phénotype à plus grande échelle (organe, organisme entier) : le phénotype macroscopique. 

Le phénotype macroscopique dépend donc du phénotype cellulaire, lui-même induit par le phénotype moléculaire.

b- Les contrôles du phénotype

L’ensemble des protéines qui se trouvent dans une cellule (phénotype moléculaire) dépend du patrimoine génétique, c’est à dire du génome de la cellule. Une mutation allélique peut être à l’origine d’une protéine différente ou de l’absence d’une protéine et être à l’origine d’une maladie génétique.

Exemples de Xeroderma pigmentosum, de la Drépanocytose

Toutes les cellules d’un organisme possèdent les mêmes gènes mais pas forcément les mêmes protéines. 

Une partie des gènes est exprimée en permanence (l’expression constitutive), par exemple les gènes du HLA, des histones,…

Une autre partie est exprimée selon la cellule spécialisée (expression inductible) sous l’influence des facteurs internes (facteurs de croissance : EPO) et/ou de facteurs externes (disponibilité en nutriments ou dioxygène) capables de fixer sur l’ADN des protéines activatrices (activateurs, ex. CAP) ou inhibitrices (répresseurs) de son expression, appelées facteurs de transcription.

d'après http://raymond.rodriguez1.free.fr/

La différentiation cellulaire et le métabolisme cellulaire liés à l’expression des gènes est par conséquent finement régulée, dans l’espace et dans le temps, en fonction des besoins de l’organisme.

La différentiation cellulaire

D’autre part, les paramètres environnementaux (concentration en oxygène pour HbS, température pour les protéines enzymatiques,…) modifient les propriétés physico-chimiques des protéines et donc le phénotype.

Thème I-A (Chap.3) : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

Thème I : La Terre dans l'Univers, la vie et l'évolution du vivant

Partie A : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

Chapitre 3 : L’expression de l’information génétique

Quelle est l’origine des protéines? Comment l’information génétique est-elle codée?  Comment l’information génétique est traduite en protéine?

1/ Les relations « gène-protéine »

a- Les protéines : macromolécules nécessaires à la cellule.

Les protéines sont constituées d’une ou plusieurs chaines polypeptidiques. Un polypeptide est une chaîne d’acides aminés, petites molécules reliées entre elles par des liaisons fortes covalentes : la liaison peptidique. Il existe 20 acides aminés, ils sont les briques élémentaires des protéines.  

La géométrie complexe en 3D (replis, enroulement,…) de ces chaînes polypeptidiques confèrent des propriétés particulières aux protéines.  

On distinguent :

- des protéines de structure (histones dans les chromosomes, fuseau de division,…)

- des protéines de communication (neurotransmetteurs, hormones (insuline),…)

- des protéines de transport (hémoglobine qui transporte le dioxygène,…)

- des protéines enzymatiques (ADN polymérase, hélicase,…)

b- Un gène, une protéine

Des expériences historiques ont montré le lien entre mutation d’un gène et dysfonctionnement d’une protéine :

En 1941, G. Beadle et E. Tatum isolent trois souches mutantes à partir d’une souche sauvage d’un champignon Neurospora crassa normalement capable de synthétiser la tryptophane. Ces souches mutées sur trois gènes distincts sont incapables de synthétiser la tryptophane. La molécule qu’il faut ajouter aux souches mutées pour qu’elles synthétisent le tryptophane est justement celle qu’elles sont incapables de synthétiser. Ces résultats indiquent que la protéine enzymatique est inactive.

En 1963, C. Yanofsky montre la colinéarité entre les mutations du gène à l’origine de la Tryptophane synthase et les anomalies en acides aminés sur cette même enzyme.

Ces résultats se résume par « un gène (une séquence de nucléotides ATGC) code une protéine (une séquence d’acides aminés) ».

c- Le lien entre ADN nucléaire et protéines cellulaires

L’information génétique est dans le noyau, alors que les protéines sont synthétisées dans le cytoplasme de la cellule. Or, l’ADN ne quitte jamais le noyau.

La synthèse des protéines est dirigée par une molécule proche de l’ADN, l’Acide Ribo-Nucléique ( ou ARN) qui est complémentaire du brin d’ADN codant. 

Cet ARN est synthétisé dans le noyau, puis exporté dans le cytoplasme à travers des pores situés sur l’enveloppe nucléaire : il est nommé ARN messager (ARNm) 

Comparaison ARN / ADN

L’ARN est un acide nucléique semblable à l’ADN mais dont le sucre désoxyribose est remplacé par du ribose. De plus, le nucléotide Thymine n’est pas présent dans l’ARN, il est remplacé par le nucléotide Uracile, noté U et complémentaire de A.

d- Le code génétique : système de correspondance entre nucléotides et acides aminés

D’autres expériences historiques, mettant en contact des polymères de longueurs variable s d’un seul type de nucléotide (par ex. U, UU, UUU, UUUU, UUUUUU,…) avec un mélange de 20 acides aminés, ont démontré que l’information génétique est codé en triplet de nucléotides (codon).

