XLG3B010_CM_KONCZAK_CLASSE II (3).pdf

# Structure et expression des gènes eucaryotes Ce sujet explore la transcription des gènes eucaryotes en ARN, le rôle des ARN polymérases, et les distinctions par rapport aux gènes procaryotes [15](#page=15) [3](#page=3). ### 1.1 Les gènes sont transcrits en ARN Les gènes, définis comme des unités de transcription, sont transcrits en molécules d'ARN. Le processus de transcription implique une ARN polymérase qui synthétise une chaîne d'ARN à partir d'un brin matrice d'ADN, dans le sens 5' vers 3'. La transcription commence à un site d'initiation (+1) et se termine à un site d'arrêt. L'ARN produit peut être un ARN codant pour des protéines (ARNm) ou un ARN non codant (ncRNA) [11](#page=11) [12](#page=12) [6](#page=6). Le contenu en ARN d'une cellule eucaryote est majoritairement constitué de ncRNA (96%), tandis que les ARN codants pour les protéines ne représentent qu'une petite fraction (4%). Parmi les ncRNA, on trouve les ARN ribosomiques (ARNr), les ARN de transfert (ARNt), les petits ARN nucléaires (ARNsn), les petits ARN nucléolaires (snoRNA), les microARN (miRNA) et les longs ARN non codants (lncRNA). Les ARN codants sont les ARN messagers (ARNm) [7](#page=7) [9](#page=9). Les principaux types d'ARN sont : * **ARNm (messenger RNA)**: ARN codant pour les protéines, représentant environ 4% des ARN totaux [8](#page=8). * **ARNr (ribosomal RNA)**: Composant des ribosomes [8](#page=8). * **ARNt (transfer RNA)**: Apporte les acides aminés aux ribosomes [8](#page=8). * **Pré-ARN (Pre-mRNA, Pre-rRNA, Pre-tRNA)**: Précurseurs des ARN matures [8](#page=8). * **ARNsn (small nuclear RNA)**: Impliqués dans la maturation des ARNm (épissage) [9](#page=9). * **snoRNA (small nucleolar RNA)**: Impliqués dans la maturation des pré-ARNr (modifications chimiques) [9](#page=9). * **miRNA (micro ARN)**: Petits ARN (21-24 nt) régulant la dégradation ou la répression de la traduction d'ARNm spécifiques [9](#page=9). * **lncRNA (long non-coding RNA)**: ARN de plus de 200 nt, jouant un rôle dans la régulation de l'expression génique [9](#page=9). Le transcriptome désigne l'ensemble des ARNm exprimés par une cellule [7](#page=7). ### 1.2 Les gènes sont transcrits par une ARN Polymérase La transcription est catalysée par une enzyme appelée ARN polymérase. Cette enzyme se déplace le long de l'ADN et synthétise une chaîne d'ARN en utilisant les ribonucleotide-triphosphates (rNTP). La synthèse de l'ARN se fait toujours dans le sens 5' vers 3', en utilisant le brin d'ADN 3'-5' comme brin matrice. La polymérase ajoute de nouveaux nucléotides à l'extrémité 3' de la chaîne d'ARN en cours de croissance, libérant un pyrophosphate [11](#page=11) [12](#page=12) [13](#page=13) [6](#page=6). Il est important de noter que l'ARN polymérase peut lire l'ADN dans différentes directions, mais la synthèse de l'ARN reste toujours de 5' vers 3' [13](#page=13). > **Tip:** La compréhension de la polarité 5'-3' de la synthèse de l'ARN et de l'utilisation du brin matrice 3'-5' est fondamentale pour visualiser le processus de transcription. ### 1.3 Il existe trois ARN Polymérases eucaryotes Contrairement aux procaryotes qui possèdent une seule ARN polymérase pour transcrire tous leurs gènes les cellules eucaryotes en possèdent trois distinctes. Ces ARN polymérases eucaryotes sont généralement plus grandes et possèdent plus de sous-unités que leur homologue bactérienne [15](#page=15) [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20). Les trois ARN polymérases eucaryotes sont les suivantes : * **ARN Polymérase I (Pol I)**: Transcrit les gènes de classe I, qui codent pour les ARNr (28S, 18S, et 5,8S) [15](#page=15) [18](#page=18) [21](#page=21). * **ARN Polymérase II (Pol II)**: Transcrit les gènes de classe II, qui codent pour les ARNm, la plupart des ARNsn, les snoRNA, les miRNA et les lncRNA [15](#page=15) [18](#page=18) [21](#page=21). * **ARN Polymérase III (Pol III)**: Transcrit les gènes de classe III, qui codent pour les ARNt, l'ARNr 5S, l'ARNsn U6 et d'autres petits ARN (tels que les 7SL RNA, 7SK RNA et certains miRNA) [15](#page=15) [18](#page=18) [21](#page=21). > **Tip:** Il est essentiel de mémoriser quelle ARN polymérase est responsable de la transcription de quels types de gènes (classes I, II, III) pour comprendre les mécanismes de régulation spécifiques à chaque classe. Les ARN produits par ces polymérases sont initialement des pré-ARN qui subissent des modifications pour devenir des ARN matures. Ces modifications varient selon la classe du gène [21](#page=21): * **Gènes de classe I**: Maturation par modifications chimiques et clivage des pré-ARNr [21](#page=21). * **Gènes de classe