DU GÈNE À LA PROTÉINE

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1 1 DU GÈNE À LA PROTÉINE 1. Le génome et la notion de gène: Génome: ensemble du matériel génétique d'un individu. = patrimoine héréditaire Gène: région d'un brin d'adn dont la séquence code l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine. Les gènes sont les sous-unités fonctionnelles de l'hérédité. La revue Nature dans son numéro du 21 octobre 2004 annonce que "le séquençage du génome humain est presque terminé". Le génome humain, selon l International Human Genome Sequencing Consoritum (IHGSC), compterait non pas 30'000 gènes (annonce de 2001) mais entre 20'000 et 25'000. Le génome des cellules eucaryotes semble contenir un large excès d'adn. Chez les mammifères, moins de 10% du génome serait utile à l'expression en protéine ou à la régulation de cette expression. Le génome est constitué par 3 types d'adn différents: 1. ADN "à copie localisée": environ 75% du génome, est formé de gènes présents en un seul exemplaire ou en un nombre limité de copies. 2. ADN répétitif et dispersé: environ 15% du génome, est caractérisé par de courtes séquences nucléotidiques (6 à 10 paires) répétées un très grand nombre de fois ( x) en de nombreuses régions du génome. 3. ADN satellite: environ 10% of génome, est constitué de séquences hautement répétitives, essentiellement localisées dans les régions des centromères et des télomères. La taille des gènes peut varier de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers de nucléotides. Cependant même les plus longs gènes n'utilisent qu'une faible portion de leur séquence pour coder l'information nécessaire à l'expression en protéine. régions codantes: exons régions non-codantes: introns Plus l'organisme est complexe, plus la quantité et la taille des introns est importante. Ainsi la présence d'introns sur l'adn d'organismes prokaryotes est extrêmement rare.

2 2 Certaines régions de l'adn sont impliquées dans la régulation de l'expression des gènes. Ces séquences de régulation sont généralement localisées en début (coté 5') ou en fin de gène (coté 3') et plus rarement à l'intérieur d'introns ou d'exons. Le gène: région de l'adn contenant l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine. Le gène est souvent composé de parties codantes (= exons) et de parties non codantes (=introns)

3 3 2. Les acides ribonucléiques: L'information génétique est véhiculée et exprimée par l'intermédiaire de molécules polymères nommées Acides RiboNucléiques = ARN. 3 classes d'arn qui diffèrent suivant leur taille, localisation et fonction. 1. ARN messager = ARNm 2. ARN ribosomique = ARNr 3. ARN de transfert = ARNt ARNm: copie de la séquence codante d'un gène, servant de matrice pour l'expression en protéine. ARNr et ARNt: fournissent les structures et les outils nécessaires à l'expression de l'arn messager en protéine. Structure de l'arn: - chaînes polynucléotides - 4 bases AUGC, mais diffère de l'adn par la présence de bases Uracile (U) remplaçant les Thymines (T) - sucres de type ribose, en lieu et place de déoxyribose - un seul brin (monocaténaire) - ARNm possède une structure linéaire - ARNr et ARNt sont faits d'un brin fréquemment replié sur lui-même (conformation épingles à cheveux) et sont souvent associés à des protéines spécifiques. 3. La transcription: Dans un premier temps, un brin de l'adn est copié en une molécule voisine appelée ARN messager (ARNm). On dit que l'adn est transcrit. Ce processus appelé transcription est proche, dans son mécanisme, de la réplication de l'adn. La transcription s'effectue en 3 étapes successives: 1. Initiation 2. Elongation 3. Terminaison. L'initiation: débute lorsque l'arn polymérase s'associe à une région spécifique d'un brin d'adn appelée promoteur. L'élongation de la chaîne d'arn s'effectue par polymérisation successive de nucléotides dans le sens 5' - 3'. La terminaison intervient lorsqu'un signal indiquant la fin du gène est lu (séquence palindromique riche en Guanine et Cytosine suivie d'une région essentiellement composé d'adénine). A l'issue de la transcription, le brin d'arn synthétisé est appelé transcrit primaire car il est le négatif de la séquence complète du gène.

4 4 Du gène à la protéine: 4. La traduction: = processus permettant la synthèse d'une protéine à partir d'un brin d'arn messager. Au cours de ce processus qui se déroule dans le cytoplasme, les molécules d'arnm vont être traduites en protéines. On dit que l'arn a été traduit. Dans un premier temps, dans les cellules eucaryotes, les molécules ARNm nouvellement transcrites vont subir dans le cytoplasme un épissage (ou splicing en anglais) qui consiste à séparer dans l'arnm les portions qui seront traduites (exons) de celles qui ne le seront pas (introns). Puis au niveau des ribosomes va commencer la traduction proprement dite. Il y aura simultanément une "lecture" de l'arn accompagnée d'une synthèse de chaîne polypeptidique. L'ARNm sert de matrice à la synthèse du polypeptide. L'ARNm va glisser dans un sillon du ribosome où il va être décrypté par unité de trois bases consécutives (= codon). Chaque codon dirige l'addition d'un acide aminé particulier sur la protéine en formation. A chaque codon va être associé un acide aminé qui est amené au niveau du ribosome par un ARN de transfert (ARNt). L'ARNt fait donc le lien entre les nucléotides et acides aminés.

