De l'ADN à l'ARN : la transcription

L'ADN est logé dans le noyau, et la synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme, il doit donc y avoir une sorte de messager intermédiaire qui quitte le noyau et gère la synthèse des protéines. Ce messager intermédiaire est l'ARN messager (ARNm) (messenger RNA (mRNA)), un acide nucléique simple brin qui transporte une copie du code génétique d'un seul gène hors du noyau et dans le cytoplasme où il est utilisé pour produire des protéines.

Il existe plusieurs types d'ARN, chacun ayant des fonctions différentes dans la cellule. La structure de l'ARN est similaire à celle de l'ADN à quelques petites exceptions près. D'une part, contrairement à l'ADN, la plupart des types d'ARN, y compris l'ARNm, sont simple brin et ne contiennent pas de brin complémentaire. Deuxièmement, le sucre ribose dans l'ARN contient un atome d'oxygène supplémentaire par rapport à l'ADN. Enfin, au lieu de la base thymine, l'ARN contient la base uracile. Cela signifie que l'adénine s'appariera toujours avec l'uracile pendant le processus de synthèse des protéines.

L'expression génique commence par le processus appelé transcription (transcription), qui est la synthèse d'un brin d'ARNm complémentaire du gène d'intérêt. Ce processus est appelé transcription car l'ARNm est comme un transcrit, ou une copie, du code ADN du gène. La transcription commence d'une manière quelque peu similaire à la réplication de l'ADN, en ce sens qu'une région de l'ADN se déroule et que les deux brins se séparent, cependant, seule cette petite portion de l'ADN sera séparée. Les triplets au sein du gène sur cette section de la molécule d'ADN sont utilisés comme matrice pour transcrire le brin complémentaire d'ARN (Figure 3.26). Un codon (codon) est une séquence de trois bases d'ARNm, ainsi appelée parce qu'elle code directement pour des acides aminés. Comme la réplication de l'ADN, la transcription comporte trois étapes : l'initiation, l'élongation et la terminaison.

Figure 3.26 Transcription : de l'ADN à l'ARNm Dans la première des deux étapes de la fabrication d'une protéine à partir de l'ADN, un gène sur la molécule d'ADN est transcrit en une molécule d'ARNm complémentaire.

Étape 1 : Initiation. Une région au début du gène appelée promoteur (promoter) — une séquence particulière de nucléotides — déclenche le début de la transcription.

Étape 2 : Élongation. La transcription commence lorsque l'ARN polymérase déroule le segment d'ADN. Un brin, appelé brin codant, devient la matrice avec les gènes à coder. La polymérase aligne ensuite l'acide nucléique correct (A, C, G ou U) avec sa base complémentaire sur le brin codant de l'ADN. L'ARN polymérase (RNA polymerase) est une enzyme qui ajoute de nouveaux nucléotides à un brin d'ARN en croissance. Ce processus construit un brin d'ARNm.

Étape 3 : Terminaison. À la fin du gène, une séquence de nucléotides appelée séquence de terminaison provoque le repliement du nouvel ARN sur lui-même. Ce repliement entraîne la séparation de l'ARN du gène et de l'ARN polymérase, mettant fin à la transcription.

Avant que la molécule d'ARNm ne quitte le noyau et ne procède à la synthèse des protéines, elle est modifiée de plusieurs manières. Pour cette raison, elle est souvent appelée pré-ARNm à ce stade. Par exemple, votre ADN, et donc l'ARNm complémentaire, contient de longues régions appelées régions non codantes qui ne codent pas pour des acides aminés. Leur fonction est encore un mystère, mais le processus appelé épissage (splicing) supprime ces régions non codantes du transcrit de pré-ARNm (Figure 3.27). Un spliceosome (spliceosome) — une structure composée de diverses protéines et d'autres molécules — s'attache à l'ARNm et « épisse » ou découpe les régions non codantes. Le segment retiré du transcrit est appelé intron (intron). Les exons restants sont collés ensemble. Un exon (exon) est un segment d'ARN qui reste après l'épissage. Il est intéressant de noter que certains introns qui sont retirés de l'ARNm ne sont pas toujours non codants. Lorsque différentes régions codantes de l'ARNm sont épissées, différentes variations de la protéine en résulteront finalement, avec des différences de structure et de fonction. Ce processus aboutit à une variété beaucoup plus grande de protéines et de fonctions protéiques possibles. Lorsque le transcrit d'ARNm est prêt, il quitte le noyau et se rend dans le cytoplasme.

Figure 3.27 Épissage de l'ARN Dans le noyau, une structure appelée spliceosome découpe les introns (régions non codantes) au sein d'un transcrit de pré-ARNm et reconnecte les exons.

