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1. Présentation générale
a. Schéma des étapes de la synthèse des protéines chez les eucaryotes b. Rappels sur les bases azotées, les nucléosides et les nucléotides (et leurs pendants désoxy-)
c. Représentations schématiques des chaînes d'acides ribonucléiques ou d'acides désoxyribonucléiques
2. La transcription
a. La transcription chez Escherichia coli (Procaryotes)
b. La transcription chez les Eucaryotes
c. Addition de la coiffe des ARN d. La poly-adénylation des ARN messagers e. L'épissage alternatif des ARN messagers
f. Les "P-bodies"
g. Le spliceosome
h. Les ARN de transfert
i. Les aminoacyl-ARNt synthétases
3. Le noyau et les pores nucléaires
4. Les ribosomes
a. Généralités
b. La biosynthèse et la maturation des ARN ribosomiques
c. Assemblage des sous-unités ribosomiques
5. La traduction a. Initiation de la traduction
b. Elongation de la traduction
c. Terminaison de la traduction
6. Le réticulum endoplasmique
7. Le canal de translocation des protéines ou translocon
8. Quelques notions sur le code génétique et les codons 9. La dégradation des protéines : l'ubiquitine et le protéasome
10. Les protéines mal repliées : "Unfolded Protein Response" - UPR
11. Liens Internet et références bibliographiques
1. Présentation générale a. Schéma des étapes de la synthèse des protéines chez les eucaryotes 1ère étape : la transcription des gènes de l'ADN en ARN prémessager a lieu dans le noyau.
Pour chaque gène, un seul brin de l'ADN est transcrit mais ce brin varie selon les gènes.
La synthèse de l'ARN est catalysée par l'ARN polymérase, une enzyme oligomérique. Il en existe 3 types chez les eucaryotes.
La transcription s'effectue de l'extrémité 5' vers l'extrémité 3' des gènes.
2ème étape : la maturation de l'ARN prémessager a lieu dans le noyau
a. une coiffe de 7-méthylguanosine triphosphate est ajoutée à l'extrémité 5' de l'ARN prémessager
b. une queue poly-A (50 à 250 nucléotides d'adénine) est ajoutée à l'extrémité 3' de l'ARN prémessager
Ces modifications protégent l'ARN messager d'une dégradation trop rapide dans le cytoplasme.
c. excision des introns (les parties du gène qui ne codent pas un polypeptide) de l'ARN prémessager
d. épissage des exons (les brins codant) de l'ARN pré-messager.
L'ARN pré-messager ainsi mature devient l'ARN messager (ARNm).
L'ARNm est ensuite exporté vers le cytoplasme via les pores nucléaires.
3ème étape : la traduction de l'ARNm en protéine a lieu dans le cytoplasme au niveau des ribosomes et nécessite la présence d'ARN de transfert (ARNt) chargés avec les acides aminés correspondants et de l'énergie sous forme de GTP.
Les ARNt sont synthétisés dans le noyau.
La synthèse s'effectue de l'extrémité N-terminale de la protéine vers l'extrémité C-terminale.
4ème étape (selon les protéines) : modifications co-traductionnelles ou post-traductionnelles comme la glycosylation (liaison covalente d'oses aux protéines) qui a lieu dans le réticulum endoplasmique puis est finie dans l'appareil de Golgi.
Chez les procaryotes, la transcription et la traduction ont lieu dans le cytoplasme et peuvent être simultanées.
b. Rappels sur les bases azotées, les nucléosides et les nucléotides (et leurs pendants désoxy-)
Les bases azotées constitutives des acides nucléiques
purine
pyrimidine
adénine (A) - ADN & ARN
cytosine (C) - ADN & ARN
guanine (G) - ADN & ARN
thymine (T) - ADN
hypoxanthine - ARN
uracile (U) - ARN
Voir ci-dessous la structure de ces bases azotées.
