Les cours pour transcription et Traduction 1ére année

Synthèse protéique

1) Régulation de la transcription

• Toutes les cellules d’un organisme = le même génome ≈ 24 000 gènes / humain.
• Notre organisme ≈ 250 types cellulaires.
• Chaque type cellulaire présente un phénotype et des fonctions différentes.

A un instant donné, dans chaque type cellulaire, seule une fraction des gènes est exprimée.
Chaque type cellulaire est caractérisé par l’expression durable d’un ensemble de gènes qui lui est propre.

• La plupart des gènes sont à l’état inactif ou peu actif dans la majorité des circonstances.
• Seul un petit nombre de gènes est constamment (= Toujours) exprimé à des niveaux d’expression de base: gènes constitutifs (gènes de ménage, domestiques) peu nombreux (qualitativement en terme de gènes différents mais pas quantitativement car il y a beaucoup de ribosomes ou d’ARNt).
• Exemple: gènes codant pour les ARNr, les ARN Pol, les enzymes du cycle de Krebs.

• En réponse à des signaux, l’expression d’un petit nombre de gènes est activée: gènes inductibles.
• Exemple: gènes codant pour des protéines de la division cellulaire, gènes de structure codant uniquement pour des ARNm.

Nécessité de la régulation de la transcription qui peut prendre place à différents niveaux

1. niveau chromatinien

• a) remodelage.
• b) méthylation des cytosines: épigénétique héréditaire sans changer ce qui est transcrit.
• c) Z ADN.

2. niveau transcriptionnel

• a) élément cis et trans en 5’.
• b) choix du promoteur.

3. niveau post-transcriptionnel

• a) régulation de la durée de vie 3’UTR.
• b) modifications éditoriales de l’ARNm.
• c) épissage alternatif.

1. Niveau chromatinien

a) Remodelage de la chromatine

Le complexe d’initiation de la transcription de la ARN pol II(100 pb) se fixe sur le promoteur minimal. Or l’ADN est compacté, sous forme de chromatine.

• La fibre de chromatine.
• Les nucléosomes.

• Rapide.
• Temporaire (l’ADN ne peut pas rester décompacté sinon lésion de l’ADN).
• Ponctuel (limité à la seule région du génome à transcrire).
• Réversible.

Il y a des enzymes qui interviennent à ce niveau-là: rôle des histones acétyl transférases (HAT).

• Acétylation des lysines des histones (sauf H1).
• Suppriment leurs charges positives.
• Diminuent leur interaction avec l’ADN.
• Remodelage de la chromatine: transcriptionellement active.

• L’acétylation des lysines des histones augmente la transcription.
• La désacétylation des lysines des histones diminue la transcription.
• La méthylation des arginines des histones provoque une compaction de la chromatine et donc une diminution de la transcription. (Il peut aussi y avoir méthylation des lysines cf Macé).
• La phosphorylation sur OH, l’ubiquitination influencent aussi l’état de condensation de la chromatine.

• Quand il n’y a aucune modification = chromatine condensée, gène silencieux.
• Quand il y a méthylation en LYS 9 = « «.
• Phospho en SER 10 = « «.
• LAcétylation en LYS 9 ou/ et 14 = gène exprimé.

Il existe différentes combinaisons de ces modifications post-traductionnelles des histones: elles forment un code qui traduit l’état de condensation de la chromatine.

b) Méthylation de l’ADN

Modifications épigénétiques: héréditaires et sans modification de la séquence des nucléotides.
Elle se fait uniquement sur les cytosines (donnant les 5-méthyl-cytosines).

• d’un doublet CG.
• des promoteurs des gènes.

• Condensation de la chromatine.
• diminution transcription du gène.

c) Z-ADN

Il a certainement un rôle en diminuant l’accessibilité des gènes aux protéines.

2. Niveau transcriptionnel

a) Eléments nucléotidiques cis – éléments protéiques trans: fffrrraa

Les éléments cis sont des séquences nucléotidiques spécifiques, essentiellement en 5’ (en amont) du promoteur minimal du gène.
Ces éléments sont de petite taille (environ 10 Pb comme 1 promoteur ; promoteur minimal = 100 Pb) et capables de réguler avec une grande amplitude l’intensité de transcription d’un gène.

Les éléments cis peuvent être

• Stimulatrices et augmenter la transcription.
• Ou inhibitrices et diminuer la transcription.

