ExG 3- Intro à la transcription Flashcards
1
Q
- Différences entre réplication et transcription
- (A) Portion copiée
A
(R) Le génome entier est copié à chaque cycle cellulaire. L’ensemble de l’ADN est dupliqué pour assurer la transmission de l’information génétique à la cellule fille.
(T) Seules certaines portions du génome sont copiées, correspondant aux gènes ou unités transcriptionnelles nécessaires. Cela permet une expression spécifique des gènes selon les besoins cellulaires.
2
Q
- Différences entre réplication et transcription
- (A) Brins utilisés
A
(R) Les deux brins d’ADN sont répliqués.
(T) Un seul brin d’ADN est transcrit, appelé brin matrice ou brin antisens. Le choix du brin dépend de l’orientation du promoteur. La transcription est asymétrique.
3
Q
- Différences entre réplication et transcription
- (A) Bases complémentaires
A
(R) Dans l’ADN, la thymine (T) est complémentaire de l’adénine (A).
(T) Dans l’ARN, l’uracile (U) remplace la thymine et s’apparie avec l’adénine.
(R) La synthèse d’ADN utilise des désoxyribonucléotides (dATP, dTTP, dCTP, dGTP).
(T) La synthèse d’ARN utilise des ribonucléotides (ATP, UTP, CTP, GTP).
4
Q
- Différences entre réplication et transcription
- (A) Correction d’erreurs
A
(R) La réplication possède des fonctions de correction très performantes, notamment grâce à des mécanismes d’exonuclease intégrés à l’ADN polymérase, assurant une haute fidélité.
(T) La transcription possède des fonctions correctrices intrinsèques limitées, moins performantes. L’ARN polymérase peut corriger quelques erreurs, mais globalement la transcription est plus sujette aux erreurs.
5
Q
- Différences entre réplication et transcription
- (A) Nombre de copies
A
(R) Chaque cycle de réplication produit une seule copie de l’ADN.
(T) Plusieurs copies d’ARN peuvent être transcrites à partir d’un même gène, ce qui amplifie le message génétique.
6
Q
- Différences entre réplication et transcription
- (A) Enzyme catalysante
A
(R) L’ADN polymérase catalyse la réplication. Elle nécessite une amorce pour initier la synthèse et polymérise dans le sens 5’ → 3’. Utilise l’ADN comme matrice avec dénaturation locale.
(T) L’ARN polymérase catalyse la transcription sans besoin d’amorce. Elle polymérise aussi dans le sens 5’ → 3’ et utilise l’ADN comme matrice avec dénaturation locale.
7
Q
Compléments importants
A
-
Asymétrie de la transcription :
Seul un des deux brins d’ADN sert de matrice pour la transcription, ce qui est dicté par la position et l’orientation du promoteur. Le brin transcrit est appelé brin antisens, et le brin non transcrit est le brin sens (ou codant), qui a la même séquence que l’ARNm (sauf que le T est remplacé par U). -
Fonctions de correction :
La réplication doit être très fidèle car elle transmet l’information génétique aux générations suivantes, d’où des mécanismes sophistiqués de correction d’erreurs. La transcription, en revanche, est plus tolérante aux erreurs, car les ARN produits sont des copies temporaires et non héritées. De plus, plusieurs copies d’ARN sont produites, ce qui compense en partie la moindre fidélité. -
Amplification du message :
La transcription permet une amplification rapide de l’information génétique puisque plusieurs ARN peuvent être produits à partir d’un seul gène, alors que la réplication produit une seule copie d’ADN par cycle. -
Synthèse sans amorce en transcription :
L’ARN polymérase peut commencer la synthèse d’ARN sans amorce préalable, contrairement à l’ADN polymérase qui nécessite une amorce pour commencer la synthèse d’ADN.
8
Q
a) Synthèse de l’ARN par l’ARN polymérase
A
- L’ARN polymérase est l’enzyme responsable de la transcription, c’est-à-dire la synthèse d’un ARN à partir d’une matrice d’ADN simple brin.
- Elle synthétise l’ARN dans le sens 5’ vers 3’, ajoutant un ribonucléotide à la fois à l’extrémité 3’OH de la chaîne d’ARN en cours de formation.
- La synthèse est monotonique (un nucléotide ajouté à la fois), suivant la complémentarité des bases entre l’ADN matrice et les ribonucléotides.
