Transcription

Les ARNs

Les $\mathrm{ARNs}$ sont la seconde grande famille des acides nucléiques : ils se différencient de l’$\mathrm{ADN}$ par la nature du sucre, par le remplacement de la thymine par l’uracile et par le statut simple-brin. Les $\mathrm{ARNs}$ participent activement dans les processus d’expression de l’information génétique :

• $\mathrm{ARN_{messager}}$ ($\mathrm{ARNm}$): copie transitoire de l’information génétique. Il permet de protéger l’$\mathrm{ADN}$ en servant de matrice à la machinerie cellulaire. Il est également le reflet des commandes envoyés de l’$\mathrm{ADN}$ vers le cytoplasme = activité de la cellule. Le transcriptome (= ensemble de tous les $\mathrm{ARNm}$) est le reflet de l’activité biologique de la cellule, au temps $t$. En fonction de l’environnement, le transcriptome de la cellule est amené à être modifié ;
• $\mathrm{ARN_{transfert}}$ : ils permettent de faire correspondre les acides aminés avec la séquence de l’$\mathrm{ARNm}$ au cours de la traduction ;
• $\mathrm{ARN_{ribosomaux}}$ : ils sont inclus dans un assemblage nucléoprotéique qui constituent les ribosomes.

Dans notre cas, on s’intéresse uniquement à la transcription des $\mathrm{ARNm}$.

La notion de gène

L’$\mathrm{ARNm}$ est la copie d’une information génétique, qui aboutit généralement à la synthèse d’une protéine. Si on considère qu’une grande partie de l’$\mathrm{ADN}$ ne code pour rien, alors l’information codante est dispersée dans les séquences non-codantes. Il faut donc un moyen pour repérer ces séquences codantes et les utiliser comme matrice pour produire un $\mathrm{ARNm}$.

Il existe des séquences d’$\mathrm{ADN}$ particulières qui sont des signaux de la présence d’une séquence codante. Il y a des séquences-signal :

• Avant la partie codante : c’est le promoteur. Il est constitué de différents éléments, chez les Procaryotes ($\mathrm{ProK}$) et les Eucaryotes ($\mathrm{EuK}$) (voir figure) ;
• Après la partie codante : c’est le terminateur. Il s’agit de séquences qui déstabilisent le complexe de synthèse
  de l’$\mathrm{ARNm}$ (cas « épingle à cheveux ») ou qui attirent des enzymes qui stoppent la production d’$\mathrm{ARNm}$ (cas « ρ-dépendant »).

On peut considérer qu’entre ces deux types de séquence se trouve un gène = information codante délimitée par un promoteur et un terminateur.

Les acteurs de la transcription

Brin d’$\mathrm{ADN}$ : un des deux brins d’$\mathrm{ADN}$ sert de matrice. Ce n’est pas toujours le même brin qui sert de matrice. On appelle ce brin : brin transcrit ou brin matrice. L’autre brin est appelé brin non-transcrit ou brin codant ;

ARNpolymérase :

• Chez les ProK : unique et constituée de $5$ sous-unités ($\mathrm{\alpha_2\beta\beta'\sigma}$). L’enzyme progresse sur le brin matrice dans le sens $3’ \rightarrow 5’$ et synthétise l’$\mathrm{ARNm}$ dans le sens $5’ \rightarrow 3’$ ;
• Chez les EuK : il en existe 3 type (ARNpol I, II et III). L’ARNpol II est celle qui synthétise les ARNm. Elle progresse de la même façon que la forme procaryotique.

Ribonucléotides ($\mathrm{nt}$) libres : $\mathrm{ATP, GTP, UTP}$ et $\mathrm{CTP}$ sont les briques de la nouvelle molécule. Lors de leur incorporation, ils perdent deux phosphates (=pyrophosphate), ce qui est très énergétique ;

Facteurs de transcription (TF) : molécules qui se fixent au niveau du promoteur et qui influencent la réalisation de la transcription.

