ADN, génétique et évolution

par expression génique, nous entendons la transcription d’un gène en ARNm et sa traduction ultérieure en protéine. L’expression des gènes est principalement contrôlée au niveau de la transcription, en grande partie à la suite de la liaison des protéines à des sites spécifiques sur L’ADN. En 1965, François Jacob, Jacques Monod et André Lwoff ont partagé le prix Nobel de médecine pour leurs travaux soutenant l’idée que le contrôle des niveaux enzymatiques dans les cellules est régulé par la transcription de l’ADN., se produit par la régulation de la transcription, qui peut être induite ou réprimée. Ces chercheurs ont proposé que la production de l’enzyme est contrôlée par un « opéron », qui consiste en une série de gènes apparentés sur le chromosome comprenant un opérateur, un promoteur, un gène régulateur et des gènes structurels.

• Les gènes structuraux contiennent le code des produits protéiques à produire. La régulation de la production de protéines est largement obtenue en modulant l’accès de L’ARN polymérase au gène structurel transcrit.,
• Le gène promoteur ne Code rien; il s’agit simplement d’une séquence D’ADN qui est le site de liaison initial de L’ARN polymérase.
• Le gène opérateur est également non codant; il s’agit simplement d’une séquence D’ADN qui est le site de liaison du répresseur.
• Le gène régulateur code pour la synthèse d’une molécule répressive qui se lie à l’opérateur et empêche L’ARN polymérase de transcrire les gènes structuraux.

le gène opérateur est la séquence d’ADN non transcriptible qui est le site de liaison du répresseur., Il existe également un gène régulateur, qui code pour la synthèse d’une molécule répressive Hat se lie à l’opérateur

• exemple de Transcription inductible: la bactérie E. coli possède trois gènes qui codent pour des enzymes qui lui permettent de diviser et de métaboliser le lactose (un sucre dans le lait). Le promoteur est le site sur L’ADN où l’ARN polymérase lie afin d’initier la transcription. Cependant, les enzymes sont généralement présentes à de très faibles concentrations, car leur transcription est inhibée par une protéine répressive produite par un gène régulateur (voir la partie supérieure de la figure ci-dessous)., La protéine répressive se lie au site opérateur et inhibe la transcription. Cependant, si le lactose est présent dans l’environnement, il peut se lier à la protéine répressive et l’inactiver, éliminant efficacement le blocage et permettant la transcription de l’ARN messager nécessaire à la synthèse de ces gènes (partie inférieure de la figure ci-dessous).

• exemple de Transcription répressible: E. coli a besoin de l’acide aminé tryptophane, et L’ADN d’E. coli a également des gènes pour la synthétiser., Ces gènes se transcrivent généralement en continu puisque la bactérie a besoin de tryptophane. Cependant, si les concentrations de tryptophane sont élevées, la transcription est réprimée (désactivée) en se liant à une protéine répressive et en l’activant comme illustré ci-dessous.

Contrôle de l’Expression Génique chez les Eucaryotes

les cellules Eucaryotes ont des mécanismes similaires pour le contrôle de l’expression des gènes, mais ils sont plus complexes., Considérons, par exemple, que les cellules procaryotes d’une espèce donnée sont toutes les mêmes, mais la plupart des eucaryotes sont des organismes multicellulaires avec de nombreux types de cellules, de sorte que le contrôle de l’expression des gènes est beaucoup plus compliqué. Sans surprise, l’expression des gènes dans les cellules eucaryotes est contrôlée par un certain nombre de processus complexes qui sont résumés par la liste suivante.

• après la fécondation, les cellules de l’embryon en développement deviennent de plus en plus spécialisées, en grande partie en activant certains gènes et en désactivant de nombreux autres., Certaines cellules du pancréas, par exemple, sont spécialisées pour synthétiser et sécréter des enzymes digestives, tandis que d’autres cellules pancréatiques (cellules β dans les îlots de Langerhans) sont spécialisées pour synthétiser et sécréter de l’insuline. Chaque type de cellule a un modèle particulier de gènes exprimés. Cette différenciation en cellules spécialisées résulte en grande partie de la désactivation de l’expression de la plupart des gènes dans la cellule; les cellules matures ne peuvent utiliser que 3 à 5% des gènes présents dans le noyau de la cellule.,
• l’expression génique chez les eucaryotes peut également être régulée par des altérations de l’emballage de l’ADN, qui module l’accès des enzymes de transcription de la cellule (par exemple, L’ARN polymérase) à L’ADN. L’illustration ci-dessous montre que les chromosomes ont une structure complexe. L’hélice D’ADN est enroulée autour de protéines spéciales appelées histones, et celles-ci sont enveloppées dans des fibres hélicoïdales serrées. Ces fibres sont ensuite bouclées et pliées en structures de plus en plus compactes qui, lorsqu’elles sont complètement enroulées et condensées, donnent aux chromosomes leur aspect caractéristique en métaphase.,