9
Q
b) Structure et caractéristiques enzymatiques
A
- L’ARN polymérase est une enzyme complexe composée de plusieurs sous-unités.
- Les régions internes de l’enzyme sont très conservées et assurent la fonction catalytique (synthèse d’ARN).
- Les régions externes participent aux interactions avec l’ADN, d’autres protéines ou facteurs de transcription, et sont moins conservées.
- L’enzyme requiert la présence de deux ions Mg²⁺ dans son site actif :
- Un Mg²⁺ est toujours présent et stabilise le site catalytique.
- Un second Mg²⁺ est transporté avec chaque nucléotide entrant et libéré avec le pyrophosphate formé lors de la liaison phosphodiester.
10
Q
c) Initiation de la transcription
A
- Contrairement à l’ADN polymérase, l’ARN polymérase n’a pas besoin d’une amorce d’ARN préexistante pour commencer la synthèse.
- Cependant, elle synthétise une courte amorce d’environ 9 nucléotides au début de la transcription, appelée amorce abortive, qui est souvent dégradée si elle ne s’hybride pas correctement avec les premiers nucléotides.
- La fixation du premier nucléotide est une étape difficile et critique pour le démarrage de la transcription.
11
Q
d) La bulle de transcription
A
- Pendant la transcription, l’ARN polymérase ouvre localement la double hélice d’ADN, formant une bulle de transcription où environ 12 à 14 paires de bases d’ADN sont séparées.
- Dans cette bulle, l’ARN nouvellement synthétisé forme un hybride ARN-ADN avec le brin matrice sur environ 12-14 bases.
- Devant cet hybride, il y a environ 3 bases d’ADN non appariées, ce qui facilite la progression de l’enzyme.
12
Q
e) Mouvement et topologie de l’ADN
A
- L’ARN polymérase avance le long du brin matrice d’ADN, ce qui engendre des contraintes topologiques :
- En amont (avant la bulle), l’ADN subit un super-enroulement négatif (sous-torsion).
- En aval (après la bulle), l’ADN subit un super-enroulement positif (surtorsion).
- Ces super-enroulements sont relâchés par des enzymes appelées topoisomérases, qui coupent temporairement l’ADN pour détendre les surenroulements.
13
Q
f) Canaux dans l’ARN polymérase
A
- L’ARN polymérase possède plusieurs canaux distincts pour permettre le passage des différentes molécules :
- Un canal d’entrée pour l’ADN double brin, où l’ADN est introduit dans l’enzyme.
- Un canal de sortie pour l’ADN double brin après transcription.
- Un canal d’entrée pour les nucléotides triphosphates (NTP), qui sont les substrats pour la synthèse d’ARN.
- Un canal de sortie pour l’ARN nouvellement synthétisé, qui se sépare de l’ADN matrice à mesure que l’ARN polymérase avance.
14
Q
g) Progression et séparation de l’ARN
A
- Pendant l’élongation, l’ARN polymérase maintient un hybride ARN-ADN stable de 12-14 nucléotides dans la bulle de transcription.
- L’ARN nouvellement synthétisé se sépare de l’ADN via le canal de sortie dédié, permettant la continuité de la transcription.
15
Q
a) Structure générale d’un gène bactérien
A
Un gène bactérien est constitué de plusieurs éléments clés qui permettent de contrôler la transcription, c’est-à-dire la synthèse de l’ARN à partir de l’ADN.
-
Promoteur : C’est une séquence d’ADN située en amont (avant) de la région codante du gène.
- Il contient des motifs spécifiques, notamment la séquence -10 appelée TATA box (bien que ce soit une séquence similaire mais pas identique à la TATA box eucaryote) et la séquence -35. Ces séquences sont reconnues par l’ARN polymérase bactérienne pour initier la transcription.
- Le promoteur fixe la localisation et la direction du site de départ de la transcription, donc il détermine quel brin d’ADN sera transcrit et dans quel sens [[76]], [[78]].
- Site de démarrage de la transcription (+1) : C’est la position précise où l’ARN polymérase commence à synthétiser l’ARN.
- Codon start (initiation de la traduction) : Typiquement, la séquence ATG (ou parfois GTG ou TTG) qui indique où commence la traduction en protéine.
- Séquence codante : La région qui sera transcrite en ARN messager (ARNm) puis traduite en protéine.
- Codons stop : TAA, TAG, TGA; ils signalent la fin de la traduction.
