Expression génétique : transcription, épissage, traduction

Calcule le nombre de séquences possibles ou la quantité d’information (1 nucléotide = 2 bits).

1. Nombre de séquences possibles pour un fragment de 3 nucléotides :
   On multiplie 4 par lui-même 3 fois : 4 × 4 × 4 = 64.
2. Nombre de séquences possibles pour un fragment de 14 nucléotides :
   On multiplie 4 par lui-même 14 fois : 268 435 456 séquences, autant que 28 bits : plus de 268 millions pour un fragment minuscule.
3. Nombre de bits équivalents à un fragment de 15 nucléotides :
   15 × 2 = 30 bits.
4. Nombre de nucléotides qui portent autant d’information que 24 bits :
   24 ÷ 2 = 12 nucléotides.
5. Un message de 20 bits peut s’écrire de 1 048 576 façons ; un fragment de nucléotides aussi.
   20 bits ÷ 2 = 10 nucléotides, qui offrent eux aussi 1 048 576 séquences (4 puissance 10).

Une protéine est une chaîne d’acides aminés, de 20 sortes. Compare avec l’ADN.

1. Nombre de chaînes possibles de 2 acides aminés :
   20² = 400.
2. Nombre de chaînes possibles de 4 acides aminés :
   On multiplie 20 par lui-même 4 fois : 20 × 20 × 20 × 20 = 160 000.
3. Pour 2 positions, l’alphabet des protéines offre fois plus de séquences que celui de l’ADN.
   400 chaînes contre 16 séquences : 400 ÷ 16 = 25.
4. Nombre de « mots » différents qu’on peut écrire avec 2 nucléotides :
   4² = 16, moins que les 20 acides aminés à désigner.
5. Nombre minimal de nucléotides par mot pour désigner 20 acides aminés et un signal de fin :
   Il faut au moins 21 mots : 4² = 16 ne suffit pas, 4³ = 64 suffit. Le mot du code génétique compte donc 3 nucléotides : c’est le codon.

Des calculs plus longs. Écris les puissances de 2 ou de 4 sans calculatrice.

1. Un gène de 300 nucléotides : 4³⁰⁰ = 2
   4 = 2², donc 4³⁰⁰ = 2^{2 × 300} = 2⁶⁰⁰ : autant que les messages de 600 bits.
2. Information portée par 1 000 nucléotides, en octets (1 octet = 8 bits) :
   1 000 × 2 = 2 000 bits ; 2 000 ÷ 8 = 250 octets.
3. Avec un alphabet imaginaire de 2 lettres seulement, nombre minimal de lettres par mot pour 21 sens :
   2⁴ = 16 < 21 ; 2⁵ = 32 ≥ 21 : 5 lettres par mot.
4. Avec un alphabet imaginaire de 6 lettres, nombre minimal de lettres par mot pour 21 sens :
   6¹ = 6 < 21 ; 6² = 36 ≥ 21 : 2 lettres suffisent.
5. Nombre de chaînes de 3 acides aminés dont le premier est la méthionine :
   Le premier est imposé ; restent 2 positions libres : 20² = 400.
6. Nombre de chaînes de 3 acides aminés qui ne contiennent aucune méthionine :
   Il reste 19 acides aminés possibles à chaque position : 19 × 19 × 19 = 6 859. Ce n’est pas 8 000 − 400.

Écris l’ARN (de 5′ vers 3′) obtenu par transcription de chaque brin transcrit, écrit de 3′ vers 5′.

1. 3′ TAC GGA 5′ → ARN :
   T → A, A → U, C → G ; G → C, G → C, A → U : AUG CCU.
2. 3′ CAT TGC 5′ → ARN :
   C → G, A → U, T → A ; T → A, G → C, C → G : GUA ACG.
3. 3′ ATA CCG 5′ → ARN :
   UAU GGC : chaque T du brin transcrit donne un A, chaque A un U.
4. 3′ GCT AAT 5′ → ARN :
   CGA UUA.
5. 3′ TTG CAC 5′ → ARN :
   AAC GUG.

