Biologie Moléculaire 1 année de Licence

Biologie Moléculaire 1 année de Licence La Biologie Moléculaire, vaste domaine que nous allons tenter de vous expliquer en quelques six brefs chapitres. Par Chringel 2011

CHAPITRE 1 : NOTION D INFORMATION GENETIQUE CONTENU Expérience de Griffith, 1928.... 3 Expérience 1... 3 Expérience 2... 3 Expérience 3... 3 Expérience 4... 3 Expérience d Avery et Collaborateur, 1944.... 4 Expérience 1... 4 Expérience 2... 4 Expérience 3... 4 Expérience de Chase et Hershey, 1952.... 4 Structure de l ADN.... 4 Nucléotide... 4 Le Sucre : le Désoxyribose... 5 Les Bases Azotées... 5 Le Nucléoside... 5 Structure Primaire de l ADN.... 6 Structure Secondaire de l ADN.... 6 Règle de Chargaff, 1947... 6 Modèle de Watson et Crick, 1953... 6 Formation de la Double Hélice.... 7 Caractéristiques par Watson et Crick... 7 Dénaturation de l ADN.... 7 Organisation du Génôme Chromosome.... 7 Taille... 7 Chromosome Procaryote... 7 Chromosome Eucaryote... 8 Les Histones... 8 Organisation de la Chromatine... 8 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 1

Transfert de l Information Génétique : le Dogme Central.... 9 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 2

La Cellule est l unité de base de la vie. Afin de maintenir son organisme vivant, les cellules doivent stocker, réparer et traduire des informations génétiques dites gènes. La notion de gène est apparue au début du 20 siècle mais on n avait aucune idée de leur composition chimique. Comme on sait que la cellule se divise, l information génétique doit être copiée puis transmise. Quelle molécule peut être capable de se reproduire de façon précise et illimitée? L ADN. Comment l information est-elle inscrite? Elle est inscrite dans les gènes. Comment l information est-elle transmise? Elle est transcrite puis traduite en protéine. Comment une telle quantité d information est physiquement organisée dans le minuscule espace d une cellule? Elle est physiquement compactée en chromosomes. EXPERIENCE DE GRIFFITH, 1928. Il travaille sur deux souches de pneumocoques (provoquent la pneumonie) : Souche S virulente, avec capside. Souche R non-virulente, sans capside. La souche S est virulente car protégée de la phagocytose par la capside. La souche R n a pas de capside car elle a une mutation dans le gène codant pour la capside. EXPERIENCE 1 Il injecte à une souris la souche S. Mort de la souris. Culture en pétri du sang : souche S. EXPERIENCE 2 Il injecte à une souris la souche R. Survie de la souris. Culture en pétri du sang : souche R. EXPERIENCE 3 Il injecte à une souris la souche S tuée par la chaleur. Survie de la souris. Culture en pétri du sang : rien. EXPERIENCE 4 Il injecte à lune souris la souche R et la souche S tuée par la chaleur. Mort de la souris. Culture en pétri du sang : souche R et S. Il propose que les bactéries R au contact des bactéries S tuées ont acquis le caractère pathogène qu elles vont transmettre aux générations successives. Donc, les bactéries R ont été transformées en bactéries S. La substance capable de ce fait est appelée par Griffith «le facteur transformant». - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 3

EXPERIENCE D AVERY ET COLLABORATEUR, 1944. DECOUVERTE DE LA NATURE DU FACTEUR TRANSFORMANT. La bactérie S est inactivée par la chaleur. On sait qu il y a de l ARN, de l ADN et des protéines dans les bactéries. EXPERIENCE 1 ARN-ase + bactérie S + culture avec des bactéries R > transformation des bactéries R en S. EXPERIENCE 2 Protéase + bactéries S + culture avec des bactéries R > transformation des bactéries R en S. EXPERIENCE 3 ADN-ase + bactéries S + culture avec des bactéries R > aucune transformation. La substance responsable de la transformation génétique est l ADN de la cellule. EXPERIENCE DE CHASE ET HERSHEY, 1952. Ils étudiaient la lyse des bactéries par le bactériophage T2. Le bactériophage est composé d une enveloppe protéique et d ADN. La multiplication du phage dans la bactérie se fait soit par injection soit de protéines soit d ADN dans la bactérie. Ils ont marqués de l ADN au 32 P car il n y a pas de P dans les protéines et des protéines au 35 S car il n y a pas de S dans l ADN. Ils ont mis séparément les bactéries en culture avec les éléments marqués dans le bactériophage. Après centrifugation, ils ont récupérés le surnageant. On constate que les éléments marqués au 32 P se retrouvent dans le culot bactérien : donc dans le phage. En revanche, le 35 S est retrouvé dans le surnageant. L ADN est le seul matériel héréditaire des phages, lui seul pénètre la bactérie et l oblige à synthétiser les nouvelles particules phagiques. L ADN est bien la substance héréditaire. STRUCTURE DE L ADN. La molécule d ADN est un polymère constitué de plusieurs nucléotides. C est une macromolécule. NUCLEOTIDE Il est constitué : D un sucre à 5 carbones - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 4

D une base azotée D un groupement phosphate Il y a des nucléotides monophosphate, diphosphates et triphosphates. LE SUCRE : LE DESOXYRIBOSE LES BASES AZOTEES BASES HETEROCYCLIQUES PURIQUES Ce sont l Adénine (A) et la Guanine (G). BASES HETEROCYCLIQUES PYRIMIDIQUES Ce sont la Cytosine (C), la Thymine (T) et l Uracile (U). LE NUCLEOSIDE - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 5

La base et le sucre forment le nucléoside. Pour l ADN il y a : le Désoxyadénosine, le Désoxyguanosine, le Désoxythymidine et le Désoxycytidine. Pour l ARN il y a : l Adénosine, la Guanosine, l Uridine et la Cytidine. STRUCTURE PRIMAIRE DE L ADN. Les doubles brins de l ADN sont donc annotés 5 et 3 à leur extrémités. STRUCTURE SECONDAIRE DE L ADN. REGLE DE CHARGAFF, 1947 Selon cette règle, les bases puriques s associent toujours à une base pyrimidique. L adénine va toujours avec la thymine et la guanine avec la cytosine. A/T = G/C = 1 (A+T) / (G+C) = variable selon l espèce. MODELE DE WATSON ET CRICK, 1953 Ce modèle décrit la structure secondaire de l ADN de cette manière : L ADN est une molécule bicaténaire Les brins d ADN sont antiparallèles - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 6

Les brins sont maintenus par des liaisons hydrogènes et par complémentarité des bases : o A = T o G Ξ C FORMATION DE LA DOUBLE HELICE. La double hélice se forme grâce aux liaisons hydrogènes. Si les deux brins ne sont pas antiparallèles, il n y a pas de liaisons hydrogènes. CARACTERISTIQUES PAR WATSON ET CRICK Watson et Crick ont obtenus en 1962 le prix Nobel pour leurs travaux sur l ADN. 10 paires de bases (pb) par tour 10 pb = pas de l hélice = 3.4 nm Diamètre = 2,4 nm Hélice droite 2 sillons : un majeur et un mineur DENATURATION DE L ADN. Si on chauffe la molécule d ADN jusqu à une température dite Température de fusion Tm (m = melting), il y a rupture des liaisons hydrogènes. La double hélice se défait alors et les deux brins se séparent. L ADN est alors dénaturé. Plus il y aura de paires G/C et plus la température Tm sera élevée. La Tm est donc spécifique à chaque molécule d ADN. On peut, après dénaturation, renaturer l ADN. On parle alors d hybridation. ORGANISATION DU GENOME CHROMOSOME. La molécule d ADN est associée à des protéines qui vont permettre d organiser sa structure en chromosomes. L ensemble des chromosomes forme le génôme. TAILLE Virus : 165 kb (ADN linéaire double brin) Bactérie : 4600 kb (ADN circulaire double brin) Homme : 3000 Mb soit 3 000 000 kb (23 chromosomes sous forme haploïde) CHROMOSOME PROCARYOTE Quelques caractéristiques du génôme procaryote. 1 seul chromosome : nucléoide ADN circulaire Pas de noyau - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 7