- Terminateur : Séquence d’ADN qui indique à l’ARN polymérase d’arrêter la transcription et de se détacher de l’ADN [[76]], [[80]].
16
Q
b) Monocistronicité vs polycistronicité
A
- ARN monocistronique : L’ARNm code pour une seule protéine. C’est typique des eucaryotes, mais cela peut se produire aussi chez certaines bactéries.
- ARN polycistronique : L’ARNm code pour plusieurs protéines. C’est très fréquent chez les bactéries. Plusieurs gènes liés fonctionnellement sont transcrits ensemble en un seul ARNm. Cette organisation s’appelle un opéron [[79]].
17
Q
c) L’opéron
A
- C’est une unité fonctionnelle de transcription chez les bactéries qui regroupe plusieurs gènes sous le contrôle d’un même promoteur et d’un même opérateur (une séquence régulatrice).
- Les gènes dans un opéron codent souvent pour des protéines impliquées dans la même voie métabolique (par exemple, l’opéron tryptophane qui code pour cinq enzymes nécessaires à la synthèse du tryptophane).
- L’expression de l’opéron est régulée par un régulateur, souvent une protéine codée par un gène indépendant de l’opéron, qui peut agir comme un activateur ou un répresseur de la transcription [[79]].
18
Q
d) ARN polymérase bactérienne et facteur sigma (σ)
A
- L’ARN polymérase bactérienne est composée de plusieurs sous-unités : 2 sous-unités alpha (α), 1 beta (β), 1 beta prime (β’), et 1 oméga (ω), qui forment la core enzyme.
- Pour initier la transcription, la core enzyme s’associe avec un facteur sigma (σ), formant ainsi la holoenzyme.
- Le facteur sigma est crucial car il reconnaît spécifiquement les séquences du promoteur (-10 et -35) et permet à l’ARN polymérase de se fixer au bon endroit pour démarrer la transcription.
- Une fois la transcription initiée, le facteur sigma se dissocie pour que la polymérase poursuive l’élongation de l’ARN [[77]].
19
Q
e) Types de terminateurs
A
- Terminateur Rho-dépendant : nécessite une protéine appelée Rho qui aide à dissocier l’ARN polymérase de l’ADN.
- Terminateur Rho-indépendant : basé sur une séquence d’ADN qui forme une structure en épingle à cheveux dans l’ARN naissant, provoquant la dissociation de la polymérase sans besoin de la protéine Rho [[80]].
20
Q
a) Core promoteur et éléments cis des eucaryotes
A
- Le core promoteur est une région d’environ 40 à 60 paires de bases (pb) située juste en amont du site de démarrage de la transcription (+1).
- Cette région contient plusieurs éléments cis (séquences spécifiques d’ADN) qui sont reconnus par les facteurs de transcription et l’ARN polymérase II pour initier la transcription. Parmi ces éléments, on trouve :
- TATA box : une séquence riche en T et A, généralement située autour de -30 pb en amont du site +1. Elle sert de point d’ancrage pour la fixation du complexe de transcription.
- Initiateur (Inr) : séquence autour du site de démarrage (+1) qui peut également aider à positionner l’ARN polymérase II.
- Downstream core element (DCE), Downstream promoter element (DPE) : éléments situés en aval du site +1 qui participent à la régulation fine de l’initiation.
- TFIIB Recognition element (BRE) : séquence reconnue par le facteur de transcription TFIIB, contribuant à la stabilité du complexe de pré-initiation [[86]].
21
Q
b) Promoteurs proximaux et distaux
A
- Au-delà du core promoteur, il existe des régions proximales et distales qui contiennent d’autres éléments régulateurs, appelés aussi éléments cis régulateurs :
- CAAT box : séquence située généralement entre -40 et -150 pb, reconnue par des facteurs de transcription activateurs.
- GC box : séquence riche en guanine et cytosine, souvent reconnue par des facteurs de transcription tels que Sp1.
- Ces éléments peuvent servir à moduler l’efficacité de la transcription en recrutant des activateurs ou des répresseurs, permettant ainsi une régulation fine de l’expression génique selon le type cellulaire ou les conditions environnementales [[87]].
22
Q
c) Organisation générale du gène eucaryote
A
- Le gène eucaryote comprend :
- Le site d’initiation de la transcription (+1), où commence la synthèse de l’ARN.
- Le codon start (ATG) qui marque le début de la séquence codante traduite en protéine.
