Expression génétique et mutations

L'ADN est la molécule qui porte l'information génétique, contenant toutes les données responsables des caractères héréditaires d'un individu. L'expression de cette information génétique est le processus de décryptage qui permet à ces caractères de se manifester.

Relation entre le Matériel Héréditaire (ADN) et les Caractères Héréditaires

Caractères Héréditaires vs. Non Héréditaires

• Caractères héréditaires: Transmis de génération en génération via les gènes des parents.

  • Exemples: Couleur des yeux, des cheveux, de la peau, groupe sanguin, maladies génétiques (hémophilie, diabète de type 1).

• Caractères non héréditaires: Liés au mode de vie ou à l'environnement, peuvent évoluer avec le temps.

  • Exemples: Cicatrices, cancer du poumon lié au tabagisme, bronzage dû au soleil, modification de la musculature par l'exercice.

Expérience sur Escherichia coli pour la compréhension des mutations

L'étude de la bactérie Escherichia coli (ou colibacille), une bactérie intestinale commune, permet de comprendre la notion de mutation.

Contexte expérimental d'E. coli

• La souche sauvage d'E. coli se développe par fission binaire sur un milieu minimal (sucre et sels minéraux).

• Des expériences de repiquage sont réalisées pour observer les caractères bactériens.

Observations et conclusions

• Boîte 1 (Milieu minimal sans streptomycine): Grande colonie bactérienne.

• Boîte 2 (Milieu minimal avec streptomycine): Aucune colonie bactérienne. La souche sauvage est sensible à la streptomycine (Strep S).

• Repiquage de la boîte 1 à la boîte 4 (Milieu minimal avec streptomycine): Apparition d'une colonie bactérienne résistante à la streptomycine (Strep R).

La bactérie Strep S a acquis une résistance à l'antibiotique. Puisque les caractères Strep S et Strep R sont héréditaires, ils sont liés à l'ADN. Cette transformation s'explique par une modification brusque au niveau de l'ADN, appelée mutation.

Le caractère muté est stable et héréditaire, transmis aux descendants.

Notions de Gène, Allèle et Mutation

• Gène: Unité d'hérédité contrôlant un caractère particulier. C'est un segment d'ADN (séquence de nucléotides) situé à un endroit précis (locus) sur un chromosome.

• Allèle: Différentes versions d'un même gène, résultant d'une mutation, déterminant des aspects différents d'un même caractère.

• Mutation: Modification de l'information génétique. Elles sont caractérisées par leur rareté, leur spontanéité et leur stabilité, bien que favorisées par des facteurs comme les virus ou les substances chimiques.

Relation Gène-Protéine et Protéine-Caractère

Expérience de Beadle et Tatum sur Neurospora

Organisme d'étude

Neurospora est un champignon microscopique capable de synthétiser ses propres acides aminés sur un milieu minimal.

Souches mutantes étudiées

Des mutants (arg-) sont incapables de se développer sur un milieu minimal sans l'ajout d'arginine. La synthèse de l'arginine suit la voie métabolique: Précurseur → Ornithine → Citrulline → Arginine, catalysée par les enzymes a, b, c respectivement.

Résultats expérimentaux

Le tableau suivant montre la capacité de croissance de différentes souches en présence de différents composés :

• Phénotypes:

  • Souche 1: [arg+] (sauvage)

  • Souches 2, 3, 4: [arg-] (mutantes)

• Interprétation des génotypes (enzymes fonctionnelles/non fonctionnelles):

  • Souche 1: Enzymes a, b, c fonctionnelles (a+, b+, c+)

  • Souche 2: Enzymes a, b, c non fonctionnelles (a-, b-, c-). Nécessite l'arginine directement.

  • Souche 3: Enzyme b non fonctionnelle (a+, b-, c+). Nécessite citrulline ou arginine.

  • Souche 4: Enzyme a non fonctionnelle (a-, b+, c+). Nécessite ornithine, citrulline ou arginine.