Remarque : la xanthine, la caféine, la théobromine, l'acide urique sont aussi des purines (mais qui n'interviennent pas dans la structure des acides nucléiques).
Un nucléoside est une glycosylamine : une base azotée dont un groupement amine est lié à un carbohydrate (ribofurannose) par une liaison β-N-osidique.
Un désoxynucléoside utilise le 2-désoxyribofurannose.
Un nucléotide résulte de la phosphorylation d'un groupement -OH du ribose du nucléoside. C'est un ester-phosphate de nucléoside.
Les nucléosides diphosphates (NDP) ou les nucléosides triphosphate (NTP) sont des polyacides forts qui peuvent libérer 3 ou 4 protons (acides polyprotiques).
L'ATP (adénosine 5'-triphosphate) est un NTP particulier puisque c'est la molécule réservoir énergétique de la cellule (le GTP l'est aussi mais il est moins fréquemment utilisé).
Le ribofurannose (ARN) ou le 2-désoxyribofurannose (ADN) sont les oses constitutifs des acides nucléiques.
La base azotée est représentée par la lettre correspondante.
Le ribofurannose (ARN) ou le 2-désoxyribofurannose (ADN) est représenté par une ligne verticale.
La position médiane sur la ligne verticale représente le carbone 3' du ribofurannose lié au nucléotide suivant.
P représente le groupement phosphoryle lié au carbone 5 'du ribofurannose. 3'-OH indique que le groupement OH du carbone 3' du dernier ribofurannose est libre (il n'est pas impliqué dans une liaison phosphodiester). Les structures tridimensionnelles de l'ADN.
De gauche à droite, structure de l'ADN A, B et Z. Source : "DNA" (Wikipedia)
Visualisation d'un ADN double brin
Code PDB : bdna.pdb
Pour faire apparaître de multiples fonctions du menu Jmol :
clic sur "Jmol" (Mac)
clic droit sur "Jmol" (PC)
L'ADN est employé comme molécule de stockage robuste et non modifiable (hormis les mutations) de l'information génétique. La structure en double hélice de l'ADN, son empaquetage très dense dans le noyau et son association étroite aux histones sont des éléments supplémentaires de stabilité.
Pour que l'information passe de l'ADN aux protéines, la cellule utilise diverses classes de molécules d'acides ribonucléiques ou ARN.
les ARN de transfert (ARNt) qui apportent les acides aminés à la machinerie de traduction des ARN messagers en protéines.
les ARN ribosomiaux (ARNr) qui constituent (avec des protéines) les ribosomes.
les ARN messagers (ARNm, découverts par J. Monod, F. Jacob et leurs collaborateurs).
des petits ARN ("small RNAs" : snRNA, snoRNA, siRNA ("small interfering RNA"), miRNA, piRNA, ...) de faible taille (20 - 30 nucléotides). Ils participent à divers mécanismes métaboliques dont la maturation des ARN. Ces petits ARN possèdent souvent une activité catalytique.
Source : Buckingham S. (2003)
Le groupement OH porté par le carbone 2 du ribofurannose rend les ARN plus sensibles à l'hydrolyse de la liaison phosphodiester.
Les ARN sont donc des molécules moins stables que l'ADN, raison pour laquelle l'ADN est employé comme molécule de stockage.
Parmi les ARN, l'ARN ribosomal est le plus stable (temps de demi-vie moyen : quelques jours) car il est trés replié via de nombreux appariements intramoléculaires et son association à un grand nombre de protéines.
Les ARN de transfert sont assez stables car repliés via de nombreux appariements intramoléculaires.
Les ARN messagers sont les moins stables (temps de demi-vie moyen de quelques jours).