- Des exons (zones codantes) et des introns (zones non codantes) qui seront épissés lors de la maturation de l’ARNm.
- Un signal de terminaison de la transcription permettant d’arrêter la synthèse de l’ARN.
- Des régions non traduites en 5’ (5’UTR) et en 3’ (3’UTR) qui régulent la stabilité, la localisation et la traduction de l’ARNm.
- Un signal de polyadénylation qui marque le site où une queue poly-A sera ajoutée à l’extrémité 3’ de l’ARNm mature, essentielle pour la stabilité et l’export de l’ARNm vers le cytoplasme [[81]], [[89]], [[90]].
23
Q
d) Particularités de la transcription chez les eucaryotes
A
- La transcription est assurée principalement par l’ARN polymérase II pour les gènes codant des protéines.
- Le complexe de pré-initiation se forme sur le core promoteur grâce à l’assemblage de multiples facteurs généraux de transcription (TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH) qui reconnaissent les différents éléments cis.
- La phosphorylation du domaine C-terminal (CTD) de l’ARN pol II est un événement clé qui permet la transition de l’initiation à l’élongation et la coordination avec la maturation de l’ARNm (coiffage, épissage, polyadénylation).
- Le gène est souvent transcrit en un précurseur d’ARNm (pré-ARNm ou hnRNA) qui contient encore les introns. Ce pré-ARNm subit ensuite un épissage pour éliminer les introns et assembler les exons en un ARNm mature prêt à être traduit [[84]], [[90]].
24
Q
a) Types d’ARN polymérases eucaryotes
A
Chez les eucaryotes, il existe trois principales ARN polymérases, chacune spécialisée dans la transcription de types spécifiques d’ARN :
-
ARN polymérase I
- Localisation : dans le nucléole
- Fonction : transcription des ARN ribosomiaux (ARNr) sauf l’ARNr 5S
- Ces ARNr (comme les ARNr 18S, 28S, 5,8S) sont des composants majeurs des ribosomes, essentiels à la traduction des protéines.
-
ARN polymérase II
- Localisation : dans le nucléoplasme
- Fonction : transcription des ARN pré-messagers (hnRNA/ARNm), des petits ARN nucléaires (ARNsn et ARNsno) et des microARN (ARNmi)
- C’est la polymérase qui produit les ARNm qui seront traduits en protéines. Elle est donc clé pour l’expression des gènes codants.
- Elle transcrit également des petits ARN non codants impliqués dans le traitement de l’ARNm (épissage) et la régulation post-transcriptionnelle.
-
ARN polymérase III
- Localisation : dans le nucléoplasme
- Fonction : transcription des ARN de transfert (ARNt), de l’ARN ribosomal 5S, et de certains petits ARN nucléaires (comme U6)
- Ces ARN sont essentiels à la traduction et à d’autres fonctions cellulaires.
Un ARN polymérase IV mentionnée dans le document est spécifique à la transcription de l’ADN mitochondrial, mais elle est moins étudiée ici [[82]].
25
b) Structure des ARN polymérases eucaryotes
- Les trois ARN polymérases partagent une structure complexe composée de multiples sous-unités.
- Elles ont une forme caractéristique appelée « pince de crabe » qui encadre l’ADN lors de la transcription.
- Le « centre catalytique » de l’enzyme, situé à la base de la pince, est formé par des sous-unités homologue à β et β’ chez les bactéries (notamment RPB1 et RPB2 pour l’ARN pol II).
- Les enzymes possèdent différents canaux permettant l’entrée de l’ADN double brin, la sortie de l’ARN nouvellement synthétisé, l’entrée des nucléotides (NTP) nécessaires à la synthèse.
- Les sous-unités principales des ARN polymérases eucaryotes présentent des homologies avec celles de la polymérase bactérienne (α, β, β’ et ω), ce qui montre une conservation évolutive importante.
26
c) Particularités de l’ARN polymérase II
- L’ARN polymérase II est notable par la présence d’un **domaine C-terminal (CTD)** sur sa plus grande sous-unité (RPB1).
- Ce CTD est constitué de multiples répétitions d’un héptapeptide (séquence YSPTSPS), avec 27 répétitions chez la levure et jusqu’à 52 chez l’humain.