Passe d’une molécule à l’autre : brin non transcrit, ARN, brin transcrit.

1. Brin non transcrit 5′ ATG AAC TCG 3′ → ARN 5′ 3′
   L’ARN est la copie du brin non transcrit, U à la place de T : AUG AAC UCG.
2. ARN 5′ AUG GAU CUC 3′ → brin non transcrit 5′ 3′
   Même séquence, T à la place de U : ATG GAT CTC.
3. ARN 5′ CCG UAU 3′ → brin transcrit 3′ 5′
   Le brin transcrit est le complémentaire de l’ARN : C → G, G → C, U → A, A → T : GGC ATA.
4. Un ARN compte 18 nucléotides à U ; son brin transcrit compte nucléotides à A.
   Chaque U de l’ARN a été placé face à un A du brin transcrit : 18.
5. Nombre de brins de l’ADN d’un gène qui servent de modèle à l’ARN polymérase :
   Un seul, le brin transcrit ; l’autre brin a la même séquence que l’ARN (à T/U près).

Attention à l’orientation du brin donné, et aux pourcentages.

1. Brin transcrit écrit 5′ TTA CGC CAT 3′ → ARN (de 5′ vers 3′) :
   L’ARN est antiparallèle au brin transcrit. On retourne le brin : 3′ TAC CGC ATT 5′, puis on écrit le complémentaire : AUG GCG UAA. Écrire AAU GCG GUA, sans retourner le brin, serait faux.
2. Un ARN de 200 nucléotides contient 22 % de A, 31 % de U, 26 % de G et 21 % de C. Pourcentage de A de son brin transcrit : %
   Chaque A du brin transcrit fait face à un U de l’ARN : 31 %.
3. Pourcentage de G de ce brin transcrit : %
   Chaque G du brin transcrit fait face à un C de l’ARN : 21 %.
4. Nombre de nucléotides à T du brin non transcrit correspondant :
   Le brin non transcrit a la séquence de l’ARN, T à la place de U : 31 % de 200 = 62.
5. L’ARN polymérase lit le brin transcrit de son extrémité 3′ vers son extrémité
   L’ARN s’allonge de 5′ vers 3′ ; antiparallèle, le brin transcrit est donc lu de 3′ vers 5′.

Un gène compte 3 exons (90, 132 et 171 nucléotides) et 2 introns (412 et 2 005 nucléotides). L’ARNm est traduit de son premier à son dernier nucléotide, codon stop compris.

1. Longueur du pré-ARNm, en nucléotides :
   Tout le gène est transcrit : 90 + 412 + 132 + 2 005 + 171 = 2 810.
2. Longueur de l’ARNm mature :
   Seuls les exons restent : 90 + 132 + 171 = 393.
3. Nombre de nucléotides retirés par l’épissage :
   2 810 − 393 = 2 417 (412 + 2 005, les introns).
4. Part du pré-ARNm retirée par l’épissage, au pour cent près : %
   2 417 ÷ 2 810 ≈ 0,860, soit 86 % : la plus grande partie du pré-ARNm est éliminée.
5. Nombre d’acides aminés de la protéine :
   393 ÷ 3 = 131 codons, dont le codon stop : 130 acides aminés.

Épissage alternatif : chaque exon facultatif peut être gardé ou exclu, indépendamment des autres. Les exons commencent au début d’un codon.