Correspondances de poly-U, poly-A, poly-G et poly-C avec le logiciel Anagène.

Un codon correspond à un des 20 acides aminés. Le code génétique est le système de correspondance entre 3 nucléotides et un acide aminé. Comme il existe 4 nucléotides (A,U,G et C), il existe 4³ soit 64 codons pour coder 20 acides aminés. Donc un acide aminé peut être codé par plusieurs codons, le code est donc redondant (ou dégénéré). Par contre, un codon code pour un seul acide aminé, le code génétique est aussi univoque.

Trois codons ne codent pour aucun acide aminé : les « codons-stop » UAA, UAG et UGA.

L’ARNm codant pour la protéine commence toujours par le codon AUG : le « codon initiateur ». Il se traduit par une méthyonine (Met) au début de la chaine polypeptidique.

Le code génétique est universel (sauf quelques exceptions) ; ceci traduit une origine commune pour tous les êtres vivants.

2/ Du gène aux protéines : 3 grandes étapes

a- La synthèse de l’ARN pré-messager : la transcription

L’ARN est une copie de l’ADN, il est capable de quitter le noyau. Il est synthétisé dans le noyau : cette étape se nomme la transcription.

Electronographie (MET) de la Transcription

La transcription nécessite l’action d’une enzyme, ARN polymérase :

L’initiation :  Une ARN polymérase se fixe à l’ADN à un promoteur au début de la séquence (gène) à transcrire. Elle déroule et sépare les deux brins d’ADN.

L’élongation :  Elle synthétise un ARN à partir d’un seul des deux brins de l’ADN, appelé le brin transcrit (ou brin non codant). Elle associe successivement des nucléotides libres en suivant la complémentarité A-U et G-C avec le brin transcrit.

La terminaison : L’ARN polymérase finalise la transcription et se détache de l’ADN au niveau d’un site de terminaison après avoir assemblé un dernier triplet appelé « codon-stop ».

L’ARN formé est identique au brin non transcrit (ou brin codant) sauf pour les nucléotides T remplacés par U.

ANIMATION :

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MODELISATION 3D :

Avant de quitter le noyau vers le cytoplasme, les ARN néoformés, appelés ARN pré-messagers, subissent une maturation en ARN messagers.

b- La maturation de l’ARN messager : l’épissage

La comparaison d’un ARN messager (ARNm) avec un ADN codant montre que une différence de taille, en nombre de nucléotides. Un gène est en moyenne 5 fois plus long qu’un ARNm correspondant. L’ARN prémessager subit donc une maturation appelée épissage.

Un ARN pré-messager est constitué de tronçons qui ne serviront pas à la synthèse de la protéine (les introns), alternant avec des tronçons codant la chaîne polypeptidique (les exons).

- Dans le cas d’un épissage simple, la maturation consiste à supprimer les introns et à conserver tous les exons qui collés bout à bout constituent l’ARN messager final.

MODELISATION 3D :

- Il existe un épissage alternatif qui permet de combiner qu’une partie des exons d’un même gène, générant ainsi une diversité d’ARNm et donc de protéines, en fonction du contexte cellulaire. Il concerne 60% de nos 23 000 gènes et permet d’expliquer la richesse du protéome humain (10⁵ à 10⁶ protéines). Ainsi, l’expression « un gène, une protéine » n’est actuellement plus valable. 

c- La synthèse d’une protéine : la traduction

La synthèse des protéines se situe dans le cytoplasme au niveau de structures appelées ribosomes. Le ribosome est une molécule complexe constituée d’une petite sous-unité capable de se fixer à l’ARNm et d’une grosse sous-unité capable d’assembler des acides aminés selon la séquence AUGC : c’est la traduction.

1- Elle commence toujours par le codon initiateur AUG codant pour la méthionine.

2- Le ribosome se décale ensuite de codon en codon pour assembler par une liaison peptidique les acides aminés correspondants : c’est l’élongation.

3- Cette phase se termine par la lecture d’un « codon-stop » par le ribosome qui se dissocie alors et libère la protéine encore immature.

4- La protéine subit enfin la suppression de la méthionine initiale et l’acquisition de sa géométrie 3D nécessaire à son bon fonctionnement.

ANIMATION :

MODELISATION 3D :

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Chapitre 3 : L’expression de l’information génétique

Schéma-bilan