4.10 6 pb en moyenne CHROMOSOME EUCARYOTE ADN linéaire très long ADN + protéine = chromatine Protéines principales à s associer à l ADN : les histones o H1, H2A, H2B, H3 et H4. LES HISTONES Les histones sont de toutes petites protéines de 100 à 200 acides aminés chargés positivement. Elles sont riches en Arginine et Lysine qui sont des acides aminés basiques. Leur composition en acides aminés est extrèmement conservée au cours de l évolution. De plus, elle est quasimment la même chez toutes les espèces. Ces protéines ont un rôle prépondérant dans l organisation de la structure de l ADN. L ADN est chargé négativement avec le groupement phosphate. Il y a une attraction électrostatique qui se crée entre les histones et le phosphate. ORGANISATION DE LA CHROMATINE 1 DEGRE DE CONDENSATION Il présente une structure dite en collier de perles. Chaque perle correspond à un nucléosome. Un nucléosome correspond à : Un octamère d histone : 2x(H2A, H2B, H3, H4) Une protéine H1 Un fragment d ADN de 200 pb. 2 DEGRE DE CONDENSATION Il présente une structure dite solénoïde. Le solénoïde est un empilement et un enroulement des nucléosomes. 3 DEGRE DE CONDENSATION Il y a formation de vagues. 4 DEGRE DE CONDENSATION Il présente l ADN enroulé en boucles. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 8

5 DEGRE DE CONDENSATION Il présente une structure sous forme de chromosomes à deux chromatides. Au final, on obtient une molécule d ADN empaquetée dans un chromosome mitotique 50 000 fois plus court que la molécule déroulée. Si il n y avait pas ce compactage, les chromosomes seraient si enchevêtrés lors de la réplication qu il se produirait des erreurs énormes. En interphase, c est-à-dire en dehors de la division cellulaire, le degré de condensation n est pas le même partout dans le noyau. Il y a l euchromatine et l hétérochromatine. L EUCHROMATINE Elle n est visible que lors de la mitose et de la méïose. Les gènes présents dans celle-ci peuvent être transcrits : ce sont des gènes actifs. L HETEROCHROMATINE Elle se trouve au niveau des télomères (extrémités des chromatides) et du centromère. Elle contient peu de gènes et est riches en ADN satellite. L ADN satellite est constitué de petites séquences d ADN répétées un certain nombre de fois. L HETEROCHROMATINE CONSTITUTIVE Elle constitue des portions de chromosomes inactives dans toutes les cellules. L HETEROCHROMATINE FACULTATIVE Elle constitue des portions d hétérochromatine variables qui selon le type de cellule dans laquelle elles se trouvent seront actives ou inactives. Dans un type cellulaire donné, les gènes non transcrits seront présents sous forme d hétérochromatine. Dans un autre type cellulaire, ils seront sous forme d euchromatine. TRANSFERT DE L INFORMATION GENETIQUE : LE DOGME CENTRAL. Watson et Crick ont appelés le «dogme central» l expression de l ADN car elle est valable aussi bien chez les procaryotes que les eucaryotes. Dans la cellule, la molécule d ADN va devoir s exprimer. Après la réplication de l ADN, l expression se fait en deux étapes : La transcription : l ADN > ARN r + ARN t + ARN m La traduction : ARN r + ARN t + ARN m + ribosomes > protéines. Chez les procaryotes, la réplication, transcription et traduction se font dans le cytoplasme. Chez les eucaryotes, la réplication et transcription se font dans le noyau. Les ARN transcrits sont ensuite exportés dans le cytoplasme ou a lieu la traduction des ARN m. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 9

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CHAPITRE 2 : LA REPLICATION DE L ADN CONTENU Mise en évidence de la Réplication, 1953.... 12 Expérience... 12 Quand à lieu la Réplication?... 12 Comment se déroule la Réplication?... 12 Modèle de Watson et Crick, 1953... 12 Expérience de Meselson et Stahl, 1958... 13 Expérience de Taylor, 1958... 15 Dans quel sens à lieu la Réplication?... 15 Expérience de John Cairns, 1963... 15 Les Réplicons... 16 Mécanisme Moléculaire de la Réplication.... 16 Kornberg, 1950... 17 L ADN Polymérase... 17 Chez les Procaryotes... 17 Chez les Eucaryotes... 18 Réaction d Initiation de la Réplication de l ADN catalysée par l ADN Polymérase chez les Procaryotes... 19 Polarité des brins d ADN au niveau d une fourche de Réplication... 19 Les Fragments d Okazaki, 1968... 19 Constituants du Système Réplicateur de l ADN chez les Procaryotes... 20 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 11

La réplication est la duplication de la totalité du matériel génétique d une cellule. Le support de l information génétique est l ADN. La réplication consiste à recopier une molécule d ADN en copiant la molécule d ADN déjà existante. Elle est indispensable lors de la mitose car permet d obtenir deux cellules filles au génôme identique. MISE EN EVIDENCE DE LA REPLICATION, 1953. EXPERIENCE On prend des racines d oignon que l on soumet à des pulses de quelques minutes à la Thymidine triciée. On rince ensuite les racines que l on monte sur une lame. On observe les résultats obtenus après une coloration de Feulgen (ADN) et une autoradiographie. Les cellules ne sont pas toutes marquées radioactivement : seules les cellules en phase de réplication au moment du pulse ont été marquées. La réplication de l ADN ne se fait donc pas de manière synchrone dans toutes les cellules. Grâce à l autoradiographie, on constate que l ADN est dans le noyau. Voir : http://svt.ac-creteil.fr/archives/media/med1s/autoradiographie/autoradiographie.htm QUAND A LIEU LA REPLICATION? La réplication à lieu durant la phase S du cycle cellulaire. COMMENT SE DEROULE LA REPLICATION? MODELE DE WATSON ET CRICK, 1953 Watson et Crick ont proposé un modèle de la structure d ADN (voir Chapitre 1). Ils ont également proposé un modèle d autoréplication de l ADN. La double hélice d ADN est maintenue par des liaisons hydrogènes. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 12

Ils visualisaient la réplication comme une séparation graduelle de la double hélice par la rupture des liaisons hydrogènes à la manière d une fermeture éclair. Chaque brin pouvait alors servir de modèle pour diriger la synthèse de son complément et reformer une double hélice du fait de la complémentarité des bases. L information génétique dans la molécule d ADN peut donc être répliquée de façon simple. Il existe trois hypothèses de modèle pour la réplication : Réplication semi-conservative : modèle de Watson et Crick. Réplication conservative. Réplication dispersive. EXPERIENCE DE MESELSON ET STAHL, 1958 Cette expérience a été réalisée sur des bactéries Escherichia coli. Les bactéries sont cultivées sur un milieu composé uniquement d azote lourd 15 N. Leur ADN ne comporte donc que cet azote lourd. On les place ensuite sur un milieu contenant de l azote léger 14 N. Elles synthétisent à partir de ce moment de l ADN comportant uniquement de l azote léger. Selon les trois hypothèses de réplication de l ADN, on obtiendra (avec l azote lourd en bleu et l azote léger en rouge): - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 13

Pour savoir quel modèle est le bon, on extrait l ADN des bactéries après la première, deuxième et troisième réplication. On réalise une centrifugation avec gradient de chlorure de Césium et on repère la position de l ADN selon la densité de celui-ci. Les différentes molécules d ADN sont donc séparées selon leur poids. On obtient : - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 14

