Expression du génome : étapes et régulation

L'Expression du Génome : De la Transcription à la Traduction

L'expression du génome est le processus par lequel l'information génétique contenue dans l'ADN est convertie en une protéine fonctionnelle. Ce processus est fondamental à la vie et à la régulation cellulaire.

Étapes de l'Expression du Génome

L'expression du génome se décompose en plusieurs étapes clés, commençant par la transcription et se terminant par la traduction des protéines.

Détails de la Transcription

La transcription est la première étape où l'information génétique de l'ADN est copiée dans une molécule d'ARN messager (ARNm).

Substrats et Réaction Catalysée

Pour que la transcription ait lieu, des substrats spécifiques et la catalyse par l'ARN polymérase sont nécessaires.

• Substrats :

  • Ribonucléotides : nucléotides triphosphates (NTP : ATP, GTP, CTP, UTP). L'ARN polymérase ne polymérise pas les désoxynucléotides (dNTP).

  • Un seul des deux brins de l'ADN est utilisé comme matrice, rendant la transcription un processus asymétrique.

  • Du magnésium ().

• Réaction catalysée :

  • Hydrolyse d'une liaison anhydride d'acide d'un NTP.

  • Synthèse du transcrit primaire par la formation de liaisons phosphodiesters entre les NTP.

  • Libération d'une molécule de pyrophosphate (PP) après chaque nucléotide incorporé.

  • Le brin matrice d'ADN reste intact à la fin de la transcription.

L'équation simplifiée de la synthèse de l'ARN est :

Types d'ARN Polymérases chez les Eucaryotes

Chez les eucaryotes, différentes ARN polymérases sont responsables de la transcription de classes spécifiques d'ARN.

Accès au Brin Matrice de l'ADN

Pour la transcription, l'ARN polymérase doit accéder au brin matrice de l'ADN.

• Dissociation partielle de la double hélice d'ADN : Nécessaire pour séparer les deux brins. Cela est réalisé par la rupture des liaisons hydrogène entre les bases appariées.

• Hybridation partielle ARN/ADN : Transitoire et de courte taille (moins de 8 paires de bases). Elle se fait entre l'ARNm en cours de synthèse et le brin d'ADN matrice, et se poursuit le long du déplacement de l'ARN polymérase.

Identification des Brins Sens et Antisens

L'orientation des gènes détermine quel brin d'ADN sera utilisé comme matrice.

• L'orientation de la majorité des gènes : Dans une portion d'ADN, plusieurs gènes peuvent être orientés de façon contraire.

  • Le promoteur, situé en amont de chaque gène, définit l'extrémité 5' du gène.

  • Le brin qui se lit de 3' vers 5' est le brin antisens ; c'est le brin matrice pour la transcription de ces gènes.

  • Pour les gènes d'orientation opposée, le brin sens servira de brin matrice.

Mode d'Action de l'ARN Polymérase

L'ARN polymérase synthétise l'ARN de manière directionnelle et complémentaire au brin matrice.

• Sens de la synthèse : Toujours de l'extrémité 5' vers l'extrémité 3' de l'ARNm.

• Déplacement sur le brin matrice : Toujours de l'extrémité 3' vers l'extrémité 5' du brin matrice. L'extrémité 3'-OH du transcrit primaire est allongée.

• Formation des liaisons phosphodiesters : À partir de nucléotides triphosphates, l'ARN polymérase II introduit les bases complémentaires de celles du brin d'ADN matrice et crée une liaison phosphodiester 3'-5'.

  • Exemple : Une guanine (G) sur le brin matrice s'apparie avec une cytosine (C) sur l'ARN, donc un CTP est utilisé.

La séquence du transcrit primaire formé est complémentaire du brin matrice et équivalente au brin sens, mais l'uracile (U) remplace la thymine (T).

Initiation de la Transcription

L'initiation de la transcription est une étape cruciale qui implique l'assemblage et la fixation d'un complexe d'initiation sur la région promotrice.

Complexe d'Initiation de la Transcription

• Assemblage : Définit le début de la synthèse d'ARN.

• Composition : C'est un complexe de très grande taille (2 millions de Daltons) qui contient :

  • L'ARN polymérase II.

  • Des facteurs de transcription généraux (non spécifiques d'un gène, communs à l'expression de tous les gènes).

Fixation du Complexe d'Initiation

• Séquences reconnues (domaines de fixation à l'ADN) : Spécifiques des facteurs de transcription avec lesquels elles interagissent.

• Facteurs de transcription généraux : Ce sont des facteurs cis régulateurs protéiques (les facteurs TFII, associés à la polymérase II) qui se fixent sur les domaines de fixation à l'ADN.

• Interactions avec le brin matrice : Facilitées au niveau du grand sillon de la double hélice grâce à un encombrement stérique moindre. Elles font intervenir des motifs spécifiques (hélice boucle hélice, doigt de zinc, fermetures à leucine) et différentes liaisons (hydrogène, ioniques, hydrophobes).

