L’information contenue dans l’ADN ne peut être directement utilisée par la cellule : elle doit d’abord être transcrite en ARN messager, puis traduite en protéine selon les règles du code génétique. Ce chapitre décrit les deux grandes étapes de l’expression des gènes, la transcription et la traduction, qui permettent de passer du gène au caractère.
Du gène au caractère : vue d’ensemble
L’expression d’un gène se déroule en deux étapes successives, résumées par le dogme central de la biologie moléculaire : ADN → ARN → protéine. La première étape, la transcription, se déroule dans le noyau et permet de copier l’information d’un gène sous forme d’un ARN messager (ARNm). La seconde étape, la traduction, se déroule dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes, et permet de convertir cette information en une séquence d’acides aminés formant une protéine. C’est finalement la nature et la structure de cette protéine qui déterminent le caractère observable (phénotype).
La transcription : de l’ADN à l’ARN messager
La transcription est la synthèse d’une molécule d’ARN à partir d’un des deux brins de l’ADN, appelé brin transcrit (ou brin matrice). Elle est catalysée par une enzyme, l’ARN polymérase, qui se fixe sur une séquence particulière de l’ADN appelée promoteur, ouvre localement la double hélice, puis synthétise un brin d’ARN complémentaire au brin matrice en respectant la règle de complémentarité (A s’apparie avec U, et non plus T, dans l’ARN ; T s’apparie avec A ; G s’apparie avec C).
Chez les eucaryotes, l’ARN produit directement (ARN pré-messager) contient des séquences non codantes, les introns, qui alternent avec des séquences codantes, les exons. Une étape de maturation (épissage) élimine les introns et raboute les exons entre eux pour former l’ARNm mature, qui migre ensuite du noyau vers le cytoplasme à travers les pores nucléaires.
Le code génétique
L’information portée par l’ARNm est lue par groupes de trois nucléotides consécutifs, appelés codons. Chaque codon correspond à un acide aminé précis, ou à un signal de terminaison : c’est le code génétique. Ce code possède plusieurs propriétés essentielles : il est universel (le même codon code le même acide aminé chez pratiquement tous les êtres vivants, ce qui est le fondement du génie génétique), redondant ou dégénéré (un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons différents), et non chevauchant (la lecture se fait par codons juxtaposés, sans partage de nucléotides). La lecture commence toujours par un codon d’initiation (AUG, codant la méthionine) et se termine par l’un des trois codons stop (UAA, UAG, UGA), qui ne codent aucun acide aminé.
La traduction : de l’ARNm à la protéine
La traduction se déroule au niveau des ribosomes, organites formés de deux sous-unités (ARN ribosomique et protéines). Elle nécessite l’intervention d’ARN de transfert (ARNt), chacun portant à une extrémité un anticodon (triplet complémentaire d’un codon) et à l’autre extrémité l’acide aminé correspondant.
La traduction se déroule en trois phases. L’initiation : le ribosome se fixe sur l’ARNm au niveau du codon AUG, et l’ARNt initiateur porteur de la méthionine s’apparie à ce codon. L’élongation : le ribosome se déplace codon par codon le long de l’ARNm ; à chaque codon, l’ARNt portant l’anticodon complémentaire apporte son acide aminé, qui est relié au précédent par une liaison peptidique, formant progressivement une chaîne polypeptidique. La terminaison : lorsqu’un codon stop se présente, aucun ARNt ne s’y fixe, ce qui provoque la libération de la protéine et la dissociation du ribosome.
Relation entre mutation, protéine et phénotype
Toute modification de la séquence d’un gène (mutation) peut se répercuter sur la séquence de l’ARNm puis sur celle de la protéine. Selon sa position et sa nature, une mutation peut être silencieuse (le codon muté code le même acide aminé, grâce à la dégénérescence du code, et la protéine n’est pas modifiée), faux-sens (le codon muté code un acide aminé différent, ce qui peut modifier la structure et la fonction de la protéine) ou non-sens (le codon muté devient un codon stop, ce qui provoque une protéine tronquée, généralement non fonctionnelle). Ces mutations sont à l’origine de la diversité allélique et peuvent être responsables de maladies génétiques lorsque la protéine affectée est essentielle.
Exercices
Exercice 1 — Définissez les termes suivants : transcription, traduction, codon, anticodon.
Exercice 2 — Le brin transcrit d’un gène a pour séquence : 3′-T A C C C G A T C-5′. Donnez la séquence de l’ARN messager correspondant, en précisant son orientation.
Exercice 3 — Voici un extrait du code génétique : AUG = méthionine (Met), UUU = phénylalanine (Phe), GGC = glycine (Gly), AAA = lysine (Lys), UAA = stop. Un ARNm a pour séquence : 5′-AUG UUU GGC AAA UAA-3′. Donnez la séquence d’acides aminés de la protéine correspondante.
Exercice 4 — Le code génétique est qualifié de « dégénéré » ou « redondant ». Expliquez cette propriété et indiquez l’intérêt biologique qu’elle peut représenter face aux mutations.
Exercice 5 — Une mutation transforme le codon GGC (glycine) en codon GAC (acide aspartique) au sein d’un gène. a) De quel type de mutation s’agit-il (silencieuse, faux-sens, non-sens) ? Justifiez. b) Quelles peuvent être les conséquences possibles sur la protéine et sur le phénotype ?