Après la 1ère division (donc première réplication de l ADN), il n y a que de l ADN hybride (contenant du 14 N et 15 N). Ensuite, après la deuxième réplication, il y a de l ADN hybride et de l ADN 14 N. Cette configuration ne peut correspondre que à l hypothèse du modèle semi-conservatif. La réplication est donc semi-conservative en accord avec le modèle de Watson et Crick chez les procaryotes. EXPERIENCE DE TAYLOR, 1958 Cette expérience a été réalisée sur des cellules eucaryotes végétales : des racines de Bellavia romana. On marque l ADN grâce à de la Thymidine triciée grâce à un pulse-chase. On met ensuite les cellules dans un milieu normal puis on observe les chromatides. Au départ, tous les chromatides sont marqués. Puis, on a plus qu un chromatide sur deux de marqué. Il n y a plus qu un chromatide sur quatre de marqué. Etc. L expérience de Meselson et Stahl est donc confirmée chez les eucaryotes. La réplication est semi-conservative chez tous les êtres vivants. DANS QUEL SENS A LIEU LA REPLICATION? Watson et Crick pensaient que l on devait pouvoir observer une fourche chez la molécule d ADN en réplication. EXPERIENCE DE JOHN CAIRNS, 1963 Il a incorporé de la Thymidine triciée dans un ADN circulaire en cours de réplication. Les structures observées ont alors été appelées structures θ. Dans l ADN circulaire, on observe deux fourches de réplications de part et d autre d une bulle de réplication. Cairns établi deux hypothèses concernant le sens de réplication : Pour connaitre le sens de réplication, il a testé des cellules de mammifères en phase S. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 15

Il réalise dans un premier temps des pulses de 1 min avec de la thymidine triciée très concentrée : c est le marquage chaud. Puis, on fait des pulses à la thymidine triciée faiblement concentrée : c est le marquage tiède. On observe ensuite les brins d ADN avec une autoradiographie. On établit deux hypothèses sur l observation possible (avec le marquage chaud en rouge): Si la réplication est unidirectionnelle, on aurait : (origine de réplication)-> (origine de réplication)-> Si la réplication est bidirectionnelle, on aurait : <-(origine de réplication)-> On observe une réplication directionnelle. LES REPLICONS Le réplicon est l unité de réplication de l unité bicaténaire : c est l ensemble d ADN qui sera répliqué à partir d une seule origine de réplication. Chez les procaryotes, le réplicon est l ensemble du chromosome. Chez les eucaryotes, il y a plusieurs réplicons par chromosome. Il y a donc plusieurs yeux de réplications sur l ADN en phase de réplication. La Réplication a donc lieu dans le noyau, durant la phase S, est bidirectionnelle et est semi-conservative. MECANISME MOLECULAIRE DE LA REPLICATION. La réplication consiste en une polymérisation de désoxyribonucléotides en une séquence qui est complémentaire du brin matrice. (voir Chapitre 1) La réplication à lieu en présence : d ADN parental de nucléotides : o desoxyriboadénosinetriphosphate = datp o desoxyribothymidinetriphosphate = dttp o desoxyriboguanosinetriphosphate = dgtp o desoxyribocytidinetriphosphate = dctp d ADN polymérase : une enzyme. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 16

KORNBERG, 1950 Il purifie l ADN polymérase d Escherichia coli afin d établir son domaine d activité. Elle peut avoir une activité : Polymérase dans le sens 5 vers 3 et synthétise l ADN. En cas d erreur, elle peut effacer la base mal appareillée en revenant en arrière. Exonucléase agissant dans le sens 5 vers 3 qui dégrade l ADN. Exonucléase peut aussi agir dans le sens 3 vers 5. L ADN POLYMERASE CHEZ LES PROCARYOTES - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 17

Chez les procaryotes, il y a de l ADN Polymérase I, II et III. L ADN Polymérase I permet : Réparation de l ADN. Elle a une activité polymérase dans le sens 5 vers 3, exonucléase dans le sens 3 vers 5 et 5 vers 3. Elle permet la synthèse des fragments d Okasaki. Intervention en fin de réplication pour éliminer l amorce d ARN grâce à son activité exonucléase dans le sens 5 vers 3. L ADN Polymérase II permet : Réplication de l ADN endommagé grâce à une activité exonucléase 5 vers 3. L ADN Polymérase III permet : Principale action polymérase bactérienne intervenant dans la réplication de l ADN. Réplication du brin avancé et synthèse des fragments d Okazaki. CHEZ LES EUCARYOTES Chez les eucaryotes, il y a de l ADN Polymérase α, β, ε, δ et γ. La réaction de polymérisation de toutes ces enzymes se fait dans le sens 5 vers 3. Elles nécessitent toutes une amorce pour copier le simple brin. L ADN Polymérase α permet : Synthétise les amorces d ARN à l origine de la réplication sur le brin avancé. Synthétise les amorces d ARN pour les fragments d Okazaki du brin retardé. Elle n a pas d activité exonucléase dans le sens 3 vers 5. L ADN Polymérase β permet : Réparation de l ADN. Elle n a pas d activité exonucléase. L ADN Polymérase γ permet : Réplication de l ADN mitochondrial. L ADN Polymérase δ permet : Principale action polymérase eucaryotique intervenant dans la réplication de l ADN. Synthèse du brin avancé. Synthèse du brin retardé. Réparation grâce à son activité exonucléase dans le sens 3 vers 5. L ADN Polymérase ε permet : Réplication de l ADN grâce à une activité polymérase dans le sens 5 vers 3. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 18

Réparation de l ADN grâce à une activité exonucléase dans le sens 3 vers 5. Elle lit dans le sens 3 vers 5 et synthétise dans le sens 5 vers 3 la zone du télomère non synthétisée par l ADN Polymérase δ. Les brins seront ensuite recollés par une Ligase. Comment la polymérisation va-t-elle commencer? Comment la réplication va-t-elle être bidirectionnelle si l ADN Polymérase ne synthétise l ADN que dans le sens 5 vers 3? REACTION D INITIATION DE LA REPLICATION DE L ADN CATALYSEE PAR L ADN POLYMERASE CHEZ LES PROCARYOTES L ADN Polymérase a pour amorce de l ARN : sans ARN au début du brin, il n y a pas d action de l ADN Polymérase et donc pas de réplication. L ARN Primase synthétise l amorce d ARN. Primosome : complexe ARN Primase et Protéines. A partir de l amorce d ARN, l ADN Polymérase III (le plus souvent) va synthétiser l ADN et la réplication va pouvoir commencer. POLARITE DES BRINS D ADN AU NIVEAU D UNE FOURCHE DE REPLICATION Pour le brin du bas orienté 3-5, l ADN Polymérase va dans le sens du mouvement car elle a une activité polymérase dans le sens 5 vers 3. LES FRAGMENTS D OKAZAKI, 1968 Comment l ADN Polymérase fait-elle pour répliquer l ADN dans le sens inverse du sens de progression de la fourche? Ce brin va être synthétisé de façon discontinue par la synthèse de petits fragments successifs, l ARN Polymérase travaillant par l arrière mais toujours dans le sens 5 vers 3. Les petits fragments synthétisés ont été appelés fragments d Okazaki. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 19

Dans l œil de réplication, il y a synthèse de brins de façon continue : ce sont les brins précoces ou avancés. En revanche, les brins synthétisés de manière discontinue sont appelés brins tardifs ou retardés. La Réplication est semi-discontinue et asymétrique. CONSTITUANTS DU SYSTEME REPLICATEUR DE L ADN CHEZ LES PROCARYOTES La Topoisomérase ou Gyrase relaxe tout d abord la double hélice d ADN. Le Primosome ouvre de manière localisée la double hélice. Il est constitué de l Hélicase et de la Primase. Sur les deux brins d ADN séparés viennent se fixer des protéines SSB : Single Strand Binding Proteine. Elles permettent de stabiliser la structure en se fixant les simples brins. Sur le brin précoce ou avancé, l ADN Polymérase III se fixe et synthétise l ADN dans le sens 5 vers 3. Sur le brin tardif ou retardé, plusieurs éléments interviennent : L ARN Polymérase va synthétiser une amorce d ARN dans le sens 3-5 permettant à l ADN Polymérase III de se fixer et de répliquer le brin. L ADN Polymérase III se fixe après l amorce d ARN et réplique le brin par petits fragments : se sont les fragments d Okazaki. L ADN Polymérase I élimine l amorce d ARN et le remplace par de l ADN. L ADN Ligase fait la liaison entre les différents fragments d Okazaki. La terminaison se fait par reconnaissance d un site de terminaison par une protéine TUS. Il y a alors arrêt de l Hélicase et réassemblage des doubles hélices. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 20

