ExG5- Transcription Eucaryote gènes de classe 1

Question 1

Compartiments cellulaires et types d’ARN produits :

Answer 1

• Nucléole :
  Le nucléole est une structure spécialisée à l’intérieur du noyau où se déroule principalement la transcription des ARN ribosomiques (ARNr), à l’exception de l’ARNr 5S. Plus précisément, les gènes codant pour les ARNr 18S, 28S et 5,8S sont transcrits ici. Le nucléole est donc le site central de la production d’ARNr, composants majeurs des ribosomes.
• Nucléoplasme :
  Le reste du noyau, hors du nucléole, est appelé nucléoplasme. C’est dans ce compartiment que sont transcrits les autres types d’ARN, notamment :
  • hnRNA/ARNm (hétérogène nucléaires ARN ou ARN messagers précurseurs avant maturation)
  • ARN petits nucléaires (ARNsn) et ARN petits nucléolaires (ARNsno), impliqués notamment dans l’épissage et la modification des ARN ribosomiques
  • ARN micro (ARNmi), jouant un rôle dans la régulation post-transcriptionnelle
  • ARN de transfert (ARNt), nécessaires à la traduction
  • ARNr 5S (le seul ARNr transcrit hors du nucléole)
  • U6 ARNsn, un ARN nucléaire impliqué dans l’épissage

Question 2

Les trois ARN polymérases principales et leurs classes de gènes :

Answer 2

• ARN polymérase I (ARN pol I) :
  Cette enzyme est responsable de la transcription des gènes de classe I, qui codent la majorité des ARNr (18S, 28S, 5,8S). Elle est localisée dans le nucléole où elle produit un précurseur unique (le pré-ARNr 47S) qui sera ensuite maturé en ARNr fonctionnels.
• ARN polymérase II (ARN pol II) :
  Elle transcrit les gènes de classe II, principalement ceux codant pour les ARN messagers (ARNm), c’est-à-dire les précurseurs des protéines. Elle est aussi responsable de la transcription des snRNA, des snoRNA et des miRNA.
• ARN polymérase III (ARN pol III) :
  Cette polymérase transcrit les gènes de classe III, comprenant les ARN de transfert (ARNt), l’ARNr 5S (qui est transcrit en dehors du nucléole, dans le nucléoplasme), certains petits ARN nucléaires comme U6, et certains ARN viraux après infection.

Remarque sur une ARN polymérase IV :
Il est mentionné une ARN polymérase IV qui transcrit l’ADN mitochondrial. Cette information est cependant peu développée dans le document et semble être une spécificité supplémentaire.

En résumé :

• La transcription eucaryote est compartimentée dans le noyau : nucléole pour la plupart des ARNr, nucléoplasme pour les autres ARN.
• Trois ARN polymérases spécialisées existent, chacune reconnaissant des types spécifiques de gènes et produisant différents ARN nécessaires à la cellule.
• Cette organisation permet une régulation fine et une production coordonnée des ARN essentiels pour la synthèse protéique et la régulation génétique [[128]].

Question 3

Localisation et rôle des gènes de classse I

Answer 3

• La transcription des gènes de classe I se déroule dans le nucléole des cellules eucaryotes.
• Ces gènes codent principalement pour les ARN ribosomiques (ARNr) 18S, 28S et 5,8S, qui sont des composants essentiels des ribosomes.
• L’ARNr 5S, bien que ribosomique, est transcrit par l’ARN polymérase III à partir d’un gène différent situé hors du nucléole.

Question 4

Production du précurseur 47S

Answer 4

• L’ARN polymérase I produit un grand transcrit primaire appelé pré-ARNr 47S.
• Ce précurseur contient les séquences des trois ARNr majeurs (18S, 28S et 5,8S), organisés en un seul transcript continu.
• La synthèse du pré-ARNr 47S est très active, avec environ 40 000 molécules d’ARN polymérase I par cellule et 50-100 enzymes simultanément transcrivant un seul gène ADNr.
• Le génome humain contient environ 400 copies de ces gènes ADNr, regroupés en tandem sur 5 chromosomes, mais seulement 60% de ces copies sont transcriptionnellement actives à un moment donné.

Question 5

Organisation génomique des gènes de classe 1

Answer 5

• Les gènes ADNr sont arrangés en unités tandem répétées, chacune codant pour un précurseur 47S.
• Entre ces unités répétées se trouvent des séquences appelées NTS (Non-Transcribed Spacer), qui ne sont pas transcrites.
• Le précurseur 47S contient également des séquences appelées ETS (External Transcribed Spacer) aux extrémités et ITS (Internal Transcribed Spacer) entre les séquences codant pour les ARNr. Ces régions sont éliminées lors de la maturation du pré-ARNr.