1. Nombre d’ARNm possibles pour un gène à 3 exons facultatifs :
   2 × 2 × 2 = 8.
2. Nombre d’ARNm possibles pour un gène à 5 exons facultatifs :
   2⁵ = 32.
3. Trois exons facultatifs mesurent 141, 152 et 168 nucléotides. Longueur de celui dont l’exclusion décale la lecture de la suite :
   141 = 3 × 47 et 168 = 3 × 56 : exclus, ils retirent des codons entiers. 152 = 3 × 50 + 2 n’est pas un multiple de 3 : sans lui, tous les codons suivants sont lus décalés.
4. Une protéine de 312 acides aminés perd, par exclusion d’un exon de 126 nucléotides, acides aminés et en compte alors
   126 = 3 × 42 : 42 acides aminés en moins, soit 312 − 42 = 270.
5. L’exclusion d’un exon de 100 nucléotides décale la lecture de la suite de nucléotide(s).
   100 = 3 × 33 + 1 : il reste 1 nucléotide hors des codons entiers ; tous les codons suivants sont lus décalés.

L’ARNm d’un gène compte 5 exons : E1 = 150 nucléotides (il commence par AUG), E2 = 99, E3 = 64, E4 = 125, E5 = 201 (il finit par le codon stop). Dans le muscle, les 5 exons sont gardés.

1. Nombre d’acides aminés de la protéine du muscle :
   150 + 99 + 64 + 125 + 201 = 639 nucléotides, soit 213 codons dont le stop : 212 acides aminés.
2. Dans le foie, E2 est exclu. Acides aminés de la protéine du foie :
   639 − 99 = 540 nucléotides : 180 codons, 179 acides aminés ; 99 = 3 × 33, la lecture de E3 à E5 n’est pas décalée.
3. Si seul E3 était exclu, la lecture de E4 et E5 serait décalée de nucléotide(s).
   64 = 3 × 21 + 1 : décalage de 1 nucléotide, les codons de E4 et E5 seraient tous changés.
4. Dans le cerveau, E3 et E4 sont exclus ensemble. Acides aminés de la protéine du cerveau :
   64 + 125 = 189 = 3 × 63 : retirés ensemble, ils ne décalent pas la lecture. 639 − 189 = 450 nucléotides : 150 codons, 149 acides aminés.
5. Nombre d’acides aminés codés par E3 et E4 réunis dans la protéine du muscle :
   E1 + E2 = 249 = 3 × 83 : E3 commence au début d’un codon ; E3 + E4 = 189 nucléotides = 63 codons. On vérifie : 212 − 149 = 63.

À l’aide du tableau du code génétique (cours, tableau 1), donne l’acide aminé codé (abréviation à trois lettres) ou écris « stop ».

1. GGA →
   Ligne G, colonne G, 3^e base A : Gly (glycine).
2. AUU →
   Ligne A, colonne U : Ile (isoleucine) ; AUG, dans la même case, code Met.
3. UAG →
   Ligne U, colonne A : UAG est un codon stop.
4. CCG →
   Pro : les quatre codons CC_ codent la proline.
5. AAC →
   Ligne A, colonne A : AAU et AAC codent Asn, AAA et AAG codent Lys.
6. UGU →
   Ligne U, colonne G : Cys ; UGA est un stop, UGG code Trp.

Compte dans le tableau du code génétique.

1. Nombre de codons de la sérine (Ser) :
   UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC : 6, répartis dans deux cases.
2. Nombre de codons de l’arginine (Arg) :
   CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG : 6.
3. Seul codon stop qui commence par UG :
   UGA ; les deux autres sont UAA et UAG.
4. Nombre d’acides aminés désignés par un seul codon :
   La méthionine (AUG) et le tryptophane (UGG) : 2.
5. Nombre de codons qui désignent un acide aminé :
   64 − 3 codons stop = 61.

Combien d’ARNm différents, du codon AUG au codon stop inclus, peuvent coder chaque peptide ? (Utilise le nombre de codons de chaque acide aminé et les 3 codons stop.)