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CHAPITRE 3 : TRANSCRIPTION DE L ADN EN ARN CONTENU Structure de l ARN.... 24 Les Trois Types d ARN... 24 L ARN m ou messager... 24 L ARN r ou ribosomal... 24 L ARN t ou de transfert... 24 Mécanisme de la Transcription.... 25 Règles de bases... 25 Eléments nécessaires à la Transcription... 26 Les Différentes étapes de la Transcription... 26 Initiation... 26 Elongation... 27 Quelques Définitions... 27 Transcription chez les Procaryotes... 28 Initiation... 28 ARN Polymérase... 28 Elongation... 29 Terminaison... 29 Transcription chez les Eucaryotes... 30 Initiation... 30 Régions Promoteurs... 30 Les Différentes ARN Polymérase... 30 ARN Polymérase II... 31 Régulation de l Initiation de la Transcription... 31 Elongation... 31 Terminaison... 31 Modifications Post-transcriptionnelles... 31 Chez les Procaryotes... 31 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 22

Chez les Eucaryotes... 32 Modifications des ARN m... 32 Epissage des ARN m : Splicing... 32 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 23

La Transcription est le mécanisme par lequel l ARN est synthétisé à partir d une portion d ADN, la portion correspondant à un gène. Lors de la transcription, un seul des deux brins d ADN est copié. Chez les Procaryotes, elle a lieu dans le cytoplasme. Chez les Eucaryotes, elle a lieu dans le noyau. STRUCTURE DE L ARN. L ARN a la même structure que l ADN à quelques différences près : Un sucre à cinq carbones : le Ribose La Thimine est remplacée par l Uracile (U) La structure est monocaténaire : un seul brin au lieu de deux. LES TROIS TYPES D ARN Il existe trois types d ARN participant tous au décodage de l information génétique donc à la synthèse des protéines. Ce sont : l ARN messager, l ARN de transfert et l ARN ribosomial. L ARN M OU MESSAGER Il porte l information génétique et la transporte vers le lieu de synthèse protéique. Ils sont très peu nombreux dans une cellule et représentent 2% des ARN totaux. Il a une structure : Monocaténaire Taille variable qui dépend du gène dont il est issu Stabilité de vie courte par rapport aux autres ARN L ARN R OU RIBOSOMAL Il est impliqué dans le processus de traduction. C est le constituant principal des ribosomes : il représente 65% d un ribosome. L ARN T OU DE TRANSFERT Il transfert les acides aminés jusqu aux ribosomes situés dans le cytoplasme, lieu de transfert des protéines. Ils correspondent en fait à une petite molécule adaptatrice qui va faire correspondre un codon (= 3 bases) de l ARN m à un acide aminé spécifique. Il existe un anticodon : il reconnait un codon par complémentarité des bases sur l ARN m. Il amène ensuite l acide aminé qui correspond à chaque codon de l ARN m. Il a une structure : Petite molécule : 70 à 80 nucléotides Il existe 30 à 40 types d ARN t différents - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 24

Monocaténaire Structure secondaire en feuille de trèfle aussi appelée tiges et boucles maintenue grâce aux liaisons Hydrogènes. L extrémité 3 -OH est terminée par le codon CCA. Il permet la fixation de l acide aminé spécifique. MECANISME DE LA TRANSCRIPTION. REGLES DE BASES La synthèse d un ARN se fait toujours : Dans le sens 5 vers 3 De façon antiparallèle par rapport à l ADN De façon complémentaire : Base ADN Adénine (A) Cytosine (C) Guanine (G) Thymine (T) Base ARN complémentaire Uracile (U) Guanine (G) Cytosine (C) Adénine (A) - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 25

ELEMENTS NECESSAIRES A LA TRANSCRIPTION La transcription a lieu en présence : de nucléotides : o adénosinetriphosphate = ATP o uridinetriphosphate = UTP o guanosinetriphosphate = GTP o cytidinetriphosphate = CTP d une enzyme : l ARN Polymérase. Cette enzyme catalyse la formation de liaisons phosphodiesters entre les nucléotides. Les nucléotides sont ajoutés les uns à la suite des autres à l extrémité 3 -OH. LES DIFFERENTES ETAPES DE LA TRANSCRIPTION La transcription ne concerne qu une partie de l ADN : un gène. On doit donc définir un début, une fin et explique et comprendre son mécanisme. La portion transcrite est appelée Unité Transcriptionnelle et comporte : Une phase d Initiation Une phase d Elongation Une phase de Terminaison. INITIATION L ARN Polymérase reconnait sur l ADN une séquence appelée Promoteur. Le premier nucléotide transcrit sera appelé +1. Donc tous les nucléotides précédents auront un signe négatif. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 26

ELONGATION L ARN Polymérase va avancer en copiant le brin d ADN. Au moment de la synthèse de l ARN, il y a une complémentarité des bases entre l ADN et l ARN sur environ une dizaine de bases. Au fur et à mesure de l avancée de l ARN Polymérase, l ADN se reforme. L ARN m est lui libéré au fur et à mesure de sa transcription. QUELQUES DEFINITIONS Par convention, sur l ADN double brin : Le brin matrice ou anti-sens ou non codant est le brin d ADN qui est transcrit par complémentarité des bases. Le brin sens ou codant est le brin qui est complémentaire au brin matrice. Ce brin a donc la même séquence de nucléotides que l ARN m en formation. Bien qu un seul brin soit transcrit, chaque brin peut servir de matrice pour des gènes différents. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 27

En microscopie électronique, on a formation d «arbres de Noël» aussi appelés «plumes» produits par la transcription d un gène actif. Les ARN m sont plus courtes vers le début de la région transcrite et plus longue vers la fin. TRANSCRIPTION CHEZ LES PROCARYOTES INITIATION La «Boîte de Pribnow» est une région riche en Adénine et Thymine. Il n y a donc que deux liaisons hydrogènes entre les deux brins de l ADN ce qui facilite son ouverture. C est une région promoteur. L ARN Polymérase va donc pouvoir se glisser entre les deux brins d ADN au niveau de cette région et commencer la transcription de l ADN au niveau du nucléotide +1. ARN POLYMERASE Il n y a qu une seule ARN Polymérase permettant la synthèse des ARN m, ARN t et ARN r. Cet ARN Polymérase est constituée de cinq sous unités qui sont : - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 28