Séquences d'ADN Intervenant dans l'Initiation

Certaines séquences d'ADN sont essentielles pour l'initiation de la transcription.

• Nucléotide +1 : C'est le premier nucléotide de l'ADN transcrit.

• Nucléotide -1 : Situé en amont du +1, dans la région promotrice.

• Codon ATG : C'est ici que l'initiation de la traduction est réalisée.

• Région promotrice :

  • Comprend le promoteur minimal ou basal, une séquence d'ADN située en 5' des gènes où s'assemble le complexe d'initiation de la transcription et où se fixent des facteurs de transcription spécifiques.

  • Le promoteur s'étend sur environ 100 paires de bases et est constitué de séquences reconnues par les facteurs de transcription généraux.

Séquences du Promoteur Minimal/Basal

Le promoteur minimal contient des boîtes caractéristiques pour la régulation de la transcription.

Vue d'ensemble des séquences du promoteur :

Facteurs de Transcription Spécifiques

Ces facteurs modulent l'initiation de la transcription.

• Types : Activateurs et Répresseurs.

• Mode d'action : Ils modulent l'initiation de la transcription en facilitant ou en inhibant l'assemblage du complexe d'initiation par les facteurs de transcription généraux.

Facteurs de Transcription Généraux (TFII) et leur rôle

Les facteurs de transcription généraux (TFII) sont essentiels à l'assemblage du complexe d'initiation.

Autres Étapes de la Transcription

Après l'initiation, la transcription se poursuit par l'élongation et se termine par la terminaison.

Élongation

• Phase de synthèse de l'ARNm.

• Le brin d'ARNm se libère progressivement du brin d'ADN matrice.

Terminaison

• Arrêt de la synthèse à un endroit précis. Les signaux sont encore mal connus.

• L'ARN polymérase II est déphosphorylée.

• Libération de l'ARN polymérase II et dissociation de la molécule d'ARN synthétisée.

Régulation de l'Initiation de la Transcription

La régulation est essentielle pour contrôler l'expression des gènes, influençant le niveau basal de transcription.

Niveau Basal de la Transcription

Définit le niveau de transcription en l'absence de facteurs de transcription spécifiques.

Action des Facteurs de Transcription Spécifiques

• Activateurs : Augmentent l'efficacité d'association du complexe d'initiation de la transcription, augmentant le nombre d'initiations et l'expression du gène en protéines.

• Répresseurs : Inhibent la formation du complexe d'initiation, ce qui limite le nombre d'initiations et diminue l'expression du gène.

Interactions entre les Facteurs de Transcription Spécifiques

Les facteurs de transcription interagissent avec des séquences spécifiques de l'ADN pour moduler l'expression des gènes.

• Sites de fixation : Peuvent être situés jusqu'à 100 000 nucléotides en amont du site d'initiation.

  • Enhancer (activateur) : Séquence d'ADN reconnue spécifiquement par un facteur de transcription activateur.

  • Silencer (répresseur) : Séquence d'ADN reconnue spécifiquement par un facteur de transcription répresseur.

• Rôle du repliement de l'ADN : Permet l'interaction entre les facteurs de transcription spécifiques et le complexe d'initiation.

Structure Globale des Facteurs de Transcription Spécifiques

Ces facteurs possèdent des domaines fonctionnels spécifiques.

Mécanismes de Modulation de la Transcription

Plusieurs mécanismes modulent l'initiation de la transcription, agissant sur les facteurs de transcription eux-mêmes ou sur l'ADN.

Types de Modulations

• Niveau d'expression du facteur de transcription : Modifie l'expression du gène cible.

• Modifications post-traductionnelles du facteur de transcription : Ex. phosphorylation, acétylation.

• Translocation nucléaire du facteur de transcription : Le facteur doit être dans le noyau pour agir.

• Interactions protéiques : La formation de complexes peut empêcher un facteur de se fixer à son site.

• Autre type : Modulation globale par des facteurs activateurs et/ou répresseurs.

Modes d'Action des Facteurs de Transcription Répresseurs

Les répresseurs agissent de diverses manières pour inhiber la transcription.

1. Masquage du domaine d'interaction de l'activateur : Un répresseur interagit avec le domaine d'activation d'un activateur, empêchant son action (changement conformationnel possible de l'activateur).

2. Compétition de la liaison à l'ADN : Le répresseur se fixe à un site d'ADN qui chevauche ou masque le site de fixation de l'activateur.

3. Répression directe : Le répresseur agit sur le domaine d'activation de la transcription d'un activateur, en compétition pour le même site de fixation.

Récepteurs Nucléaires

Certains récepteurs nucléaires ont une activité de facteur de transcription.

• Activité de facteur de transcription : Concerne les récepteurs des hormones stéroïdes, thyroïdiennes et du calcitriol (forme active de la vitamine D).

• Structure globale commune :

  • Domaine d'activation de la transcription (N-terminal).

  • Domaine de fixation à l'ADN.

