Le gène, de l'adn aux protéines

Transcription

1 13/10/ Par Claude Sauter Le gène, de l'adn aux protéines La vie d'un gène, de sa duplication à la fabrication d'une protéine pour laquelle il code, est une succession d'étapes cruciales. Ce dossier récapitule simplement tout ce qu'il faut savoir! Page 1/6 - Le gène, de l'adn aux protéines Les gènes, codés par l ADN des chromosomes, constituent la source d information génétique nécessaire au bon fonctionnement des cellules et du corps humain dans son ensemble. Comprendre le codage de l ADN est donc un élément important en médecine. En juin 2000, le président Bill Clinton lançait depuis la Maison Blanche une annonce qui allait révolutionner la biologie et la médecine : la première étape du séquençage du génome humain venait de s'achever, fruit d'une décennie de recherches menées par un consortium international. Pour la première fois, l'ensemble des gènes constituant notre patrimoine génétique devenait accessible. Cette information couvre quelque gènes répartis le long de nos chromosomes. Le message qu'ils portent va servir de mode d'emploi pour fabriquer les protéines qui assurent les différentes tâches nécessaires au bon fonctionnement des cellules de notre corps. La molécule d'adn. Claude Sauter Qu est ce que l ADN? Comment se réplique-t-il? Quel est le message porté par les gènes? Quelles sont les étapes qui permettent de décoder le gène pour synthétiser des molécules capables d agir? Ce dossier retrace les grandes étapes de la vie d'un gène et en présente les principaux acteurs, c'est-à-dire les machineries moléculaires complexes qui interviennent soit dans la transmission de l'information portée par le gène d'une cellule mère à sa descendance, soit lors de l'expression de cette information au cours de la vie cellulaire. Page 2/6 - L'ADN, le support des gènes Page 1 / 8

2 La molécule d'adn, structurée en hélice double brin, constitue le support des gènes, qui ne sont autres que la succession de bases nucléotidiques. L'ADN est composé de quatre types de nucléotides composés chacun d'un groupement phosphate (en rose et rouge), un sucre cyclique (le désoxyribose) et d'une base qui est soit l'adénine (A), la cytidine (C), la guanine (G) ou la thymine (T). Les nucléotides peuvent s'accrocher deux à deux, A avec T et C avec G, pour former les «barreaux» de l'échelle d'adn. Claude Sauter, CC La molécule d'adn est le support de l'information génétique. La molécule d'adn est formée de deux chaînes ou brins. La découverte de cette désormais célèbre architecture en double hélice par James Watson et Francis Crick il y a 60 ans avait marqué le début de la biologie moléculaire. La détermination du message porté par l'adn humain depuis une dizaine d'années constitue une nouvelle révolution en biologie et en médecine. Comprendre le contenu et l'organisation de notre patrimoine génétique et la façon dont il s'exprime, constitue un grand pas en avant dans l'étude du fonctionnement du corps humain, mais aussi de ses dysfonctionnements, et ouvre la porte à une thérapeutique moléculaire plus ciblée. Maillons et chaîne d'adn Un gène est une petite portion, une unité opérationnelle d'information génétique. Celle-ci est stockée dans le noyau des cellules sous forme d'acide désoxyribonucléique ou ADN. Cette molécule en double hélice est formée de deux chaînes constituées toutes deux d'un enchaînement de maillons appelés nucléotides. Ces nucléotides comportent une des quatre bases qui définissent leur nom : l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) ou la thymine (T). C'est l'ordre de ces maillons élémentaires, ou séquences nucléotidiques, le long des chaînes qui détermine le message codé par l'adn. Les deux brins sont maintenus par l'interaction de couples de bases nucléotidiques, A avec T, C avec G. Ainsi la séquence d'un brin est dite complémentaire à celle de l'autre, un A ou un C sur un brin faisant toujours face respectivement à un T ou un G sur l'autre. Page 3/6 - La réplication de l'adn La succession des bases de l'adn doit être recopiée de façon très fidèle lors de la multiplication des cellules, au cours d'un processus nommé «réplication». Page 2 / 8