2 chaînes α 1 chaîne β 1 chaîne β 1 chaîne σ 1 chaîne ω On distingue deux formes d ARN Polyméase : L enzyme core : sans chaîne α L holoenzyme : avec chaîne α Les différentes fonctions des sous-unités sont les suivantes : Chaîne α : liaison à l ADN Chaîne β : polymérisation de l ARN Chaîne β : liaison à l ADN Chaîne σ : initiation Chaîne ω : inconnue LE FACTEUR SIGMA Le facteur σ est responsable de la reconnaissance spécifique des séquences consensus. L enzyme core a une certaine affinité pour l ADN. Elle s y fixe et se déplace sur celui-ci. Quand le facteur σ se fixe sur l enzyme cœur, celle-ci reconnait alors la région promoteur et la transcription peut alors commencer. ELONGATION Cette reconnaissance spécifique grâce au facteur σ va être suivie d une dénaturation locale. Il y aura donc ouverture de la double hélice en position -10. Lorsque l ARN Polymérase aura synthétisé une dizaine de nucléotide, le facteur σ va être relargué. L enzyme cœur effectuera alors seule la polymérisation de l ADN. La boucle de transcription comporte environ 15 bases ouvertes. La vitesse de l ARN Polymérase est de 30 à 80 nucléotides par seconde. TERMINAISON Quand elle arrivera à la fin du gène à transcrire, l ARN Polymérase va se décrocher. Il existe deux moyens d arrêter la transcription : Structure en «Epingle à cheveux». Il va y avoir reconnaissance d une séquence terminateur : elle sera palindromique et riche en Guanine et Cytosine suivie d une série d Adénine. L ARN transcrit aura une structure en «tige boucle» maintenue par un appariement intrabrin maintenu par des liaisons GΞC. Cette configuration facilite la libération de la molécule d ARN et celui de l ARN Polymérase au niveau de la série de paires A=U formées entre le brin d ADN et l ARN transcrit. Le signal de terminaison est donc reconnu après avoir été transcrit. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 29

Terminaison Rhô (ρ) dépendante. la terminaison nécessite l'intervention d'un facteur protéique spécifique, le facteur rhô (ρ), nécessaire pour l'arrêt de la transcription et la libération de la molécule d'arn. Chez les Procaryotes, la transcription et la traduction sont simultanées. TRANSCRIPTION CHEZ LES EUCARYOTES INITIATION REGIONS PROMOTEURS Il existe plusieurs séquences promoteurs pour initier la transcription chez les Eucaryotes. En -25, il y a la boîte TATA ou TATA box. Sa séquence est : TATAAA. Entre -110 et -40, il y a la boîte GC ou GC box. Entre -120 et -80, il y a la CAT box. Sa séquence est : CCAAT. Des facteurs multiples sont utiles pour avoir la fixation à la région promoteur. LES DIFFERENTES ARN POLYMERASE ARN POLYMERASE I Elle permet de synthétiser les ARN r qui sont les plus longs. ARN POLYMERASE II Elle permet de catalyser la formation de l ARN m et de l ARN prémesager. ARN POLYMERASE III Elle permet de synthétiser des ARN courts : les ARN t et certains ARN r. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 30

ARN POLYMERASE IV Elle est spécialisée dans la transcription de l ARN mitochondrial. Elle est également impliquée dans la synthèse de l hétérochromatine chez les végétaux. ARN POLYMERASE II L ARN Polymérase II ne se fixe pas directement sur le promoteur. Des protéines sont nécessaires : ce sont les facteurs de transcriptions TF. Le facteur protéique TFIID se fixe sur la TATA Box. Le facteur protéique TFIIB est ensuite recruté par TFIID. L ARN Polymérase II arrive avec les facteurs TFIIF, TFIIE et TFIIH associés sur elle. Le facteur TFIIH a l action d une protéine kinase. De plus, en présence d ATP, il y a phosphorilation de l ARN Polymérase. Cette phosphorilation se fait sur les Sérine et Thréonine de la partie C-terminale de l ARN Polymérase et déclenche le début de la transcription. A la fin de la région promoteur, l ARN Polymérase II est libérée de tous les facteurs de transcription TF et avance seule. REGULATION DE L INITIATION DE LA TRANSCRIPTION La transcription est régulée en présence d activateurs ou régretasse. En amont de la GC Box, on trouve des régions appelées enhancer. Ces séquences vont considérablement augmenter le taux de transcription. Elles sont parfois situées à plusieurs milliers de nucléotides du promoteur. Des protéines activatrices vont se fixer sur cette région. Cela va créer une courbure très importante de l ADN et donc un rapprochement des éléments très distants. Cette action est propre au gène et il peut exister une multitude de régions enhancer. ELONGATION L ARN Polymérase va avancer en copiant le brin d ADN. Au moment de la synthèse de l ARN, il y a une complémentarité des bases entre l ADN et l ARN sur environ une dizaine de bases. Au fur et à mesure de l avancée de l ARN Polymérase, l ADN se reforme. L ARN m est lui libéré au fur et à mesure de sa transcription. TERMINAISON La terminaison chez les Eucaryotes n est pas très bien comprise. Il semblerait qu il y ait une région consensus AAAUUUAAA qui servirait de signal pour relâcher l ARN. MODIFICATIONS POST-TRANSCRIPTIONNELLES CHEZ LES PROCARYOTES - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 31

Il n y a aucune modification post-transcriptionnelle chez les Procaryotes car la transcription se fait en même temps que la traduction. CHEZ LES EUCARYOTES MODIFICATIONS DES ARN M MODIFICATION EN 5 Dès que l ARN polymérase a synthétisée l extrémité 5 de l ARN m, il y a ajout d un nucléotide atypique : la méthylguanosine. Ce nucléotide est lié par un pont triphosphate de 5 vers 5. La méthylguanosine joue le rôle de «coiffe». C est une protection ajoutée afin d éviter la dégradation de l ARN par des enzymes. MODIFICATION EN 3 Cette modification a lieu dès que l ARN m est synthétisé en entier. Il y a ajout d une queue poly Adénine sur l extrémité 3 de l ARN m. Il y a coupure de l ARN m par une endonucléase puis, une poly A polymérase couplée à de l ATP ajoute 100 à 250 Adénine. En fonction du type cellulaire, le poly A sera plus ou moins long. La queue poly A joue un rôle de protection des ARN m. EPISSAGE DES ARN M : SPLICING L épissage concerne tous les ARN m eucaryotiques. Il a été observé que les ARN m cytoplasmiques sont plus courts que leurs précurseurs situés dans le noyau. Ces ARN précurseurs ont été appelés HN pour «Hétérogène Nucléaire». Pour résoudre ce mystère, l équipe de Pierre Chanbon a réalisé une hybridation entre un ARN m et la molécule d ARN dont il est issu. On constate que l ARN m ne s hybride pas sur toute la longueur de l ADN générique. Il existe des zones sans complémentarités qui vont former des boucles. Les boucles correspondent à de l ADN ne s hybridant pas : ce sont des introns. Les zones hybridées sont des exons. Cette expérience a montré pour la première fois la structure interrompue ou dite en mosaïque des gènes eucaryotiques. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 32

L épissage correspond à l élimination des introns sur l ARN m nucléaire. En effet, l ARN m cytoplasmique est constitué uniquement d exons. Suite à l épissage, on obtient un ARN m mature qui traverse alors la paroi nucléaire. L ensemble des enzymes participant à l épissage des ARN m sont appelées un spliceosome. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 33

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CHAPITRE 4 : REGULATION DE LA TRANSCRIPTION CONTENU Définitions... 36 Régulation Positive de la Transcription... 36 Régulation Négative de la Transcription... 36 Régulation Inductible dans le contrôle négatif de la Transcription... 36 L Opéron Lactose... 36 Structure... 37 Régulation de l Opéron Lactose... 37 Régulation Répressible dans le contrôle négatif de la Transcription... 38 L Opéron Triptophane... 38 Structure... 39 Régulation de l Opéron Triptophane... 39 Régulation au niveau Traductionnel... 40 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 35

DEFINITIONS OPERON : unité d expression génétique qui comprend un ou plusieurs gènes et des séquences régulatrices (promoteur-opérateur) qui régulent leur transcription. Uniquement chez les Procaryotes. GENES POLYCISTRONIQUES : Il s agit de plusieurs gènes qui sont sous le contrôle d un même promoteur. Il y a alors synthèse de plusieurs protéines à la fois. REGULATION POSITIVE DE LA TRANSCRIPTION ETAT BASAL : Transcription réprimée ou absente. Il y a intervention d une protéine activatrice pour déclencher la transcription. REGULATION NEGATIVE DE LA TRANSCRIPTION ETAT BASAL : Transcription du gène. Il y a fixation d un répresseur sur l opérateur pour empêcher la transcription. REGULATION INDUCTIBLE DANS LE CONTROLE NEGATIF DE LA TRANSCRIPTION Exemple de l Opéron Lactose ETAT BASAL : Transcription réprimée. L Inducteur lève la répression. Il agit avec le répresseur ce qui le change de conformation. Le répresseur est alors détaché de la région promoteur ce qui entraîne le début de la transcription. L OPERON LACTOSE Les Procaryotes trouvent leur source de carbone dans le catabolysme des sucres. Le sucre préférentiel des bactéries est le Glucose. En présence de glucose, leur développement est normal. En revanche, en son absence, la croissance de la bactérie s arrête. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 36

