La transcription Procayotes 2025_e631ff6020b9fa3b0df5eebe8d9614ca.pdf

# Les mécanismes de la transcription La transcription est le processus de synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'une matrice d'ADN, partageant des similitudes fondamentales avec la réplication de l'ADN mais présentant des différences clés quant à la catalyse, la fidélité et la portée [4](#page=4). ### 1.1 Description générale et comparaison avec la réplication La transcription est un processus essentiel au cours duquel le matériel génétique contenu dans l'ADN est copié sous forme d'ARN. Ce mécanisme est intrinsèquement similaire à la réplication de l'ADN en ce sens que les deux processus impliquent des enzymes qui synthétisent un nouveau brin d'acide nucléique en utilisant un brin d'ADN comme matrice. Cependant, des distinctions importantes existent. Contrairement à la réplication, l'ARN polymérase, l'enzyme responsable de la transcription, ne nécessite pas d'amorce pour initier la synthèse. De plus, l'ARN nouvellement synthétisé ne reste pas apparié à son brin matrice d'ADN [4](#page=4). Une autre différence notable réside dans la fidélité du processus. La transcription est généralement moins fidèle que la réplication, car elle manque d'une fonction élevée de correction. Parallèlement, la transcription copie sélectivement des parties spécifiques du génome, produisant plusieurs centaines de copies d'un gène, tandis que la réplication doit copier l'intégralité du génome en une seule fois. Il est important de noter que plusieurs ARN polymérases peuvent transcrire le même gène simultanément, permettant ainsi la production d'un grand nombre de transcrits à partir d'un seul gène. Immédiatement après la transcription, les deux brins d'ADN se réassocient [4](#page=4). > **Tip:** La capacité de produire plusieurs copies d'un ARN à partir d'un seul gène est cruciale pour répondre aux besoins protéiques cellulaires fluctuants. ### 1.2 Les étapes de la transcription La transcription se déroule en une série d'étapes. Chez les bactéries, ce cycle comprend typiquement l'initiation, l'élongation et la terminaison [14](#page=14). #### 1.2.1 L'initiation L'initiation est la phase au cours de laquelle l'ARN polymérase se lie au promoteur d'un gène et commence la synthèse d'ARN. La transition vers le complexe ouvert implique des modifications structurales de l'ARN polymérase et du promoteur. L'ARN polymérase possède plusieurs canaux: un canal pour l'arrivée des nucléotides triphosphates (NTPs), un canal de sortie pour l'ARN en croissance, et trois canaux permettant l'entrée et la sortie de l'ADN [21](#page=21). Au cours de l'initiation chez les bactéries, l'ADN entre dans l'enzyme sous forme double brin dans le centre catalytique. Dans le centre catalytique, les deux brins d'ADN se dissocient entre les positions -10 et +3, une transition facilitée par la présence de nombreux sites riches en paires AT. Le brin codant (sens) quitte le centre réactif par le canal NTP et se déplace à la surface de l'enzyme. Le brin matrice, quant à lui, passe par le centre catalytique puis le canal matrice T. La double hélice d'ADN se reforme en amont de l'enzyme, au niveau de -11 [23](#page=23). L'holoenzyme démarre la transcription des 9 premiers nucléotides sans déplacement notable. Le premier nucléotide de la chaîne d'ARN est généralement une base purique (adénine ou guanine) . Pour que l'ARN polymérase avance, le facteur sigma est relâché et remplacé par la protéine NusA [24](#page=24). #### 1.2.2 L'élongation L'élongation est la phase où la chaîne d'ARN est synthétisée de manière continue. L'ARN polymérase se déplace le long du brin matrice d'ADN, déroulant l'hélice devant elle et la refermant derrière elle. Les nucléotides sont ajoutés un par un au brin d'ARN en croissance en utilisant l'appariement des bases complémentaires avec le brin matrice d'ADN [23](#page=23) [24](#page=24) [26](#page=26). #### 1.2.3 La terminaison La terminaison marque