Expression génétique : transcription, épissage, traduction

La séquence de l’ADN, une information ; l’ARN et la transcription ; pré-ARNm, épissage et épissage alternatif ; le code génétique et ses propriétés ; la traduction par les ribosomes ; le phénotype à trois échelles et la régulation de l’expression des gènes.

À propos de cette page

Six problèmes sur documents : suivre un ARN radioactif du noyau au cytoplasme, déchiffrer le code avec des ARN de synthèse, un gène de drosophile aux milliers de combinaisons d’exons, les hémoglobines du fœtus et de l’adulte, le riz doré enrichi en provitamine A, une hormone qui déclenche la transcription d’un gène.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : sa nature (protocole, séquence, tableau, texte), sa source, si les valeurs sont réelles ou choisies, et ce qui est mesuré (radioactivité, ARNm par cellule, teneur d’un grain).
Je repère la comparaison qui répond à la question : avec ou sans ARN de synthèse, avant ou après un traitement, d’un type cellulaire à l’autre, d’un âge à l’autre.
Je calcule dans l’ordre des questions : rapports, pourcentages, nombres de combinaisons, longueurs, en écrivant l’opération.
J’interprète avec les notions du cours : transcription dans le noyau, épissage, codon et code génétique, traduction, régulation par des facteurs internes ou externes.
Je conclus par une phrase qui répond à la question, sans écrire qu’une cellule « perd » un gène qu’elle n’exprime pas.

Problème 1 · Suivre un ARN radioactif dans la cellule★★★Facile

Document 1 — Le protocole. Des cellules eucaryotes en culture reçoivent pendant 15 minutes de l’uridine radioactive, un précurseur de l’ARN qui n’entre pas dans l’ADN. Elles sont ensuite lavées et replacées dans un milieu à uridine non radioactive. À différents moments, on repère la radioactivité dans les cellules par autoradiographie (valeurs choisies pour l’exercice).

Temps après le début du marquage	15 min	1 h 30	3 h
Radioactivité au-dessus du noyau (%)	92	45	14
Radioactivité au-dessus du cytoplasme (%)	8	55	86

Document 2 — Un ARN messager. En 1961, Sydney Brenner, François Jacob et Matthew Meselson montrent chez des bactéries qu’un ARN de courte durée de vie porte l’information des gènes jusqu’aux ribosomes, où se fabriquent les protéines.

Document 3 — Bloquer la transcription. L’actinomycine D empêche la transcription. On l’ajoute à des cellules et on mesure leur synthèse de protéines, en % de la synthèse avant l’ajout (valeurs choisies) : 100 % au départ, 80 % après 1 h, 40 % après 3 h, 10 % après 6 h.

1. L’uridine marque l’ARN car elle apporte la base , absente de l’ADN.
L’uridine contient l’uracile (U), qui remplace la thymine dans l’ARN.
2. Part de la radioactivité au-dessus du noyau à 15 min : %
92 % : l’ARN radioactif est d’abord dans le noyau.
3. L’ARN est donc fabriqué dans le
Juste après le marquage, presque tout l’ARN neuf est dans le noyau : la transcription a lieu là où se trouve l’ADN.
4. Part de la radioactivité au-dessus du cytoplasme à 3 h : %
86 % : sans nouvelle uridine radioactive, l’ARN marqué est passé du noyau au cytoplasme.
5. L’ARN qui passe dans le cytoplasme y est lu par les (document 2).
Les ribosomes, lieu de la traduction.
6. Synthèse de protéines 3 h après l’ajout d’actinomycine D : %
40 % de la synthèse de départ.
7. La traduction continue quelques heures sans transcription grâce aux déjà présents dans le cytoplasme.
Les ARNm déjà exportés sont encore traduits ; comme ils sont peu à peu dégradés, la synthèse de protéines diminue (10 % après 6 h).

Problème 2 · Déchiffrer le code avec des ARN de synthèse★★★Moyen

Document 1 — L’expérience de mai 1961 (Nirenberg et Matthaei, 1961). Un extrait de bactéries E. coli contient des ribosomes et les 20 acides aminés, dont un seul est radioactif. On y ajoute ou non un ARN de synthèse fait uniquement d’uracile, le poly-U (UUUUUU…). Dans ces conditions de laboratoire, l’extrait traduit un ARN même sans codon AUG. Avec la phénylalanine (Phe) radioactive, la radioactivité incorporée dans les protéines vaut environ 70 unités sans poly-U et environ 38 000 avec poly-U (d’après la bibliothèque nationale de médecine des États-Unis). En rendant radioactif, à tour de rôle, chacun des autres acides aminés, on n’obtient pas cette hausse.

Document 2 — D’autres ARN de synthèse. Un ARN fait seulement de cytosine (poly-C) dirige la synthèse d’une chaîne de prolines (Pro).

Document 3 — Des ARN à motif répété (équipe de Har Gobind Khorana, années 1960). L’ARN UCUCUC… dirige la synthèse d’une chaîne où alternent deux acides aminés, la sérine (Ser) et la leucine (Leu). L’ARN UUCUUCUUC… dirige la synthèse de trois chaînes différentes, faites chacune d’un seul acide aminé.