De l'ARN à la protéine : la traduction

Comme la traduction d'un livre d'une langue à l'autre, les codons sur un brin d'ARNm doivent être traduits dans l'alphabet d'acides aminés des protéines. La traduction (translation) est le processus de synthèse d'une chaîne d'acides aminés appelée polypeptide (polypeptide). La traduction nécessite deux aides majeures : premièrement, un « traducteur », la molécule qui effectuera la traduction, et deuxièmement, un substrat sur lequel le brin d'ARNm est traduit en une nouvelle protéine, comme le « bureau » du traducteur. Ces deux exigences sont remplies par d'autres types d'ARN. Le substrat sur lequel la traduction a lieu est le ribosome.

Rappelez-vous que de nombreux ribosomes d'une cellule sont associés au RE rugueux et effectuent la synthèse des protéines destinées à l'appareil de Golgi. L'ARN ribosomal (ARNr) (ribosomal RNA (rRNA)) est un type d'ARN qui, avec des protéines, compose la structure du ribosome. Les ribosomes existent dans le cytoplasme sous la forme de deux composants distincts, une petite et une grande sous-unité. Lorsqu'une molécule d'ARNm est prête à être traduite, les deux sous-unités se rejoignent et s'attachent à l'ARNm. Le ribosome fournit un substrat pour la traduction, rassemblant et alignant la molécule d'ARNm avec les « traducteurs » moléculaires qui doivent déchiffrer son code.

L'autre exigence majeure pour la synthèse des protéines est celle des molécules traductrices qui « lisent » physiquement les codons de l'ARNm. L'ARN de transfert (ARNt) (transfer RNA (tRNA)) est un type d'ARN qui transporte les acides aminés correspondants appropriés vers le ribosome, et attache chaque nouvel acide aminé au précédent, construisant la chaîne polypeptidique un par un. Ainsi, l'ARNt transfère des acides aminés spécifiques du cytoplasme à un polypeptide en croissance. Les molécules d'ARNt doivent être capables de reconnaître les codons sur l'ARNm et de les faire correspondre avec le bon acide aminé. L'ARNt est modifié pour cette fonction. À une extrémité de sa structure se trouve un site de liaison pour un acide aminé spécifique. À l'autre extrémité se trouve une séquence de bases qui correspond au codon spécifiant son acide aminé particulier. Cette séquence de trois bases sur la molécule d'ARNt est appelée anticodon (anticodon). Par exemple, un ARNt responsable du transport de l'acide aminé glycine contient un site de liaison pour la glycine à une extrémité. À l'autre extrémité, il contient un anticodon qui complète le codon de la glycine (GGA est un codon pour la glycine, et donc l'anticodon de l'ARNt serait CCU). Équipée de sa cargaison particulière et de son anticodon correspondant, une molécule d'ARNt peut lire son codon d'ARNm reconnu et apporter l'acide aminé correspondant à la chaîne en croissance (Figure 3.28).

Figure 3.28 Traduction de l'ARN en protéine Pendant la traduction, le transcrit d'ARNm est « lu » par un complexe fonctionnel composé du ribosome et des molécules d'ARNt. Les ARNt apportent les acides aminés appropriés en séquence à la chaîne polypeptidique en croissance en faisant correspondre leurs anticodons avec les codons sur le brin d'ARNm.

Tout comme les processus de réplication de l'ADN et de transcription, la traduction se compose de trois étapes principales : l'initiation, l'élongation et la terminaison. L'initiation a lieu avec la liaison d'un ribosome à un transcrit d'ARNm. L'étape d'élongation implique la reconnaissance d'un anticodon d'ARNt avec le codon d'ARNm suivant dans la séquence. Une fois que les séquences anticodon et codon sont liées (rappelez-vous, ce sont des paires de bases complémentaires), l'ARNt présente sa cargaison d'acides aminés et le brin polypeptidique en croissance est attaché à cet acide aminé suivant. Cet attachement a lieu avec l'aide de diverses enzymes et nécessite de l'énergie. La molécule d'ARNt libère ensuite le brin d'ARNm, le brin d'ARNm se décale d'un codon dans le ribosome, et l'ARNt approprié suivant arrive avec son anticodon correspondant. Ce processus continue jusqu'à ce que le codon final sur l'ARNm soit atteint, ce qui fournit un message « stop » qui signale la terminaison de la traduction et déclenche la libération de la protéine complète, nouvellement synthétisée. Ainsi, un gène au sein de la molécule d'ADN est transcrit en ARNm, qui est ensuite traduit en un produit protéique (Figure 3.29).

Figure 3.29 De l'ADN à la protéine : de la transcription à la traduction La transcription au sein du noyau cellulaire produit une molécule d'ARNm, qui est modifiée puis envoyée dans le cytoplasme pour la traduction. Le transcrit est décodé en une protéine à l'aide d'un ribosome et de molécules d'ARNt.

Généralement, une transcription d'ARNm sera traduite simultanément par plusieurs ribosomes adjacents. Cela augmente l'efficacité de la synthèse des protéines. Un seul ribosome pourrait traduire une molécule d'ARNm en environ une minute ; ainsi, plusieurs ribosomes sur un seul transcrit pourraient produire plusieurs fois le nombre de la même protéine dans la même minute. Un polyribosome (polyribosome) est un chapelet de ribosomes traduisant un seul brin d'ARNm.