la fin de la synthèse d'ARN. Ce processus peut être déclenché par des séquences spécifiques dans l'ADN qui signalent à l'ARN polymérase de s'arrêter [26](#page=26). > **Example:** La visualisation expérimentale de la transcription a été réalisée en cultivant des cellules en présence de 3H-thymidine (pour marquer l'ADN) et de 32P-uridine (pour marquer l'ARN), puis en extrayant et visualisant l'ADN et l'ARN par centrifugation sur gradient de densité. La radioactivité de l'ARN et de l'ADN a ensuite été analysée pour comprendre l'association ADN/ARN [7](#page=7). --- # Les ARN polymérases Cette section détaille les ARN polymérases, en distinguant celles présentes chez les bactéries (une seule) et chez les eucaryotes (trois types distincts), ainsi que leurs fonctions spécifiques dans la transcription des différents types d'ARN [9](#page=9). ### 2.1 Les ARN polymérases chez les bactéries Chez les bactéries, il n'existe qu'une seule ARN polymérase. Cette enzyme unique est responsable de la transcription de tous les types d'ARN, y compris les ARN messagers (ARNm), les ARN de transfert (ARNt) et les ARN ribosomiques (ARNr) [9](#page=9). ### 2.2 Les ARN polymérases chez les eucaryotes Les eucaryotes possèdent trois ARN polymérases distinctes, chacune spécialisée dans la transcription de catégories spécifiques de gènes [9](#page=9). #### 2.2.1 ARN polymérase I (Pol I) L'ARN polymérase I est principalement responsable de la transcription des gènes codant pour le grand précurseur des ARN ribosomiques (ARNr) dans le nucléole. Ce précurseur est ensuite clivé pour former les ARNr matures [9](#page=9). #### 2.2.2 ARN polymérase II (Pol II) L'ARN polymérase II est la polymérase clé pour la transcription des ARNm dans le noyau. Elle transcrit également la majorité des petits ARN nucléaires (snARN) et certains microARN (miARN) [9](#page=9). #### 2.2.3 ARN polymérase III (Pol III) L'ARN polymérase III est responsable de la transcription des ARNt, de certains petits ARN nucléaires (snARN) et de l'ARNr de petite taille, l'ARNr 5S, le tout dans le noyau [9](#page=9). > **Tip:** La spécialisation des ARN polymérases chez les eucaryotes permet une régulation plus fine et complexe de l'expression génique, adaptée aux besoins spécifiques de chaque type d'ARN et à la complexité des cellules eucaryotes [9](#page=9). --- # La transcription chez les procaryotes : promoteurs, initiation, élongation et terminaison La transcription chez les procaryotes est un processus essentiel qui permet la synthèse d'ARN à partir d'un modèle d'ADN, impliquant des étapes distinctes de reconnaissance du promoteur, d'initiation, d'élongation et de terminaison [17](#page=17). ### 3.1 Les promoteurs bactériens Les promoteurs sont des séquences d'ADN situées en amont du site de transcription qui dirigent l'ARN polymérase vers le début du gène. Chez *E. coli*, le facteur sigma ($\sigma$) est crucial pour la reconnaissance des promoteurs par l'ARN polymérase. L'ARN polymérase minimale a une affinité pour l'ADN, mais le facteur $\sigma$ seul n'en a pas. L'association de l'ARN polymérase minimale avec le facteur $\sigma$ forme l'holoenzyme, qui présente une forte affinité pour les séquences promotrices. Les promoteurs reconnus par le facteur $\sigma$ prédominant, $\sigma^{70}$, possèdent deux régions conservées de six nucléotides chacune: la boîte -35 et la boîte -10, situées en amont du site de démarrage de la transcription [17](#page=17). > **Tip:** Comprendre la structure et la fonction des promoteurs est fondamental pour saisir comment la transcription est spécifiquement initiée au bon endroit sur le génome bactérien. ### 3.2 L'initiation de la transcription L'initiation est la phase où l'ARN polymérase se lie au promoteur et commence la synthèse d'ARN [21](#page=21). #### 3.2.1 La formation du complexe ouvert La transition vers le complexe ouvert implique des modifications structurales de l'ARN polymérase et du promoteur. L'ARN polymérase possède plusieurs