Introduction
Les gènes déterminent des caractères héréditaires. L’expression génétique, c’est l’ensemble des étapes qui permettent à un gène de déterminer un caractère héréditaire. Dans un organisme pluricellulaire, toutes les cellules somatiques d’un individu ont les mêmes gènes, mais elles n’expriment pas toutes les mêmes gènes du fait de leur spécialisation cellulaire. Comment les gènes s’expriment-ils dans les cellules ? On montrera tout d’abord qu’un gène détermine une protéine, puis comment ce gène s’exprime dans une cellule par la synthèse d’un intermédiaire, la traduction de cet intermédiaire dans le cytoplasme, et enfin ce qui détermine l’expression d’un gène dans une cellule donnée.
I. Des gènes aux protéines
A. La structure de l’ADN et des protéines
La séquence de l’ADN, est la succession des quatre désoxyribonucléotides (Adénine, cytosine, guanine, thymine) le long des brins de la molécule d’ADN. Elle est une information : en effet, une mutation (=modification de la séquence des nucléotides) peut se traduire par une modification d’un ou plusieurs caractères héréditaires si elle touche la partie codante de l’ADN (1 à 3% chez l’humain). Cette information génétique est transmise de générations en générations, d’une cellule à l’autre par mitose et d’un organisme à un autre lors de la reproduction.
Les caractères d’un individu sont dus notamment aux protéines qu’il possède. Ce sont des macromolécules (= molécule de grande taille) composées d’une succession linéaire et ordonnée (= séquence) d’acides aminés. Elles se replient ensuite, ce qui leur permet d’exercer leur fonction(ex : structure :collagène des cheveux, kératine des ongles ; métabolisme : enzymes (ex :ADN polymérase), transport de molécule(ex : Hémoglobine et O2)).
L’ADN et les protéines sont donc 2 molécules linéaires, formées d’une succession ordonnée de sous-unités = éléments plus ou moins répétées appelée séquence des nucléotides pour l’ADN, ou séquence d’acides aminés = séquence peptidique pour les protéines.
B. La relation gène-protéine
La mutation d’un gène (= modification d’un ou plusieurs nucléotides) modifie la séquence des acides aminés de la protéine correspondante. De plus, l’expérience de Beadle et Tatum (1941) montre que la mutation d’un gène modifie une protéine qui elle-même modifie un caractère héréditaire. Donc un gène est un fragment d’ADN qui détermine la synthèse d’une protéine, qui détermine elle-même un caractère héréditaire.
Expérience historique de Beadle et Tatum: La mutation d’un gène entraine la modification d’une protéine (une enzyme) qui entraine la modification d’un caractère héréditaire (la capacité à synthétiser une molécule et à pousser sur un milieu supplémenté ou non en cette molécule)
A partir de 1960, on observe des similitudes entre l’ADN et les protéines : elles sont toutes 2 linéaires, formées d’une succession ordonnée de sous-unités/éléments plus ou moins répétées (polymères) appelée séquence des nucléotides pour l’ADN, ou séquence d’acides aminés pour les protéines. La mutation d’un gène (= modification d’un ou plusieurs nucléotides) modifie la séquence des acides aminés de la protéine correspondante de façon proportionnelle.
Cependant, chez les eucaryotes, la synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme, alors que l’ADN ne sort pas du noyau. Il faut donc qu’il y ait un intermédiaire qui transmette le message génétique d’un gène entre le cytoplasme et le noyau.
II. Du noyau au cytoplasme : la transcription
A. De l’ADN à l’ARNpm = pré-ARNm
L’ARN (Acide RiboNucléique) est une molécule synthétisée dans le noyau et qui est aussi présente dans le cytoplasme. C’est un acide nucléique à un seul brin linéaire (=non ramifié). Il est constitué d’une succession relativement courte de ribonucléotidesqui contiennent chacun un groupement phosphate, un sucre appelé ribose, lié à une base azotée A, C, G identique à l’ADN, sauf la thymine qui est remplacée par l’uracile U.
L’ARNm ou ARN messager transporte le message génétique d’un gène de l’ADN du noyau vers le cytoplasme. Il est synthétisé sous forme d’ARNpm, ou pré-ARNm, ou ARN prémessager qui subit ensuite une maturation pour devenir l’ARNm.
