Transcription : Bactéries et Eucaryotes

La transcription est le processus biologique par lequel l'information génétique contenue dans l'ADN est copiée en une molécule d'ARN. Ce processus est le premier pas de l'expression génique, où l'ADN est utilisé comme matrice pour synthétiser un ARN complémentaire.

IV.C La transcription

1. Les fondamentaux

La transcription nécessite plusieurs composants essentiels:

• la relation chimique il s'agit dune polymérisation Les 4 ribonucléosides triphosphates (rNTP) : ATP, UTP, CTP, GTP.

• Une ARN polymérase ADN-dépendante.

• Une molécule d'ADN servant de matrice.

Le processus suit la réaction générale suivante :

\rightarrow\rightarrow$ 3'.

La double hélice d'ADN est localement ouverte. L'ARN nouvellement synthétisé est hybridé à la matrice ADN sur une dizaine de nucléotides avant d'être évacué (Source 9).

La molécule d'ADN utilisée comme matrice est appelée brin anti-sens, brin matrice, ou brin non codant. Le brin non transcrit est appelé brin sens ou brin codant (Source 11).

Types d'ARN et leurs fonctions

Les ARN jouent des rôles variés dans la cellule :

2. La transcription bactérienne

2.1 L'ARN polymérase bactérienne

Chez les bactéries (ex. E. coli), une seule ARN polymérase transcrit l'ensemble des gènes bactériens. Cette enzyme est une holoenzyme composée de plusieurs sous-unités :

• Core-enzyme : Activité catalytique et est composée des sous-unités .

• Facteur : Reconnaît les séquences promotrices et complète le core-enzyme pour former l'holoenzyme.

Détails des sous-unités (Source 19):

• Deux sous-unités : Assemblage de l'ARN polymérase et préviennent l'interaction ADN:ARN.

• Sous-unités et : Siège de l'activité catalytique.

• Sous-unité : Assemblage et stabilité de l'ARN polymérase.

• Facteur : Reconnaissance des séquences promotrices.

2.2 Les étapes de la transcription bactérienne

La transcription bactérienne se déroule en trois phases : initiation, élongation et terminaison.

Initiation

1. L'holoenzyme ARN polymérase se fixe sur un site spécifique de l'ADN appelé promoteur. Le promoteur est une séquence d'ADN reconnue par l'ARN polymérase ou les facteurs de transcription associés (Source 22).

2. Formation d'un complexe fermé où l'ADN est encore double brin.

3. Formation du complexe ouvert : la double hélice d'ADN est désappariée sur environ 17 nucléotides, formant une bulle de transcription (Source 24). La Pribnow box ou TATA box est une séquence promotrice courante. Le site d'initiation de la transcription (TSS ou +1) est le premier nucléotide transcrit.

4. Synthèse d'un précurseur ARN d'environ 12 nucléotides. Cette polymérisation est lente et instable, pouvant entraîner des transcrits abortifs courts (Source 25, 26). La synthèse démarre sans amorce, et l'extrémité 5' de l'ARN est tri-phosphorylée.

Élongation

1. Après la synthèse de quelques nucléotides, le facteur se dissocie de l'holoenzyme, permettant une polymérisation rapide et processive (environ 50 nucléotides par seconde) (Source 28).

2. L'ARN polymérase maintient la bulle de transcription ouverte et allonge le brin d'ARN en utilisant le brin matrice d'ADN.

Terminaison

Deux mécanismes assurent la terminaison de la transcription bactérienne (Source 29) :

• Terminaison dépendante de structure secondaire (terminaison intrinsèque) :

  1. La transcription d'une séquence terminatrice forme une structure en tige-boucle (ARN:ARN) dans l'ARN (Source 30).

  2. Cette tige-boucle est suivie d'une série de résidus uridine (U) dans l'ARN, qui s'apparient faiblement avec des adénines (A) dans l'ADN matrice (interactions A:U).

  3. La faible énergie des interactions A:U et la déstabilisation du complexe par la tige-boucle entraînent le décrochage du transcrit et l'arrêt de la transcription.

• Terminaison dépendante de Rho :

  • Implique la protéine Rho, qui est une hélicase ATP-dépendante.