canaux: un pour l'arrivée des nucléotides triphosphates (NTP), un pour la sortie de l'ARN en croissance, et trois pour l'entrée et la sortie de l'ADN. L'ADN double brin entre dans le centre catalytique de l'enzyme. Dans ce centre, les deux brins d'ADN se dissocient entre les positions -10 et +3, une transition facilitée par la présence de nombreux sites riches en AT. Le brin codant (sens) quitte le site réactif par un canal spécifique et se déplace sur la surface de l'enzyme, tandis que le brin matrice passe par le centre catalytique puis par un canal matrice. La double hélice se reforme en amont de l'enzyme [21](#page=21) [23](#page=23). #### 3.2.2 Le démarrage de la transcription L'holoenzyme démarre la transcription, synthétisant généralement les 9 premiers nucléotides sans déplacement significatif de l'enzyme. Le premier nucléotide de la chaîne d'ARN est généralement une base purique (adénine ou guanine). Après la synthèse de ce court oligonucléotide, l'ARN polymérase doit avancer. Pour ce faire, elle relâche le facteur $\sigma$, qui est alors remplacé par la protéine NusA. Le remplacement du facteur $\sigma$ par NusA marque la transition de l'initiation à l'élongation [24](#page=24). > **Example:** Chez *E. coli*, la boîte -10 (consensus séquence TATAAT) et la boîte -35 (consensus séquence TTGACA) sont des régions clés reconnues par le facteur $\sigma^{70}$ [17](#page=17). ### 3.3 L'élongation de la transcription L'élongation est la phase de synthèse de la chaîne d'ARN pendant laquelle l'ARN polymérase se déplace le long du brin matrice d'ADN. Une fois le complexe d'initiation formé et le facteur $\sigma$ libéré, l'ARN polymérase procède à l'élongation de l'ARN de manière continue. L'enzyme utilise les nucléotides triphosphates disponibles dans le milieu pour allonger la chaîne d'ARN, en suivant les règles d'appariement des bases complémentaires avec le brin matrice d'ADN [24](#page=24) [26](#page=26). ### 3.4 La terminaison de la transcription La terminaison met fin à la synthèse de l'ARN et libère l'ARN polymérase de l'ADN matrice. Chez les procaryotes, il existe deux mécanismes principaux de terminaison [28](#page=28): #### 3.4.1 La terminaison Rho-indépendante Ce type de terminaison ne nécessite pas de protéines auxiliaires. Il est caractérisé par la présence d'une séquence d'ARN formant une structure secondaire en épingle à cheveux, suivie d'une séquence riche en uraciles (U) sur le brin d'ARN nouvellement synthétisé. La formation de l'épingle à cheveux crée une instabilité dans le complexe de transcription, et les liaisons faibles entre les résidus A de l'ADN matrice et les résidus U de l'ARN permettent la dissociation de l'ARN polymérase et de l'ARN transcrit de l'ADN [29](#page=29). #### 3.4.2 La terminaison Rho-dépendante Ce mécanisme fait intervenir une protéine appelée facteur Rho. Le facteur Rho est une hélicase qui se lie à des séquences spécifiques sur l'ARN nouvellement synthétisé, appelées sites *rut* (Rho utilisation site). Le facteur Rho utilise l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour se déplacer le long de l'ARN en direction de l'ARN polymérase. Lorsqu'il rencontre le complexe de transcription, le facteur Rho peut provoquer la dissociation de l'ARN polymérase, de l'ARN et de l'ADN matrice. Dans certains cas, le site de terminaison ne possède pas une structure capable de former une épingle à cheveux, rendant le facteur Rho essentiel pour augmenter l'efficacité du site de terminaison [30](#page=30). > **Tip:** Les deux mécanismes de terminaison assurant la libération correcte de l'ARN polymérase sont cruciaux pour la régulation de l'expression génique chez les procaryotes. --- # Régulation de la transcription chez les procaryotes : l'opéron lactose Ce sujet examine comment la transcription est régulée chez les procaryotes, en utilisant l'opéron lactose comme modèle pour illustrer la réponse aux changements environnementaux. ### 4.1 Le concept d'opéron chez