Remarque 1 : Il existe d’autres types d’ARN selon leur rôle dans la cellule : l’ARNt (de transfert), l’ARNr (ribosomique),…
Remarque 2 : comparer la taille en bases (b) et le nombre de gènes d’une molécule d’ADN (5kb à 100 Mb – environ 1000 gènes par chromosomes) et d’ARN (100 b – un seul gène)
B. La synthèse de l’ARN
Une molécule d’ARN (ARNpm = pré-ARNm pour l’ARNm) est synthétisée à partir de l’ADN au cours de la TRANSCRIPTION. La transcription commence au début d’un gène par la liaison de l’ARN polymérase à l’un des 2 brins de l’ADN, appelé BRIN TRANSCRIT(initiation). Puis l’ARN polymérase progresse le long du brin transcrit de l’ADN en ajoutant au brin d’ARN les nucléotides complémentaires du brin transcrit(A->U, C<->G, T->A), ce qui synthétise le brin d’ARN (élongation). La séquence de l’ARN est donc identique (sauf la T de l’ADN qui est remplacée par l’U dans l’ARN) au brin non transcrit de l’ADN, appelé pour cette raison BRIN CODANT.Enfin elle se détache de l’ADN (terminaison) à la fin du gène. Un même gène est transcrit par plusieurs ARN polymérases en même temps (amplification).
Chez les eucaryotes, cette transcription a lieu dans le noyau. Les ARNpm subissent parfois une maturation pour devenir des ARNm.
Localisation de l’ARN dans une cellule par autoradiographie en 2 étapes: l’ARNm est synthétisé dans le noyau (photo a) puis passe dans le cytoplasme où il est traduit (photo b).
Un chromosome avec plusieurs gènes transcrits en même temps. L’initiation est au niveau des brins d’ARN les plus courts, et la terminaison au niveau des ARN les plus longs. De nombreux ARN sont synthétisés en même temps pour un même gène.
Schéma de la transcription
La notion de promoteur est hors programme. L’ARN polymérase n’agit pas seule mais avec d’autres enzymes.
C. La maturation et la sortie de l’ARN
Après sa synthèse, l’ARNpm (ou pré-ARNm) se détache de l’ADN et subit une MATURATION dans le noyau des cellules eucaryotes, notamment l’épissage :
- les introns sont excisés (= éliminés) et restent donc dans le noyau
- les exons sont reliés entre eux et forment l’ARNm (messager) : ils sortiront du noyau.
L’épissage alternatif (les exons différent selon les cellules) concerne au moins 60% de nos gènes. Il permet de produire plusieurs protéines à partir d’un même gène (par exemple selon les types cellulaires), ce qui remet en cause le concept un gène -> une protéine.
Une queue et une coiffe sont ajoutées, ce qui forme l’ARNm (= « ARNpm mature », prêt à sortir du noyau).
Mise en évidence des introns au MET par hybridation de l’ARNm et de l’ADN
L’épissage constitutif: les introns sont éliminés dans le noyau, les exons sont assemblés pour former l’ARNm
L’épissage alternatif: les exons ne sont pas les mêmes selon les cellules, ce qui permet à un même gène de coder des protéines différentes selon les cellules
Enfin, l’ARNm est exporté du noyau par les pores nucléaires de l’enveloppe nucléaire vers le cytoplasme où a lieu la synthèse des protéines.
Pores nucléaires (Pn) vus au MEB (à gauche) et au MET (à droite) permettant la sortie de l’ARNm du noyau dans le cytoplasme
III. La traduction : de l’ARNm à la protéine
A. Le code génétique
La séquence des nucléotides de l’ARNm gouverne la séquence des acides aminés dans la protéine selon un système de correspondance : le CODE GÉNÉTIQUE. Un triplet (ou codon) de nucléotides (= groupe de 3 nucléotides) code un acide aminé (sauf les codons-stop : voir IIIB.). Le code génétique possède 3 propriétés, il est :
- UNIVOQUE (non ambigu) : à chaque codon de nucléotides correspond un seul acide aminé. (ex: UCU code uniquement la sérine)
- REDONDANT = DÉGÉNÉRÉ : comme 64 codons de nucléotides codent 20 acides aminés, plusieurs codons correspondent à un même acide aminé. (ex: UCU, UCC, UCA et UCG codent tous les 4 la sérine)
- UNIVERSEL : c’est le même pour presque tous les êtres vivants.
Une animation pour apprendre à utiliser le code génétique: http://svt.pages.ac-besancon.fr/codegenetique/. Cliquer sur les nucléotides d’un codon successivement et lire le résultat.
B. La synthèse d’une protéine à partir de l’ARNm
La synthèse d’une protéine à partir de l’ARNm est la TRADUCTION. Elle est réalisée par les RIBOSOMES, des petits éléments granuleux présents dans le cytoplasme; les ribosomes se lient à l’ARNm au niveau du codon d’initiationAUG(initiation) puis progressent le long de l’ARNm en associant un acide aminé à chaque codon selon le code génétique et en le liant au reste de la chaine d’acides aminés(élongation). Au niveau du codon-stop, aucun acide aminé n’est ajouté, et la chaine d’acides aminés est libérée dans le cytoplasme, et le ribosome se détache de l’ARNm, ce qui termine la traduction(terminaison).La chaine d’acides aminés se replie ensuite pour former une protéine dans le cytoplasme.
Plusieurs ribosomes traduisent en même temps un même ARNm (polysome) : c’est l’amplification.