Souvent les éléments cis ne sont fonctionnels que dans certains tissus: expression tissu-spécifique.
Les éléments nucléotidiques cis nécessitent l’intervention de facteurs protéiques spécifiques de la transcription (≠ des facteurs généraux comme TFII): les éléments trans qui sont des protéines capables de se fixer sur ces éléments cis par une dizaine de pb.

• hélice-coude-hélice.
• hélice-boucle-hélice.
• fermeture éclair à leucine leucine zipper.
• leucine: alignée.
• doigt de zinc: hélice alpha, feuillet plissé B. Cys et His.

Un signal cellulaire recrute quelques facteurs spécifiques de transcription trans qui se fixent spécifiquement sur les éléments cis « cibles » et interagissent entre eux et avec l’ARN Pol II pour soit l’activer, soit l’inhiber.
Les éléments cis se fixent sur les promoteurs (c’est pour ça qu’ils ont la même taille: 10 Pb) pour les activer ou non. Ces éléments cis seront eux même activés ou non par les éléments trans.
les facteurs spécifiques de transcription tissus spécifiques car eux même activés par un signal cellulaire.

Mais le nombre de facteurs de transcription est très supérieur au nombre de gènes à réguler.
La spécificité de la réponse d’un gène résulte de la « combinatoire » d’un nombre limité de facteurs de transcription interagissant avec ce gène.

b) Régulation transcriptionelle par le choix du promoteur

Certains gènes possèdent plusieurs promoteurs de force inégale et plusieurs sites d’initiation de la transcription.
Le choix du promoteur dépend de facteurs de transcription qui ne sont exprimés que dans certains tissus.

Exemple: Le gène de l’α-amylase qui possède 2 promoteurs P1 et P2.
P1 est fonctionnel dans les glandes salivaires, très actif (transcription: beaucoup d’ARNm et beaucoup d’enzymes).
P2 est fonctionnel dans le foie, peu actif (transcription: peu d’ARNm et peu d’enzymes).

3. Niveau post-transcriptionnel: (piège avec traductionnel possible)

a) Régulation de la durée de vie des ARNm

Les ARNm ne sont pas des molécules pérennes: elles ont une durée de vie limitée.

• Se fait au niveau des nucléotides de la région 3’UTR.
• Des zones qui augmentent la stabilité = augmente la quantité d’ARNm = augmente les protéines.
• Des zones qui diminuent la stabilité = diminue la quantité d’ARNm = diminue les protéines.

b) Modifications éditoriales de l’ARNm:

L'additions, la suppression ou la substitution d’un ou plusieurs nucléotides ARNm dont la séquence des nucléotides diffère de celle prédite par le gène.
Dans le noyau cellulaire, un tissu-spécifique, un même gène ARNm différents selon les tissus. Des protéines différentes selon les tissus.

c) Epissage alternatif

Un même transcrit primaire peut être différemment épissé selon le type cellulaire, son stade de développement, un tissu-spécifique.

Un même gène ARNm différents selon les tissus, Des protéines différentes selon les tissus.

Chez l’homme: environ 24-26 000 gènes mais environ 100 000 protéines. Soit 60% des gènes humains.
A partir d’un nombre donné de gènes codants pour des protéines la diversité des protéines est créée par des combinaisons associant épissage alternatif et pro moteur alternatifs en particulier.

La Traduction

I. Définitions

II. Eléments nécessaires à la traduction

• 1. ARNr.
• 2. ARNm.
• 3. ARNt.

III. Caractéristiques du code génétique

• 1. Universalité.
• 2. Dégénérescence.
• 3. Non ambiguïté.

IV. Mécanismes de la traduction

• 1. Initiation de la traduction.
• 2. Elongation de la traduction.
• 3. Fin de la traduction.
• 4. Polyribosomes ou « polysomes ».

V. Régulation de la traduction

• 1. Transcription.
• 2. Traduction.

I. Définitions

Traduction: Synthèse d’une protéine = assemblage, sous forme d’une structure primaire, d’acides aminés, déterminé par l’information contenue dans les codons successifs de l’ARNm à partir d’un ARNm.
Le codon est la suite ordonnée (séquentielle) de 3 nucléotides de la séquence d’un acide nucléique et porte l’information génétique pour un acide aminé.

II. Eléments nécessaires à la traduction

1. ARNr

L'ARNr est le support de la synthèse des protéines: Attention on peut dire que les ARNr ou les ribosomes ont 2 sous unités.
40 S (1500 nucléotides/30 protéines): site pour la fixation de l’ARNm, l’ARNt et les facteurs protéiques.