1. Met – His – Ile :
   Met 1 × His 2 × Ile 3 × stop 3 = 18 : l’isoleucine a 3 codons (AUU, AUC, AUA), AUG étant celui de Met.
2. Met – Leu – Ser :
   1 × 6 × 6 × 3 = 108.
3. Met – Phe – Tyr – Cys :
   1 × 2 × 2 × 2 × 3 = 24.
4. Met – Gly – Ala – Val – Thr (4 codons chacun pour Gly, Ala, Val et Thr) :
   1 × 4 × 4 × 4 × 4 × 3 = 256 × 3 = 768.
5. Nombre de peptides différents codés par l’ARNm 5′ AUG GCA UGG UAA 3′ :
   Le code est non ambigu : chaque codon n’a qu’un sens, l’ARNm donne un seul peptide (Met – Ala – Trp). L’inverse n’est pas vrai, comme le montrent les lignes précédentes.

Traduis chaque ARNm. Extrait du code : AUG Met ; GCU Ala ; UUC Phe ; GAA Glu ; CAC His ; UGG Trp ; AAU Asn ; UAA et UGA stop.

1. 5′ AUG GCU UUC UAA 3′ →
   AUG Met, GCU Ala, UUC Phe, UAA stop : Met – Ala – Phe.
2. 5′ AUG CAC GAA UGG UGA 3′ →
   Met – His – Glu – Trp ; UGA, codon stop, ne code rien.
3. 5′ AUG AAU UGG GCU CAC UAA 3′ : nombre de codons :
   18 nucléotides ÷ 3 = 6 codons.
4. Même ARNm : nombre d’acides aminés du peptide :
   6 codons dont un stop : 5 acides aminés (Met – Asn – Trp – Ala – His).
5. 5′ AUG UUC UGA GAA CAC 3′ →
   Le stop UGA arrive au 3^e codon : Met – Phe. GAA et CAC, après le stop, ne sont pas traduits.

Le codon AUG n’est pas toujours au début de la séquence écrite. Extrait du code : AUG Met ; CCU Pro ; GGU Gly ; ACA Thr ; UCA Ser ; CGU Arg ; UAG, UAA et UGA stop.

1. 5′ GCUCAAUGCCUGGUUAG 3′ →
   AUG commence au 6^e nucléotide : AUG | CCU | GGU | UAG → Met – Pro – Gly.
2. 5′ UCCAUGACAUAA 3′ : position du premier nucléotide du codon AUG :
   U1 C2 C3 A4 U5 G6 : AUG commence en position 4.
3. Même ARNm →
   AUG | ACA | UAA : Met – Thr. Découper depuis U1 (UCC AUG ACA UAA) ferait traduire UCC à tort.
4. 5′ AUGUCACGUUGAUAA 3′ : nombre d’acides aminés :
   AUG | UCA | CGU | UGA : le premier stop du cadre est UGA, au 4^e codon : 3 acides aminés (Met – Ser – Arg) ; UAA, après, n’est pas atteint.
5. Une protéine de 120 acides aminés : nombre de nucléotides de l’ARNm, de AUG au stop inclus :
   120 + 1 = 121 codons ; 121 × 3 = 363 nucléotides.
6. Une séquence codante de 1 500 nucléotides (de AUG au stop inclus) donne acides aminés.
   1 500 ÷ 3 = 500 codons, dont le stop : 499.

La fonction traduire du cours utilise le tableau 1. Les valeurs de vitesse sont choisies pour l’exercice.

1. traduire("CCAUGGCAUAAUGA") renvoie :
   AUG commence en 3^e position : AUG | GCA | UAA → la boucle s’arrête au stop : Met, Ala. Le UGA final n’est pas lu.
2. traduire("AUGUUUGG") renvoie :
   AUG Met, UUU Phe ; les deux derniers nucléotides ne forment pas un codon complet : la boucle s’arrête, Met, Phe, sans codon stop.
3. traduire("GUCCAGUUU") renvoie une liste de élément(s).
   find ne trouve pas AUG et renvoie −1 : la fonction renvoie une liste vide, 0 élément.
4. Sur un même ARNm, les ribosomes achèvent une protéine toutes les 5 s, pendant 30 min : nombre de protéines :
   30 min = 1 800 s ; 1 800 ÷ 5 = 360 protéines.
5. La cellule contient 200 copies de cet ARNm traduites au même rythme : protéines en 30 min :
   360 × 200 = 72 000 : copies d’ARN et polysomes amplifient la production.
6. Un ribosome lit 6 codons par seconde : durée de lecture, de AUG au stop inclus, de l’ARNm d’une protéine de 359 acides aminés, en s :
   359 + 1 = 360 codons ; 360 ÷ 6 = 60 s.