  • Rho se lie à l'ARN nu et se déplace le long de l'ARN jusqu'à l'ARN polymérase.

  • Son activité hélicase force la séparation de l'ARN de l'ADN matrice, entraînant le décrochage de l'ARN polymérase.

3. La transcription eucaryote

3.1 Les ARN polymérases eucaryotes

Contrairement aux bactéries, les eucaryotes possèdent plusieurs ARN polymérases, chacune spécialisée dans la transcription de types d'ARN spécifiques (Source 33):

3.2 Les étapes de la transcription eucaryote

Initiation

L'ARN polymérase II ne peut pas se fixer directement sur le promoteur. Elle est assistée par des Facteurs de Transcription Généraux (TFII) (A, B, D, E, F, H) et le complexe Mediator.

1. Reconnaissance du promoteur : TFII D reconnaît et se fixe sur la séquence promotrice (ex: TATA box). TFII A favorise l'interaction ADN-TBP (TATA-binding protein, composante de TFII D)

2. Recrutement de l'ARN polymérase II : TFII B, TFII F et Mediator recrutent et stabilisent l'ARN polymérase II pour former le complexe de pré-initiation (CPI ou PIC).

3. Ouverture des brins d'ADN : TFII E et TFII H ont une activité hélicase, catalysant la séparation des deux brins d'ADN pour former le complexe ouvert.

4. Phosphorylation du CTD : TFII H phosphoryle le domaine C-terminal (CTD) de l'ARN polymérase II et positionne le site catalytique. Cette phosphorylation est cruciale pour l'initiation de la synthèse d'ARN .

5. L'ARN polymérase II synthétise le premier fragment d'ARN. Le complexe est instable lors des 15 premiers nucléotides, pouvant entraîner la dissociation et la production de transcrits courts abortifs.

Élongation

Une fois l'initiation réussie, l'ARN polymérase II se déplace de manière processive le long de l'ADN, synthétisant l'ARN à une vitesse de 60 à 70 nucléotides/seconde (Source 42). Le processus est similaire à celui des bactéries, avec l'ouverture et la fermeture continue de la bulle de transcription.

Terminaison

La terminaison de la transcription eucaryote est complexe et moins bien définie que chez les bactéries. Elle est souvent couplée à la régulation et à la maturation de l'ARN.

4. La maturation des ARNm eucaryotes

Chez les eucaryotes, la transcription et la traduction sont des processus séparés spatialement : la transcription a lieu dans le noyau, et la traduction dans le cytoplasme. Les ARN messagers (ARNm) eucaryotes subissent plusieurs étapes de maturation dans le noyau avant d'être exportés vers le cytoplasme (Source 45, 46, 47).

Seuls les ARN matures sont transférés dans le cytoplasme. Les ARNm sont "marqués" à leurs deux extrémités (Source 48) :

1. Coiffe 5' (5' capping) :

   • L'extrémité 5' de l'ARNm est « coiffée » par l'ajout d'une guanosine méthylée () via une liaison 5'-5' triphosphate inversée (Source 49).

   • Cela implique la méthylation de la position N7 de la guanosine et des fonctions hydroxyles en 2' des deux premiers nucléotides du transcrit.

   • La coiffe protège l'ARNm de la dégradation, aide à son exportation nucléaire et est essentielle pour l'initiation de la traduction.

2. Polyadénylation 3' (ajout d'une queue poly-A) :

   • L'extrémité 3' des ARNm est polyadénylée par l'ajout d'une queue de plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'adénosines (Source 48, 49).

   • Ce processus se déroule en deux étapes et est assuré par un complexe protéique (polyA synthase) :

     1. Une séquence de polyadénylation (5'-AAUAAA-3') est reconnue par le complexe polyA synthase (Source 50).

     2. Environ 10 à 30 nucléotides en aval de cette séquence, une activité endonucléolytique clive l'ARNm.

     3. L'extrémité 3' nouvellement libérée est alors prise en charge par l'activité adénylate polymérase du complexe, qui ajoute la queue poly-A.

   • La queue poly-A protège l'ARNm de la dégradation, facilite son exportation et participe à la régulation de la traduction.

3. Épissage (splicing) :

   • Processus d'élimination des séquences introniques (non codantes) et de jonction des exons (séquences codantes) pour former un ARNm mature (Source 48).

