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16.3 : Régulation des gènes eucaryotes - Biologie

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16.3 : Régulation des gènes eucaryotes

16.5 Régulation des gènes post-transcriptionnels eucaryotes

Dans cette section, vous explorerez la question suivante :

Connexion pour les cours AP ®

La régulation post-transcriptionnelle peut se produire à n'importe quel stade après la transcription. L'épissage de l'ARN est un mécanisme post-transcriptionnel important. Une fois l'ARN transcrit, il est souvent modifié pour créer un ARN mature prêt à être traduit. Comme nous l'avons étudié dans les chapitres précédents, le traitement de l'ARN messager implique l'élimination des introns qui ne codent pas pour la protéine. Les spliceosomes éliminent les introns et ligaturent les exons ensemble, souvent dans des séquences différentes de leur ordre d'origine sur l'ARN messager nouvellement transcrit (immature). Un capuchon GTP est ajouté à l'extrémité 5' et une queue poly-A est ajoutée à l'extrémité 3'. Cet ARN messager mature quitte alors le noyau et pénètre dans le cytoplasme. Une fois dans le cytoplasme, la durée pendant laquelle l'ARN messager y réside avant d'être dégradé – une durée de vie caractéristique ou « durée de conservation » de la molécule appelée stabilité de l'ARN – peut être modifiée pour contrôler la quantité de protéine synthétisée. La stabilité de l'ARN est contrôlée par plusieurs facteurs, notamment les microARN (miARN ou ARNi, interférence ARN). Les miARN diminuent toujours la stabilité et favorisent la dégradation de l'ARN messager.

Les informations présentées et les exemples mis en évidence dans la section soutiennent les concepts décrits dans la grande idée 3 du cadre du programme d'études en biologie AP ® . Les objectifs d'apprentissage énumérés dans le cadre du programme d'études fournissent une base transparente pour le cours de biologie AP ®, une expérience de laboratoire basée sur l'enquête, des activités pédagogiques et des questions d'examen AP ®. Un objectif d'apprentissage fusionne le contenu requis avec une ou plusieurs des sept pratiques scientifiques.

Grande idée 3 Les systèmes vivants stockent, récupèrent, transmettent et répondent aux informations essentielles aux processus de la vie.
Compréhension durable 3.A Les informations héréditaires assurent la continuité de la vie.
Connaissances essentielles 3.A.1 L'ADN, et dans certains cas l'ARN, est la principale source d'informations héréditaires.
Pratique scientifique 6.5 L'étudiant peut évaluer des explications scientifiques alternatives.
Objectif d'apprentissage 3.1 L'étudiant est capable de construire des explications scientifiques qui utilisent les structures et les mécanismes de l'ADN et de l'ARN pour soutenir l'affirmation selon laquelle l'ADN et, dans certains cas, l'ARN sont la principale source d'informations héréditaires.
Connaissances essentielles 3.A.1 L'ADN, et dans certains cas l'ARN, est la principale source d'informations héréditaires.
Pratique scientifique 6.4 L'étudiant peut faire des déclarations et des prédictions sur des phénomènes naturels sur la base de théories et de modèles scientifiques.
Objectif d'apprentissage 3.6 L'étudiant peut prédire comment un changement dans une séquence d'ADN ou d'ARN spécifique peut entraîner des changements dans l'expression des gènes.

L'ARN est transcrit, mais doit être transformé en une forme mature avant que la traduction puisse commencer. Ce traitement après qu'une molécule d'ARN a été transcrite, mais avant qu'elle ne soit traduite en une protéine, est appelé modification post-transcriptionnelle. Comme pour les étapes épigénétiques et transcriptionnelles du traitement, cette étape post-transcriptionnelle peut également être régulée pour contrôler l'expression des gènes dans la cellule. Si l'ARN n'est pas traité, transporté ou traduit, aucune protéine ne sera synthétisée.

L'épissage de l'ARN, la première étape du contrôle post-transcriptionnel

Dans les cellules eucaryotes, le transcrit d'ARN contient souvent des régions, appelées introns, qui sont éliminées avant la traduction. Les régions de l'ARN qui codent pour la protéine sont appelées exons (Figure 16.11). Après la transcription d'une molécule d'ARN, mais avant son départ du noyau à traduire, l'ARN est traité et les introns sont éliminés par épissage.

CONNEXION ÉVOLUTION

Épissage alternatif d'ARN

Dans les années 1970, on a observé pour la première fois des gènes qui présentaient un épissage alternatif de l'ARN. L'épissage alternatif de l'ARN est un mécanisme qui permet à différents produits protéiques d'être produits à partir d'un même gène lorsque différentes combinaisons d'introns, et parfois d'exons, sont retirées du transcrit (Figure 16.12). Cet épissage alternatif peut être aléatoire, mais le plus souvent il est contrôlé et agit comme un mécanisme de régulation génique, la fréquence des différentes alternatives d'épissage étant contrôlée par la cellule comme moyen de contrôler la production de différents produits protéiques dans différentes cellules ou à différents stades de développement. L'épissage alternatif est maintenant compris comme un mécanisme commun de régulation des gènes chez les eucaryotes, selon une estimation, 70 pour cent des gènes chez l'homme sont exprimés sous forme de protéines multiples grâce à l'épissage alternatif.

