2. La transmission et le décodage de l’information génétique (rappels)

Après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN, se développe ne nouvelle discipline, la biologie moléculaire (1), résultat de la convergence de la biochimie et la génétique.

(1) A l'ULB, la figure de proue de la biologie moléculaire est le Pr. Jean Brachet. Avec son collègue Raymond Jeener et ses élèves (R. Thomas, H. Chantrenne, ...), il fondera en 1968 l'actuel Département de Biologie Moléculaire aujourd'hui implanté sur le Biopark de Gosselies.

Les grands questions abordées par cette discipline dans le courant des années 60 et 70 :

- mécanismes de la transmission de l'information génétique, d'une génération à l'autre ?

- mécanismes de décodage de cette information ? Ou comment une séquence de bases azotées peut-elle déterminer les propriétés biologiques d'un être vivant ?

34

ADNréplication

ADN transcription ARNm protéinetraduction

Transmission : comment l'ADN se duplique-t-il ?

Décodage : comment la séquence des bases azotées de l'ADN détermine-t-elle les propriétés biochimiques des espèces ?

ADN transcription ARN non traduit (ex. ARNt, ARNr, ARN régulateur, …)

RAPPEL

.. avant une division bactérienne, une mitose, une méiose

J. Brachet (ULB) a contribué de manière déterminante à la démonstration que les protéines sont synthétisées sur base de matrices d’ ARNm 35

2.1 La réplication : principes de base

Enzyme : complexe ADN polymérase

Substrat reconnu par l’enzyme : ADN monocaténaire + amorce complémentaire (1)

Sens : 5' vers 3' (extension de l’extrémité 3’ de l’amorce)

Précurseurs : dATP, dCTP, dGTP, dTTP (dNTP) = désoxyribonucléosides triphosphates

3'

5'5' 3'

3'

5'5'

3'

RAPPEL

(1) Amorce d'ARN lors de la réplication in vivo (primase), d'ADN dans une réaction de PCR

36

RAPPEL

37

2.2 La transcription : principes de base

Enzyme : complexe ARN polymérase

Substrat reconnu par l’enzyme : ADN bicaténaire

Matrice (ou modèle) : ADN monocaténaire (brin non-codant, ou non-sens)

Sens : 5' vers 3' (sans amorce)

Précurseurs : ATP, CTP, GTP, UTP (NTP) = = ribonucléosides triphosphates

5'3'

La portion d'un gène qui est transcrite = l'unité de transcription de ce gène

5'3'

3'5'

3'5'

3'5'

matrice = brin non-codant= brin non-sens

(qui sert de modèle pour la synthèse d'un brin complémentaire d'ARN, il est "transcrit")

brin copié = brin codant= brin sens

l'ARN synthétisé et ce brin d'ADNprésentent la même séquence (sauf les T > U)

RAPPEL

38

ADN

T

A

G

C

ARN

A

U

C

G

RAPPEL

Règles de complémentarité entre les bases :

2 ou 3 ponts H

brin non-codantou non-senschaine d’ARN

en croissance

39

région codante(ORF)

région 5' non-traduite (5’ UTR)

région 3' non-traduite(3’ UTR)

3’-OH

2.3 La traduction : organisation des ARNm et code génétique

RAPPEL2.3.1 ARNm chez les procaryotes

ARNm monocistronique :

PPPPPP 5’

protéineNH2 COOH

région codante 1(ORF)

région 5' non-traduite (5’ UTR)

région 3' non-traduite(3’ UTR)

3’-OH

ARNm polycistronique (opéron) :

PPPPPP 5’

région codante 2(ORF)

protéine 1NH2 COOH

protéine 2NH2 COOH

UTR : untranslated regionORF : open reading frame

40

région codante(ORF)

région 3' non-traduite(3’ UTR)

3’-AAAAAAA-OH

Région codante = séquence de codons = " open reading frame, ORF ", qui débute par le codon START AUG et se termine juste avant un

codon STOP (UAA, UAG, ou UGA)

RAPPEL

2.3.2 ARNm chez les eucaryotes

ARNm toujours monocistronique :

PPPPPP 5’

protéineNH2 COOH queue polyAcoiffe 5’ :

7-méthyl-guanosine

région 5' non-traduite (5’ UTR)

41

Le code génétique

- dégénéré : un codon détermine un acide aminé, mais la plupart des acide aminés sont déterminés par plusieurs codons possibles

- quasi universel : le même code génétique est utilisé par l’immense majorité des êtres vivants (issus d’un ancêtre commun), mais dans certains cas (ex. dans les mitochondries, chez certains protistes, ..), quelques déviations sont apparues au cours de l’évolution (par ex. un des codons STOP détermine un acide aminé)

RAPPEL

42

- déterminé par les aminoacyl-ARNt synthétases. Ces enzymes, au nombre de 20 (une par acide aminé), lient de manière covalente un acide aminé à un ou plusieurs ARN de transfert (ARNt) présentant un anticodon (ex. 5’-CCA-3’ pour le tryptophane = Trp = W -> appariement au codon 5’-UGG-3’).

Le génome de tous les organismes cellulaires et de nombreux virus (surtout ceux dont le génome est de grande taille) est constitué d’ADN bicaténaire :

Chez les virus dont le génome est de petite taille, celui-ci est parfois constitué d'ADN monocaténaire, ou même d'ARN, mono- ou bicaténaire :

2.4 Certains génomes ne sont pas constitutés d’ADN bicaténaire

réplication semi-conservative

ADN bicaténaire

ADN monocaténaire

ARN monocaténaire

ARN bicaténaire

La réplication de ces génomes implique des polymérases

particulières, en particulier chez les virus à ARN. Il existe même (chez les rétrovirus) une poly-mérase qui synthétise de l’ADN

sur base d’un ARN matrice (transcriptase inverse).

43

Ex. de situation particulière : les réovirus, dont le génome est formé d’ARN bicaténaire

+-

La réplicase = ARN polymérase ARN mono-brin (+) dépendante

La transcriptase = ARN polymérase ARN double-brin dépendante (utilise le brin – comme modèle pour la polymérisation de brins +)

++

+

traductionProtéines dont une réplicase

Phase I de l'infection : expression des gènes

virauxtranscriptase du virus

réplicase du virus

+-+-

+

Les brins (-) d’ARN synthétisés restent

associés aux brins (+)

-

Phase II : réplication du génome

génome ARN double-brin

44

.. intimement lié au phénomène du vivant

.. et à sa capacité de reproduction

Le véritable point commun entre tous les systèmes génétiques réplicatifs : les bases azotées et leur principe d’appariement

“What is life?”

45