les procaryotes L'opéron est une unité fonctionnelle de l'ADN chez les procaryotes qui comprend un ensemble de gènes structurels codant pour des protéines liées à une même voie métabolique, ainsi que des séquences régulatrices adjacentes (promoteur, opérateur) qui contrôlent leur expression [36](#page=36). #### 4.1.1 Gènes structurels et ARN polycistronique Les gènes structurels d'un opéron sont transcrits en un seul ARN messager (ARNm) polycistronique, qui contient les informations pour plusieurs protéines consécutives. Ceci est une caractéristique propre aux cellules procaryotes, contrairement aux ARN monocistroniques trouvés chez les eucaryotes [36](#page=36). ### 4.2 L'opéron lactose : un exemple de régulation inductible L'opéron lactose est un système bactérien qui permet la dégradation du lactose en glucose et galactose. Il code pour trois protéines principales: la $\beta$-galactosidase, la perméase du lactose et la transacétylase du lactose [35](#page=35). #### 4.2.1 La nécessité des enzymes liées au lactose Lorsque le lactose est absent, la bactérie n'a pas besoin de métaboliser ce sucre, et les enzymes associées ne sont donc pas synthétisées. En présence de lactose, ces enzymes deviennent nécessaires, ce qui déclenche leur synthèse [35](#page=35). #### 4.2.2 Le lactose comme inducteur Le lactose agit comme un inducteur de la transcription des gènes de l'opéron lactose. L'inducteur (dans ce cas, l'allolactose, un dérivé du lactose) se lie à un répresseur, modifiant sa conformation et l'empêchant de se lier à l'opérateur. Cela permet à l'ARN polymérase de transcrire les gènes structurels [35](#page=35) [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39). ### 4.3 Les éléments régulateurs de l'opéron lactose L'opéron lactose est composé de plusieurs éléments clés qui contrôlent son expression : * **Promoteur (P):** Site de liaison de l'ARN polymérase, initiant la transcription [36](#page=36). * **Opérateur (O):** Séquence d'ADN à laquelle se lie la protéine répresseur [36](#page=36). * **Gènes structurels :** * $lacZ$: Code pour la $\beta$-galactosidase, une enzyme qui hydrolyse le lactose en glucose et galactose [36](#page=36). * $lacY$: Code pour la perméase du lactose, une protéine membranaire qui transporte le lactose dans la cellule [36](#page=36). * $lacA$: Code pour la transacétylase du lactose, dont la fonction exacte est moins critique pour la compréhension de base [36](#page=36). * **Gène régulateur (i):** Situé en amont de l'opéron, il code pour la protéine répresseur LacI [36](#page=36). ### 4.4 Régulation de l'opéron lactose La régulation de l'opéron lactose se fait principalement de deux manières : #### 4.4.1 Régulation négative : rôle du répresseur En l'absence de lactose, la protéine répresseur LacI se lie à la séquence de l'opérateur (O), bloquant physiquement la progression de l'ARN polymérase le long de l'ADN. Par conséquent, aucun ARNm n'est produit et aucune protéine n'est synthétisée. [37](#page=37). Lorsque le lactose est présent, il est converti en allolactose, qui agit comme un inducteur. L'allolactose se lie au répresseur LacI, induisant un changement de conformation qui le rend incapable de se lier à l'opérateur. Le répresseur se détache alors de l'opérateur, permettant à l'ARN polymérase de se lier au promoteur et de transcrire les gènes structurels de l'opéron [38](#page=38) [39](#page=39). > **Tip:** La régulation négative par un répresseur est un mécanisme courant chez les procaryotes, permettant d'éteindre l'expression génique en l'absence d'un signal ou d'un substrat nécessaire. #### 4.4.2 Régulation positive : le rôle de la CAP et de l'AMPc La régulation positive intervient pour optimiser l'utilisation du lactose lorsque le glucose est en faible concentration. * **Niveau de glucose bas :** Lorsque le glucose est abondant, il inhibe la production d'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) par la bactérie. L'AMPc est nécessaire pour activer la