On a remarqué que si on fournissait du Lactose aux bactéries, elles reprennent leur croissance et se divisent après un temps de latence. Or : Lactose = Galactose + Glucose Pour pouvoir utiliser ce lactose, elles nécessitent trois enzymes : La Perméase : permet l entrée du lactose dans le milieu intracellulaire. Codé par le gène Lac-y. La Transacétylase : rôle indéterminé. Codé par le gène Lac-a. La β-galactosylase : permet de cliver le lactose en (Galactose + Glucose). Codé par le gène Lac-z. Ces trois enzymes ne sont pas synthétisées en permanence. Leur synthèse va être induite dès qu il y a présence de lactose dans le milieu : le lactose est donc un inducteur. On parle aussi d opéron lactose inductible. STRUCTURE GENE REPRESSEUR OU REGULATEUR : gène Lac-i codant pour la synthèse du répresseur. PROMOTEUR : site de fixation de l ARN Polymérase. OPERATEUR : site de fixation du répresseur. GENES DE STRUCTURE : gènes Lac-z, Lac-y et Lac-a codant pour trois enzymes permettant d utiliser le lactose. REGULATION DE L OPERON LACTOSE EN PRESENCE DE GLUCOSE ET ABSENCE DE LACTOSE Le gène Lac-i synthétise le répresseur qui se fixe sur l opérateur. Il y a alors absence de transcription des gènes Lac-a, Lac-y et Lac-z. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 37

L opéron lactose n est donc pas transcrit. EN PRESENCE DE LACTOSE ET ABSENCE DE GLUCOSE Le gène Lac-i synthétise le répresseur qui se fixe sur l opérateur. Le lactose a alors le rôle d inducteur : il se fixe sur le répresseur et induit un changement de conformation de celui-ci. Le répresseur se détache alors de l ADN. L ARN Polymérase peut alors se fixer et synthétiser les ARN m de l opéron lactose et donc les enzymes correspondantes. L opéron lactose est donc transcrit. REGULATION REPRESSIBLE DANS LE CONTROLE NEGATIF DE LA TRANSCRIPTION Exemple de l Opéron Triptophane ETAT BASAL : Transcription du gène. Le répresseur actif = aporépresseur + co-répresseur. Une fois ces deux éléments mis ensemble, le répresseur bloque alors la transcription. L OPERON TRIPTOPHANE Chez les bactéries, le Triptophane peut être synthétisé par une succession d étapes catalysées par un ensemble d enzymes. L ensemble des gènes permettant de synthétiser ces enzymes est situé sur l opéron triptophane. Le triptophane est un acide aminé indispensable. Certaines bactéries sont néanmoins capables de le synthétiser s il est absent du milieu. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 38

STRUCTURE LE GENE REPRESSEUR synthétise un répresseur qui est un tétramère. Ce répresseur est particulier, il ne se fixe pas sur la région opérateur : c est un APOREPRESSEUR. Grâce au COREPRESSEUR, il se fixera sur l opérateur et inhibera la transcription. REGULATION DE L OPERON TRIPTOPHANE EN PRESENCE DE TRIPTOPHANE L aporépresseur est synthétisé par le gène régulateur. Il ne se fixe pas sur la région opérateur. Le triptophane a un rôle de corépresseur : il va se lier à l aporépresseur. Celui-ci, grâce à ce changement de conformation, va pouvoir se fixer sur le site opérateur. Il y a alors inhibition de la transcription et donc de la synthèse du triptophane. L opéron triptophane n est donc pas transcrit. EN ABSENCE DE TRIPTOPHANE - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 39

En absence de triptophane, le gène régulateur synthétise l aporépresseur. Le triptophane est le corépresseur mais, étant absent, il ne peut se lier à l aporépresseur. Celui-ci ne se fixe donc pas sur la région opérateur, il y a alors transcription et synthèse du triptophane. L opéron triptophane est donc transcrit. REGULATION AU NIVEAU TRADUCTIONNEL La régulation au niveau traductionnel concerne la séquence de Shine et Dalgarno. Il existe des REPRESSEURS TRADUCTIONNELS : ce sont des protéines qui vont se fixer sur la petite sousunité du ribosome. L exemple le plus étudié est celui de la synthèse ribosomale chez Escherichia coli. Lorsque les protéines ribosomales sont en très grandes quantités par rapport aux ARN r, il y a alors régulation (= répression) des ARN m des protéines ribosomales par les protéines ribosomales. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 40

CHAPITRE 5 : CODE GENETIQUE ET MECANISME DE TRADUCTION CONTENU Le Code Génétique... 42 Etablissement du Code Génétique... 42 Premiers Résultats Obtenus... 42 Exploitation des Résultats... 43 Caractéristiques du Code Génétique... 43 Notion de Code de Lecture... 43 Tableau du Code Génétique... 44 La Traduction... 44 Localisation... 44 Eléments Nécessaires à la Traduction... 45 Fonctionnement de l Aminoacyl ARN t Synthétase... 45 Les Ribosomes... 45 Mécanisme de la Traduction... 46 Les Différentes Etapes de la Traduction... 46 Traduction chez les Procaryotes... 46 Initiation... 46 Elongation... 47 Terminaison... 48 Traduction chez les Eucaryotes... 49 Initiation... 49 Elongation... 49 Terminaison... 50 Modification Post-Transcriptionneles... 51 Réversibles... 51 Permanentes... 52 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 41

L ARN m a une structure composée d enchaînement de nucléotides. La protéine est composée d acides aminés. Le passage de l ARN m à la protéine nécessite une traduction selon un code établi. LE CODE GENETIQUE L ADN et l ARN sont composés des bases azotées suivantes : l Adénine, la Guanine, la Cytosine, la Thymine et l Uracile. Les protéines sont constituées de 20 acides aminés. Comment passe-t-on de bases azotées à des acides aminés? Trois hypothèses ont alors été formulées. 1 HYPOTHESE Une base représenterait un acide aminé. On aurait donc un code génétique à une lettre. Il manquerait donc 16 acides aminés. 2 HYPOTHESE Deux bases représenteraient un acide aminé. On aurait donc un code génétique à deux lettres. 16 acides aminés pourraient alors être codés, il en manquerait 4. 3 HYPOTHESE Trois bases représenteraient un acide aminé. On aurait donc un code génétique à trois lettres. 64 acides aminés pourraient alors être codés. On a alors supposé qu un même acide aminé pouvait être codé par plusieurs triplets. Chaque triplet est appelé codon. Les triplets, tout comme les acides nucléaires, sont orientés : 5 UAA 3. ETABLISSEMENT DU CODE GENETIQUE Pour établir le code génétique, on a utilisé des ARN m synthétiques : UDP, ADP, CTP, GDP + Polynucleotide phosphorylase ARN + Phosphate On utilise un seul précurseur afin de créer des homopolymères. En 1961, Niremberg et Matte ont traduit les homopolymères en système call free : on utilise le matériel de traduction d une bactérie par broyage. PREMIERS RESULTATS OBTENUS ARN synthétisé Peptide obtenu Triplet correspondant Poly A Poly Lys AAA Poly U Poly Phe UUU Poly C Poly Pro CCC Poly G Poly Gly GGG - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 42