5 5 Shéma de la traduction: L'acide aminé va être ensuite lié par une liaison peptidique à l'acide aminé qui le précède dans la chaîne peptidique en cours de synthèse. La liaison est effectuée par des enzymes. (Polymérases - ARN dépendante) Un codon spécifique détermine le début de la traduction = codon d'initiation, qui est le plus souvent AUG, qui code pour une méthionine. Un autre codon spécifique (codon stop) détermine la fin de la traduction. C'est donc l'information génétique contenue dans la séquence linéaire de bases de l'adn qui dirige via un intermédiaire (ARN) la production d'une séquence linéaire d'acides aminés d'une protéine. Une modification génétique des bases de l'adn peut se traduire par une modification de la protéine produite. Cette chaîne de synthèse allant de l'adn aux protéines, en passant par l'arn a été appelée le "dogme central de la biologie moléculaire".

6 6 5. Le code génétique: code génétique: ensemble des règles de correspondance (code) permettant au message génétique d'être traduit par une cellule (passage d'un alphabet à 4 lettres (A, T/U, G, C)) et un produit écrit dans un alphabet de 20 lettres). Les 20 lettres correspondent aux 20 acides aminés. Alanine acide Aspartique inine Asparagine Cystéine Glutamine Acide Glutamique Glycine Histidine Isoleucine Ala Asp Asn Cys Gln Glu Gly His Ileu cine Lysine Methionine Phénylalanine Proline Serine Threonine Tryptophane Tyrosine Valine Phe Lys Met Pro Ser Thr Trp Tyr Val Les acides aminés et leur abréviation: Au sein du code génétique, chaque acide aminé est désigné par codon. Il existe 64 codons possibles (4 bases A,T,G,C 4x4x4 = 64 possibilités!). 61 codent les vingt acides aminés existant 3 sont des codons de terminaison (codons STOP: UAA, UGA et UAG) qui arrêtent la traduction. 64 possibilités mais seulement 20 acides aminés! plusieurs codons codent le même acide aminé le code est dit dégénéré (ou redondant). Le code génétique est identique pour la très grande majorité des espèces qu'elles soient animales, végétales ou appartenant au monde microbien. On dit que le code génétique est universel.

7 7 Le code génétique peut être représenté sous la forme du tableau suivant: 1 ère base U C A G UUU UUC UUA UUG CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA AUG AUG GUU GUC GUA GUG 2 ème base U C A G 3 ème base Phe UCU Ser UAU Tyr UGU Cys U Phe UCC Ser UAC Tyr UGC Cys C Ile Ile Ile Met fmet Val Val Val Val UCA UCG CCU CCC CCA CCG ACU ACC ACA ACG GCU GCC GCA GCG Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala UAA UAG CAU CAC CAA CAG AAU AAC AAA AAG GAU GAC GAA GAG STOP STOP His His Gln Gln Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu UGA UGG CGU CGC CGA CGG AGU AGC AGA AGG GGU GGC GGA GGG STOP Trp Ser Ser Gly Gly Gly Gly A G U C A G U C A G U C A G Exemple: G T G G T A C C C G A G G T A G C C G C G T C G T T C G C A C C A U G G G C U C C A U C G G C G C A G C A A G C codon 1 codon 2 codon 3 codon 4 codon 5 codon 6 codon 7 codon 8 Méthionine Glycine Sérine Isoleucine Glycine Alanine Alanine Sérine

8 8 Schéma récapitulatif de la synthèse des protéines:

9 9 Résumé: Pour passer du gène à la protéine, deux étapes sont nécessaires: 1. LA TRANSCRIPTION: Cette étape fait une copie d un des deux brins d ADN en ARN. Cet ARN est appelé un ARN messager (ARNm). Il transporte l information génétique hors du noyau pour permettre la deuxième étape qui a lieu dans le cytoplasme. 2. LA TRADUCTION: Cette étape transforme le code de 4 lettres en code de 20 lettres. Elle nécessite différentes structures, comme les ribosomes et l ARN de transfert (ARNt) qui transporte les acides aminés. la séquence de bases d un gène détermine la séquence des acides aminés d une protéine. des parties de la séquence d ADN sont copiées en ARN (ARNm) pour la synthèse des protéines. la séquence des bases de l ARNm est lue par groupe de trois (codon) et traduite en acides aminés.

10 10 Exercice: A partir de la séquence suivante d un brin d ADN, donnez la séquence des acides aminés qui composent la protéine codée par ce gène. ATGTCCGAACTCGATTCGATACGTGTTTAGTACAACGATGCGGAGCGATT CATGGGATTAAAGATGATCATCGATACTTGCCAGATCATGCATGCATGCA TGCATGCATTCAGGAAAAAACGATCGATCCAGTCAGATCAGACTGCTGAT GGCATGCGATTGACGTCAG