• Chez les ProK : l’ARNpol n’a pas besoin de facteurs de transcription pour fonctionner (reconnaissance directe du
  promoteur). Mais leur présence peut bloquer son fonctionnement (répression dans les opérons) ;
• Chez les EuK : l’ARNpol nécessite la présence de facteurs de la transcription, car elle ne peut pas reconnaître directement le promoteur. Les TFII (transcription factors II) se fixent sur les séquences conservées des promoteurs ($\mathrm{TATAbox, CAAT ~et ~GCbox}$) et forment un point d’ancrage pour l’$\mathrm{ARNpol ~II}$. Certains $\mathrm{TF}$ restent durant la transcription, d’autres sont relargués.

Déroulement de la transcription chez les Procaryotes

Initiation : fixation de l’$\mathrm{ARNpol}$ au niveau de la séquence promotrice, grâce à la sous-unité $\sigma$ : déroulement et ouverture de la molécule d’$\mathrm{ADN}$ ;

Elongation : relargage de la sous-unité $\sigma$, puis synthèse du brin d’$\mathrm{ARNm}$ complémentaire du brin transcrit, dans le sens $5’ \rightarrow 3’$. L’$\mathrm{ARNm}$ se décroche au fur et à mesure (seulement une dizaine de bases reste fixée). L’$\mathrm{ARNpol}$ ouvre l’$\mathrm{ADN}$ devant elle et le referme derrière elle.

Terminaison : deux modes de terminaison sont possibles. Le terminateur contient :

• Soit une séquence riche en palindromes (séquence symétrique = $\mathrm{XYYX}$) et en adénine qui provoquent la formation d’une épingle à cheveux sur l’$\mathrm{ARNm}$ formé. Cette boucle déstabilise l’$\mathrm{ARNpol}$ qui se détache ;
• Des séquences riches en cytosine qui attirent le facteur $\rho$ (exonucléase). Ce facteur se fixe alors sur la molécule d’$\mathrm{ARN}$, remonte jusqu’à l’$\mathrm{ARNpol}$ et la déstabilise : elle se détache.

L’ARN est utilisable immédiatement, car la transcription a lieu dans le cytoplasme. Il n'est pas modifié !

Déroulement de la transcription chez les Eucaryotes

Initiation : fixation de nombreux $\mathrm{TF}$ (reconnaissance des séquences du promoteur) avant que l’$\mathrm{ARNpol~II}$ puisse se fixer ;

Elongation : identique au processus procaryotique ;

Terminaison : fixation d’un facteur de terminaison qui reconnaît une séquence spécifique ($\mathrm{TTATTT}$). Le facteur provoque le décrochage de l’$\mathrm{ARNpol~II}$.

La transcription ayant lieu dans le noyau, l’$\mathrm{ARNm}$ doit sortir vers le cytoplasme, lieu de la synthèse des protéines. Il est également modifié (modifications post-transcriptionnelles) :

• Ajout d’une tête $\mathrm{7-méthylguanosine}$ sur l’acide phosphorique libre du premier nucléotide : site de reconnaissance pour la fixation du ribosome, pendant la traduction ;
• Ajout d’une queue $\mathrm{poly-A}$ : fixation de $250$ adénines après le signal $\mathrm{AAUAAA}$, complémentaire du signal de terminaison de la transcription. C’est une protection contre la dégradation (exonucléase $3’ \rightarrow 5’$) ;
• Epissage : les gènes eucaryotes ont la particularité d’être morcelés (une très grande majorité). Dans la séquence comprise entre le promoteur et le terminateur (=gène), se trouvent des séquences codantes (exons) et des séquences non-codantes (introns). Avant de pouvoir être utilisable, l’$\mathrm{ARNm}$ doit être débarrassé de ses introns. Intervient alors le spliceosome, contenant des $\mathrm{ARN}$ et des protéines : il reconnait des séquences situées aux limites des exons et raboute les exons entre eux, en éliminant les introns (voir figure).