3 La cellule recopie ses gènes avant de se diviser. Les deux brins sont séparés et chacun est recopié par des enzymes appelées ADN polymérases. Claude Sauter, CC Comment l'adn se réplique? Grâce à la complémentarité des deux brins de l'adn, il est facile pour la cellule de recopier son génome avant de se diviser en deux cellules filles. Pour ce faire, les deux brins de la molécule d'adn sont séparés et chacun sert de modèle pour la formation d'un nouveau brin complémentaire. Cette étape est appelée réplication de l'adn et fait intervenir toute une machinerie cellulaire pour ouvrir l'adn, le dérouler, le recopier, etc. La fabrication des nouveaux brins, appelée synthèse ou polymérisation de l'adn, est assurée par les ADN polymérases. Ces enzymes reconstituent la séquence complémentaire en ajoutant un A en face d'un T, un C en face d'un G, un T en face d'un A, etc. La cellule se retrouve avec deux exemplaires de la molécule de départ qu'elle pourra répartir entre les deux cellules filles en fin de division. La totalité des gènes d'une cellule humaine est répartie sur 46 chromosomes et représenterait, si on les mettait bout à bout, une hélice moléculaire de près de 2 mètres de long. La cellule s'est donc dotée d'adn polymérases très efficaces pour assurer une copie rapide et avec un minimum d'erreurs. Page 4/6 - La transcription de l'adn en ARN Les gènes portés par l'adn vont être codés sous une autre forme : en ARN messager, au cours d'un processus nommé «transcription». Page 3 / 8

4 Les molécules d'adn et d'arn sont chimiquement très proches, mais le second possède un oxygène supplémentaire (en rouge à droite des lettres) sur les sucres (riboses) qui composent ses nucléotides (l'adn contient en réalité du désoxyribose). En outre, la thymine (T) de l'adn est remplacée par l'uracile (U) dans l'arn. Claude Sauter, CC Quand l'adn devient ARN L'information contenue dans les gènes va servir à la fabrication de milliers de protéines qui interviennent dans le fonctionnement de la cellule. La première étape de l'expression d'un gène consiste à recopier son information sous la forme d'une molécule très proche de l'adn, l'acide ribonucléique ou ARN. La principale différence entre ADN et ARN est la présence d'un atome d'oxygène supplémentaire sur chacun des nucléotides de l'arn. Cet ajout apporte une plus grande flexibilité à l'arn, lui permet de se replier sur lui-même pour former des hélices. Grâce à ses propriétés structurales, l'arn adopte des formes très variées et assure une diversité de rôles dans la cellule. L'ADN au contraire est plus statique et stable, et sa fonction essentielle est le stockage d'information sous forme d'hélice double brin. Autre changement : dans l'arn, la thymine (T) est remplacée par l'uracile (U). Page 4 / 8

5 Un des deux brins de l'adn, appelé le brin codant, est recopié par l'arn polymérase sous forme d'arn messager qui transmettra l'information du gène à la machinerie de synthèse protéique. Claude Sauter, CC Lors de la transcription du gène, un des brins d'adn est transcrit en séquence ARN par un complexe d'une douzaine de protéines, l'arn polymérase (lien vers animation). Cette copie, appelée ARN messager (ARNm), est destinée à l'usine de fabrication des protéines et lui fournit la recette (séquence d'assemblage) de la protéine codée par le gène. Page 5/6 - La traduction du gène en protéine Le ribosome, un énorme complexe protéique, réalise la traduction de l'arn messager en protéine, dernière étape phare de la conversion de l'information génétique en outil fonctionnel. Le code génétique permet de coder un triplet de bases (du centre vers l'extérieur) en un acide aminé. DR La lecture du message porté par l'arnm et sa traduction sous forme de protéine sont assurées par le ribosome, une des plus complexes machines cellulaires. Le ribosome est constitué de trois molécules d'arn et de plus d'une cinquantaine de protéines. Son rôle est le décodage d'une information écrite avec quatre lettres A, C, G, T de l'adn, Page 5 / 8

