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Génétique:
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synthèse des protéines |
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Transcription ches les eucaryotes
Le principe est bien entendu le même : il s'agit de transcrire un code d'un système à quatre bases à un autre mais les modalités diffèrent.
2.2.1 LES ARN POLYMERASES
Alors qu'une seule enzyme synthétise toutes les catégories d'ARN des procaryotes, dans la cellule eucaryotique, trois ARN polymérases sont mises en jeu dans la transcription d'ensembles de cistrons différents.
L'ARN polymérase A transcrit les cistrons ribosomiques, elle assure la synthèse des ARN des ribosomes. Son lieu d'action est le nucléole, en effet, les très nombreux cistrons ribosomiques répétés (c'est une de leur caractéristique), sont groupés au niveau de loci précis : les organisateurs nucléolaires. A l'interphase, la transcription active de ces cistrons se manifeste sous forme de structures cytologiques : les nucléoles.
L'ARN polymérase B réalise la synthèse de tous les ARN messagers nucléaires, qui seront traduits en protéines.
L'ARN polymérase C assure la synthèse des petits ARN nucléaires (ARN de transfert et ARN ribosomique 5S) et la transcription de gènes cytoplasmiques (contenus dans les mitochondries et les plastes des végétaux).
Toutes ces polymérases sont des édifices protéiques complexes composés de quatre sous unités, rappelant celles des procaryotes, auxquelles s'ajoutent jusqu'à une douzaine de protomères. De plus, ces complexes ne fonctionnent, in vivo que gràce à l'interaction de nombreux autres facteurs protéiques étabissant des relations temporaires avec le noyau enzymatique.
Ce que l'on connait de la transcription des cistrons ribosomiques rappelle la transcription de l'ADN procaryotique et nous ne nous y attarderons pas.
*Remarque : Le mécanisme de transcription "ressemble" ne veut pas dire que les systèmes de régulation soient identiques.
2.2.3 TRANSCRIPTION DES CISTRONS EXPRIMES EN PROTEINES
La transcription de ces cistrons est assurée par la polymérase B mais, parmi eux, il faut distinguer plusieurs types d'organisation.
Quelques rares gènes présentent des unités de transcription semblables à celles des procaryotes, le plus souvent, les gènes sont structurés en mosaique de portion codantes (les exons) et de portions n'ayant pas de signification protéique (les introns). L'organisation générale d'un messager eucaryotique est présentée ci-dessous.
La synthèse d'ARN chez les eucarotes donne généralement naissance à un produit de transcription "primaire" (ou prémessager) qui devra subir une maturation pour fournir le messager cytoplasmique fonctionnel.
Nous allons donc distinguer les deux étapes dans la réalisation d'un ARN messager fonctionnel : transcription et maturation.
2.2.3.1 TRANSCRIPTION.
Elle est assurée par la polymérase B mais l'initiation (en particulier) fait intervenir d'autres facteurs protéiques du groupe des TF II.
* Remarque : Les ARN polymérases A, B et C avaient été initialement baptisées I, II et III en raison de leur ordre d'élution de certains supports chromatographiques, TF II signifie "Transcription Factor" nécessaire au fonctionnement de la polymérase II (ou B).
La formation du complexe d'initiation nécessaire à la fixation précise de l'ARN polymérase B est résumée dans la figure ci-dessous.
Un premier complexe, TFII-D reconnait le promoteur et permet la fixation de TFII-A puis des interactions protéiques entre cet assemblage, TFII-B et la polymérase B permettent la fixation de celle-ci, son maintien est assuré par TFI-EI . D'autres facteurs (TFII-H et J) participent à la modification de la topologie de l'ADN .
C'est au prix de cette complexité que la transcription est correctement initiée !
Ici encore, tout repose sur l'interaction de protéines spécifiques avec des séquences déterminées. Les promoteurs des eucaryotes, reconnus par l'ARN polymérase B (ou II), ont été étudiés à l'aide des outils les plus performants de la génétique moléculaire.
On note l'effet de mutations introduites à presque chaque position sur les 100 paires de bases en amont du point de début de transcription sur l'efficacité de l'initiation in vitro. La figure suivante montre que la plupart des modifications introduites artificiellement n'affectent pas la reconnaissance du promoteur, seuls, dans l'exemple choisi (promoteur du gène de la globine), trois modules très restreints aux environs de -30, -75 et -90 sont indispensables. Des expériences du même genre mais en introduisant des délétions entre ces modules ont montré que, pour un gène donné, leur position joue également un rôle.
Le terme de modules prend toute sa signification quant on sait que les différents promoteurs en contiennent des assortiments variés (certains en plusieurs exemplaires et certains en orientation inverse).
- La cassette TATA vers -30 est probablement la seule séquence consensus située à une position fixe présente dans la quasi totalité des gènes de la classe II, elle semble jouer un rôle dans la précision du premier nucléotide transcrit.
- La cassette CAAT est située à -80 dans l'exemple donné du gène de la globine mais sa position peut varier selon les gènes, séquence consensus : GGCCAATCT.
- La cassette GC (consensus :GGGCGG) est souvent en plusieurs copies et dans les deux orientations.
Ces modules de base représentent donc un signal pour le complexe d'initiation de la polymérase B mais leur assemblage en différentes combinaisons possibles permet déjà une diversification qui va intervenir dans la régulation de la transcription.
