Une cellule lit un gène en deux temps : l'ARN polymérase copie un brin d'ADN en ARN messager (ARNm), puis le ribosome lit cet ARNm trois nucléotides à la fois pour assembler une protéine. Exemple : en face du brin d'ADN 3'-TAC GGT-5', la polymérase écrit l'ARNm 5'-AUG CCA-3', traduit en méthionine puis proline. Les signaux reçus par la cellule, comme une hormone, modifient ensuite ses protéines et les gènes qu'elle lit. Une règle d'orientation revient à chaque étape : on commence par elle.
L'ADN et sa réplication
Un brin d'ADN enchaîne des nucléotides, faits chacun d'un sucre, le désoxyribose, d'un phosphate et d'une base (A, T, G ou C). Le phosphate relie le carbone 3' d'un sucre au carbone 5' du suivant : un brin a donc une extrémité 5' et une extrémité 3', et s'écrit de 5' vers 3' sauf mention contraire.
Les deux brins de la double hélice sont antiparallèles, l'extrémité 5' de l'un face à l'extrémité 3' de l'autre, et complémentaires : A s'apparie à T par deux liaisons hydrogène, G à C par trois. À la réplication, chacun sert de modèle, et chaque molécule fille garde un brin ancien et un brin neuf : elle est dite semi-conservative.
Règle : une polymérase n'allonge une chaîne que par son extrémité 3'. Le brin neuf grandit donc de 5' vers 3', et le brin modèle est lu de 3' vers 5'. L'ADN polymérase exige en plus une amorce, un court ARN posé par une enzyme, la primase.
Conséquence de la règle à la fourche de réplication, là où l'hélice s'ouvre : le brin avancé (ou précoce) est synthétisé d'un seul tenant, dans le sens où progresse la fourche. Le brin retardé (ou tardif) l'est à rebours, en fragments d'Okazaki qui ont chacun leur amorce et sont raccordés ensuite.
La transcription
L'ARN diffère de l'ADN par son sucre, le ribose, et par l'uracile (U), qui remplace la thymine. L'ARN polymérase se fixe sur le promoteur, une séquence de départ, et lit un seul brin, le brin matrice, pour fabriquer sans amorce un ARN qui lui est complémentaire. L'autre brin, dit codant, a donc la même séquence que l'ARNm, avec T à la place de U.
Piège classique : un brin matrice donné de 5' vers 3', comme 5'-TTA CAT-3'. Son complémentaire lettre par lettre, AAU GUA, se lit de 3' vers 5' : l'ARNm est en fait 5'-AUG UAA-3', un départ puis un stop, et non Asn-Val.
Chez les eucaryotes, l'ARN tout juste transcrit, le pré-ARNm, est retouché dans le noyau. Une coiffe (une guanine méthylée) en 5' et une queue d'environ 200 adénines en 3', la queue poly(A), le protègent et aident à son export puis à sa traduction. L'épissage retire les introns, portions non codantes, et raboute les exons. Les bactéries, sans noyau, traduisent l'ARN pendant sa transcription.
Piège classique : le dogme central ne se réduit pas à « ADN, puis ARN, puis protéine ». Selon Francis Crick (Nature, 1970), une information entrée dans une protéine n'en ressort plus vers une protéine ou un acide nucléique. Le VIH, qui recopie son ARN en ADN grâce à la transcriptase inverse, ne le contredit donc pas.
La traduction
Le ribosome lit l'ARNm de 5' vers 3', par codons de trois nucléotides. Quatre bases donnent $4^3 = 64$ codons : 61 désignent l'un des 20 acides aminés, 3 (UAA, UAG, UGA) arrêtent la traduction. Le code est donc redondant, ou dégénéré, mais jamais ambigu : un codon désigne un seul acide aminé. Il est presque universel : les mitochondries des vertébrés, d'après le NCBI, lisent UGA comme un tryptophane.
L'adaptateur, c'est l'ARN de transfert (ARNt) : il porte d'un côté un anticodon, complémentaire du codon, de l'autre l'acide aminé correspondant.
Chez les eucaryotes, la petite sous-unité du ribosome se pose sur la coiffe et glisse jusqu'au premier AUG, qui reçoit l'ARNt initiateur chargé de méthionine et fixe le cadre de lecture. À chaque codon, un ARNt chargé entre au site A, la chaîne portée par l'ARNt du site P se lie à son acide aminé par une liaison peptidique, puis le ribosome avance d'un codon et l'ARNt vide sort par le site E. Sur un codon stop, un facteur de libération entre au site A et la chaîne est relâchée.
Une protéine à sécréter, guidée par un peptide signal en tête de chaîne, est synthétisée dans le réticulum endoplasmique rugueux, puis modifiée et triée par l'appareil de Golgi, qu'elle quitte dans une vésicule. Les récepteurs membranaires suivent la même route.
La signalisation cellulaire
Une hormone ou un neurotransmetteur, la molécule signal ou ligand, agit en se fixant sur un récepteur, une protéine qui le reconnaît spécifiquement. Une cellule sans ce récepteur reste sourde au signal.
Une petite molécule hydrophobe, comme une hormone stéroïde, traverse la membrane ; son récepteur intracellulaire est souvent un facteur de transcription, une protéine qui règle la lecture de gènes. Une molécule hydrophile se fixe sur un récepteur membranaire : canal, récepteur à activité enzymatique ou récepteur couplé aux protéines G (RCPG), comme celui de l'adrénaline.