Un brin d’ARNm traduit par plusieurs ribosomes en même temps (MET)
Schéma des étapes de la traduction
Une vidéo sur les étapes de la traduction. Tout ce qui n’a pas été abordé en cours est hors programme (ARN de transfert des ribosomes, sous-unités, sites A et P de la grosse sous-unité).
IV. Phénotype, génotype et environnement
A. Phénotype et génotype
Rappel : Le phénotype est l’ensemble des caractères observables d’un individu dans un environnement donné. Il peut être observé à différentes échelles : macroscopique, cellulaire, moléculaire.
Le phénotype d’un individu dépend notamment de sonpatrimoine génétique, ou génotype (= ensemble des gènes d’un individu) : les gènes (génotype) portés par un individu déterminent son phénotype moléculaire,qui détermine lui-même le phénotype cellulaire, lui-même à l’origine du phénotype macroscopique.
gène —› protéine —> cellule —› organisme
GENOTYPE –> PHENOTYPE MOLECULAIRE –> PHENOTYPE CELLULAIRE –> PHENOTYPE MACROSCOPIQUE
Ex 1 : la xerodermie pigmenteuse (XP) est due à la mutation d’un des gènes impliqués dans la synthèse d’une enzyme de réparation de l’ADN (génotype). Une des enzymes de réparation est alors peu ou pas active (phénotype moléculaire), les mutations non réparées s’accumulent dans les cellules (phénotype cellulaire), ce qui cause des lésions à l’échelle de l’organisme (phénotype macroscopique).
Ex 2 : La drépanocytose, ou anémie falciforme, est une maladie génétique due à une mutation au niveau du 20enucléotide (20 A->T) du gène codant la chaine ß de l’hémoglobine, une protéine présente dans le cytoplasme des hématies qui transporte le dioxygène dans le sang. La maladie se manifeste par un phénotype observable aux 3 échelles :
- moléculaire : Chez un individu sain, la chaine ß de l’hémoglobine saine (HbA) a pour 6eacide aminé, l’acide Glutamique. La mutation chez l’individu atteint entraine une modification du 6eacide aminé qui a été remplacé par la valine dans l’Hb drépanocytaire (HbS). Les molécules d’HbS s’associent pour former de longues fibres, alors que les molécules d’HbA restent indépendantes chez le phénotype moléculaire sain.
- cellulaire : les HbS en fibrilles déforment les hématies qui adoptent une forme de faucille : on parle d’hématies falciformes. Les hématies d’un individu sain ont la forme d’un disque biconcave.
- macroscopique : les hématies falciformes se bloquent dans les capillaires au niveau des articulations et sont détruites, ce qui cause une anémie grave(=taux d’hémoglobine faible), un essoufflement, des douleurs articulaires,…
voir aussi pour les révisions de fin d’année la mucoviscidose dans le chapitre sur le patrimoine génétique et la santé (Thème 3)
B. Phénotype et expression génétique
Le phénotype dépend aussi de l’expression du patrimoine génétique d’un individu, elle-même sous l’influence de facteurs :
- internes, qui peuvent déterminer :
- les protéines exprimées par épissage alternatif. Ex : les chromosomes sexuels XX ou XY déterminent les introns qui seront épissés lors de la maturation de l’ARNpm chez les drosophiles femelles pour les gènes Slx, Tra, Dsx, et donc les protéines produites selon le sexe qui seront responsables de la différenciation sexuelle des drosophiles.
Source: 1eSVT Magnard 2019
- L’intensité de l’expression génétique. Ex : en présence de testostérone, la synthèse d’ARNm des gonadotropines GH et de l’hormone de croissance diminuent : la testostérone inhibe l’expression de ces gènes.
Source: 1eSVT Magnard 2019
- externes (environnementaux) qui modulent l’expression génétique.
Ex 1 : la température d’incubation modifie l’expression de certains gènes chez l’embryon d’alligator, ce qui détermine son sexe: la protéine TRPV4 est inactivée à haute température.
Ex 2: certains produits chimiques comme le BPA modifient l’expression de certains gènes et donc le fonctionnement de l’organe correspondant.
Source: 1e SVT Belin 2019
Le phénotype dépend donc de l’expression du génotype dans un environnement donné.
Conclusion
L’expression génétique est l’ensemble des mécanismes qui permettent de synthétiser une protéine à partir d’un gène. Elle se fait en 2 étapes : la transcription et la traduction. Cette expression est régulée par des facteurs internes et externes, et a pour conséquence le phénotype d’un individu.
Une vidéo en anglais sur l’ensemble des étapes de l’expression génétique (à partir de 0’35), avec des rappels sur le chapitre 1A-1 au début. Activez les sous-titres dans les paramètres de la vidéo si nécessaire. La partie sur les ARNt (ARN de transfert dans les ribosomes) est hors programme.