EXPLOITATION DES RESULTATS ARN synthétisé Peptide obtenu Triplet correspondant Poly U Poly Phe UUU = Phe Cys Val - Cys UGU = Cys GUG = Val Poly Cys Poly Val Poly Leu UGU = Cys GUU = Val UUG = Leu UUUGUUUGUUUG (Phe Val Cys Leu) n / Après avoir tout élucidé, ils ont remarqués qu il restait trois triplets non-significatifs : UAA, UAG et UGA. Ce sont les codons STOP. CARACTERISTIQUES DU CODE GENETIQUE Le code génétique est dégénéré : il existe plusieurs codons pour un seul acide aminé. Le code génétique est universel : il est le même quel que soit l espèce terrestre étudiée. Le code génétique est non-chevauchant : il se lit triplet par triplet. NOTION DE CODE DE LECTURE Il ne faut pas confondre le code génétique non-chevauchant et le fait que les gènes peuvent être chevauchants. On parle de notion de cadre de lecture ou reading frame. ARN m : ACG ACG ACG - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 43

3 cadres de lecture possible : ACG ACG ACG CGA CGA CGA GAC GAC GAC Pour une protéine donnée, il n y a qu un seul cadre de lecture. La synthèse se fait uniquement si on a un cadre de lecture ouvert ou ORF open reading frame. On parle d ORF s il y a un codon initiateur et un codon STOP. TABLEAU DU CODE GENETIQUE U C A G U C A G UUU UCU UAU UGU U Phe Tyr Cys UUC UCC UAC UGC C Ser UUA UCA UAA STOP UGA STOP A Leu UUG UCG UAG STOP UGG Trp G CUU CCU CAA CGU U His CUC CCC CAC CGC C Leu Pro Arg CUA CCA CAA CGA A Glu CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U Asn Ser AUC Ile ACC AAC AGC C Thr AUA ACA AAA AGA A Lys Arg AUG Met ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U Asp GUC GCC GAC GGC C Val Ala Gly GUA GCA GAA GGA A Glu GUG GCG GAG GGG G LA TRADUCTION LOCALISATION La traduction se déroule dans le cytoplasme au niveau des ribosomes. En effet, les ribosomes possèdent des enzymes nécessaires à la traduction. C est également le lieu de fixation des ARN t et ARN m. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 44

ELEMENTS NECESSAIRES A LA TRADUCTION La traduction à lieu en présence de : D acides aminés : R-CH(NH 2 )-COOH7 D aminoacyl ARN t = ARN t D aminoacyl ARN t synthétase D ARN m De ribosomes FONCTIONNEMENT DE L AMINOACYL ARN T SYNTHETASE Acide Aminé + ARN t + ATP aminoacyl ARN t + AMP + PP L aminoacyl ARN t synthétase sert à apporter l acide aminé sur l ARN t correspondant. Il existe 20 aminoacyl ARN t synthétase différent, soit autant que le nombre d acides aminés intervenant dans la composition des protéines. LES RIBOSOMES Aminoacyl ARNt Les ribosomes eucaryotiques et procaryotiques sont constitués de deux sous-unités : une grande et une petite. Ils possèdent quatre sites de liaisons : 1 site pour la liaison avec l ARN m 3 sites pour les liaisons avec les ARN t : A, P et E. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 45

Le ribosome se déplace le long de la molécule d ARN m. Plusieurs ribosomes peuvent traduire un même ARN m : il y a alors formation de polysomes ou polyribosomes. MECANISME DE LA TRADUCTION Les codons sont reconnus par les anti-codons de l ARN t. Il existe donc des ARN t avec des anti-codons différents transportant le même acide aminé. On parle alors d ARN t isoaccepteurs. Il existe 61 codons significatifs mais il y a nettement moins d ARN t que de codons. Pourquoi? Un ARN t peut reconnaitre plusieurs codons. En effet, la base 5 de l anti-codon estcapable de s appareiller avec différentes bases possibles au niveau de la base 3 du codon. Il y a donc un flottement entre certaines bases : c est l effet Wooble. Base en 5 de l anticodon U C A G I (inosine) Base en 3 du codon A ou G G seulement U seulement C ou U A ou C ou U Chez les Procaryotes, la transcription et la traduction sont simultanées car ont lieu dans le noyau. De plus, il peut y avoir synthèse de plusieurs protéines à partir d un seul ARN m. LES DIFFERENTES ETAPES DE LA TRADUCTION TRADUCTION CHEZ LES PROCARYOTES INITIATION Le codon initiateur de la traduction est : 5 AUG 3. Il code pour la N-Formylméthionine. Lorsqu il n est pas le codon initiateur, celui-ci code pour la Méthionine. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 46

La séquence de reconnaissance pour les ribosomes est appelée séquence de Shine et Dalgarno, c est une séquence consensus 5 AGG AGG 3. La petite sous-unité de 30S du ribosome vient se fixer sous l ARN m et va reconnaitre la séquence de Shine et Dalgarno via le ribosome 16S (qui est une partie de 30S, voir schéma plus haut). La grande sous-unité ribosomique de 50S arrive alors dès que le codon initiateur a été reconnu. ELONGATION L élongation se fait en trois étapes : Reconnaissance du codon et arrivée de l ARN t portant l acide aminé correspondant. Passage de l ARN t sur le site P et arrivée d un nouvel ARN t sur le site A. Formation de la liaison peptidique, translocation de la grande sous-unité du ribosome vers le coté 3, largage du premier ARN t via le site E et avancée du nouvel ARN t dans le site P. DETAILS Les ARN t chargés d un acide aminé sont libres dans le cytoplasme. Ils viennent se placer dans le site A du ribosome au hasard. Leur anticodon est testé avec le codon de l ARN m en traduction. Deux cas sont alors possibles : Soit l anticodon ne correspond pas, ce qui entraîne le largage de l ARN t. Soit l anticodon correspond, ce qui entraîne alors la suite de l élongation. La grande sous unité du ribosome se décale alors d un codon vers l extrémité 3 de l ARNm. Il arrive alors un nouvel ARN t sur le site A. L acide aminé situé sur l ARN t du site P établi alors une liaison phosphodiester avec l acide aminé du nouvel ARN t. La petite sous-unité du ribosome avance alors à son tour, entraînant de ce fait le largage du premier ARN t. L ARN t portant alors le polypeptide grandissant se retrouve donc sur le site P. Arrive ensuite un nouvel ARN t et le cycle recommence. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 47

TERMINAISON La terminaison a lieu lorsqu un codon STOP est reconnu : UAA, UAG ou UGA. Elle provoque alors la libération du polypeptide grâce à la séparation des deux sous-unités du ribosome. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 48

TRADUCTION CHEZ LES EUCARYOTES INITIATION Le codon initiateur de la traduction est : 5 AUG 3. Il code pour la Méthionine. Contrairement aux Procaryotes, il n y a pas de séquence de Shine et Dalgarno mais la séquence de Kozak qui est une séquence consensus. 5 (gcc)gccrccaugg 3 Dans cette séquence, R représente une base purique (Adénine ou Guanine). Les bases notées en minuscules sont celles qui reviennent le plus souvent à cette place dans la séquence. Schéma de la séquence de Kozak montrant les bases revenant le plus souvent autour du codon initiateur chez tous les ARN m humains. La petite sous-unité de 40S du ribosome vient se fixer sous l ARN m et va reconnaitre la séquence de Kozak via le ribosome 18S (qui est une partie de 40S, voir schéma plus haut). La grande sous-unité ribosomique de 60S arrive alors dès que le codon initiateur a été reconnu. ELONGATION L élongation se fait en trois étapes : Reconnaissance du codon et arrivée de l ARN t portant l acide aminé correspondant. Passage de l ARN t sur le site P et arrivée d un nouvel ARN t sur le site A. Formation de la liaison peptidique, translocation de la grande sous-unité du ribosome vers le coté 3, largage du premier ARN t via le site E et avancée du nouvel ARN t dans le site P. DETAILS Les ARN t chargés d un acide aminé sont libres dans le cytoplasme. Ils viennent se placer dans le site A du ribosome au hasard. Leur anticodon est testé avec le codon de l ARN m en traduction. Deux cas sont alors possibles : Soit l anticodon ne correspond pas, ce qui entraîne le largage de l ARN t. Soit l anticodon correspond, ce qui entraîne alors la suite de l élongation. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 49