60 S (4000 nucléotides/49 protéines): site catalytique pour la synthèse de la liaison peptidique.

2. ARNm

Les codons de l’ARNm déterminent par leur séquence l’ordre d’enchaînement des acides aminés dans les protéines. Mais ne reconnaissent pas directement les AA et ne permettent pas la liaison des AA entre eux ARNt = rôle d’intermédiaire.

3. ARNt

Ils apportent les acides aminés.
Liaison acide aminé – ARNt: il existe 20 aminoacyl ARNt synthétases. Chacune d’elle reconnaît spécifiquement 1 acide aminé et assure la liaison sur l’ARNt.
Ils possèdent une double spécificité vis-à-vis de L’AA et de l’ARNt.
exactitude de la traduction.
Active l’AA au dépend de l’ATP, liaison AA-AMP riche en Energie.
Transfère L’AA activé sur l’ARNt, liaison AA-ARNt riche en énergie.

III. Caractéristiques du code génétique

Le code génétique est la correspondance entre les codons et les acides aminés.

1. Universalité

• Le code génétique est identique dans tous les organismes (animal, végétal, bactéries, virus).
• Rares exceptions (code mitochondrial légèrement différent) mais retenons que tous les organismes ont le même code génétique (cocher si y a marqué sa malgré les exceptions).

2. Dégénérescence

• 3 codons stop dans l’ARN UAA, UAG, UGA: ils sont transcrit mais non traduits en acides aminés (comme les 5’/3’UTR). Ce sont les signaux de fin de lecture. (si on a Adn TAA, TAG, TGA).
• 61 codons codent pour les 20 acides aminés naturels: plusieurs codons vont coder pour le même acide aminé. AUG qui est le codon d’initiation code pour la méthionine.
• Seuls 2 acides aminés, Méthionine (AUG) et Tryptophane ne sont codés que par un seul codon chacun.
• Les 18 autres acides aminés sont codés par 2 ou plusieurs codons qui ne diffèrent essentiellement que par leur 3ème nucléotide.

3. Non ambiguïté

• Un codon code pour un seul acide aminé (il est ponctué). 1 codon: 1 AA ; 1 AA: multiples codons.
• Non chevauchant: la traduction des codons se fait successivement triplet après triplet.
• Sans interruption du « cadre de lecture ».

• Région de l’ARNm comprise entre le codon d’initiation de la traduction AUG et le codon stop. Il concerne l’ARNm mature et pas le transcrit primaire.
• Son respect est essentiel à la synthèse exacte d’une protéine.
• La délétion de l’un ou plusieurs des 3 nucléotides d’un codon décale le cadre de lecture: synthèse d’une protéine inexacte.

IV. Mécanismes de la traduction

1. Initiation de la traduction

• Elle met en jeu des protéines « facteurs d’initiation » eIF (eukaryotic Initiation Factor).
• L’ARNt initiateur: Met-ARNt (ou ARNt-i) car AUG.

1) Activation de 40 S: la fixation d’eIF 3 sur 40 S va l’activer

2) Activation de l’ARNt initiateur: par eIF-2-GTP

3) Association de l’ARNt-i et 40 S (toutes les 2 activées site A): eIF-4C est mis en jeu

4) Recrutement de l’ARNm

• Fixation de plusieurs eIF-4 sur le chapeau de l’ARNm. Les eIF 4A, 4B, 4F, 4 E.
• L’ARNm se fixe à 40 S (site A): ATP dépendant
• La petite sous-unité 40 S glisse le long de l’ARNm, jusqu’à rencontrer le codon d’initiation.

40 S peut se fixer sur 2 sites adjacents pour la fixation des ARNt.

• Le site P ou peptidique qui porte le peptide en cours de synthèse.
• Le site A ou acide aminé qui fixe l’ARNt du nouvel acide aminé.

5) L’ARNt initiateur se positionne sur le site P de 40 S

• 60 S s’associe à 40 S pour former un ribosome complet (eIF 5) à la FIN (et pas pendant) de l’initiation se qui entraine la libération de eIF 2 et Eif 3.
• L’anticodon de la boucle de l’ARNt initiateur s’hybride avec le premier codon de l’ARNm.
• L’encombrement stérique est tel que le codon suivant de l’ARNm se positionne sur le site A.
• eIF5 va également permettre de dissocier 40 S et 60 S.

• Le site P ou peptidique qui porte le peptide en cours de synthèse.
• Le site A ou AA qi fixe l’ARNt du nouvel AA en cours d’incorporation dans le peptide.