II**: Maturation incluant l'ajout d'une coiffe en 5', la polyadénylation en 3', l'épissage des pré-ARNm [21](#page=21). * **Gènes de classe III**: Maturation par modifications chimiques, retrait/ajout de nucléotides, et épissage des pré-ARNt [21](#page=21). Ce cours se concentre sur l'expression des gènes portés par le génome nucléaire (classes I, II, III) [15](#page=15). ### 1.4 Expression des gènes codant les protéines : comparaison des gènes procaryotes et eucaryotes L'expression des gènes eucaryotes partage des principes fondamentaux avec celle des procaryotes, notamment la réplication de l'ADN, la transcription en ARN et la traduction des ARNm en protéines. L'information génétique est toujours portée par de l'ADN double brin. L'ADN dirige sa propre réplication par un mécanisme semi-conservatif [23](#page=23). Cependant, des différences significatives existent, ayant des conséquences fonctionnelles majeures [24](#page=24). **Points communs :** * Réplication de l'ADN [23](#page=23). * Transcription de l'ADN en ARN [23](#page=23). * Traduction de l'ARN messager en protéine [23](#page=23). **Différences clés :** * **Compartimentation**: Les cellules procaryotes n'ont qu'un seul compartiment (cytosol) où transcription et traduction ont lieu simultanément. Les cellules eucaryotes possèdent un noyau et un cytoplasme distincts. La transcription et la maturation des ARN se déroulent dans le noyau, tandis que la traduction a lieu dans le cytoplasme. Le transport des ARNm matures du noyau vers le cytoplasme est sélectif et contrôlé par les pores nucléaires [24](#page=24). * **Organisation des gènes**: Les gènes eucaryotes sont souvent "morcelés" avec une organisation en exons et introns, contrairement aux gènes procaryotes qui sont généralement continus [24](#page=24). * **Maturation de l'ARN messager**: Les ARNm eucaryotes subissent des modifications importantes (maturation: coiffage, polyadénylation, épissage) avant de quitter le noyau, ce qui n'est pas le cas pour les ARNm procaryotes [24](#page=24). * **Cistronicité**: Les ARNm eucaryotes sont généralement monocistroniques (codant pour une seule protéine), tandis que les ARNm procaryotes sont typiquement polycistroniques (codant pour plusieurs protéines) [24](#page=24). * **Signaux de transcription et traduction**: Les séquences des promoteurs et des signaux de fin de transcription sont différents entre procaryotes et eucaryotes. L'ARN polymérase II eucaryote ne reconnaît pas les promoteurs procaryotes et vice versa. L'initiation de la traduction est également différente: les eucaryotes utilisent une coiffe en 5' pour l'initiation, tandis que les procaryotes utilisent une séquence Shine-Dalgarno (SD/RBS) [24](#page=24). > **Example:** La présence d'introns dans les gènes eucaryotes signifie que l'ARN pré-messager doit être épissé pour retirer ces séquences non codantes avant que l'ARNm ne soit traduit en protéine. Ce processus n'existe pas chez les procaryotes. --- # Transcription des gènes de classe II par l'ARN polymérase II L'initiation de la transcription des gènes de classe II par l'ARN polymérase II est un processus complexe impliquant le promoteur, l'ARN polymérase II elle-même, les facteurs de transcription généraux (GTF) et le complexe médiateur [29](#page=29) [30](#page=30) [34](#page=34) [36](#page=36) [49](#page=49) [54](#page=54) [73](#page=73). ### 2.1 La transcription basale La transcription basale fait référence à l'ensemble des composants et des étapes minimales nécessaires à l'initiation de la transcription par l'ARN polymérase II. Elle implique le promoteur cœur, l'ARN polymérase II, les facteurs de transcription généraux (GTF) et le complexe médiateur [32](#page=32) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [72](#page=72) [77](#page=77). #### 2.1.1 Le promoteur cœur Le promoteur cœur est la région de l'ADN située autour du site d'initiation de la transcription (+1), généralement comprise entre -50 et +50 paires de bases (pb). Il contient des séquences régulatrices appelées "modules de base" qui sont essentielles à la fixation des facteurs de transcription et de l'ARN polymérase II [31](#page=31) [32](#page=32) [33](#page=33) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [72](#page=72) [77](#page=77). La structure d'un promoteur de gène de classe II est modulaire, signifiant qu'il n'existe pas un promoteur unique, mais une combinaison de différentes séquences (modules) qui peuvent varier d'un gène à l'autre. Le site d'initiation de la transcription est désigné par "+1" et est également appelé "Transcriptional Start Site" (TSS) [31](#page=31) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47) [78](#page=78). Les