Conclusion gène-protéine

Les souches mutantes [arg-] ne prolifèrent qu'en présence du composé intermédiaire qu'elles sont incapables de fabriquer, à cause d'une protéine enzymatique non fonctionnelle. Cette expérience a établi le lien direct gène-enzyme, élargi ensuite à gène-protéine (les enzymes étant des protéines). Chaque protéine (polypeptide) est codée par un gène.

La Drépanocytose (Anémie Falciforme)

Contexte de la maladie

L'anémie falciforme est une maladie héréditaire caractérisée par des globules rouges en forme de faucille, due à une hémoglobine anormale (HbS) au lieu de l'hémoglobine normale (HbA).

Différences moléculaires

• L'hémoglobine est une protéine composée de quatre chaînes polypeptidiques.

• HbA (normale): Permet des globules rouges souples.

• HbS (anormale): Moins soluble, se précipite en aiguilles, déformant les hématies et obstruant les capillaires.

• Comparaison des séquences:

  • Il y a une seule différence au niveau du 6ème acide aminé: Acide glutamique dans HbA est remplacé par Valine dans HbS.

  • Au niveau de l'ADN, cette différence correspond à la substitution d'un nucléotide (T dans HbA est remplacé par A dans HbS) au 2ème nucléotide du triplet n°6.

De l'origine de l'anémie falciforme

L'allèle HbS résulte d'une mutation de substitution d'une base (T par A) dans l'allèle sauvage HbA. Cette mutation entraîne un changement dans la séquence d'acides aminés de la protéine hémoglobine, modifiant ainsi sa structure et la forme des hématies. Ceci démontre clairement la relation gène-protéine et protéine-caractère.

Un gène détermine un caractère héréditaire via une protéine. Une modification du gène (mutation) peut altérer la protéine, et par conséquent, le caractère.

Définitions Clés

• Génotype: Composition allélique de tous les gènes d'un individu.

• Phénotype: Ensemble des traits observables d'un individu.

Mécanismes de l'Expression de l'Information Génétique

L'information génétique de l'ADN est exprimée en protéines. Cela implique deux processus majeurs : la transcription et la traduction.

1. La Transcription: Synthèse de l'ARN

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

Localisation de l'ADN et de l'ARN

• L'ADN est principalement localisé dans le noyau (coloration verte avec le vert de méthyle).

• L'ARN est présent dans le cytoplasme (coloration rose avec la pyronine) et migre du noyau vers le cytoplasme.

L'ARN sert d'intermédiaire («messager») entre l'ADN du noyau et la synthèse des protéines dans le cytoplasme. C'est pourquoi on parle d'ARN messager (ARNm).

Structure de la Molécule d'ARN

• Monocaténaire: Une seule chaîne, contrairement à l'ADN bicaténaire.

• Courte et de faible masse moléculaire comparée à l'ADN.

• Composition: Nucléotides contenant:

  • Un acide phosphorique.

  • Un pentose: le ribose () au lieu du désoxyribose dans l'ADN.

  • Une base azotée: Adénine (A), Cytosine (C), Guanine (G), ou Uracile (U) au lieu de la Thymine (T) dans l'ADN.

Déroulement de la Transcription

La transcription a lieu dans le noyau et est catalysée par l'ARN polymérase.

1. Initiation:

   • L'ARN polymérase se fixe sur une séquence promoteur de l'ADN, indiquant le brin à transcrire (brin matrice ou brin transcrit) et le début du gène.

   • L'ARN polymérase provoque l'ouverture locale de la double hélice d'ADN.

2. Élongation:

2. La Traduction: Synthèse des Protéines

La traduction est le processus de conversion de la séquence nucléotidique de l'ARNm en séquence d'acides aminés pour former une protéine.

Notion de Code Génétique

Le code génétique établit la correspondance entre la séquence de l'ARNm et la séquence d'acides aminés de la protéine.

