Expression de l'information génétique : réplication, transcription, traduction et régulation

L'ADN est un polymère de désoxyribonucléotides (désoxyribose, phosphate, base A, T, G ou C) liés par des liaisons phosphodiester 5'-3'. Deux brins antiparallèles et complémentaires (A=T par deux liaisons hydrogène, G≡C par trois) forment une double hélice droite (Watson et Crick, 1953 ; données de Franklin) de pas 3,4 nm, soit environ 10 paires de bases par tour, diamètre 2 nm. L'information est portée par la séquence des bases. Chez les eucaryotes, l'ADN est associé aux histones (nucléosome : 147 pb enroulées autour d'un octamère d'histones) et compacté en chromatine dans le noyau ; chez les procaryotes, un chromosome circulaire unique occupe le nucléoïde, souvent accompagné de plasmides.

Ordres de grandeur : génome d'E. coli 4,6 millions de pb et environ 4 300 gènes ; génome humain 3,2 milliards de pb et environ 20 000 gènes codant des protéines, dont moins de 2 % de séquences codantes.

Démontrée par Meselson et Stahl (1958, marquage à l'azote 15) : chaque molécule fille contient un brin parental et un brin néoformé. Elle a lieu en phase S du cycle cellulaire.

• Démarrage aux origines de réplication (une seule chez E. coli, des milliers chez l'humain), ouverture par l'hélicase, stabilisation des brins par les protéines SSB, suppression des supertours par la topoisomérase.
• L'ADN polymérase ne fonctionne que dans le sens 5' vers 3' et ne peut qu'allonger une amorce : la primase synthétise une courte amorce d'ARN.
• Le brin précoce (direct) est synthétisé en continu ; le brin tardif (retardé) est synthétisé en fragments d'Okazaki (1 000 à 2 000 nucléotides chez les bactéries, 100 à 200 chez les eucaryotes), dont les amorces sont remplacées par de l'ADN puis les fragments soudés par la ligase.
• Fidélité : activité exonucléasique 3' vers 5' (correction d'épreuves) de l'ADN polymérase, puis systèmes de réparation des mésappariements. Taux d'erreur final de l'ordre de $10^{-9}$ à $10^{-10}$ par base répliquée.

L'ARN polymérase synthétise un ARN (ribose, uracile à la place de la thymine, simple brin) complémentaire du brin matrice (brin transcrit) et identique au brin codant, dans le sens 5' vers 3', sans amorce. Elle se fixe sur le promoteur (séquences consensus -10 et -35 chez les bactéries, reconnues par le facteur sigma ; boîte TATA et facteurs généraux de transcription chez les eucaryotes), puis allonge le transcrit jusqu'au terminateur.

**Maturation des ARNm eucaryotes** : ajout d'une **coiffe** (7-méthylguanosine en 5', protection et reconnaissance par le ribosome), d'une **queue poly(A)** (environ 200 adénines en 3', stabilité), et **épissage** par le spliceosome (élimination des introns, raboutage des exons). L'**épissage alternatif** permet à un gène de coder plusieurs protéines (plus de 90 % des gènes humains).

Le code fait correspondre les 64 codons (triplets de nucléotides de l'ARNm) aux 20 acides aminés : 61 codons sens et 3 codons stop (UAA, UAG, UGA). Le codon d'initiation AUG code la méthionine. Le code est dégénéré (redondant : plusieurs codons par acide aminé, souvent différents par la troisième base), non ambigu (un codon, un seul acide aminé), non chevauchant, lu sans ponctuation à partir du cadre de lecture défini par l'AUG, et quasi universel (quelques variantes mitochondriales).

Elle a lieu sur les ribosomes (procaryotes 70S = sous-unités 30S + 50S ; eucaryotes 80S = 40S + 60S), constitués d'ARN ribosomiques et de protéines. L'ARNt porte un anticodon complémentaire du codon et l'acide aminé correspondant, fixé en 3' par une aminoacyl-ARNt synthétase spécifique (c'est elle qui « traduit » réellement : elle consomme un ATP).

1. 1Initiation : la petite sous-unité se fixe sur l'ARNm, repère l'AUG initiateur (séquence de Shine-Dalgarno chez les bactéries, balayage depuis la coiffe chez les eucaryotes), l'ARNt-méthionine se place au site P, la grande sous-unité s'assemble.
2. 2Élongation : un aminoacyl-ARNt entre au site A (facteur d'élongation, GTP), la peptidyl-transférase (activité ribozyme de l'ARNr de la grande sous-unité) forme la liaison peptidique, le ribosome se translate d'un codon (GTP) ; l'ARNt déchargé sort par le site E. Coût : environ 4 liaisons riches en énergie par acide aminé incorporé.
3. 3Terminaison : un codon stop est reconnu par un facteur de libération, le polypeptide est hydrolysé et libéré.

Plusieurs ribosomes lisent le même ARNm : polysomes. La protéine subit ensuite repliement (chaperonnes), adressage (peptide signal vers le réticulum) et modifications post-traductionnelles (glycosylation, phosphorylation, clivages).

6.1 Opéron lactose (Jacob et Monod, 1961)

Les gènes lacZ (bêta-galactosidase), lacY (perméase) et lacA sont transcrits en un seul ARNm sous le contrôle d'un promoteur et d'un opérateur. Le répresseur LacI (produit en permanence) se fixe sur l'opérateur et bloque l'ARN polymérase. En présence de lactose, l'allolactose (inducteur) se lie au répresseur et le décroche : transcription possible. En présence de glucose, le taux d'AMPc est bas, la protéine CAP n'active pas le promoteur : l'opéron n'est pleinement exprimé qu'en présence de lactose et en absence de glucose (diauxie). Contrôle négatif (répresseur) et positif (CAP).

6.2 Eucaryotes

Régulation à de multiples niveaux : état de la chromatine (acétylation des histones et déméthylation de l'ADN activent, méthylation des cytosines CpG réprime : épigénétique), facteurs de transcription spécifiques fixés sur des amplificateurs (enhancers) parfois éloignés de milliers de pb, épissage alternatif, stabilité et traductibilité des ARNm (micro-ARN), modifications et dégradation des protéines (ubiquitine-protéasome).

Une mutation est une modification héréditaire de la séquence. Substitutions : silencieuse (même acide aminé, dégénérescence du code), faux-sens (acide aminé changé : drépanocytose, Glu6Val de la bêta-globine), non-sens (codon stop prématuré). Insertions ou délétions d'un nombre de nucléotides non multiple de 3 : décalage du cadre de lecture, protéine généralement tronquée et non fonctionnelle. Seules les mutations des cellules germinales sont transmises à la descendance.