La grande sous unité du ribosome se décale alors d un codon vers l extrémité 3 de l ARNm. Il arrive alors un nouvel ARN t sur le site A. L acide aminé situé sur l ARN t du site P établi alors une liaison phosphodiester avec l acide aminé du nouvel ARN t. La petite sous-unité du ribosome avance alors à son tour, entraînant de ce fait le largage du premier ARN t. L ARN t portant alors le polypeptide grandissant se retrouve donc sur le site P. Arrive ensuite un nouvel ARN t et le cycle recommence. TERMINAISON La terminaison a lieu lorsqu un codon STOP est reconnu : UAA, UAG ou UGA. Elle provoque alors la libération du polypeptide grâce à la séparation des deux sous-unités du ribosome. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 50

MODIFICATION POST-TRANSCRIPTIONNELES REVERSIBLES PHOSPHORYLATION : On ajoute un groupement phosphate sur les acides aminés Serine, Thréonine et Tyrosine. ACETYLATION : On ajoute un groupement CH 3 -CO sur la Lysine. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 51

PERMANENTES ELIMINATION de la Methionine du codon initiateur. FORMATION DE PONTS DISULFURES entre deux Cystéines. ACYLATION : Addition de lipides sur certains acides aminés du polypeptide. GLYCOSYLATION O ET N: Addition de sucres sur certains acides aminés du polypeptide. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 52

CHAPITRE 6 : SYSTEME DE SAUVEGARDE DE L ADN ET REPARATION CONTENU Les Mutations de l ADN... 54 Mutations Ponctuelles... 54 Substitution... 54 Mutation avec changement du Cadre de Lecture... 54 Mutation lors de la Réplication et leur Réparations... 54 Modifications Post-réplicatives et leurs Réparation... 55 Reconnaissance du brin à Réparer... 57 - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 53

Il peut arriver que l ADN soit altéré : il va subir des mutations. Celles-ci sont des modifications du matériel génétique. Elles sont très variées et peuvent affecter : Les cellules germinales (= gamètes) : transmissibles de façon héréditaire. Les cellules somatiques : causes de cancers. Ces mutations peuvent avoir lieu pendant ou après la réplication. Il peut y en avoir : Des spontanées : processus naturel. Des induites : dues à un agent extérieur appelé agent mutagène. La cellule va tout mettre en œuvre pour éviter ces mutations et va ainsi mettre en place des mécanismes de réparation. LES MUTATIONS DE L ADN MUTATIONS PONCTUELLES SUBSTITUTION La Substitution est le remplacement d une base par une autre. La plupart des substitutions de bases dans les régions codantes conduisent au remplacement d un acide aminé par un autre. On parle de mutations faux-sens : il y a synthèse de la protéine mais une altération des fonctions de celle-ci. Exemple : la maladie de la Drépanocytose est due à une modification du 6 ème codon de la chaîne β de l hémoglobine. Au lieu d avoir GAG codant pour la Glucine, on a GUG codant pour la Valine. Les mutations silencieuses ou synonymes changent la séquence de l ADN sans changer la séquence en acides aminés. L absence de changement est due au fait que le code génétique est dégénéré. La protéine est donc synthétisée et n a aucune altération de ces fonctions. Les mutations non-sens correspondent à l apparition d un codon STOP -UAA, UAG ou UGA- au milieu de la séquence. Il y a alors un arrêt précoce de la traduction, entraînant la non-synthèse de la protéine fonctionnelle. MUTATION AVEC CHANGEMENT DU CADRE DE LECTURE La Délétion : elle correspond à la perte d une base. L Insertion : elle correspond à l ajout d une base. Ces deux types de mutation entraînent bien souvent l apparition de codon STOP de façon prématurée. MUTATION LORS DE LA REPLICATION ET LEUR REPARATIONS LORS DE LA POLYMERISATION - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 54

Fréquence d erreur : une base toutes les 10 6 bases. Il y a donc une fréquence d erreur de 10-6. Sans réparation, il y aurait 1 gène sur 10 muté par génération. En réalité, grâce aux réparations, il y a 10-5 à 10-6 gènes mutés par génération. Les erreurs sont donc corrigées : il y a une correction sur épreuve. L ADN Polymérase utilise son action exonucléasique 3 5 pour exciser le mauvais nucléotide. REPARATION DES MESAPPARIEMENT CHEZ ESCHERICHIA COLI. MUT-S reconnait le mésappariement. MUT-L se fixe alors pour stabiliser le complexe. MUT-H repère alors un site méthylé proche de la mutation, engénéral situé à environ 1000 bases du côté 3. Une exonucléase mange alors les bases situées depuis MUT-H jusqu à la base mutée. Réparation du brin d ADN clivé. MODIFICATIONS POST-REPLICATIVES ET LEURS REPARATION FORMATION DES DIMERES DE THYMINE L ADN peut être attaqué par des agents physiques comme les rayons X ou les UV. Les rayons UV vont entraîner la formation de dimères de thymine ou de thymine-cytosine. Cette mutation ne concerne donc que les bases pyrimidiques. S il n y a pas de réparation, la présence de ces dimères est létale pour la cellule car cela empêche toute réplication et transcription. REVERSION DES DIMERES DE THYMINE. Le système réparant utilise la lumière existante. Une enzyme : la Photolyase, réagit aux longueurs d ondes de 320 à 800 nm et répare ainsi les dimères. La formation de ces dimères de façon spontanée chez l Homme peut être due à une maladie héréditaire : Xeoderma pigmentosum. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 55

MODIFICATION D UNE BASE DEAMINATION Les groupements amines NH 2 assez instables peuvent être convertis en groupement cétone C=O. Exemple : on passe de la Cytosine à l Uracile. La plupart des cellules possèdent donc de l Uracile glycosylase pour supprimer l Uracile. Bases Initiales Bases obtenues après déamination Appariements normaux Appariement après déamination A H : Hypoxanthine A T H C C U C G U A G X : Xanthine G C X C Cette déamination peut provoquer de sérieuses mutations, notamment lors de la réplication. PERTE D UNE BASE Suite à la perte d une base, il y a création de site apurinique (G et A) ou apyrimidique (c et T) : ce sont les sites AP. En effet, la liaison glycosilique reliant le sucre et la base est extrêmement labile même dans des conditions physiologiques. REPARATION DES SITES AP L endonucléase AP coupe en 5 le sucre sans base. La Phosphodiéstérase coupe le sucre en 3. Il y a alors élimination du sucre. L ADN Polymérase I et la Ligase agissent alors pour remplacer la base manquante et la lier au reste de la chaîne. REPARATION AVEC EXCISION-RESYNTHESE Lorsque les autres systèmes de réparation n ont pas fonctionnés, on utilise un autre mécanisme : L Endonucléase coupe la zone avec le site AP et un peu plus. Il y a alors une brèche dans l hélice d ADN. L ADN Polymérase I et la Ligase agissent alors pour remplacer la séquence manquante et la lier au reste de la chaîne. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 56

RECONNAISSANCE DU BRIN A REPARER Le brin matrice est méthylé mais ne le reste que quelques instants. En revanche, les brins nouvellement synthétisés ne le sont pas. Les mutations ayant lieu avant ou après la réplication, les bases mutées ne sont pas situées sur le brin matrice. Elles ne sont donc pas méthylés donc ne possèdent pas de groupement CH 3. Les Mutations sont à l origine de notre évolution. - Pas d'utilisation Commerciale - Partage à l'identique 2.0 France. Page 57