Source: http://www.78stepshealth.us/plasma-membrane/eukaryotic-chromosomes.html

• similaire aux opérons décrits ci-dessus pour les procaryotes, les eucaryotes utilisent également des protéines régulatrices pour contrôler la transcription, mais chaque gène eucaryote a son propre ensemble de contrôles. De plus, il existe beaucoup plus de protéines régulatrices chez les eucaryotes et les interactions sont beaucoup plus complexes.,
• chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau membranaire, et la transcription initiale est modifiée avant d’être transportée du noyau vers le cytoplasme pour être traduite au niveau du ribosome s. La transcription initiale chez les eucaryotes a des segments codants (exons) alternant avec des segments non codants (introns)., Avant que l’ARNm ne quitte le noyau, les introns sont retirés de la transcription par un processus appelé épissage de L’ARN (voir graphique & vidéo ci-dessous), et des nucléotides supplémentaires sont ajoutés aux extrémités de la transcription; ces « bouchons » et « queues » non codants protègent l’ARNm des attaques des enzymes cellulaires et aident à la reconnaissance par les ribosomes.,

Source: http://unmug.com/category/biology/organisation-control-of-genome/

• Variation de la longévité de l’arnm fournit encore une autre occasion pour le contrôle de l’expression des gènes. L’ARNm procaryote est de très courte durée, mais les transcriptions eucaryotes peuvent durer des heures, ou parfois même des semaines (par exemple, l’ARNm pour l’hémoglobine dans les globules rouges des oiseaux).,
• Le processus de traduction offre des possibilités supplémentaires de régulation par de nombreuses protéines. Par exemple, la traduction de l’ARNm de l’hémoglobine est inhibée à moins que l’hème contenant du fer ne soit présent dans la cellule.
• Il existe également des possibilités de contrôles « post-traductionnels » de l’expression génique chez les eucaryotes. Certains polypeptides traduits (protéines) sont coupés par des enzymes en produits finaux plus petits et actifs. comme illustré dans la figure ci-dessous qui représente le traitement post-traductionnel de l’hormone insuline., L’insuline est initialement traduite comme un grand précurseur inactif; une séquence de signal est retirée de la tête du précurseur, et une grande partie centrale (la chaîne C) est coupée, laissant deux chaînes peptidiques plus petites qui sont ensuite liées l’une à l’autre par des ponts disulfure.La forme finale plus petite est la forme active de l’insuline.

Source: http://www.nbs.csudh.edu/chemistry/faculty/nsturm/CHE450/19_InsulinGlucagon.htm

• l’expression des Gènes peut également être modifié par la dégradation des protéines qui sont produites., Par exemple, certaines des enzymes impliquées dans le métabolisme cellulaire sont décomposées peu de temps après leur production; cela fournit un mécanisme pour répondre rapidement à l’évolution des demandes métaboliques.
• l’expression des Gènes peut également être influencée par des signaux provenant d’autres cellules. Il existe de nombreux exemples dans lesquels une molécule de signal (par exemple, une hormone) d’une cellule se lie à une protéine réceptrice sur une cellule cible et initie une séquence de changements biochimiques (une voie de transduction de signal) qui entraînent des changements dans la cellule cible., Ces changements peuvent inclure une augmentation ou une diminution de la transcription, comme illustré dans la figure ci-dessous.

• Le système D’Interférence ARN (Arni) est un autre mécanisme par lequel les cellules contrôlent l’expression des gènes en arrêtant la traduction de l’ARNm. L’ARNI peut également être utilisé pour arrêter la traduction des protéines virales lorsqu’une cellule est infectée par un virus. Le système Arni a également le potentiel d’être exploité sur le plan thérapeutique.,

Arni

certains virus à ARN envahiront les cellules et introduiront de l’ARN double brin qui utilisera la machinerie cellulaire pour fabriquer de nouvelles copies de L’ARN viral et des protéines virales. Le système d’interférence ARN (Arni) de la cellule peut empêcher l’ARN viral de se répliquer. Tout d’abord, une enzyme surnommée « Dicer » coupe tout ARN double brin qu’elle trouve en morceaux d’environ 22 nucléotides de long. Ensuite, les complexes protéiques appelés RISC (ARN-induced Silencing Complex) se lient aux fragments d’ARN double brin, l’enroulent, puis libèrent l’un des brins, tout en conservant l’autre., Le complexe RISC-ARN se liera alors à tout autre ARN viral avec des séquences nucléotidiques correspondant à celles de l’ARN attaché au complexe. Cette liaison bloque la traduction des protéines virales au moins partiellement, sinon complètement. Le système RNAi pourrait potentiellement être utilisé pour développer des traitements pour les gènes défectueux qui causent la maladie. Le traitement impliquerait de fabriquer un ARN double brin à partir du gène malade et de l’introduire dans les cellules pour réduire au silence l’expression de ce gène., Pour une explication illustrée de RNAi, voir le court module flash interactif à http://www.pbs.org/wgbh/nova/body/rnai-explained.html

Le système d’interférence ARN est également expliqué plus complètement dans la vidéo ci-dessous de nature Video.

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