promoteurs peuvent être classifiés en deux types : * **Promoteurs focalisés:** Ils présentent un site d'initiation de la transcription unique et sont généralement caractérisés par la présence d'éléments comme la TATA box ou l'INR [46](#page=46) [47](#page=47). * **Promoteurs dispersés:** Ils possèdent plusieurs sites d'initiation de la transcription groupés ou dispersés sur 50 à 100 nucléotides. Ces promoteurs sont souvent dépourvus de TATA box mais contiennent de multiples GC box. Ils sont fréquents chez les vertébrés et sont souvent associés aux gènes de ménage (housekeeping genes) [46](#page=46) [47](#page=47). **Modules clés du promoteur cœur :** * **TATA box (ou boite TATA, élément Hogness):** Séquence consensus: TATAA/TAA/T. Elle est reconnue par la protéine TBP (TATA Binding Protein), une sous-unité du facteur TFIID [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **INR (Initiator motif):** Motif initiateur. Séquence consensus: C/TC /T N T/AC/TC /T [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **DPE (Downstream Promoter Element):** Élément en aval du promoteur. Séquence consensus: A/GG A/TCGTG [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **GC box:** Séquence consensus: GGGCGG [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **CpG Island:** Ilots CpG, zones riches en dinucléotides 5’-CG-3’, s'étendant sur 500 à 2000 pb [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47). * **BRE (TFIIB Recognition Element):** Element de reconnaissance de TFIIB, existant en versions "upstream" (BREU) et "downstream" (BRED) [45](#page=45). * **MTE (Motif Ten Element):** [45](#page=45). * **DCE (Downstream Core Element):** Composé de trois sous-éléments (SI, SII, SIII) [45](#page=45). * **XCEP (X core promoter element):** [45](#page=45). La zone proximale du promoteur, située en amont du promoteur cœur (environ -50 à -250 pb), contient des sites de fixation pour des activateurs transcriptionnels qui facilitent la formation du Complexe de Pré-initiation (PIC). Les "enhancers", situés plus loin, ont également un rôle d'activation transcriptionnelle [33](#page=33) [78](#page=78) [79](#page=79). > **Tip:** L'identification des séquences importantes d'un promoteur s'effectue par la comparaison de séquences pour identifier des séquences consensus, puis par mutagénèse dirigée pour vérifier leur rôle [38](#page=38) [40](#page=40) [41](#page=41). #### 2.1.2 L’ARN Polymérase II L'ARN polymérase II (ARN Pol II) est l'enzyme responsable de la transcription des gènes codant pour les ARNm et certains ARN non codants chez les eucaryotes. Elle est composée de 12 sous-unités chez l'homme. La sous-unité la plus grosse possède un domaine C-terminal particulier appelé CTD (CarboxyTerminal Domain) [26](#page=26) [27](#page=27) [51](#page=51). Le CTD est constitué de répétitions d'un heptapeptide (Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser), avec 26 répétitions chez la levure et 52 chez l'homme. Ce domaine joue un rôle crucial dans le cycle de transcription [51](#page=51). * **Pendant l'initiation:** Le CTD est non phosphorylé [51](#page=51). * **Lors de la transition initiation-élongation:** Le CTD est phosphorylé [51](#page=51). * **Pendant l'élongation:** Le CTD reste phosphorylé [51](#page=51). * **Lors de la terminaison:** Le CTD est déphosphorylé [51](#page=51). La phosphorylation différentielle du CTD à différents résidus (Tyr1, Ser2, Thr4, Ser5, Ser7) coordonne le cycle de transcription [52](#page=52). > **Tip:** Les expériences de transcription *in vitro* ont été essentielles pour comprendre le rôle des différentes protéines dans l'initiation de la transcription [55](#page=55). #### 2.1.3 Les GTF (General Transcription Factors) Les GTF, également appelés TFII (Transcription Factors II), sont un ensemble de protéines essentielles qui, avec l'ARN polymérase II, forment le complexe de pré-initiation (PIC) au niveau du promoteur. Ils sont indispensables pour une initiation efficace et correcte de la transcription [32](#page=32) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [56](#page=56) [57](#page=57) [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71) [72](#page=72) [77](#page=77). Les principaux GTF sont: TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF et TFIIH [56](#page=56) [58](#page=58) [61](#page=61) [62](#page=62) [64](#page=64) [66](#page=66) [68](#page=68) [70](#page=70). **Leur rôle dans le modèle d'initiation *in vitro* :** 1. **Fixation de TFIID:** Ce complexe de plus de 9 sous-unités contient TBP (TATA Binding Protein) qui se lie à la TATA box, et des TAFs (TBP-Associated Factors) qui reconnaissent d'autres éléments comme l'INR (TAF150 et TAF250) et le DPE (TAF40 et TAF60). La liaison de TBP induit une déformation de l'ADN [59](#page=59) [60](#page=60) [63](#page=63) [65](#page=65) [67](#page=67) [69](#page=69) [77](#page=77). 