Hypercholestérolémie familiale (allèle muté du gène du récepteur des LDL, particules qui transportent le cholestérol dans le sang). Écris l’échelle du phénotype : moléculaire, cellulaire ou organisme.

1. Le récepteur des LDL de la membrane des cellules du foie est absent ou anormal. →
   Il s’agit d’une protéine : échelle moléculaire.
2. Les cellules du foie retirent peu de LDL du sang. →
   C’est le fonctionnement des cellules : échelle cellulaire.
3. Le taux de cholestérol du sang est très élevé dès l’enfance. →
   Une mesure faite sur la personne : échelle de l’organisme.
4. Des dépôts graisseux rétrécissent les artères et augmentent le risque d’infarctus. →
   Échelle de l’organisme : la santé de la personne.
5. Une alimentation pauvre en graisses animales abaisse un peu ce taux : le phénotype dépend aussi de l’
   Le phénotype dépend du génotype et de l’environnement, ici l’alimentation.

On recherche quatre gènes dans l’ADN de trois types cellulaires humains et leurs ARNm (+ : détecté ; − : non détecté). Les quatre gènes sont détectés dans l’ADN des trois types cellulaires.

1. Gène dont l’ARNm est détecté dans les trois types cellulaires :
   L’actine cytoplasmique : un gène exprimé partout.
2. Gène dont l’ARNm n’est détecté que dans l’érythroblaste :
   La β-globine, chaîne de l’hémoglobine des globules rouges.
3. Ces trois types cellulaires ont le même génome car ils sont tous issus, par mitoses, de la cellule-
   De la cellule-œuf : les mitoses conservent le génome, d’où les quatre gènes présents partout.
4. Nombre de ces quatre gènes transcrits dans la fibre musculaire :
   Myosine et actine : 2 sur 4. Chaque cellule n’exprime qu’une partie de ses gènes.
5. L’hépatocyte ne fabrique pas d’hémoglobine : le gène de cette protéine y est présent mais pas
   Il n’est pas transcrit (aucun ARNm) : la cellule n’a pas perdu le gène, elle ne l’exprime pas.

Pour un même gène G, on mesure dans quatre tissus d’une personne le taux de méthylation de sa séquence régulatrice et la quantité de son ARNm (unités arbitraires, valeurs choisies).

1. Tissus rangés par méthylation croissante (écris les quatre lettres) :
   12 < 41 < 63 < 76 : B, C, D, A. Dans cet ordre, l’ARNm baisse : 48, 15, 4,2, 0,6.
2. Le tissu B contient fois plus d’ARNm de G que le tissu A.
   48 ÷ 0,6 = 80.
3. Le tissu C contient fois moins d’ARNm de G que le tissu B (au dixième).
   48 ÷ 15 = 3,2.
4. On traite le tissu A par une substance qui empêche la méthylation. Si la méthylation freine la transcription de G, la quantité d’ARNm de G doit
   Augmenter : le tableau montre une corrélation, l’expérience teste la cause. Moins méthylée, la séquence régulatrice redevient accessible aux facteurs de transcription et à l’ARN polymérase.
5. Le gène G du tissu A a une séquence à celle du tissu B.
   Identique : la méthylation est une marque ajoutée, pas une mutation ; elle diminue la transcription sans changer la séquence.