Codage de l'information numérique dans de l'ADN
La production de ressources numériques, la transmission de données et leur stockage ont révolutionné notre vie moderne. Cependant, de manière parallèle, les tâches d'archivage actif et d'entretien en continu des médias numériques sont de plus en plus complexes. La molécule d'ADN s'avère un support particulièrement attractif pour le stockage de l'information. C'est, peut-être, le support de l'avenir, du fait notamment de ses capacités d'encodage à haute densité de l'information et de sa longévité dans des conditions de conservation faciles à mettre en oeuvre.
En 2013, cinq formats de fichiers courants en informatique ont été codés sous la forme d'ADN (Goldman et al., 2013):
les 154 sonnets de Shakespeare : format texte ASCII
l'article original de Watson & Crick (structure de l'ADN) : format PDF
une photographie en couleur à une résolution moyenne : format JPEG 2000
un extrait de 26 secondes du discours de Martin Luther King en 1963 ("I have a dream") : format MP3
le code de Huffman utilisé pour convertir les octets en digits en base 3 : format texte ASCII
voir la partie "Supplementary information" de l'article de Goldman et al. (2013)
Soit un total de codage dans une molécule d'ADN de l'équivalent de 739 kilo-octets de stockage sur un disque dur avec un taux estimé d'informations de Shannon de 5.2 106 bits.
L'ADN a été synthétisé, puis séquencé et les fichiers d'origine ont été reconstruits avec une précision de 100% !
L'analyse théorique indique que le stockage dans de l'ADN est :
une technologie d'archivage numérique à long terme réaliste applicable à une échelle bien au-delà des volumes actuels de stockage de l'information 2. La transcription C'est la polymérisation de ribonucléosides triphosphates (NTP) catalysée par une ARN polymérase :
ARNn-OH + NTP ---> ARNn+1-OH + pyrophosphate inorganique (PPi)
L'hydrolyse ultèrieure du pyrophosphate inorganique (PPi) rend la réaction exergonique : ΔG°' = - 2,2 kcal.mol-1. a. La transcription chez Escherichia coli (Procaryotes)
Chez Escherichia coli, l'ARN polymérase est une protéine oligomérique constituée de 6 sous-unités.
Cinq d'entre elles s'associent de manière stoechiomètrique : α2ββ'σ70 pour constituer l'holoenzyme (figure ci-contre).
Elle est de forme irrégulière et l'un des bords est creusé d'un sillon assez long pour adapter un ADN bicaténaire de 16 paires de bases.
β' fixe l'ADN à l'holoenzyme.
β forme une partie du site actif. Elle est impliquée dans l'initiation et l'élongation.
σ70 joue un rôle primordial dans l'initiation de la transcription en dirigeant l'enzyme vers le promoteur. Chaque cellule bactérienne peut contenir plusieurs éléments σ.
ω compte pour moins d'un exemplaire par molécule d'enzyme.
protomère masse molaire (Da) gène E. coli β' 155 613 rpoC β 150 618 rpoB σ 70 263 rpoA α70 36 512 rpoD ω 10 105 rpoZ Source : "3D structures - Darst Lab"
Chez les Procaryotes, la transcription a lieu dans le cytoplasme. L'initiation de la transcription nécessite que la sous-unité σ de l'ARN polymérase se fixe sur l'oligomère α2ββ' (appelé "core-enzyme") pour former l'holoenzyme α2ββ'σ.
Ce complexe se fixe de manière non-spécifique à l'ADN, via la sous-unité σ, et se déplace jusqu'au promoteur situé en amont de la séquence codante entre deux types de séquences appelées respectivement région -35 et "Pribnow box" ou "TATA box" ou région -10. Voir les articles de D. Pribnow (1975) et de Schaller et al. (1975).
Source : M. Hunter (2009)
Ce séquences sont dites consensus car elles reflètent l'emploi le plus fréquent de certains nucléotides à des positions précises par le plus grand nombre d'organismes pour lesquels on a ce type de données.