Question 6

Promoteurs et initiation des gènes de classe 1

Answer 6

• Le promoteur des gènes ADNr est bipartite, composé d’une région centrale (-45 à +20) suffisante pour initier la transcription, et d’une région en amont appelée UCE (Upstream Control Element) (-180 à -107) qui augmente l’efficacité de la transcription par un facteur de 10 à 100 in vitro.
• Deux facteurs de transcription essentiels pour l’initiation sont :
  
  • UBF (Upstream Binding Factor) : se lie aux éléments UCE et au promoteur, formant un dimère et provoquant une déformation de l’ADN.
  • SL1 (Selectivity Factor 1) : un complexe qui comprend plusieurs sous-unités TAFs (TBP Associated Factors) et la TBP (TATA box Binding Protein). SL1 se lie à UBF, mais pas directement à l’ADN.
• Ces deux facteurs coopèrent pour recruter l’ARN polymérase I sur le promoteur et former le complexe d’initiation.

Question 7

Synthèse et maturation des gènes de classe 1

Answer 7

• La transcription produit un long pré-ARNr 47S qui est rapidement maturé dans le nucléole.
• La maturation comprend plusieurs étapes :
  
  • Modifications chimiques sur le pré-ARNr, notamment la méthylation du ribose en position 2’ et la pseudouridylation, guidées par des petits ARN nucléolaires appelés snoRNAs.
  • Clivage des séquences ITS et ETS par des ribonucléases (exonucléases et endonucléases).
  • Assemblage des ARNr matures avec des protéines ribosomales pour former les sous-unités ribosomales 40S (à partir de l’ARNr 18S) et 60S (à partir des ARNr 5,8S et 28S).
• L’assemblage et la maturation sont coordonnées pour assurer une production équilibrée des composants ribosomaux dans une stœchiométrie précise (1:1), excepté l’ARNr 5S qui est produit séparément.

Question 8

Résumé schématique du processus des gènes de classe 1

Answer 8

1. Transcription : ARN polymérase I transcrit les gènes ADNr en pré-ARNr 47S dans le nucléole.
2. Formation du complexe d’initiation : UBF et SL1 se fixent au promoteur et recrutent l’ARN polymérase I.
3. Synthèse du précurseur 47S : transcription continue par plusieurs polymérases sur les unités tandem.
4. Maturation : modifications chimiques et clivages conduisent aux ARNr 18S, 5,8S et 28S fonctionnels.
5. Assemblage ribosomal : association des ARNr avec les protéines ribosomales pour former les sous-unités ribosomales.

Question 9

Structure générale et organisation : des gènes de classe 1

Answer 9

• Gènes en tandem :
  Les gènes codant pour le pré-ARNr 47S sont organisés en de longues répétitions en tandem. Cela signifie que plusieurs copies du même gène sont placées bout à bout sur le chromosome, ce qui permet une transcription simultanée par de multiples ARN polymérases I, augmentant ainsi la production d’ARNr.
• Copies et localisation :
  Chez l’humain, il y a environ 400 copies de ces gènes ADNr réparties sur 5 chromosomes. Ces copies sont regroupées dans des régions spécifiques appelées « loci nucléolaires organisateurs » (NORs) qui déterminent la formation du nucléole, site principal de transcription des ARNr.
• Transcription simultanée :
  Chaque gène peut être transcrit par 50 à 100 molécules d’ARN polymérase I en même temps, formant une image caractéristique en microscopie électronique appelée « plumeau » ou « sapin de Noël », où l’ADN est enroulé et de multiples enzymes effectuent la transcription simultanément.

Question 10

a) Organisation du promoteur des gènes de classe I

Answer 10

Le promoteur des gènes de classe I (gènes codant pour les ARNr 18S, 5,8S et 28S) est bipartite, c’est-à-dire qu’il est constitué de deux régions distinctes :

• Région centrale (core promoter) : située entre -45 et +20 par rapport au site de départ de transcription (+1). Cette région est suffisante pour initier la transcription, c’est-à-dire qu’elle contient les éléments essentiels pour le recrutement de la machinerie transcriptionnelle.
• UCE (Upstream Control Element) : situé en amont, entre -180 et -107. Cette région ne permet pas à elle seule l’initiation, mais elle est cruciale pour augmenter très fortement l’efficacité de la transcription, multipliant l’activité par 10 à 100 fois in vitro.

Ces deux régions sont riches en bases GC et sont identiques à environ 80 % entre les copies des gènes ADNr.

Question 11

b) Facteurs de transcription spécifiques des gènes classe 1

Answer 11

Deux facteurs de transcription principaux interviennent dans la reconnaissance et l’activation de ce promoteur pour recruter l’ARN polymérase I :

• UBF (Upstream Binding Factor) :
  
  • C’est une protéine qui forme un dimère.
  • Elle se lie directement aux deux éléments clés du promoteur : l’UCE et la région centrale (core promoter).
  • UBF joue un rôle architectural important, en modifiant la conformation de l’ADN pour faciliter l’assemblage du complexe d’initiation.
• SL1 (Selectivity Factor 1) :
  
  • C’est un facteur de transcription complexe, formé de plusieurs sous-unités :
    
    • Plusieurs TAFs (TBP Associated Factors), qui sont des protéines associées à la TBP.
    • La TBP (TATA box Binding Protein), qui est une protéine capable de se lier à l’ADN, même si ici elle ne se lie pas directement au promoteur.
  • SL1 ne se fixe pas directement à l’ADN, mais il interagit avec UBF déjà lié au promoteur.
  • Il confère la spécificité pour l’ARN polymérase I, en recrutant cette dernière au site d’initiation.