Dans un chapitre suivant, on verra que d'autres modules, parfois très éloignés du promoteur "de base", jouent également un rôle dans la régulation.
Bien entendu, l'étape d'initiation de la transcription est cruciale, mais il existe également des éléments nécessaires à l'élongation et à la terminaison qui peuvent jouer un rôle dans le contrôle de la synthèse d'ARN mesagers.
*Remarque : Les signaux de terminaison sont moins bien connus que chez les procaryotes, par contre on connait des signaux de polyadénylation (l'ajout d'une séquence polyadénylée en 3' OH des messagers eucaryotiques fait partie de la maturation).
2.2.3.2 MATURATION
La maturation de la plupart des transcrits primaires porte sur 3 points :
La coiffe est formée par addition d'une guanosine triphosphate : le premier nucléotide du messager est généralement une purine, A ou G et représente théoriquement l'extrémité 5' triphosphorylée de la molécule :
5'pppA-pN-pN-pN-pN-pN ... ,
en fait, une guanine est ajoutée par une liaison inhabituelle 5'-5' :
Gppp + pppA-pN-pN-pN-pN-pN >> Gp-ppA-pN-pN-pN-pN-pN...
diverses methylations peuvent se produire ensuite notamment une en position 7 de la guanine et sur le ribose pour compléter cette structure que l'on retrouve dans tous les messagers eucaryotiques.
La polyadénylation est un ajout post-transcriptionnel de nucléotides adényliques au niveau d'un site de polyadénylation du transcrit primaire. Le site est reconnu par un complexe protéique comportant une poly-A polymérase.
Cette structure va former l'extrémité 3' du messager, elle peut aller jusqu'à 2OO nucléotides .
5' 5' 3'
Gp-pA-pN...................pNpA-pA-pA-pA-pA-pA-pA-pA-pA
Les gènes mosaïques sont transcrits depuis le point d'initiation jusqu'au signal de terminaison, les introns de ce prémessager ou transcrit primaire doivent donc être éliminés et la jonction des exons se faire avec précision. L'ensemble se fait simultanément par un mécanisme d'"épissage".
*Remarque : ce que nous savons du code génétique et du cadre de lecture permet de comprendre à quel point l'épissage doit être précis, la jonction exon - intron ne coincidant d'ailleurs pas forcément à une limite entre deux triplets.
Selon les unités de transcription envisagées, il existe plusieurs mécanismes d'épissage, tous font intervenir d'autres molécules d'ARN que le transcrit primaire, dans certains cas, l'ARN lui-même suffit à catalyser la réaction
. * Remarque : La découverte d'une activité catalytique liée à un acide nucléique (les ribozymes) a un impact considérable en génétique évolutive.
Le mécanisme décrit ici est celui utilisé pour la plupart des messagers nucléaires, il fait appel à des ribonucléoprotéines dont les deux composantes ont certainement leur importance, mais c'est la molécule d'ARN qui joue un rôle certainement prépondérant.
L'analyse de nombreux introns de levure a fait apparaitre trois séquences consensus que l'on a pu généraliser : la première, GU est appelée consensus gauche car elle représente l'extrémité 5' de l'intron, de même que la droite (AG) représente la jonction 3' intron - 5' exon suivant, une autre, UACUAAC chez les messagers de levure (plus généralement Py N Py Py Pu A Py chez les eucaryotes supérieurs, Py représente une pyrimidine, N un nucléotide quelconque, Pu une purine, l'adénine étant remarquablement constante) est située peu avant l'extrémité 3' de l'intron et appelée séquence de branchement pour les raisons évoquées ci-dessous.
Des mutations dans les nucléotides codant pour ces trois séquences d'un intron empèchent l'épissage correct des exons qui l'encadrent.Ces séquences sont reconnues par des ribonucléoprotéines (en jaune sur le schéma) qui vont former un complexe nécessaire à l'épissage, appelé splicéosome (de splicing = épissage), visible en microscopie électronique.
Les molécules d'ARN de ces complexes, connues depuis longtemps sans qu'on ait pu, au départ, leur attribuer une fonction, appartiennent au groupe des "petits ARN nucléaires" : classes discrètes de 100 à 1000 nucléotides, qui ne sortent pas du noyau, ont un turn-over très lent, sont riches en uridines, et dont chaque molécule est associée à une dizaine de protéines pour former un complexe parfois appelé un Snurp (Small Nuclear Uridine-rich RibonucleoProtein ).
L'édifice représenté sur la figure, imposé par la liaison des différents Snurps, va replier l'intron et permettre une liaison curieuse de l'extrémité 5' de l'intron à l'hydroxyle 2' de l'adénine de la séquence consensus dite "de branchement". L'extrémité 3' va être détachée de la 5' de l'exon suivant et une liaison phosphodiester peut se créer entre les exons.
*Remarque : Le branchement en 2' de l'adénosine fait prendre une structure dite en "lasso" à l'intron, in vivo, ce lasso est immédiatement dégradé mais dans des expériences in vitro, on peut l'observer en microscopie electronique. Ce mécanisme complexe est génétiquement controlé et joue un rôle important dans la régulation de l'expression des gènes chez les eucaryotes.
La transcription chez les eucaryotes est illustrée par une animation que vous pouvez lancer à partir du menu "simuler" ou en cliquant sur le bouton ci-après: 
Auteurs :
Raymond Jalouzot, Université d'Angers 1999
JL, 
Université
Paris-Sud, Orsay, mars 2002
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