protéine CAP (protéine activatrice par le catabolite). * **Niveau de glucose élevé:** Lorsque le glucose est abondant, l'AMPc est à faible concentration. L'AMPc ne peut donc pas se lier à la protéine CAP. La protéine CAP, non liée à l'AMPc, ne peut pas se lier efficacement au promoteur de l'opéron lactose, ce qui entraîne une transcription faible, même si le lactose est présent [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42). * **Niveau de glucose bas:** Lorsque le glucose est rare, la concentration d'AMPc augmente. L'AMPc se lie à la protéine CAP, formant un complexe CAP-AMPc. Ce complexe se lie à un site spécifique en amont du promoteur, facilitant la liaison de l'ARN polymérase et augmentant considérablement le taux de transcription de l'opéron lactose, tant que le lactose est présent [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42). > **Example:** Si une bactérie a accès au glucose et au lactose, elle préférera utiliser le glucose car son métabolisme est plus efficace. La régulation positive garantit que l'opéron lactose n'est activé qu'en l'absence de glucose, optimisant ainsi l'utilisation des ressources énergétiques. ### 4.5 Synthèse des conditions d'expression de l'opéron lactose L'expression de l'opéron lactose est régulée par une combinaison de ces mécanismes : 1. **Absence de lactose et absence de glucose:** L'opéron est fortement exprimé. Le répresseur est inactif (car le lactose est présent) et le complexe CAP-AMPc est actif (car le glucose est absent), stimulant fortement la transcription [41](#page=41). 2. **Présence de lactose et absence de glucose:** L'opéron est fortement exprimé. Le répresseur est inactif (car le lactose est présent) et le complexe CAP-AMPc est actif (car le glucose est absent) [41](#page=41). 3. **Absence de lactose et présence de glucose:** L'opéron est très faiblement exprimé. Le répresseur est actif (car le lactose est absent) et le complexe CAP-AMPc est inactif (car le glucose est présent) [41](#page=41). 4. **Présence de lactose et présence de glucose:** L'opéron est faiblement exprimé. Le répresseur est inactif (car le lactose est présent), mais le complexe CAP-AMPc est inactif (car le glucose est présent), ce qui limite la transcription [41](#page=41). L'opéron lactose illustre parfaitement la capacité des procaryotes à adapter leur machinerie métabolique en réponse aux conditions nutritionnelles de leur environnement grâce à des systèmes de régulation transcriptionnelle précis. [35](#page=35) [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43). --- # ARNt et ARNr des procaryotes La synthèse des ARN de transfert (ARNt) et des ARN ribosomiques (ARNr) chez les procaryotes implique des processus post-transcriptionnels essentiels tels que le clivage, les modifications chimiques et l'addition de nucléotides aux ARN naissants [45](#page=45). ### 5.1 Formation des ARNt et ARNr Les ARNt et ARNr sont formés soit par clivage de précurseurs plus longs, soit par des modifications chimiques des ARN naissants. Chez *E. coli*, un seul transcrit peut donner naissance à trois ARNr distincts et à un ARNt [45](#page=45). #### 5.1.1 Addition de nucléotides aux ARNt Une caractéristique spécifique de la maturation des ARNt est l'addition de nucléotides aux extrémités de certaines chaînes d'ARN. Pour tous les ARNt, une séquence CCA est ajoutée à l'extrémité 3'. Il est important de noter que cette séquence CCA n'est pas codée par l'ADN [45](#page=45). > **Tip:** L'addition de la séquence CCA à l'extrémité 3' des ARNt est un processus crucial qui assure la fonctionnalité de l'ARNt, notamment son chargement avec un acide aminé par l'aminoacyl-ARNt synthétase [45](#page=45). #### 5.1.2 Modifications chimiques des ARNr et ARNt Des modifications enzymatiques sont également apportées aux ribonucléotides des ARNr. Ces modifications peuvent inclure la méthylation ou la pseudouridylation, qui sont importantes pour la structure et la fonction des ARNr au sein des