- La phosphorylation dynamique de ce domaine CTD est cruciale pour plusieurs étapes :
- La régulation de la transcription (initiation, élongation, terminaison)
- Le recrutement des facteurs impliqués dans la maturation de l’ARNm (coiffage en 5’, épissage des introns, polyadénylation)
- Cette modification post-traductionnelle du CTD permet une coordination étroite entre la synthèse d’ARN et son traitement, garantissant la production d’ARNm matures prêts à être traduits [[83]], [[84]].
27
a) ARN messagers (ARNm)
- **Fonction** : Les ARNm portent le code génétique issu des gènes, servant de matrice pour la synthèse des protéines lors de la traduction. Ils sont donc le support de l’information codante qui sera traduite en chaînes polypeptidiques.
- **Différences entre procaryotes et eucaryotes** :
- Chez les **procaryotes**, les ARNm peuvent être **monocistroniques** (un seul gène par ARNm, donc une protéine) ou **polycistroniques** (plusieurs gènes codés sur un même ARNm, permettant la synthèse coordonnée de plusieurs protéines, comme dans les opérons).
- Chez les **eucaryotes**, les ARNm sont généralement **monocistroniques**, codant pour une seule protéine. L’ARNm eucaryote subit une maturation complexe après transcription, comprenant l’ajout d’une coiffe en 5’, l’épissage des introns (zones non codantes), et la polyadénylation en 3’ (ajout de la queue poly-A).
- **Abondance** :
- Certains ARNm sont très abondants (1000 à 10 000 molécules par cellule), d’autres moyennement (100 à 1000 molécules), et la plupart sont faiblement exprimés (1 à 100 molécules). Cela reflète la régulation fine de l’expression génique selon les besoins cellulaires [[91]].
28
b) ARN ribosomiaux (ARNr)
- **Fonction** : Les ARNr sont les principaux composants des ribosomes, les complexes moléculaires responsables de la traduction des ARNm en protéines. Les ribosomes sont composés d’ARNr et de protéines ribosomales.
- **Proportion** : Dans les cellules de mammifères, les ARNr représentent environ **80% de tous les ARN**.
- **Structure** :
- Ils adoptent des structures secondaires (2D) et tertiaires (3D) complexes, essentielles à leur fonction.
- Par exemple, l’ARNr 18S est une composante du ribosome eucaryote, tout comme les ARNr 28S, 5.8S et 5S. Ces ARNr sont issus de différents gènes et transcriptions [[92]].
29
c) ARN de transfert (ARNt)
- **Fonction** : Les ARNt transportent les acides aminés spécifiques vers le ribosome lors de la traduction. Ils reconnaissent les codons de l’ARNm via leur boucle anticodon et apportent l’acide aminé correspondant, permettant l’assemblage de la chaîne polypeptidique.
- **Structure** :
- En 2D, l’ARNt adopte une structure en feuille de trèfle, avec plusieurs boucles distinctes (boucle D, boucle T, boucle anticodon, région variable).
- En 3D, il prend une forme en « L » inversé qui facilite son interaction avec le ribosome et les autres molécules de traduction.
- **Abondance** : Les ARNt représentent environ **15% des ARN totaux** dans les cellules de mammifères [[93]].
30
d) Petits ARN non codants (snRNA, snoRNA, miRNA)
- **snRNA (small nuclear RNA)** :
- Ils sont impliqués dans **l’épissage des pré-ARNm** (hnRNA) dans le noyau des eucaryotes.
- Associés à des protéines, ils forment les **snRNP** (small nuclear ribonucleoproteins) qui catalysent l’excision des introns et la ligature des exons, un processus crucial pour produire un ARNm mature fonctionnel.
- **snoRNA (small nucleolar RNA)** :
- Impliqués dans la **maturation des ARNr**, notamment par modification chimique (méthylation, pseudouridylation) des nucléotides des ARNr dans le nucléole.
- **miRNA (micro RNA)** :
- Ce sont des ARN courts, souvent double brin à l’origine, qui jouent un rôle majeur dans la **régulation post-transcriptionnelle** des ARNm.
- Ils peuvent se lier à des ARNm cibles pour inhiber leur traduction ou induire leur dégradation, modulant ainsi l’expression des gènes.
- Ils sont transcrits par l’ARN polymérase II ou III, puis maturés en miRNA fonctionnels qui s’intègrent dans le complexe RISC (RNA-induced silencing complex).
- Ils ont des homologies avec les siRNA (small interfering RNA), utilisés expérimentalement pour l’interférence ARN [[94]].