• Chaque codon (séquence de 3 nucléotides sur l'ARNm) spécifie un acide aminé.
• Avec 4 bases (A, U, C, G), il y a $4^3 = <mark>64$ codons possibles.
• 61 codons codent pour l'un des 20 acides aminés (plusieurs codons peuvent coder le même acide aminé - codons synonymes).
• 3 codons (UAA, UAG, UGA) sont des codons stop (non-sens), indiquant la fin de la synthèse protéique.
• Le codon initiateur est généralement AUG, qui code pour la Méthionine.

Le tableau du code génétique permet de décoder n'importe quelle séquence d'ARNm en protéine:

Éléments Nécessaires à la Traduction

La traduction a lieu dans le cytoplasme et implique plusieurs composants:

• ARNm (ARN messager): Porte le message génétique sous forme de codons.
• Ribosomes: Organites cytoplasmiques globulaires constitués de deux sous-unités (grande et petite), formées de protéines et d'ARNr (ARN ribosomique). Ils facilitent la lecture de l'ARNm et la formation des liaisons peptidiques.
• ARNt (ARN de transfert): Molécules monocaténaires d'ARN qui se replient. Elles ont deux sites importants:
  • Un site de fixation de l'acide aminé (extrémité 3').
  • Un anticodon: Séquence de 3 nucléotides complémentaire au codon de l'ARNm.
• Acides aminés: Les monomères des protéines.
• Mg²⁺, GTP, ATP: Ions et molécules énergétiques nécessaires au processus.

Étapes de la Traduction

La traduction se déroule en 3 étapes principales:

1. Initiation:
   • La petite sous-unité du ribosome se lie à l'extrémité $5^{\prime }$ de l'ARNm et recherche le codon initiateur AUG.
   • L'ARNt initiateur portant la Méthionine complémentaire à AUG se fixe.
   • La grande sous-unité du ribosome s'assemble, rendant le ribosome fonctionnel.
2. Élongation:
   • Un nouvel ARNt chargé d'un acide aminé se fixe au site A du ribosome, en s'appariant avec le codon suivant sur l'ARNm.
   • Une liaison peptidique se forme entre l'acide aminé du site P et le nouvel acide aminé du site A.
   • Le ribosome se décale le long de l'ARNm (translocation) d'un codon vers l'extrémité $3^{\prime }$.
   • L'ARNt sans acide aminé quitte le site P, qui est alors occupé par l'ARNt contenant la chaîne d'acides aminés nouvellement allongée. L'ARNt du site A passe au site P, libérant le site A pour un nouveau ARNt.
   • Ce cycle se répète, allongeant la chaîne polypeptidique.
3. Terminaison:
   • La synthèse s'arrête lorsqu'un codon stop (UAA, UAG, UGA) est lu par le ribosome.
   • Aucun ARNt ne possède d'anticodon correspondant à ces codons stop.
   • Des facteurs de libération se lient, provoquant la libération de la protéine et la dissociation des sous-unités ribosomiques de l'ARNm.

L'information génétique stockée dans l'ADN est transcrite en ARNm, puis cet ARNm est traduit en une séquence d'acides aminés qui forme une protéine. Cette protéine est responsable des caractères héréditaires de l'individu.

L'Expression de l'Information Génétique

L'expression de l'information génétique est le processus par lequel les informations stockées dans l'ADN sont décryptées pour manifester les caractères héréditaires individuels.

I. Caractère Héréditaire et Gène

A. Définition des Caractères

• Caractère : Manifestation physique ou physiologique, observable ou non.
• Caractères héréditaires : Transmis de génération en génération via les gènes (ex: couleur des yeux, groupe sanguin, hémophilie).
• Caractères non héréditaires : Liés au mode de vie ou à l'environnement (ex: cicatrices, bronzage, certaines maladies).

B. ADN et Informations Héréditaires

L'ADN est le support de l'information génétique, contenant toutes les informations pour les caractères héréditaires.

• Expérience avec Escherichia coli (colibacille):
  • Souche sauvage (Strep S) : Sensible à la streptomycine, incapable de se développer en sa présence.
  • Mutation : Un changement brusque de l'ADN peut rendre la bactérie résistante (Strep R).
  • Ce changement est stable et héréditaire, prouvant le lien entre ADN et caractère.

