L'expression du patrimoine génétique

Un gène est une portion d'ADN enfermée dans le noyau. Pourtant, ce sont des protéines, fabriquées dans le cytoplasme, qui construisent la cellule et font son travail : enzymes, transporteurs, pigments, anticorps. Comment l'information écrite en nucléotides devient-elle une protéine faite d'acides aminés ? Ce chapitre décrit les deux étapes de l'expression génétique, la transcription et la traduction, le code génétique qui relie les deux « langues », et montre pourquoi une même information peut produire des cellules et des organismes si différents selon les conditions.

1. La séquence de l'ADN est une information

1.1 Une information écrite avec quatre lettres

La séquence de l'ADN, succession des quatre nucléotides A, T, G, C le long des brins, est une information : comme un texte, elle a un sens qui dépend de l'ordre des lettres. Avec seulement quatre lettres, le nombre de messages possibles devient immense dès que la séquence s'allonge :

$\text{nombre de séquences de } n \text{ nucléotides} = 4^{n}$

À titre de comparaison, l'informatique code toute information avec deux symboles (0 et 1) : $2^{n}$ messages de $n$ bits. Un nucléotide contient donc l'équivalent de deux bits. Cette information est transmise de génération en génération grâce à la réplication, et exprimée à chaque génération.

1.2 Les protéines, chaînes d'acides aminés

Une protéine est une chaîne d'acides aminés ; il en existe $20$ sortes. La séquence des acides aminés détermine la forme dans l'espace de la protéine, donc sa fonction. Le nombre de protéines possibles de $n$ acides aminés est $20^{n}$ : pour $n = 100$, $20^{100} \approx 10^{130}$. Le problème de la cellule est de traduire un texte à quatre lettres (ADN) en un texte à vingt lettres (protéine).

2. La transcription : de l'ADN à l'ARN

2.1 L'ARN, un intermédiaire

L'information ne quitte jamais le noyau sous forme d'ADN. Elle est d'abord recopiée en une molécule d'ARN (acide ribonucléique), qui ressemble à l'ADN avec trois différences :

2.2 Le mécanisme

La transcription a lieu dans le noyau. Une enzyme, l'ARN polymérase, ouvre localement la double hélice au niveau d'un gène et synthétise un brin d'ARN par complémentarité avec l'un des deux brins d'ADN (le brin transcrit) : face à A elle place U, face à T un A, face à G un C, face à C un G. L'ARN obtenu a donc la même séquence que l'autre brin d'ADN (le brin codant), avec des U à la place des T.

Chez les eucaryotes, l'ARN produit, le pré-ARN messager, subit une maturation : des portions non codantes sont retirées, les portions codantes sont raccordées. L'ARN messager (ARNm) ainsi formé quitte le noyau par les pores nucléaires et gagne le cytoplasme. Un même gène est transcrit de très nombreuses fois : la cellule produit autant d'ARNm qu'elle a besoin de protéine.

Une démarche historique. Dans les années 1950-1960, on observe que les cellules qui fabriquent beaucoup de protéines contiennent beaucoup d'ARN ; qu'un ARN marqué radioactivement apparaît d'abord dans le noyau puis passe dans le cytoplasme ; et que, chez des bactéries infectées par un virus, un ARN de courte durée de vie, copie du génome viral, s'associe aux ribosomes juste avant la fabrication des protéines virales. Ces expériences (Brenner, Jacob et Meselson, 1961) ont établi l'existence de l'ARN messager, intermédiaire entre les gènes et les protéines.

3. La traduction : de l'ARN messager à la protéine

3.1 Le code génétique

Dans le cytoplasme, l'ARNm est lu par des ribosomes par groupes de trois nucléotides : les codons. Il existe $4^{3} = 64$ codons pour $20$ acides aminés : le code génétique est le tableau de correspondance entre chaque codon et un acide aminé.

• Le code est redondant (dégénéré) : plusieurs codons peuvent désigner le même acide aminé (par exemple GGU, GGC, GGA, GGG désignent tous la glycine).
• Un codon d'initiation, AUG (méthionine), marque le début de la lecture.
• Trois codons stop (UAA, UAG, UGA) ne désignent aucun acide aminé et arrêtent la traduction.
• Le code est universel : le même dans tous les êtres vivants, des bactéries à l'humain. C'est pourquoi un gène humain introduit dans une bactérie (transgenèse) y est traduit en une protéine humaine, l'insuline par exemple.

Comment le code a-t-il été déchiffré ? En 1961, Nirenberg et Matthaei fabriquent un ARN artificiel ne contenant que des U (UUUUUU…) et le placent dans un extrait de cellules capable de traduire : ils obtiennent une protéine formée uniquement de phénylalanine. Le codon UUU code donc la phénylalanine. En variant les ARN artificiels, tous les codons ont été attribués en quelques années.