2. **Fixation de TFIIA:** Composé de 3 sous-unités [63](#page=63) [65](#page=65) [67](#page=67) [69](#page=69). 3. **Fixation de TFIIB:** Composé d'une protéine [65](#page=65) [67](#page=67) [69](#page=69). 4. **Fixation de l'ARN Polymérase II et TFIIF:** L'ARN Pol II (12 sous-unités) et TFIIF (4 sous-unités) sont déjà liés ensemble [67](#page=67) [69](#page=69). 5. **Fixation de TFIIE et TFIIH:** TFIIE (4 sous-unités) et TFIIH (multiples sous-unités) [69](#page=69). L'assemblage de ces facteurs forme le **PIC (Pre-Initiation Complex)** [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71) [72](#page=72) [77](#page=77). **Rôles spécifiques de certains GTF dans la transition vers l'élongation :** * **TFIIH:** Possède une activité hélicase pour séparer les brins d'ADN, formant ainsi une bulle d'ouverture du promoteur. Il possède également une activité kinase qui phosphoryle le domaine CTD de l'ARN polymérase II, ce processus étant stimulé par TFIIE [71](#page=71). #### 2.1.4 Le complexe Médiateur Le complexe médiateur est un grand assemblage multiprotéique (environ 20 polypeptides chez la levure, pouvant varier) qui joue un rôle essentiel dans la régulation de la transcription. Il est souvent trouvé associé à l'ARN polymérase II pour former l'**Holoenzyme ARN Pol II** [74](#page=74) [75](#page=75). **Fonctions du complexe médiateur :** * Il active la transcription basale [75](#page=75). * Il stimule la phosphorylation du CTD de l'ARN polymérase II [75](#page=75). * Il sert de pont entre les activateurs transcriptionnels (liés aux enhancers ou à la région proximale du promoteur) et le complexe de transcription basale (PIC) [33](#page=33) [75](#page=75) [79](#page=79). Dans le modèle d'initiation *in vivo*, l'Holoenzyme ARN Pol II, comprenant l'ARN Pol II, certains GTF (TFIIB, E, F, H) et le complexe médiateur, peut être recrutée directement sur le promoteur par interaction avec TFIID (et TFIIA). L'assemblage de ces facteurs au promoteur cœur permet de rendre l'ARN polymérase II compétente pour initier la transcription [32](#page=32) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [72](#page=72) [76](#page=76) [77](#page=77). > **Tip:** Pour que le PIC se forme efficacement, la structure de la chromatine au niveau du promoteur doit être plus lâche, permettant un meilleur accès à l'ADN pour les facteurs de transcription. De plus, les interactions avec les facteurs activateurs sont cruciales pour recruter et stabiliser le complexe de transcription, ainsi que pour stimuler le départ de l'ARN Pol II [79](#page=79). --- # Maturation des ARN messagers eucaryotes La maturation des ARN messagers eucaryotes implique plusieurs modifications post-transcriptionnelles essentielles pour produire un ARNm fonctionnel, notamment l'ajout de la coiffe en 5', la polyadénylation en 3' et l'épissage, des processus étroitement liés à la transcription par l'ARN Polymérase II [80](#page=80) [81](#page=81). ### 3.1 L'ajout de la coiffe en 5' L'ajout de la coiffe 7-méthylguanosine (m7G) à l'extrémité 5' de l'ARN prémessager (ARN pré-m) est un processus crucial qui se déroule en deux étapes. Cette coiffe joue plusieurs rôles fondamentaux [82](#page=82): * **Protection contre la dégradation:** Dans le noyau, elle fixe le CAP Binding Complex (CBC), protégeant l'ARN des exonucléases 5'-3'. Dans le cytoplasme, elle interagit avec le complexe eIF-4F, assurant également une protection contre les exonucléases [83](#page=83). * **Facilitation de l'épissage:** Elle favorise l'épissage du premier intron [83](#page=83). * **Exportation nucléaire:** Elle facilite le transport des ARNm du noyau vers le cytosol [83](#page=83). * **Initiation de la traduction:** Dans le cytoplasme, la coiffe est essentielle pour l'initiation de la traduction [83](#page=83). ### 3.2 La polyadénylation en 3' La polyadénylation est le processus d'ajout d'une queue d'environ 250 résidus adénosine (AAAAA) à l'extrémité 3' de l'ARN pré-m. Ce processus est initié par la reconnaissance de séquences signal spécifiques par des facteurs protéiques [86](#page=86): * **Séquence signal de polyadénylation:** La séquence AAUAAA est reconnue par le facteur CPSF (Cleavage and Polyadenylation Factor) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Richesse en G/T:** Une séquence riche en G/T située en aval du site de clivage est reconnue par le facteur CstF (Cleavage Stimulatory Factor) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Site de clivage:** Le clivage se produit