1. Radioactivité avec poly-U ÷ radioactivité sans poly-U, à l’unité près :
38 000 ÷ 70 ≈ 543 : le poly-U fait fabriquer une chaîne de phénylalanine.
2. Codon déduit du document 1 : → Phe
Le poly-U n’offre qu’un codon, UUU : il code Phe.
3. Codon déduit du document 2 : → Pro
Le poly-C ne contient que le codon CCC, qui code donc la proline.
4. Dans UCUCUC…, les codons lus sont UCU et
Lu par triplets : UCU | CUC | UCU | CUC… : deux codons, CUC et UCU, qui alternent ; d’où l’alternance de deux acides aminés.
5. D’après le tableau du code génétique, le codon UCU code
UCU → Ser, et CUC → Leu : le tableau confirme le document 3.
6. Nombre de façons de découper UUCUUCUUC… en codons :
Selon le nucléotide de départ (le 1^er, le 2^e ou le 3^e du motif), le découpage change : 3 lectures, d’où trois chaînes.
7. Dans UUCUUCUUC…, les codons lus sont UUC, UCU et
CUU (Leu), avec UUC (Phe) et UCU (Ser).
8. D’après le tableau, un autre codon que celui du document 1 code aussi Phe : cela illustre la du code.
La redondance : plusieurs codons pour un même acide aminé.

Problème 3 · Un gène de drosophile aux milliers de combinaisons★★★Moyen

Document 1 — Le gène Dscam (Schmucker et al., Cell, 2000). Chez la drosophile, ce gène code une protéine de la membrane des neurones qui intervient dans la mise en place de leurs connexions. Il possède quatre groupes d’exons alternatifs : 12 versions de l’exon 4, 48 de l’exon 6, 33 de l’exon 9 et 2 de l’exon 17. Chaque ARNm mature garde une seule version de chaque groupe, avec les exons constants du gène.

Document 2 — Un échantillon. Sur 50 ARNm de Dscam pris au hasard dans des neurones, 49 portaient des combinaisons d’exons toutes différentes.

1. Nombre total d’exons alternatifs du gène :
12 + 48 + 33 + 2 = 95.
2. Nombre de combinaisons des exons 4 et 6 seulement :
12 × 48 = 576.
3. Nombre d’ARNm matures différents possibles :
12 × 48 × 33 × 2 = 576 × 66 = 38 016 : on multiplie, car chaque version d’un groupe peut s’associer à chaque version des autres.
4. Nombre d’ARNm possibles s’il n’existait qu’une version de l’exon 17 :
12 × 48 × 33 = 19 008, la moitié.
5. Part des ARNm de l’échantillon aux combinaisons toutes différentes : %
49 ÷ 50 = 0,98, soit 98 % : les neurones utilisent un grand nombre de combinaisons.
6. Ces protéines différentes viennent d’un seul gène grâce à l’ alternatif.
L’épissage alternatif : le gène est le même, la combinaison d’exons gardée change.

Problème 4 · Hémoglobine du fœtus, hémoglobine de l’adulte★★★Moyen

Document 1 — Deux hémoglobines. L’hémoglobine de l’adulte (HbA) est formée de 2 chaînes α et de 2 chaînes β ; celle du fœtus (HbF), de 2 chaînes α et de 2 chaînes γ. Les gènes des chaînes β et γ sont voisins, sur le chromosome 11.

Document 2 — Au cours de la vie. À la naissance, l’HbF représente 50 à 95 % de l’hémoglobine du nouveau-né ; le passage à l’hémoglobine adulte commence en fin de grossesse. Chez l’adulte, l’HbF représente moins de 1 % de l’hémoglobine.

Document 3 — Un traitement. Chez des personnes atteintes de drépanocytose, un médicament, l’hydroxyurée, augmente la production d’HbF ; les globules rouges sont alors moins souvent détruits.

1. Nombre de chaînes de globine d’une molécule d’hémoglobine :
2 + 2 = 4 chaînes.
2. Chaîne commune à l’HbF et à l’HbA :
La chaîne α : son gène est exprimé avant et après la naissance.
3. Gène très transcrit dans les cellules précurseurs des globules rouges du fœtus, presque plus chez l’adulte : celui de la chaîne
La chaîne γ : ce gène, présent toute la vie, cesse presque d’être transcrit après la naissance, tandis que celui de β prend le relais.
4. Part maximale de l’HbF chez un adulte : moins de %
Moins de 1 %.
5. Ce changement d’expression est réglé par un facteur interne : le
Le développement : le génome ne change pas, les gènes transcrits changent selon l’âge.
6. L’HbF n’est pas touchée par l’allèle de la drépanocytose, car elle ne contient pas de chaîne
L’allèle de la drépanocytose est un allèle du gène de la chaîne β ; l’HbF, faite de chaînes α et γ, reste normale et limite la formation de fibres.