3.2 Le mécanisme

1. Le ribosome se fixe sur l'ARNm et se positionne sur le codon AUG d'initiation.
2. Il avance codon par codon ; pour chaque codon, l'acide aminé correspondant est apporté et lié au précédent : la chaîne s'allonge (élongation).
3. Au codon stop, la chaîne est libérée : c'est la protéine, qui se replie et devient fonctionnelle (terminaison).

La traduction convertit ainsi le message génétique (séquence de nucléotides) en une information fonctionnelle (séquence d'acides aminés). Un même ARNm est lu par de nombreux ribosomes à la suite : une seule copie d'ARNm donne des dizaines de protéines.

Un algorithme de traduction. Pour traduire une séquence d'ARN : (1) chercher le premier AUG ; (2) lire trois nucléotides ; (3) chercher l'acide aminé dans le tableau du code et l'ajouter à la chaîne ; (4) avancer de trois ; (5) recommencer jusqu'à un codon stop. C'est exactement ce qu'un programme informatique peut faire avec un dictionnaire codon → acide aminé.

3.3 Conséquence des mutations

Une substitution dans un gène change un codon : si le nouveau codon désigne le même acide aminé (grâce à la redondance), la protéine n'est pas modifiée (mutation silencieuse) ; si l'acide aminé change, la protéine peut être plus ou moins altérée ; si le codon devient un stop, la protéine est tronquée. Une insertion ou délétion d'un nombre de nucléotides non multiple de trois décale le cadre de lecture : tous les codons suivants changent, la protéine est en général non fonctionnelle.

4. Du génotype au phénotype

4.1 Les échelles du phénotype

Le génotype est l'ensemble des allèles d'un individu ; le phénotype est l'ensemble de ses caractères observables. Le phénotype se lit à trois échelles, reliées par l'expression des gènes :

Le phénotype résulte de l'ensemble des produits de l'ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule : il dépend du patrimoine génétique et de son expression.

4.2 Une expression régulée

Toutes les cellules d'un organisme possèdent les mêmes gènes, mais elles n'expriment pas les mêmes : un neurone et une cellule du pancréas ont le même génome et des protéines différentes. L'activité des gènes est régulée :

• par des facteurs internes : au cours du développement, des signaux déterminent quels gènes chaque cellule transcrit (différenciation) ; des hormones modifient l'expression de gènes cibles ;
• par des facteurs externes : la lumière, la température, l'alimentation, la présence d'un nutriment. Exemple : chez une bactérie, le gène de l'enzyme qui digère le lactose n'est transcrit que si du lactose est présent ; chez l'humain, l'exposition au soleil augmente l'expression des gènes de la mélanine.

L'existence de l'étape intermédiaire ARN est ce qui rend ces régulations possibles : la cellule contrôle quels gènes sont transcrits, quand et en quelle quantité. Le phénotype est donc le produit du génotype et de l'environnement.

5. Exemple résolu pas à pas

Énoncé. Brin transcrit d'un gène (portion) : 3'-TAC GGA CTT ATC-5'. a) Écrire l'ARNm correspondant. b) Traduire cet ARNm (extrait du code : AUG méthionine, CCU proline, GAA glutamate, UAG stop, CCA proline, GAG glutamate). c) Une mutation change le 6ᵉ nucléotide de l'ARNm (U → A). Donner le nouvel ARNm, la nouvelle protéine et qualifier la mutation. d) Une autre mutation change le 9ᵉ nucléotide (A → G). Même question.

Résolution.

a) Complémentarité (T → A, A → U, G → C, C → G) : ARNm 5'-AUG CCU GAA UAG-3'.

b) AUG : méthionine ; CCU : proline ; GAA : glutamate ; UAG : stop. Protéine : Met-Pro-Glu.

c) ARNm : AUG CCA GAA UAG ; CCA code aussi la proline : protéine inchangée, mutation silencieuse (redondance du code).

d) ARNm : AUG CCU GAG UAG ; GAG code aussi le glutamate : protéine inchangée, mutation silencieuse.

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🎯 Rédiger. Bien distinguer les trois séquences (brin transcrit, ARNm, protéine) et les deux étapes (transcription dans le noyau, traduction dans le cytoplasme) ; toujours vérifier dans le tableau du code si l'acide aminé change avant de conclure sur l'effet d'une mutation.

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📌 À retenir

1. La séquence de l'ADN est une information ($4^{n}$ séquences possibles) exprimée sous forme de protéines ($20^{n}$ possibilités).
2. Transcription (noyau) : l'ARN polymérase copie un gène en ARN simple brin (U remplace T) par complémentarité ; maturation du pré-ARNm en ARNm, exporté vers le cytoplasme.
3. Traduction (cytoplasme, ribosomes) : lecture de l'ARNm par codons de trois nucléotides selon le code génétique, redondant et universel ; AUG initiation, UAA/UAG/UGA stop.
4. Génotype (allèles) → phénotype à trois échelles (moléculaire, cellulaire, organisme).
5. L'expression des gènes est régulée par des facteurs internes (développement, hormones) et externes (environnement) : le phénotype dépend du génotype et de son expression.