environ 10 à 30 nucléotides en aval de la séquence AAUAAA, au niveau d'un site marqué par une séquence CA [86](#page=86). La machinerie de polyadénylation comprend également les facteurs CFI et CFII, ainsi que la PolyA Polymérase (PAP) qui synthétise la queue polyA [87](#page=87). La queue polyA est recouverte par des protéines spécifiques, PABII dans le noyau et PABI dans le cytoplasme. La polyadénylation a plusieurs fonctions importantes [90](#page=90): * **Terminaison de la transcription:** Elle est souvent associée à la terminaison de la transcription par l'ARN Polymérase II [90](#page=90). * **Transport nucléo-cytoplasmique:** La présence de la queue polyA et de PABII facilite le transport de l'ARNm hors du noyau [90](#page=90). * **Stabilité de l'ARNm:** La queue polyA augmente la stabilité des ARNm en les protégeant de la dégradation [90](#page=90). * **Initiation de la traduction:** La queue polyA, associée à PABI, favorise l'initiation de la traduction [90](#page=90). ### 3.3 L'épissage L'épissage est le processus par lequel les introns sont excisés de l'ARN pré-m et les exons sont ligaturés ensemble pour former un ARNm mature. Ce processus est hautement conservé chez les eucaryotes et se caractérise par [93](#page=93): #### 3.3.1 Les sites d'épissage Les sites d'épissage sont des séquences consensus situées aux jonctions exon-intron et intron-exon. * **Site donneur (5' splice site):** Généralement GU, il marque le début de l'intron [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). * **Site accepteur (3' splice site):** Généralement AG, il marque la fin de l'intron [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). * **Site de branchement:** Il contient un adénine (A) conservé, situé environ 20 à 50 nucléotides en amont du site accepteur [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). * **Séquence riche en pyrimidines:** Située entre le site de branchement et le site accepteur, elle facilite la reconnaissance par le spliceosome [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). #### 3.3.2 Mécanisme de l'épissage L'épissage se déroule via deux réactions de transestérifications successives [100](#page=100) [97](#page=97) [98](#page=98) [99](#page=99): 1. **Première transestérification:** L'hydroxyle 2'-OH de l'adénine du site de branchement attaque le phosphore du site donneur (5'ss). Cela forme une liaison phosphodiester 2'-5', libérant l'intron sous forme de structure en lasso [100](#page=100) [98](#page=98) [99](#page=99). 2. **Deuxième transestérification:** L'hydroxyle 3'-OH de l'exon 5' nouvellement libéré attaque le phosphore du site accepteur (3'ss). Ceci excises l'intron en lasso et lie les deux exons via une liaison phosphodiester 3'-5' classique [100](#page=100) [98](#page=98) [99](#page=99). #### 3.3.3 Le spliceosome L'épissage est effectué par un complexe macromoléculaire appelé spliceosome, composé de petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP) et de protéines associées . * **Composants du spliceosome :** * **snRNP:** Ils sont composés d'un ARN nucléaire petit (snRNA) et de plusieurs protéines. Les snRNP clés sont U1, U2, U4, U5 et U6. Les snRNA sont riches en uridine. Les protéines peuvent être communes à toutes les snRNP (par exemple, les protéines Sm) ou spécifiques à une snRNP particulière . * **Autres protéines:** Des facteurs auxiliaires comme U2AF (U2snRNP Auxiliary Factor) sont également impliqués . * **Étapes de formation du complexe:** La formation du spliceosome est un processus dynamique impliquant l'assemblage séquentiel des snRNP et des protéines sur l'ARN pré-m . * **Complexe d'engagement:** La snRNP U1 reconnaît le site donneur (5'ss) et U2AF reconnaît la séquence riche en pyrimidines et le site de branchement . * **Complexe de pré-épissage (présplicéosome):** La snRNP U2 se lie au site de branchement, suivi par l'assemblage des snRNP U4/U6 et U5 pour former le complexe pré-épissage . #### 3.3.4 Reconnaissance des sites d'épissage Les sites d'épissage sont reconnus par des interactions spécifiques entre les séquences consensus de l'ARN pré-m et les composants du spliceosome : * **Interactions snRNA/pré-ARN:** La snRNP U1 reconnaît le site donneur (5'ss) par un appariement de bases entre son snRNA U1 et l'ARN pré-m. La snRNP U2 reconnaît le site de branchement de manière similaire . * **Interactions protéine/pré-ARN:** Le facteur U2AF reconnaît les séquences riches en pyrimidines via ses domaines RRM (RNA Recognition Motif) . #### 3.3.5 L'épissage alternatif L'épissage alternatif est un mécanisme par lequel un seul gène peut produire plusieurs ARNm matures différents, conduisant à la synthèse de protéines