  • Domaine de fixation au ligand (C-terminal).

• Mécanisme de régulation (Exemple du cortisol) :

  1. En l'absence de ligand, le récepteur est dans le cytoplasme.

  2. En réponse à une hypoglycémie, la corticosurrénale sécrète le cortisol, qui entre dans les cellules (ex: hépatocytes).

  3. Reconnaissance spécifique entre le récepteur et l'hormone.

  4. Translocation du récepteur nucléaire vers le noyau, suivie d'une dimérisation (formation d'un homodimère).

  5. Reconnaissance spécifique d'un élément de réponse (HRE - Hormone Responsive Element), un site de fixation qui, une fois lié au dimère, augmente l'expression du gène (ex: favors la néoglucogenèse). Le récepteur monomère ne peut pas reconnaître l'HRE.

Régulation par CBP/p300

Ces protéines jouent un rôle de coactivateurs transcriptionnels et modifient la chromatine.

• Nature : Protéines distinctes mais très homologues. CBP = CREB Binding Protein. Elle se fixe à CREB (AMPc Responsive Element Binding protein), qui reconnaît un élément de réponse suite à une augmentation d'AMPc.

• Rôle de coactivateurs transcriptionnels (Exemple : effet de l'adrénaline) :

  • L'adrénaline active l'adényl cyclase, transformant l'ATP en AMPc.

  • L'augmentation de l'AMPc active la kinase A, laquelle phosphoryle CREB dans le noyau.

  • CREB phosphorylé dimérise et se fixe aux éléments de réponse CRE (AMPc responsive elements) dans le promoteur de certains gènes.

  • CREB phosphorylé interagit avec CBP, qui interagit avec les facteurs de transcription généraux du complexe d'initiation.

• Remodelage de la chromatine : CBP/p300 possèdent une activité Histone Acétyl Transférase (HAT), acétylant les histones.

  • L'acétylation des histones rend l'ADN plus accessible, augmentant l'expression des gènes.

• Autres régulations : CBP/p300 peuvent acétyler d'autres protéines, comme p53 (facteur de transcription qui favorise l'apoptose), conduisant à sa dégradation et favorisant ainsi la survie cellulaire.

Méthylation de l'ADN : Épigénétique

L'épigénétique englobe les modifications de l'expression des gènes sans altérer la séquence d'ADN.

Définition de l'Épigénétique

L'épigénétique est l'ensemble des modifications de l'expression des gènes qui sont transmissibles (jusqu'à la 2ème génération), réversibles et sans changement de la séquence d'ADN. Cette régulation se met en place à long terme.

Méthylation des Cytosines

• Concerne les îlots CpG : séquences Cytosine-Phosphate-Guanine, riches en répétitions C-G et retrouvées dans la région régulatrice d'environ 60% des gènes.

• Aboutit à la formation de la 5-Méthyl-Cytosine sur les deux brins (sens et antisens).

• Réalisée par l'ADN méthyltransférase.

Répression de l'Expression des Gènes par Mécanismes Épigénétiques

• Diminution des liaisons hydrogène (à court terme) : La méthylation peut diminuer les interactions potentielles avec certains facteurs de transcription.

• Implication de MeCP2 (à long terme) : Le MeCP2 (Méthyl Cytosine binding Protein 2) est recruté aux îlots CpG méthylés et recrute des histones désacétylases (HDAC), qui désacétylent les histones.

  • La désacétylation des histones limite l'accès à l'ADN, diminuant la transcription et inhibant l'expression des gènes.

Exemples d'Implications des Mécanismes Épigénétiques

• Spécialisation cellulaire : La méthylation de l'ADN explique pourquoi l'expression du génome n'est pas la même dans différents types cellulaires.

• Adaptation des individus à leur environnement :

  • Empreinte parentale : L'épigénétique explique que l'allèle d'un gène hérité de la mère n'a pas toujours le même degré d'expression que celui hérité du père.

  • Inactivation d'un des chromosomes X chez la femme : Un seul des deux chromosomes X est exprimé.

  • Différences entre jumeaux monozygotes : Des différences de comportements ou de maladies.

  • Programmation métabolique transmissible : Les enfants nés en période de disette peuvent développer un risque d'obésité plus important en réactivant des capacités d'épargne énergétique si leur alimentation redevient normale.

Synthèse

L'expression du génome est un processus complexe et finement régulé, essentiel à la vie cellulaire et à la diversification des fonctions. La transcription, étape clé, transforme l'ADN en ARN, qui est ensuite maturé puis traduit en protéines. La régulation de ce processus implique une multitude de facteurs de transcription généraux et spécifiques, des récepteurs nucléaires, et des mécanismes épigénétiques comme la méthylation de l'ADN et l'acétylation des histones. Ces régulations assurent la bonne activation ou répression des gènes en fonction des besoins cellulaires et environnementaux, influençant la spécialisation cellulaire, l'adaptation et même la transmission de traits aux générations suivantes.