C. Notion de Gène, Allèle et Mutation

• Gène : Unité d'hérédité contrôlant un caractère particulier. C'est un segment d'ADN situé à un locus précis sur un chromosome.
• Allèles : Différentes versions (aspects) d'un même gène, résultant souvent d'une mutation.
• Mutation : Modification de l'information génétique (rare, spontanée, stable, héréditaire).
  • Facteurs favorisants : virus, substances chimiques.

II. Relation Gène-Protéine et Protéine-Caractère

A. Expérience de Beadle et Tatum

• Étude sur Neurospora (champignon microscopique) et la synthèse de l'arginine.
  • Voie métabolique : Précurseur $\xrightarrow{\text{Enzyme a}}$ Ornithine $\xrightarrow{\text{Enzyme b}}$ Citrulline $\xrightarrow{\text{Enzyme c}}$ Arginine.
  • Mutants arg^- (incapables de synthétiser l'arginine) :

    Souche	MM	MM + Ornithine	MM + Citrulline	MM + Arginine	Phénotype	Enzyme(s) non fonctionnel(s)	Génotype
    1	+	+	+	+	[arg+]	Aucun	(a+, b+, c+)
    2	-	-	-	+	[arg-]	a, b, et c	(a-, b-, c-)
    3	-	-	+	+	[arg-]	b	(a+, b-, c+)
    4	-	+	+	+	[arg-]	a	(a-, b+, c+)

• Conclusion : Chaque gène contrôle la synthèse d'une enzyme spécifique (et par extension, d'une protéine).

B. Exemple de l'Anémie Falciforme

• Maladie héréditaire des globules rouges (hématies en forme de faucille).
• Provoquée par une hémoglobine S (HbS) anormale, contrairement à l'hémoglobine A (HbA) normale.
• Analyse ADN/protéine :
  • Différence d'un seul acide aminé à la position 6 : Acide glutamique (HbA) vs Valine (HbS).
  • Différence d'un seul nucléotide : T (HbA) vs A (HbS) au 2ème nucléotide du triplet n°6.
• Origine : Mutation par substitution d'un nucléotide (T par A) dans l'allèle de l'HbA, entraînant une modification de la protéine et donc du caractère (forme de l'hématie).
• Déduction : Un gène détermine une protéine, et une protéine détermine un caractère.

C. Synthèse Gène-Protéine-Caractère

• Chaque caractère héréditaire est l'expression d'un gène.
• L'ordre des nucléotides d'un gène détermine l'ordre des acides aminés dans la protéine.
• Toute modification dans la séquence nucléotidique (mutation) peut altérer la protéine et le caractère correspondant.
• Génotype : Composition allélique de tous les gènes d'un individu.
• Phénotype : Ensemble des traits observables d'un individu.

III. Les Mécanismes de l'Expression Génétique : De l'ADN à la Protéine

A. Rôle de l'ARN

• L'ARN (Acide Ribonucléique) est une molécule intermédiaire entre l'ADN (noyau) et la synthèse de protéines (cytoplasme).
• Localisation :
  • ADN : Noyau.
  • ARN : Synthétisé dans le noyau, puis migre vers le cytoplasme.
• Fonction : L'ARN messager (ARNm) est le "messager" qui transporte l'information génétique du noyau au cytoplasme pour la synthèse protéique.

B. Structure de l'ARN

• Simple brin (monocaténaire), plus court que l'ADN.
• Composé de nucléotides :
  • Acide phosphorique.
  • Pentose : Ribose ($\mathrm{C}_5\mathrm{H}_{10}\mathrm{O}_5$) au lieu du désoxyribose.
  • Bases azotées : Adénine (A), Cytosine (C), Guanine (G), Uracile (U) (U remplace T).

C. Les Étapes de l'Expression Génétique

1. La Transcription (Synthèse de l'ARN)

Processus de copie d'une séquence d'ADN en ARNm, réalisée dans le noyau.