distinctes. Ce processus est répandu chez les eucaryotes (plus de 90% des gènes humains) et augmente considérablement la diversité protéique à partir d'un nombre limité de gènes. Les détails de la régulation de l'épissage alternatif seront abordés dans le chapitre sur la régulation de l'expression des gènes . ### 3.4 Liens entre maturation des ARN et transcription Les processus de maturation des ARN sont intimement liés à la transcription par l'ARN Polymérase II (ARN Pol II). Pendant l'élongation de la transcription, l'ARN Pol II est complexée à diverses protéines via son domaine CTD (C-terminal domain) phosphorylé. Parmi ces protéines se trouvent des facteurs impliqués dans la maturation des ARN [80](#page=80) [85](#page=85) [92](#page=92): * Enzymes responsables de l'ajout de la coiffe . * Facteurs de polyadénylation (CPSF et CstF) . * Protéines SR, qui jouent un rôle dans l'épissage . Ces facteurs sont déposés sur l'ARN pré-m au fur et à mesure de sa synthèse, assurant une coordination efficace entre transcription et maturation. L'ajout de la coiffe se produit très tôt pendant la transcription, souvent avant même que la chaîne d'ARN ne soit complètement synthétisée. L'épissage et la polyadénylation suivent généralement, mais peuvent aussi se dérouler de manière concurrente avec la transcription [80](#page=80). --- # Traduction des ARN messagers chez les eucaryotes La traduction des ARN messagers (ARNm) chez les eucaryotes est un processus complexe qui convertit l'information génétique codée dans l'ARNm en une séquence d'acides aminés, formant ainsi des protéines. Ce processus diffère significativement de celui observé chez les procaryotes, notamment dans les étapes d'initiation, d'élongation et de terminaison . ### 4.1 Comparaison de la traduction chez les eucaryotes et les procaryotes Bien que le mécanisme général de la traduction soit conservé, des différences notables existent entre les eucaryotes et les procaryotes, principalement dans la manière dont le ribosome se lie à l'ARNm pour initier la synthèse protéique, ainsi que dans les facteurs impliqués . #### 4.1.1 Initiation de la traduction Chez les procaryotes, l'initiation de la traduction débute par la reconnaissance d'une séquence spécifique sur l'ARNm, la séquence Shine-Dalgarno (SD), située environ 5 à 10 nucléotides en amont du codon d'initiation AUG. Cette séquence agit comme un site de liaison pour le ribosome (RBS - Ribosome Binding Site), permettant à la petite sous-unité ribosomale 30S de se fixer. Des facteurs d'initiation procaryotiques (IF1, IF2, IF3) sont impliqués dans la formation du complexe d'initiation, qui inclut le tRNA initiateur portant la formyl-méthionine (f-Met) . Chez les eucaryotes, l'initiation est différente et dépend de la présence d'une "coiffe" 5' sur l'ARNm. Le processus commence par la fixation d'un complexe de liaison à la coiffe, le complexe eIF4F (composé de eIF4E, eIF4G, eIF4A, et eIF4B), à l'extrémité 5' coiffée de l'ARNm. Le eIF4E est la protéine qui se lie spécifiquement à la coiffe 7-méthylguanosine. Le eIF4B possède une activité hélicase qui déroule les structures secondaires de l'ARN, tandis que le eIF4A stimule cette activité. Le eIF4G interagit avec la protéine de liaison à la queue poly(A) (PABP), stabilisant ainsi le complexe de liaison à la coiffe et favorisant l'initiation en 5' grâce à la queue poly(A) en 3' . Ensuite, la petite sous-unité ribosomale 40S, associée à un complexe ternaire (tRNAi, eIF-2, GTP) et à eIF-3, se fixe via eIF-3 qui interagit avec eIF-4G. Ce complexe d'initiation avance le long de l'ARNm, en éliminant les structures secondaires de la région 5' non traduite (5'-UTR) grâce à eIF4A et B. La reconnaissance du codon d'initiation AUG se fait généralement dans le contexte d'une séquence consensus, la séquence Kozak (5'-ACCAUGG-3') . Une fois l'AUG reconnu, le tRNA initiateur s'apparie au codon AUG. Ceci est suivi par la liaison de la grosse sous-unité ribosomale 60S, catalysée par eIF-6. Le relargage de eIF-2 et eIF-3, médiatisé par eIF-5, et l'hydrolyse du GTP en GDP et Pi par eIF-2 sont également des étapes clés. Enfin, la grosse sous-unité rejoint la petite sous-unité, formant le ribosome 80S fonctionnel, avec le relargage de eIF-6 qui maintenait la grosse sous-unité sous forme libre . > **Tip:** La reconnaissance de l'ARNm chez les eucaryotes est largement médiatisée par la coiffe 5' et la queue poly(A) en 3', créant une boucle qui facilite l'interaction entre les extrémités de l'ARNm et favorise l'efficacité de la traduction . #### 4.1.2 Élongation de la traduction L'élongation de la traduction est le processus par lequel la chaîne polypeptidique s'allonge, acide aminé par acide aminé. Ce processus se déroule en trois étapes principales : 1. **Entrée de l'aminoacyl-ARNt dans le site A du ribosome:** L'aminoacyl-ARNt correspondant au codon de l'ARNm présent dans le site A se lie au ribosome. Chez les procaryotes, cette étape est facilitée par les facteurs EF-Tu et EF-Ts, tandis que chez les eucaryotes, elle implique le facteur eEF-1 (composé de quatre sous-unités: $\alpha, \beta, \delta, \gamma$) . 