   • Réalisé par le spliceosome, un complexe ribonucléoprotéique contenant des snRNA.

5. Les unités de transcription bactériennes

Les gènes bactériens peuvent être organisés en unités de transcription différentes :

• Gène monocistronique : Un gène possède son propre promoteur et est transcrit en un ARNm qui code pour une seule protéine (Source 15, 52).

• Opéron / Unité polycistronique : Un groupe de gènes fonctionnellement liés et sous le contrôle d'un promoteur unique. La transcription produit un ARNm unique qui contient les informations pour plusieurs protéines différentes (Source 16, 52).
  Exemple : L'opéron lac chez E. coli. Les gènes lac, lacY, lacA sont transcrits ensemble à partir d'un seul promoteur, formant un transcrit polycistronique (Source 53). Le gène lacI possède son propre promoteur et est monocistronique.

6. Régulation de la transcription bactérienne

La régulation de la transcription chez les bactéries est essentielle pour l'adaptation aux changements environnementaux. Elle peut être induite par un stimulus, ou être constitutive (toujours exprimée, mais le taux peut être modulé) (Source 54).

L'expression des gènes est souvent régulée par des protéines dont l'affinité pour une séquence régulatrice (opérateur) est modulée par un métabolite (Source 55) :

• Inducteur : Facteur qui stimule l'expression des gènes (souvent des opérons cataboliques, ex: opéron lactose).

  • Exemple: Opéron lactose : En l'absence de lactose, un répresseur se lie à l'opérateur et bloque la transcription. En présence de lactose (l'inducteur), celui-ci se lie au répresseur, le rendant incapable de se fixer à l'opérateur, permettant ainsi la transcription des gènes (Source 56).

• Répresseur : Facteur qui inhibe l'expression des gènes (souvent des opérons anaboliques, ex: opéron tryptophane).

  • Exemple: Opéron tryptophane : En présence de tryptophane (le corépresseur), celui-ci se lie à un répresseur inactif, activant ce dernier pour qu'il se fixe à l'opérateur et bloque la transcription des gènes de synthèse du tryptophane. En l'absence de tryptophane, le répresseur est inactif et la transcription a lieu (Source 57).

7. Les unités de transcription eucaryotes

Contrairement aux bactéries, la plupart des unités de transcription eucaryotes sont monocistroniques. Cela signifie qu'un gène est généralement transcrit en un ARNm qui code pour une seule protéine (Source 59, 60).

Les gènes eucaryotes sont souvent séparés par de longues régions intergéniques (Source 61, 62).

8. Régulation de la transcription eucaryote

La régulation de la transcription chez les eucaryotes est significativement plus complexe que chez les procaryotes, en raison de plusieurs facteurs (Source 64) :

• Environnement chromatinien : L'ADN eucaryote est organisé en chromatine, les histones et nucléosomes peuvent empêcher l'accès de l'ARN polymérase aux promoteurs.

• Position des nucléosomes : La position des nucléosomes sur un gène peut affecter son expression (Source 65).

• Modifications épigénétiques : Des modifications chimiques de l'ADN (méthylation) ou des protéines histones (acétylation, méthylation) peuvent altérer l'accessibilité de l'ADN et la régulation génique.

• Disponibilité en facteurs de transcription (FT) : Les FT spécifiques se lient à des séquences régulatrices comme les promoteurs et les enhancers pour moduler l'activité de l'ARN polymérase II. Les enhancers sont des éléments régulateurs cis qui peuvent être situés très loin du gène qu'ils régulent.

Points Clés

• La transcription est le processus de synthèse de l'ARN à partir d'un brin d'ADN matrice.

• L'ARN polymérase est l'enzyme clé, assistée par des facteurs de transcription (spécifiques ou généraux).

• Les bactéries ont une ARN polymérase et peuvent former des opérons polycistroniques.

• Les eucaryotes ont plusieurs ARN polymérases spécialisées, et la transcription est plus complexe avec des étapes de maturation (coiffe 5', polyadénylation 3', épissage).

• La régulation de la transcription est un mécanisme fondamental pour l'expression génique dans les deux domaines du vivant.

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