Étape 1 : Sur une cellule musculaire, l'adrénaline se fixe sur son récepteur, un RCPG dit β-adrénergique.
Étape 2 : La protéine G, activée par le récepteur, échange son GDP contre un GTP et sa sous-unité $\alpha_s$ se détache.
Étape 3 : $\alpha_s$ active l'adénylate cyclase, qui fabrique à partir d'ATP de l'AMP cyclique (AMPc), le second messager qui relaie le signal dans la cellule.
Étape 4 : L'AMPc active la protéine kinase A (PKA), qui phosphoryle d'autres protéines, c'est-à-dire leur greffe un phosphate.
Étape 5 : La glycogène phosphorylase, activée en bout de chaîne, découpe le glycogène en glucose.
À chaque étage, une protéine activée en active beaucoup d'autres : c'est l'amplification. La sous-unité catalytique de la PKA peut aussi gagner le noyau et phosphoryler CREB, un facteur de transcription : le signal reçu à la membrane change alors les gènes que la cellule lit.
Le signal doit ensuite s'éteindre : $\alpha_s$ hydrolyse elle-même son GTP en GDP, ce qui la désactive, et une phosphodiestérase dégrade l'AMPc en AMP.
Piège classique : l'adrénaline n'entre pas dans la cellule. Elle reste fixée dehors, sur son récepteur, et c'est l'AMPc, le second messager, qui porte le message à l'intérieur.
Exercices corrigés
Du plus direct au niveau d'un partiel. Voici les codons utiles, dans le code génétique standard.
| Codon | Acide aminé | Codon | Acide aminé |
|---|---|---|---|
| AUG | Met | CAU | His |
| GCA, GCG | Ala | GGA | Gly |
| UGG | Trp | AAU | Asn |
| AAA | Lys | UCU | Ser |
| UUC | Phe | UAA, UGA | stop |
Exercice 1 : Voici le brin matrice d'un court gène sans intron (séquence fictive), écrit de 3' vers 5' : 3'-TAC CGT ACC TTT AAG ATT-5'. Écris l'ARNm, le brin codant, puis le peptide obtenu.
Correction :
L'ARNm, complémentaire et antiparallèle au brin matrice, est 5'-AUG GCA UGG AAA UUC UAA-3' ; le brin codant, même séquence avec des T, est 5'-ATG GCA TGG AAA TTC TAA-3'.
Lu depuis AUG, l'ARNm donne Met-Ala-Trp-Lys-Phe, puis UAA, qui ne code aucun acide aminé, arrête la traduction.
Exercice 2 : Dans le brin codant 5'-ATG GCA TGG AAA TTC TAA-3' (nucléotides numérotés de 1 à 18 depuis l'extrémité 5'), donne le peptide et le type de chaque mutation, prise seule : a) le nucléotide 6 (A) devient G ; b) le nucléotide 9 (G) devient A ; c) le nucléotide 4 (G) est supprimé.
Correction :
a) Le deuxième codon devient GCG, encore l'alanine : peptide inchangé, mutation silencieuse.
b) Le troisième codon devient TGA, soit UGA dans l'ARNm, un codon stop. Le peptide s'arrête à Met-Ala : mutation non-sens.
c) La séquence devient ATG CAT GGA AAT TCT AA… : Met-His-Gly-Asn-Ser, puis la lecture continue jusqu'au premier stop du nouveau cadre. C'est le piège : perdre un nucléotide décale tout le cadre de lecture, au lieu de changer un seul acide aminé.
Exercice 3 : Dans les cellules de l'intestin, une protéine G stimulatrice, Gs, active l'adénylate cyclase, et l'AMPc fait ouvrir un canal à chlorure tourné vers le tube digestif. La toxine du choléra modifie leur sous-unité $\alpha_s$, qui ne peut plus hydrolyser son GTP. Que devient l'AMPc ? Pourquoi le malade perd-il beaucoup d'eau ?
Correction :
Sans hydrolyse du GTP, $\alpha_s$ reste active : l'adénylate cyclase tourne sans arrêt et l'AMPc reste élevé, même si la phosphodiestérase le dégrade.
Le canal à chlorure reste ouvert : les ions $\text{Cl}^-$ et d'autres ions sortent vers le tube digestif, et l'eau suit par osmose. C'est la diarrhée du choléra, qui peut tuer par déshydratation. La panne est sur l'interrupteur, la protéine G, pas sur le récepteur.
À retenir
À retenir :
- Brins d'ADN antiparallèles et complémentaires : A avec T, G avec C.
- Toute polymérase allonge une chaîne de 5' vers 3' ; l'ADN polymérase exige une amorce, l'ARN polymérase non.
- L'ARNm a la séquence du brin codant, avec U à la place de T.
- Le premier AUG fixe le cadre de lecture ; perdre un nucléotide le décale.
- Hormone hydrophile : récepteur membranaire et second messager ; hormone stéroïde : récepteur intracellulaire.
- Un signal doit s'éteindre : GTP hydrolysé, AMPc dégradé.
Sources
- Clark, Douglas et Choi, Biology 2e, OpenStax (Rice University), 2018 : manuel en libre accès.
- NCBI, « The Genetic Codes » : tables sur ncbi.nlm.nih.gov.
- Francis Crick, « Central Dogma of Molecular Biology », Nature, vol. 227, p. 561-563, 1970 : article sur nature.com.