2. **Formation de la liaison peptidique:** Une liaison peptidique se forme entre l'acide aminé de l'aminoacyl-ARNt dans le site A et la chaîne polypeptidique en croissance attachée à l'ARNt du site P. Cette activité est assurée par la fonction peptidyl-transférase du ribosome. Chez les procaryotes, cette activité est associée à l'ARNr 23S, et chez les eucaryotes, à l'ARNr 28S. L'ARN ribosomique agit comme un ribozyme . 3. **Translocation:** Le ribosome se déplace d'un codon sur l'ARNm, déplaçant l'ARNt du site P vers le site E (exit) et l'ARNt portant la chaîne polypeptidique naissante du site A vers le site P. L'ARNm est également déplacé d'un codon. Chez les procaryotes, cette étape est catalysée par le facteur EF-G, tandis que chez les eucaryotes, c'est le facteur eEF-2 qui intervient . > **Example:** Après la formation de la liaison peptidique, le ribosome passe à la position suivante sur l'ARNm, prêt à accepter un nouvel aminoacyl-ARNt. Ce mouvement coordonné de la machinerie ribosomale et de l'ARNm est essentiel pour la progression de la synthèse protéique . #### 4.1.3 Terminaison de la traduction La terminaison de la traduction survient lorsque le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG ou UGA) sur l'ARNm. Contrairement aux autres codons, les codons stop ne sont pas reconnus par des ARNt, mais par des facteurs de libération (Release Factors) . Chez les procaryotes, les facteurs de libération RF-1 reconnaît les codons UAA et UAG, tandis que RF-2 reconnaît UAA et UGA. Un troisième facteur, RF-3, est également impliqué dans ce processus . Chez les eucaryotes, le facteur de libération eRF-1 reconnaît les trois codons stop (UAA, UAG, UGA). Similairement aux procaryotes, un facteur eRF-3 existe également. La liaison du facteur de libération au site A du ribosome, en présence d'un codon stop, entraîne la libération du polypeptide synthétisé et la dissociation du ribosome en ses deux sous-unités. La structure de eRF-1 humain présente une similarité remarquable avec celle d'un ARNt, ce qui peut expliquer sa reconnaissance des codons stop . > **Tip:** Les facteurs de libération eucaryotes (eRFs) sont structurellement similaires aux ARNt, ce qui leur permet d'interagir avec le site A du ribosome et de reconnaître les codons stop . ### 4.2 Polyribosomes chez les eucaryotes Une caractéristique importante de la traduction chez les eucaryotes est la capacité de l'ARNm à être traduit simultanément par plusieurs ribosomes. Un tel complexe est appelé un polyribosome ou polysome . Dans un polyribosome, plusieurs ribosomes se déplacent le long de la même molécule d'ARNm, chaque ribosome synthétisant une copie de la protéine codée. Les facteurs eIF-4E et eIF-4G restent fixés à la coiffe 5' de l'ARNm et facilitent la ré-initiation de la traduction avant même que le cycle précédent ne soit terminé. Cela permet une amplification de la production protéique à partir d'une seule molécule d'ARNm . > **Example:** Une micrographie électronique peut révéler la présence de plusieurs ribosomes attachés à une même molécule d'ARNm, formant une structure en "perles sur un fil", caractéristique d'un polyribosome . ### 4.3 Dégradation des ARN messagers eucaryotes La durée de vie des ARNm eucaryotes est régulée et leur dégradation est un processus essentiel pour le contrôle de l'expression génique. Les mécanismes de dégradation peuvent varier, mais impliquent souvent : 1. **Dégradation de la queue poly(A):** La queue poly(A) en 3' de l'ARNm est progressivement raccourcie par des enzymes spécifiques . 2. **Décoiffage:** Lorsque la queue poly(A) atteint une longueur critique (environ une trentaine de résidus A), l'ARNm subit une décoiffage à son extrémité 5' . 