ribosomes [45](#page=45). Dans les précurseurs des ARNt, on rencontre des bases inhabituelles. Ces bases modifiées, telles que la dihydro-uridine (D) ou la pseudouridine ($\Psi$), sont formées par des modifications enzymatiques après la transcription initiale. Elles jouent un rôle dans la stabilité de la structure secondaire et tertiaire de l'ARNt et dans la reconnaissance des codons lors de la traduction [45](#page=45). > **Example:** Les modifications de bases dans les ARNt, comme la conversion d'un uracile en pseudouracile, peuvent altérer la capacité de l'ARNt à s'apparier avec l'ARNm, influençant ainsi la précision de la traduction [45](#page=45). Les trois principaux types d'ARN ribosomiques chez les procaryotes, en particulier chez *E. coli*, sont les ARNr 23S, 16S et 5S. Ces ARNr sont des composants majeurs des ribosomes bactériens et sont essentiels à la synthèse des protéines [45](#page=45). Les étapes de formation de ces ARNt et ARNr, bien que synthétisés par l'ARN polymérase, nécessitent une série de traitements post-transcriptionnels pour devenir fonctionnels [45](#page=45). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Transcription | Processus biologique par lequel l'information génétique contenue dans l'ADN est copiée sous forme d'une molécule d'ARN. Cet ARN peut ensuite être utilisé pour synthétiser des protéines ou avoir une fonction propre. | | ARN polymérase | Enzyme responsable de la synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'un brin d'ADN comme modèle. Elle catalyse la formation des liaisons phosphodiester entre les nucléotides de l'ARN. | | Promoteur | Séquence spécifique d'ADN située en amont d'un gène, qui sert de site de liaison pour l'ARN polymérase et initie la transcription. | | Facteur sigma | Sous-unité de l'ARN polymérase chez les bactéries qui reconnaît les séquences promotrices et aide l'enzyme à se lier spécifiquement au début d'un gène. | | Holoenzyme | Complexe enzymatique formé de l'ARN polymérase et d'un facteur sigma, qui est l'espèce active capable d'initier la transcription. | | Initiation de la transcription | Première étape de la transcription, durant laquelle l'ARN polymérase se lie au promoteur et déroule l'ADN pour former une bulle de transcription. | | Élongation de la transcription | Phase de la transcription où l'ARN polymérase se déplace le long du brin d'ADN matrice, synthétisant l'ARN en ajoutant des nucléotides complémentaires. | | Terminaison de la transcription | Dernière étape de la transcription, marquant la fin de la synthèse de l'ARN et la dissociation de l'ARN polymérase de l'ADN. | | Opéron | Ensemble de gènes chez les procaryotes qui sont transcrits ensemble à partir d'un seul promoteur, et qui sont souvent régulés de manière coordonnée. | | Lactose | Disaccharide composé de glucose et de galactose, qui sert de substrat énergétique pour certaines bactéries et de molécule inductrice pour l'expression de gènes spécifiques. | | Inducteur | Molécule qui déclenche l'expression d'un gène ou d'un opéron en se liant à un répresseur ou à un autre facteur régulateur, modifiant ainsi son activité. | | ARN monocistronique | Molécule d'ARN messager (ARNm) qui contient les informations génétiques pour la synthèse d'une seule protéine. | | ARN polycistronique | Molécule d'ARN messager (ARNm) qui contient les informations génétiques pour la synthèse de plusieurs protéines différentes, typique des procaryotes. | | ARNt (ARN de transfert) | Molécule d'ARN qui transporte des acides aminés spécifiques vers le ribosome pour leur incorporation dans une chaîne polypeptidique en cours de synthèse. | | ARNr (ARN ribosomique) | Composant majeur des ribosomes, l'ARN ribosomique est impliqué dans la catalyse de la liaison peptidique lors de la synthèse des protéines. | | Nucléotide | Unité monomère des acides nucléiques (ADN et ARN), composée d'un groupement phosphate, d'un sucre (désoxyribose dans l'ADN, ribose dans l'ARN) et d'une base azotée. |