Expression génétique : transcription, épissage, traduction

Rappel. En 2^de, tu as vu que l’ADN est formé de deux brins de nucléotides (A, T, G, C) associés par complémentarité et qu’un gène est une portion d’ADN dont la séquence porte une information (« ADN : le support de l’information génétique »). Ce chapitre explique comment cette information est lue et utilisée par la cellule.

Lire les séquences. Dans les années 1950, Frederick Sanger établit la première séquence complète d’une protéine, l’insuline, formée de deux chaînes de 21 et 30 acides aminés (prix Nobel de chimie 1958). En 1965, l’équipe de Robert Holley publie la première séquence d’un ARN, un petit ARN de levure de 77 nucléotides. En 1977, Sanger et ses collègues mettent au point une méthode de séquençage de l’ADN, à la base de la lecture des génomes.

Figure 1 — L’expression d’un gène dans une cellule eucaryote : transcription et épissage dans le noyau, traduction dans le cytoplasme.

Réflexe — nombre de séquences = (nombre de lettres possibles)^longueur : 4ⁿ pour l’ADN ou l’ARN, 20ⁿ pour une protéine, 2ⁿ pour n bits.

Attention — 4ⁿ n’est pas 4 × n : un fragment de 6 nucléotides donne 4 096 séquences, pas 24. Et le code n’est pas l’information : deux gènes différents portent deux informations différentes, lues avec le même code.

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Comment on l’a su. En 1961, Sydney Brenner, François Jacob et Matthew Meselson montrent, en marquant l’ARN de bactéries par un élément radioactif pendant un temps très court, qu’un ARN de courte durée de vie porte l’information des gènes jusqu’aux ribosomes, où se fabriquent les protéines : c’est l’ARN messager (ARNm), dont François Jacob et Jacques Monod avaient fait l’hypothèse. Chez les eucaryotes, un précurseur radioactif de l’ARN (l’uridine, qui apporte U) apparaît d’abord dans le noyau, puis dans le cytoplasme.

Réflexe — je repère d’abord le brin donné : brin transcrit → j’écris le complémentaire avec U ; brin non transcrit → je recopie en changeant T en U. J’écris toujours l’ARN de 5′ vers 3′.

Attention — un T dans une séquence d’ARN est une faute. Et si le brin transcrit est écrit de 5′ vers 3′, l’ARN se lit à l’envers : il faut retourner la séquence avant de la comparer.

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Réflexe — pré-ARNm = exons + introns ; ARNm = exons conservés seulement. Un exon retiré dont la longueur est un multiple de 3 ne décale pas la lecture de la suite.

Attention — les introns sont transcrits : ils sont dans le pré-ARNm, pas dans l’ARNm. Et l’épissage alternatif ne change pas le gène : il change la combinaison d’exons gardée dans l’ARNm.

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Tableau 1 — Le code génétique (codons de l’ARNm) : la ligne donne la 1^re base, la colonne la 2^e ; la 3^e est lue dans la case.

Comment on l’a déchiffré. En 1961, Marshall Nirenberg et Heinrich Matthaei ajoutent un ARN de synthèse à un extrait de bactéries : l’extrait fabrique un polypeptide, ce qui leur permet d’identifier le premier codon ; d’autres ARN de synthèse, de séquence connue, permettent ensuite d’attribuer les autres. Le code est entièrement déchiffré en 1966 ; Nirenberg, Har Gobind Khorana et Robert Holley reçoivent le prix Nobel de médecine en 1968.

Réflexe — pour lire un codon : ligne de la 1^re base, colonne de la 2^e, puis la 3^e dans la case. De l’ARNm on déduit une seule protéine ; de la protéine on ne peut pas déduire un seul ARNm.

Attention — un codon stop ne code pas un acide aminé « de fin » : il ne code rien. Et la redondance ne veut pas dire qu’un codon a plusieurs sens : c’est l’inverse, plusieurs codons pour un même sens.

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Un algorithme de traduction. La traduction suit une règle fixe : on peut la programmer. En Python, avec un dictionnaire code qui associe chaque codon à son acide aminé (le tableau 1) :

def traduire(arn):
    debut = arn.find("AUG")
    if debut == -1:
        return []
    proteine = []
    for i in range(debut, len(arn) - 2, 3):
        aa = code[arn[i:i + 3]]
        if aa == "stop":
            break
        proteine.append(aa)
    return proteine

Réflexe — je cherche AUG, je découpe en triplets à partir de lui, je traduis chaque codon jusqu’au premier stop, que je ne traduis pas.

Attention — un UAA ou un UGA situé à cheval sur deux codons ne compte pas : seul un stop lu dans le cadre de lecture arrête la traduction. Et les nucléotides avant AUG ne sont pas traduits.

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Réflexe — pour expliquer un phénotype : allèle → protéine (molécule) → fonctionnement de la cellule → caractère de l’organisme, sans oublier l’environnement. Pour comparer deux cellules : même ADN, ARNm différents.

Attention — une cellule du foie possède le gène de l’insuline : elle ne l’a pas perdu, elle ne le transcrit pas. Et une méthylation n’est pas une mutation : elle change l’expression d’un gène, pas sa séquence.

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