• Enzyme clé : ARN polymérase.
• Étapes :
  • Initiation : L'ARN polymérase se fixe sur le gène (séquence promotrice) et ouvre la double hélice d'ADN.
  • Élongation : L'ARN polymérase se déplace le long du brin transcrit (matrice) de l'ADN ($3' \rightarrow 5'$), ajoutant des ribonucléotides complémentaires (A-U, C-G, G-C, T-A). L'ARNm est complémentaire du brin transcrit et identique au brin non transcrit (avec U à la place de T).
  • Terminaison : L'ARN polymérase rencontre un site de terminaison, libérant l'ARNm qui quitte le noyau.

2. La Traduction (Synthèse des Protéines)

Processus de conversion de la séquence d'ARNm en séquence d'acides aminés, se déroulant dans le cytoplasme.

a. Notion de Code Génétique

• Correspondance entre la séquence nucléotidique de l'ARNm et la séquence d'acides aminés de la protéine.
• Les informations sont codées par des codons : Groupes de 3 bases azotées (triplets) sur l'ARNm.
• Nombre de codons : $4^3 = \mark{64}$ codons possibles.
• Codons signifiants : 61 codons codent pour les 20 acides aminés.
  • La plupart des acides aminés sont codés par plusieurs codons synonymes (redondance du code).
• Codons stop (non-sens) : UAA, UAG, UGA (signalent la fin de la traduction).
• Expériences de Nirenberg et Matthaei ont permis de déchiffrer les codons (ex: Poly U $\rightarrow$ Phénylalanine (UUU)).

b. Éléments Nécessaires à la Traduction

• ARNm : Porte l'information génétique.
• Ribosomes : Organites cytoplasmiques (2 sous-unités), composés d'ARNr et de protéines. Décryptent l'ARNm et catalysent la formation des liaisons peptidiques.
• ARN de transfert (ARNt) : Molécules adaptatrices qui font correspondre codons et acides aminés.
  • Possède un site de fixation de l'acide aminé (extrémité 3').
  • Possède un anticodon (3 nucléotides complémentaires au codon de l'ARNm).
• Acides aminés.
• Énergie : ATP, GTP.
• Facteurs protéiques, ions $\mathrm{Mg}^{2+}$.

c. Étapes de la Traduction

Déroulement unidirectionnel sur l'ARNm.

• Initiation :
  • La petite sous-unité ribosomique se fixe à l'ARNm au niveau du codon initiateur AUG (toujours au $5'$).
  • Un ARNt initiateur portant la Méthionine se lie à l'AUG.
  • La grande sous-unité ribosomique se joint, formant un ribosome fonctionnel.
• Élongation : (Ajout séquentiel d'acides aminés)
  • Un nouvel ARNt (portant l'acide aminé correspondant au codon suivant) se fixe au site A du ribosome.
  • Formation d'une liaison peptidique entre les deux acides aminés.
  • L'ARNt du site P (qui a transféré son acide aminé) se détache.
  • Le ribosome se décale d'un codon sur l'ARNm ($5' \rightarrow 3'$), déplaçant le polypeptide vers le site P et libérant le site A pour un nouvel ARNt.
• Terminaison :
  • Le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG, UGA).
  • Aucun ARNt ne correspond à ces codons.
  • Libération de la chaîne polypeptidique (protéine).
  • Les deux sous-unités ribosomiques se dissocient de l'ARNm.

Résumé des Points Clés

• L'ADN est le support de l'information génétique, codant pour les caractères héréditaires.
• Un gène est un segment d'ADN qui détermine un caractère.
• Les allèles sont les différentes versions d'un gène.
• Une mutation est une modification de l'ADN, pouvant changer un caractère.
• La relation est : Gène $\rightarrow$ Protéine $\rightarrow$ Caractère.
• L'expression génétique se fait en deux étapes :
  • Transcription : L'information de l'ADN (noyau) est copiée en ARNm.
  • Traduction : L'ARNm (cytoplasme) est lu par les ribosomes pour synthétiser une protéine, selon le code génétique (codons et ARNt).