2. Elongation de la traduction

• Elle commence avec la fixation, sur le site A, d’un AA-ARNt dont l’anticodon est complémentaire du 2ème codon de l’ARNm.
• Elle met en jeu des protéines « facteurs d’élongation »: eEF (eukaryotic Elongation Factor).
• La lecture de l’ARNm se fait depuis l’extrémité 5’ vers l’extrémité 3’. En effet 1 seul brin donc pas de brin antiparallèle
• Synthèse des protéines: depuis l’extrémité –NH2 vers l’extrémité –COOH.

1) Recrutement de l’ARNt

• eEF-1-GTP.
• sur le site A du ribosome 40s.
• hybridation codon-anticodon basée sur la complémentarité des bases.

2) Liaison peptidique

60 S = ribozyme catalyse la liaison: catalyse l’activité enzymatique peptidyl transferase.

De la Méthionine initiale ou du dernier acide aminé fixé sur le peptide en cours de synthèse sur le site P.

• AA1: site P (NH2 (début) ---- COOH (fin)): (NH2 --- COOH)= AA2: site A.
• Cette liaison peptidique formée va permettre le phénomène de translocation: transfert du peptide allongé du site P vers le site A.

La sous-unité 60 S est un ribozyme: c’est le seul exemple d’une activité catalytique de l’activité peptidyl-transférase.

3) Translocation

• L’ARNt de l’AA n°1 est libéré sur le site P quitte le ribosome.
• Le ribosome se décale d’un codon sur l’ARNm: translocation.
• L’hybride ARNm – ARNt (AA n°2) est déplacé du site A vers le site P.
• Le site A est de nouveau libre pour recouvrir un AA-ARNt.

3. Fin de la traduction

Le site A se positionne sur le codon stop non traduit de l’ARNm qui est reconnu par eRF (eukaryotic Release Factor). clivage de la liaison entre le peptide et l’ARNt du site P.
Aissociation des sous-unités du ribosome par EiF5 le peptide est libéré.

4. Polyribosomes ou « polysomes » = succession de ribosomes sur 1 ARNm

Dans la cellule, l’ARNm qui vient d’être libéré est aussitôt après utilisé pour à nouveau être traduit.
Un même ARNm sert à la synthèse de très nombreux exemplaires d'une même protéine avant d'être dégradé: amplification à la traduction.
Synthèse de chacune des protéines: ≈ 20 secondes à quelques minutes.

V. Régulation de la traduction

C’est surtout la transcription qui va tout réguler et qui sera le plus régulée.

VI. Synthèse protéique: bilan énergétique

1. Transcription

Allongement d’un nucléotide sur le transcrit primaire = 1 nucléoside triphosphate

• 2 liaisons riches en énergie.
• La longueur moyenne d’un gène = 30 000 Pb (23 000 gènes long de 30 000 Pb)

2. Traduction

Initiation

• 1 GTP pour EIF2: ARNt (une seule fois au cours de la synthèse d’une protéine).
• 1 ATP pour ARNm sur 40 s (1 seule fois). Elongation: EeF = 1GTP.

Fin de la traduction

• 1 GTP pour eRF (une seule fois au cours de la synthèse d’une protéine).
• Allongement d’un acide aminé sur la chaîne peptidique = 4 liaisons riches en énergie / AA.
• Contenu d’une protéine moyenne: 100 – 1000 AA.

La traduction consomme en réalité beaucoup plus d’énergie que la transcription: chaque ARNm transcrit est traduit en des centaines, voire des milliers de protéines.
La synthèse protéique consomme beaucoup plus d’énergie que n’importe quelle autre voie métabolique.

• Isoélectronique = même configuration électronique donc autant d’électrons.
• Electrodonneur: + M (effet mésomère) et +I (effet inductif).
• Aliphatique = linéaire.
• Compensation génique: autant de protéines pour XX que pour XY.
• Chez une femme dès qu’un chromosome X est inactivé toutes les cellules filles auront le même X inactivé.
• Spleiceosome = pas de rôle délétère dans noyau mais repliement transcrit 1Aire.
• VDH = régions génétiques.
• Attention: plasmides d’origine BACTERIENNE et pas viral (RT transcriptase virales).
• 2 allèles qui s’expriment pour un hétérozygote sont dit CO dominants.
• Mendel = loi FORMELLES et UNIVERSELLES de la génétique.

Enseignement transcription et Traduction pour la faculté de médecine