Exemples de séquences consensus : région -35 : TTGACAT
région -10 : TATAAT
Source : "Biochemistry" - Garret & Grisham
σ70 est l'élément le plus fréquement trouvé chez Escherichia coli. Mais il existe d'autres types de facteurs σ ce qui permet de réguler la transcription de différents gènes : σ28 reconnaît les promoteurs des gènes de motilité et de chimiotaxie, σ32 ceux des gènes induits par le choc thermique, σ38 ceux des gènes de la phase stationnaire et de réponse au stress, σ54 ceux des gènes du métabolisme azoté.
La sous unité σ se détache et la sous unité β' assure la liaison avec l'ADN pour former le complexe fermé. L'ADN est déroulé sur environ 17 paires de bases par l'ARN polymérase : c'est le complexe ouvert. La phase de terminaison Rho-dépendante commence en remplaçant la sous unité σ par un facteur de transcription appelé NusA. NusA fait partie d'une famille de facteurs d'élongation trés conservés.
Chez Escherichia coli c'est une protéine de 495 acides aminés (55 kDa) constituée de 6 domaines. Le domaine N-terminal (1 à 137) interagit avec l'ARN polymérase.
Ce complexe enzymatique synthétise le brin d'ARN complémentaire du brin d'ADN matrice. Figure ci-contre : les différents complexes d'élongation au cours d'un cycle de transcription chez Escherichia coli.
RNAP : ARN polymérase
NusB, NusG et NusE : autres facteurs de transcription
Source : Burmann & Rösch (2011)
Au cours de l'élongation, l'ARN polymérase ouvre une "bulle de transcription" de 12 -13 paires de bases ouvertes.
L'ARN polymérase apparie les ribonucléotides avec les désoxyribonucléotides de l'ADN matrice et elle établit les liaisons phosphodiester entre les ribonucléotides.
Le brin d'ARN en cours de biosynthèse reste apparié à l'ADN puis il y a désappariement.
La terminaison de la transcription se fait de 2 manières (50% pour chacune d'entre elle environ chez Escherichia coli).
α. La terminaison Rho-dépendante
Une courte séquence d'ADN, riches en paires G-C (3 liaisons hydrogènes donc plus fortement liées) suivie de plusieurs U, est transcrite en "épingle à cheveux" ce qui stoppe la progression de l'ARN polymérase.
Une protéine de terminaison appelée Rho (une hélicase ARN-ADN / ATP-dépendante sous forme d'homohexamère) se fixe sur l'ARN et le complexe d'élongation est dissocié.
Le brin d'ARN néo-synthétisé est libéré du brin d'ADN matrice.
Le site d'enroulement de l'ARN autour de Rho est une région d'environ 70 nucléotides (jusqu'à 100 nucleotides), riche en cytosine et pauvre en guanine, appelée "rho utilization site" située en amont de la séquence appelée "terminateur". Source : Pearson Education, Inc. (2009)
β. La terminaison Rho-indépendante (ou terminaison intrinsèque) Elle a lieu au niveau d'une séquence répétée inversée (également riche en paires G-C) suivie de 6 A, située après la séquence codante.
La transcription de cette séquence inversée aboutit à la formation d'une structure en "épingle à cheveux" dans l'ARN en cours de biosynthèse qui bloque le complexe de transcription.
Les liaisons H entre la séquence poly A et le brin complémentaire poly-U néo-synthétisé sont rompues et le brin d'ARN est dissocié du brin d'ADN matrice.
Source : Freeman & Co. (2005)
L'ARNm synthétisé peut être directement traduit. La transcription et la traduction se déroulant dans le même compartiment, des ribosomes peuvent même commencer à traduire un ARN messager avant que sa transcription ne soit finie.
Figure ci-contre : une unité de gène ribosomal en action (Chrironumus pallidivitatus). De nombreuses molécules d'ARN polymérase I (ARN Pol I) sont en train de transcrire le gène car l'initiation est trés fréquente.
Plus on s'approche de l'extrémité 5', plus les transcrits (ARNr) sont longs. Adapté de Hans-Heinrich Trepte