Question 12

c) Formation du complexe d’initiation

Answer 12

Le processus d’initiation transcriptionnelle chez l’ARN polymérase I comprend les étapes suivantes :

1. Fixation d’UBF sur le gène ADNr
   UBF se lie aux deux régions du promoteur, l’UCE et le core promoter, formant un complexe stable sur l’ADN. Cette liaison est coopérative et modifie la structure locale de l’ADN.
2. Recrutement de SL1
   SL1 est recruté via son interaction avec UBF. SL1 stabilise le complexe et est essentiel pour amener l’ARN polymérase I au site de transcription.
3. Recrutement de l’ARN polymérase I
   La polymérase I est alors recrutée au site +1 du promoteur, grâce à la TBP présente dans SL1, permettant le démarrage de la transcription.

Cette organisation assure un recrutement spécifique et efficace de l’ARN polymérase I aux gènes codant les ARNr nécessaires à la synthèse ribosomale.

Question 13

Étapes principales de la maturation des pré-ARNr dans le nucléole

Answer 13

1. Modifications chimiques guidées par les snoRNAs (petits ARN nucléolaires)
   
   • Les snoRNAs, aussi appelés ARN guides, s’associent à des protéines nucléolaires pour former des complexes appelés snoRNPs (riboNucléoprotéines nucléolaires). Parmi eux, on trouve notamment les snoRNAs nommés U14, U3, snR10, snR30.
   • Ces snoRNPs dirigent la modification chimique du pré-ARNr, notamment :
     
     • Méthylation en C2’ du ribose : ajout d’un groupe méthyle sur le carbone 2’ du ribose, modification importante pour la stabilité et la fonction des ARNr.
     • Pseudouridylation : conversion de certaines uridines en pseudouridines, qui modifient la structure de l’ARN et contribuent à la fonctionnalité du ribosome.
   • Ces modifications sont essentielles pour le repliement correct du pré-ARNr, sa stabilité et sa reconnaissance par les facteurs d’assemblage.
2. Clivage des séquences ITS et ETS
   
   • Le pré-ARNr 47S contient des séquences non codantes appelées ITS (Internal Transcribed Spacers, espaceurs transcrits internes) et ETS (External Transcribed Spacers, espaceurs transcrits externes) qui doivent être excisées pour libérer les ARNr matures 18S, 5,8S et 28S.
   • Ce clivage est réalisé par des ribonucléases, notamment des exonucléases et des endonucléases, y compris la ribonucléase MRP.
   • Le clivage est un processus précis et séquentiel, permettant de séparer les différents ARNr au sein du précurseur.
3. Association avec l’ARN 5S et les protéines ribosomales
   
   • L’ARNr 5S, transcrit séparément par l’ARN polymérase III dans le nucléoplasme, est incorporé dans le complexe ribosomique en formation, spécifiquement dans la grande sous-unité 60S.
   • Parallèlement, les protéines ribosomales, codées par des ARNm transcrits par l’ARN polymérase II, sont importées dans le nucléole où elles s’associent au pré-ARNr en maturation.
   • L’assemblage des protéines ribosomales avec les ARNr contribue au repliement final et à la formation des sous-unités ribosomales :
     
     • La petite sous-unité ribosomale 40S intègre l’ARNr 18S.
     • La grande sous-unité ribosomale 60S intègre les ARNr 5,8S, 28S et 5S.

Question 14

A. Synthèse des protéines ribosomales et des facteurs de biogenèse (RBF)

Answer 14

• L’ARN polymérase II est responsable de la transcription des gènes codant pour les ARN messagers (ARNm) qui contiennent l’information pour la synthèse des protéines ribosomales (PR).
• Elle transcrit aussi des gènes codant pour des facteurs de biogenèse des ribosomes (RBF), ces protéines sont essentielles pour la maturation, l’assemblage et le transport des composants ribosomaux.

Question 15

E-F. Export des sous-unités pré-maturées vers le cytoplasme

Answer 15

• Les sous-unités ribosomales en formation, en particulier le pré-40S (petite sous-unité), une fois associées à leurs protéines spécifiques, sont exportées hors du nucléole vers le cytoplasme.
• Ce transport se fait à travers les pores nucléaires.
• Dans le cytoplasme, ces pré-sous-unités subissent les derniers événements de maturation pour devenir des sous-unités 40S matures (point F).

Question 16

I. Assemblage final du ribosome 80S fonctionnel

Answer 16

• Une fois matures, les sous-unités 40S (petite) et 60S (grande) s’assemblent dans le cytoplasme pour former le ribosome 80S fonctionnel.
• Ce ribosome est alors capable d’effectuer la traduction de l’ARN messager en protéines.