6 puis A, C, G, U de l'arn vers un alphabet à vingt lettres : les vingt acides aminés composant les protéines. Il réalise cette opération en lisant la séquence de l'arn par groupes de trois bases, chaque triplet ou codon indiquant un acide aminé de la séquence de la protéine en cours de fabrication. La correspondance entre codons et acides aminés est définie par le code génétique et s'exprime par l'intermédiaire d'une famille d'arn particuliers, les ARN de transfert (ARNt). Chaque ARNt contient la séquence complémentaire d'un codon, l'anticodon, et porte fixé à son extrémité l'acide aminé correspondant. Ainsi, lorsque le ribosome rencontre un nouveau codon, l'arnt vient s'y fixer par son anticodon et fournit au ribosome le prochain acide aminé à incorporer dans la protéine en cours de fabrication. La traduction de l'arn messager en protéine implique de nombreux acteurs. L'ADN est d'abord transcrit en ARNm par l'arn pol. Le ribosome lit ensuite la séquence de l'arnm, et incorpore les acides aminés (fixés sur les ARNt par les aars) apportés par le facteur EF-Tu. Claude Sauter, CC La traduction, un mécanisme complexe En amont du travail de lecture du ribosome, les acides aminés sont fixés aux «bons» ARNt par une famille d'enzymes, les aminoacyl-arnt synthétases (aars). Une fois chargés, les ARNt sont immédiatement véhiculés jusqu'au ribosome par une autre protéine, le facteur d'élongation (EF-Tu). Ainsi, les ARNt apportent les acides aminés au ribosome dans l'ordre indiqué par la séquence des codons. Une protéine commence toujours de la même façon, l'acide aminé méthionine codée par le codon initiateur AUG. Suivent les autres acides aminés dans l'ordre indiqué par la séquence des codons sur l'arn messager. La synthèse s'achève lorsque le ribosome rencontre un codon «stop» (des codons UAG, UGA ou UAA) qui indique au ribosome qu'il est arrivé à la fin de la séquence de la protéine. Cette dernière est alors libérée pour aller remplir sa fonction biologique dans la cellule. L'ensemble de ce ballet moléculaire se doit, une fois encore, d'être très efficace, un ribosome enfilant les perles de protéine à une cadence de 15 acides aminés par seconde. Page 6/6 - Le contrôle de l'expression génique Page 6 / 8

7 Un grand nombre de processus existent pour contrôler le bon fonctionnement de toute la chaîne de l'expression des gènes, de la réplication, à la synthèse de protéines, en passant par la transcription. Des mutations dans l'adn entraînent la synthèse de protéines non fonctionnelles, voire dangereuses. irh-unicef.fr La cellule est dotée de nombreux systèmes de contrôle, à la fois pour traquer la survenue de mutations qui modifieraient l'information stockée dans l'adn, et pour réguler l'expression des gènes. Elle s'assure ainsi la production de protéines actives en quantités voulues et au moment opportun par un ajustement précis de l'activité des ribosomes et de la synthèse protéique dans son ensemble. De dangereuses mutations En amont, une batterie de protéines a pour rôle de détecter et de corriger toute modification de l'adn qui pourrait être due, par exemple, à une exposition au rayonnement ultraviolet ou à certains composés chimiques. D'autres sont chargées de minimiser les erreurs lors de la duplication de l'adn, de sa transcription en ARN et de la traduction en protéine. Si certaines mutations de l'adn ou erreurs de transcription/traduction sont sans conséquence, d'autres conduisent à la production de protéines inactives et peuvent générer un défaut partiel du fonctionnement de la cellule. Une simple mutation peut aller jusqu'à provoquer la perte de contrôle de l'expression d'un gène ou d'un groupe de gènes, et, dans une situation extrême, le déclenchement de la prolifération cellulaire et l'apparition d'un cancer. Les réseaux de surveillance et de régulation sont donc primordiaux pour assurer le cours normal de la vie cellulaire. Comprendre pour mieux soigner Comme l'illustre cet aperçu de la vie du gène, les retombées du séquençage du génome humain vont bien au-delà de la simple prouesse technologique. Elles apportent aux scientifiques de nouvelles clés pour comprendre le fonctionnement d'une cellule, voire d'un organisme dans son ensemble, l'impact des mutations de l'adn et l'apparition de maladies génétiques. En outre, elles fournissent de nouveaux moyens d'action à travers, par exemple, la thérapie génique qui vise à rétablir une information correcte dans une cellule défectueuse. Les perspectives d'applications biotechnologiques et Page 7 / 8

8 thérapeutiques sont larges, les questions éthiques tout aussi nombreuses, et pourtant, dix ans après l'annonce du président Clinton, nous n'en sommes encore qu'au début de l'exploitation de cette formidable masse de données qui nous éclaire chaque jour d'avantage sur la nature de notre patrimoine génétique. Page 8 / 8