Problème 5 · Le riz doré, enrichi en provitamine A★★★Difficile

Document 1 — Le premier riz doré (Ye et al., Science, 2000). Le grain de riz blanc ne contient presque pas de β-carotène, que notre corps transforme en vitamine A. Des chercheurs placent dans le riz deux gènes qui codent deux enzymes de la fabrication du β-carotène : psy, venu de la jonquille, et crtI, venu d’une bactérie du sol, Erwinia uredovora. psy est placé sous le contrôle d’une séquence régulatrice active seulement dans l’albumen, la réserve du grain ; crtI, sous celui d’une séquence active dans toute la plante.

Document 2 — Le riz doré 2 (Paine et al., 2005). Le gène psy de la jonquille est remplacé par celui du maïs, et les deux gènes sont placés sous le contrôle d’une séquence régulatrice active seulement dans l’albumen.

Riz	riz doré (2000)	riz doré 2 (2005)
Caroténoïdes du grain (µg/g)	1,6	jusqu’à 37, dont jusqu’à 31 de β-carotène

1. Pour un grain de riz doré 2 à 37 µg/g de caroténoïdes, dont 31 µg/g de β-carotène, teneur en autres caroténoïdes, en µg/g :
37 − 31 = 6 µg/g : le β-carotène est de loin le principal.
2. Les cellules du riz traduisent l’ARNm de crtI en la même enzyme que la bactérie, car le code génétique est
Le code est universel : les mêmes codons désignent les mêmes acides aminés chez la bactérie et chez le riz.
3. Caroténoïdes du riz doré 2 ÷ caroténoïdes du riz doré, à l’unité près :
37 ÷ 1,6 ≈ 23,1, soit environ 23 fois plus.
4. Pour le même grain (37 µg/g, dont 31 µg/g de β-carotène), part du β-carotène parmi les caroténoïdes, au pour cent près : %
31 ÷ 37 ≈ 0,838, soit 84 %.
5. Les cellules des feuilles du riz doré 2 possèdent les deux gènes ajoutés mais ne les pas.
Elles ne les transcrivent pas : dans le riz doré 2, la séquence régulatrice des deux gènes n’est active que dans l’albumen.
6. Une protéine produite par une espèce à partir du gène d’une autre espèce est une protéine
Une protéine hétérologue, ici l’enzyme CrtI de la bactérie fabriquée par le riz : c’est la transgenèse.

Problème 6 · Une hormone déclenche la transcription d’un gène★★★Difficile

Document 1. On injecte chaque jour de l’œstradiol (hormone sexuelle femelle) à de jeunes poussins femelles, du jour 0 au jour 10, puis on arrête. On mesure le nombre de molécules d’ARNm de l’ovalbumine (protéine du blanc d’œuf) par cellule de l’oviducte (données simplifiées).

Jour	0	2	5	10	14
ARNm d’ovalbumine par cellule	non détecté	1 200	17 500	46 000	2 800

Document 2. Le gène de l’ovalbumine est détecté dans l’ADN de l’oviducte et du foie, chez les poussins traités ou non. Son ARNm n’est détecté que dans l’oviducte des poussins traités.

Document 3. L’œstradiol entre dans les cellules et se lie à un récepteur situé dans le noyau. Le complexe œstradiol-récepteur se fixe sur une séquence d’ADN située en amont du gène de l’ovalbumine, ce qui permet la fixation de l’ARN polymérase. Les cellules du foie possèdent aussi ce récepteur : chez la poule, l’œstradiol y déclenche la transcription d’un autre gène, celui de la vitellogénine (protéine du jaune d’œuf).

1. Entre le jour 2 et le jour 10, la quantité d’ARNm est multipliée par environ (à l’unité près).
46 000 ÷ 1 200 ≈ 38,3, soit environ 38.
2. Entre le jour 10 et le jour 14, elle est divisée par (au dixième).
46 000 ÷ 2 800 ≈ 16,4 : sans hormone, la transcription s’arrête et les ARNm déjà formés sont dégradés.
3. Le gène de l’ovalbumine est présent dans l’ADN du foie : l’œstradiol ne crée pas le gène, il en contrôle l’
Il en contrôle l’expression : le génotype ne change pas, la transcription du gène dépend de l’hormone.
4. La séquence d’ADN, située en amont du gène, sur laquelle se fixe le complexe œstradiol-récepteur est une séquence
Une séquence régulatrice : le complexe s’y fixe et joue le rôle d’un facteur de transcription, qui permet la fixation de l’ARN polymérase.
5. L’œstradiol est un facteur à l’organisme (interne ou externe).
Facteur interne : une hormone produite par l’organisme lui-même.
6. Le foie a le gène et le récepteur, mais ne transcrit pas le gène de l’ovalbumine : la réponse à une hormone dépend du type
Du type cellulaire : le foie répond à l’hormone en transcrivant un autre gène, celui de la vitellogénine. On peut proposer que, dans le foie, ce gène soit rendu inaccessible (chromatine condensée, ADN méthylé) ou qu’un autre facteur de transcription y manque : la réponse à un même signal dépend du type cellulaire.

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