Exercice 6 — Chez les eucaryotes, l’ARN pré-messager subit une maturation avant de quitter le noyau. a) Quelles sont les principales étapes de cette maturation ? b) Un gène contient 3 exons et 2 introns. Sachant que l’ARN pré-messager mesure 2100 nucléotides et que les deux introns mesurent respectivement 400 et 300 nucléotides, calculez la longueur de l’ARNm mature.
Exercice 7 — On étudie un gène dont le brin transcrit comporte, dans sa partie codante et lu de 3′ vers 5′, la séquence suivante : 3′-TAC GTT CGA ATT ACT-5′. On donne : AUG = méthionine (codon start), CAA = glutamine, GCU = alanine, UAA et UGA = codons stop. a) Déterminez la séquence de l’ARN messager correspondant, orientée 5’→3′. b) Découpez cette séquence en codons et déduisez la séquence en acides aminés de la protéine synthétisée. c) Une mutation par délétion du premier nucléotide du brin transcrit (perte du T situé à l’extrémité 3′) se produit. Quel est le nom de ce type de mutation, et quelle est sa conséquence probable sur la suite du message génétique en aval du point de mutation ?
Corrigés
Corrigé 1 — Transcription : synthèse d’une molécule d’ARN messager à partir d’un brin d’ADN matrice, catalysée par l’ARN polymérase, dans le noyau. Traduction : synthèse d’une protéine à partir de la séquence d’un ARN messager, réalisée par les ribosomes dans le cytoplasme. Codon : triplet de trois nucléotides consécutifs de l’ARNm codant un acide aminé (ou un signal stop). Anticodon : triplet de nucléotides porté par un ARN de transfert, complémentaire d’un codon de l’ARNm.
Corrigé 2 — La transcription produit un ARN complémentaire et antiparallèle au brin matrice, avec U à la place de T. Brin transcrit (3’→5′) : T A C C C G A T C. Complément ARN correspondant : A U G G G C U A G. Comme la synthèse de l’ARN est antiparallèle au brin matrice, cette séquence, obtenue base par base dans le même ordre de lecture, est déjà orientée 5’→3′ : ARNm = 5′-A U G G G C U A G-3′.
Corrigé 3 — En découpant l’ARNm en codons : AUG – UUU – GGC – AAA – UAA, soit Met – Phe – Gly – Lys – stop. La protéine obtenue est donc une chaîne de 4 acides aminés : méthionine – phénylalanine – glycine – lysine (la traduction s’arrête au codon stop UAA, qui n’est pas traduit en acide aminé).
Corrigé 4 — Le code génétique est dit dégénéré car un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons différents (par exemple, GGU, GGC, GGA et GGG codent tous la glycine) ; ces codons synonymes diffèrent souvent uniquement par leur troisième nucléotide. Intérêt biologique : cette redondance limite l’impact de certaines mutations ponctuelles, notamment celles touchant la troisième base d’un codon : le codon muté peut alors coder le même acide aminé (mutation silencieuse), et la protéine produite reste inchangée, ce qui constitue une forme de protection contre les mutations.
Corrigé 5 — a) Il s’agit d’une mutation faux-sens : le codon muté (GAC) code un acide aminé différent (acide aspartique) de l’acide aminé initial (glycine) ; ce n’est ni une mutation silencieuse (l’acide aminé change) ni une mutation non-sens (GAC n’est pas un codon stop). b) Le remplacement de la glycine par l’acide aspartique modifie la composition de la chaîne polypeptidique en cette position. Selon l’importance de cette position pour la structure tridimensionnelle et la fonction de la protéine, la conséquence peut être neutre (protéine toujours fonctionnelle), ou au contraire altérer le repliement, la stabilité ou l’activité de la protéine, ce qui peut modifier le phénotype et être à l’origine d’une maladie génétique si la protéine est essentielle.
Corrigé 6 — a) La maturation de l’ARN pré-messager comprend principalement l’excision des introns (par le complexe appelé spliceosome) et le raboutage (la ligature) des exons entre eux ; elle s’accompagne également, chez les eucaryotes, de l’ajout d’une coiffe à l’extrémité 5′ et d’une queue poly-A à l’extrémité 3′ de l’ARNm. b) Longueur de l’ARNm mature = longueur du pré-ARNm − longueur des introns retirés = 2100 − (400 + 300) = 2100 − 700 = 1400 nucléotides.
Corrigé 7 — a) L’ARNm, complémentaire et antiparallèle au brin transcrit (3′-TAC GTT CGA ATT ACT-5′), obtenu base par base (A↔U, T↔A, G↔C, C↔G) dans le même ordre de lecture, est : 5′-AUG CAA GCU UAA UGA-3′. b) En découpant en codons : AUG – CAA – GCU – UAA – UGA, soit Met – Gln – Ala – stop. La traduction s’arrête au codon stop UAA : la protéine synthétisée est donc une chaîne de 3 acides aminés (méthionine – glutamine – alanine), et le codon UGA situé en aval n’est jamais traduit. c) La délétion d’un nucléotide entraîne un décalage du cadre de lecture (mutation par décalage du cadre de lecture, ou frameshift) : à partir du point de mutation, tous les groupements de trois nucléotides sont reformés différemment, ce qui change en cascade la totalité des codons situés en aval. Cela modifie profondément la suite des acides aminés traduits et peut faire apparaître un codon stop prématuré ou faire disparaître le codon stop initial, produisant le plus souvent une protéine non fonctionnelle.