3. **Dégradation 5' vers 3':** Après le décoiffage, une dégradation rapide de l'ARNm se produit dans la direction 5' vers 3' . D'autres mécanismes de dégradation existent, tels que le clivage de la région 3' non traduite (3'-UTR) sur des séquences d'instabilité, ou la dégradation des ARNm erronés porteurs de codons stop précoces via le mécanisme de NMD (nonsense-mediated decay) . --- ## 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 | |------|------------| | Gène | Une unité fondamentale de l'hérédité qui code pour une protéine ou une molécule d'ARN fonctionnelle. Les gènes sont composés de séquences d'ADN qui sont transcrites en ARN, puis potentiellement traduites en protéines. | | ARN Polymérase | Une enzyme clé responsable de la transcription de l'ADN en ARN. Elle synthétise une molécule d'ARN en utilisant un brin d'ADN comme modèle, ajoutant des nucléotides dans la direction 5' vers 3'. Il existe différents types d'ARN polymérases chez les eucaryotes, chacune transcrivant des classes spécifiques de gènes. | | Transcription | Le processus de synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'un modèle d'ADN. C'est la première étape de l'expression génique, où l'information génétique contenue dans l'ADN est copiée dans une séquence d'ARN. | | ARN messager (ARNm) | Un type d'ARN qui transporte l'information génétique de l'ADN dans le noyau vers les ribosomes dans le cytoplasme, où il sert de modèle pour la synthèse des protéines. | | ARN ribosomique (ARNr) | Un composant majeur des ribosomes, les complexes cellulaires responsables de la synthèse des protéines. L'ARNr se combine avec des protéines pour former les sous-unités ribosomiques. | | ARN de transfert (ARNt) | Un petit ARN qui transporte des acides aminés spécifiques vers les ribosomes lors de la traduction de l'ARNm en protéine. Chaque ARNt possède un anticodon qui s'apparie avec le codon correspondant sur l'ARNm. | | Promoteur | Une région d'ADN située en amont d'un gène qui régule l'initiation de la transcription. Il contient des séquences spécifiques auxquelles se lient les ARN polymérases et les facteurs de transcription. | | Facteurs Généraux de Transcription (GTF) | Des protéines qui se lient aux promoteurs et à l'ARN polymérase pour former le complexe de pré-initiation (PIC), essentiel à l'initiation de la transcription chez les eucaryotes. | | Maturation de l'ARN | Un ensemble de modifications post-transcriptionnelles subies par un transcrit d'ARN primaire (pré-ARN) pour devenir un ARN mature et fonctionnel. Cela peut inclure l'ajout d'une coiffe en 5', la polyadénylation en 3' et l'épissage. | | Épissage | Le processus par lequel les introns sont retirés d'un pré-ARN messager et les exons sont joints pour former un ARNm mature. Ce processus est réalisé par le spliceosome. | | Épissage alternatif | La capacité d'un seul gène à produire différentes isoformes d'ARNm, et donc différentes protéines, en variant la manière dont les exons sont assemblés lors de l'épissage. | | Polyadénylation | L'ajout d'une longue séquence de nucléotides adénine (queue poly-A) à l'extrémité 3' d'un pré-ARN messager. Cela joue un rôle dans la stabilité de l'ARNm, son exportation du noyau et l'initiation de la traduction. | | Coiffe en 5' (capping) | L'ajout d'une modification unique, généralement un 7-méthylguanosine (m7G), à l'extrémité 5' d'un ARN messager eucaryote. Cette coiffe protège l'ARN de la dégradation, favorise l'épissage et l'exportation, et est impliquée dans l'initiation de la traduction. | | Traduction | Le processus par lequel l'information génétique codée dans une séquence d'ARNm est utilisée pour synthétiser une chaîne polypeptidique (protéine). Cela se produit dans les ribosomes. | | Codon | Une séquence de trois nucléotides dans l'ADN ou l'ARN qui spécifie un acide aminé particulier lors de la synthèse des protéines, ou qui signale le début ou la fin de la traduction. | | AUG | Le codon de départ universel chez la plupart des organismes, qui code pour la méthionine et indique le début de la traduction d'un ARNm. | | Ribosome | Un complexe macromoléculaire présent dans toutes les cellules vivantes qui synthétise les protéines à partir de l'ARNm. Il est composé d'ARNr et de protéines ribosomiques. | | Séquence Shine-Dalgarno (SD) | Une séquence d'ARN chez les procaryotes située en amont du codon d'initiation AUG, qui joue un rôle crucial dans le recrutement du ribosome et l'initiation de la traduction. | | Séquence Kozak | Une séquence consensus chez les eucaryotes qui entoure le codon d'initiation AUG, facilitant la reconnaissance de l'AUG par le ribosome et l'initiation de la traduction. | | PIC (Complexe de Pré-initiation) | Un complexe formé au niveau du promoteur d'un gène eucaryote, composé de l'ARN polymérase II et de facteurs généraux de transcription (GTF), qui est nécessaire pour initier la transcription. | | CTD (domaine C-terminal) | Une région unique de la sous-unité la plus grande de l'ARN polymérase II eucaryote, composée de répétitions d'un heptapeptide. Sa phosphorylation joue un rôle crucial dans la régulation du cycle de transcription, y compris l'initiation, l'élongation et la liaison aux facteurs de maturation de l'ARN. |