  1. La flexibilité augmente car l'ARNm peut être modifié une fois la transcription terminée.
  2. La flexibilité augmente parce que les gènes peuvent être divisés et recombinés en de nouveaux gènes.
  3. La flexibilité diminue car la molécule d'ARNm devient plus petite.
  4. La flexibilité diminue car l'ADN est dégradé lors de l'épissage alternatif.

Visualisez comment l'épissage de l'ARNm se produit en regardant le processus en action dans cette vidéo.

  1. Une fois qu'un ARNm est épissé, l'ARNm d'origine ne peut plus être créé.
  2. L'ARN épissé ne peut pas produire de protéines appropriées.
  3. L'épissage ne se produit pas du tout.
  4. L'épissage se produit au mauvais endroit sur l'ARNm.

CONNEXION SCIENCE PRATIQUE POUR LES COURS AP®

PENSEZ-Y

Quel est l'avantage évolutif de l'épissage alternatif des gènes des introns lors de la modification post-transcriptionnelle de l'ARNm ?

Avant que l'ARNm ne quitte le noyau, il est doté de deux « coiffes » protectrices qui empêchent l'extrémité du brin de se dégrader au cours de son voyage. Le capuchon 5', qui est placé à l'extrémité 5' de l'ARNm, est généralement composé d'une molécule de guanosine triphosphate méthylée (GTP). La queue poly-A, qui est attachée à l'extrémité 3', est généralement composée d'une série de nucléotides d'adénine. Une fois que l'ARN est transporté vers le cytoplasme, la durée pendant laquelle l'ARN y réside peut être contrôlée. Chaque molécule d'ARN a une durée de vie définie et se désintègre à une vitesse spécifique. Ce taux de décomposition peut influencer la quantité de protéines dans la cellule. Si le taux de décroissance augmente, l'ARN n'existera pas dans le cytoplasme aussi longtemps, ce qui raccourcira le temps nécessaire à la traduction. Inversement, si le taux de dégradation diminue, la molécule d'ARN résidera plus longtemps dans le cytoplasme et davantage de protéines pourront être traduites. Ce taux de dégradation est appelé stabilité de l'ARN. Si l'ARN est stable, il sera détecté plus longtemps dans le cytoplasme.

La liaison des protéines à l'ARN peut influencer sa stabilité. Les protéines, appelées protéines de liaison à l'ARN, ou RBP, peuvent se lier aux régions de l'ARN juste en amont ou en aval de la région codant pour la protéine. Ces régions de l'ARN qui ne sont pas traduites en protéines sont appelées régions non traduites ou UTR. Ce ne sont pas des introns (ceux-ci ont été supprimés dans le noyau). Ce sont plutôt des régions qui régulent la localisation, la stabilité et la traduction des protéines de l'ARNm. La région juste avant la région codant pour la protéine est appelée 5' UTR , tandis que la région après la région codante est appelée 3' UTR (Figure 16.13). La liaison des RBP à ces régions peut augmenter ou diminuer la stabilité d'une molécule d'ARN, en fonction de la RBP spécifique qui se lie.

Stabilité de l'ARN et microARN

En plus des RBP qui se lient à et contrôlent (augmentent ou diminuent) la stabilité de l'ARN, d'autres éléments appelés microARN peuvent se lier à la molécule d'ARN. Ces microARN, ou miARN, sont de courtes molécules d'ARN qui ne mesurent que 21 à 24 nucléotides. Les miARN sont fabriqués dans le noyau sous forme de pré-miARN plus longs. Ces pré-miARN sont découpés en miARN matures par une protéine appelée dicer . Comme les facteurs de transcription et les RBP, les miARN matures reconnaissent une séquence spécifique et se lient à l'ARN. Cependant, les miARN s'associent également à un complexe ribonucléoprotéique appelé complexe de silençage induit par l'ARN (RISC). RISC se lie avec le miARN pour dégrader l'ARNm cible. Ensemble, les miARN et le complexe RISC détruisent rapidement la molécule d'ARN.


Contrôle épigénétique : réguler l'accès aux gènes dans le chromosome

Contrôle épigénétique : réguler l'accès aux gènes dans le chromosome

Comme indiqué précédemment, l'une des raisons pour lesquelles l'expression génique eucaryote est plus complexe que l'expression génique procaryote est que les processus de transcription et de traduction sont physiquement séparés. Contrairement aux cellules procaryotes, les cellules eucaryotes peuvent réguler l'expression des gènes à de nombreux niveaux différents. L'expression des gènes eucaryotes commence par le contrôle de l'accès à l'ADN. Cette forme de régulation, appelée régulation épigénétique, se produit avant même que la transcription ne soit initiée.

Le génome humain code pour plus de 20 000 gènes, chacune des 23 paires de chromosomes humains code pour des milliers de gènes. L'ADN dans le noyau est précisément enroulé, plié et compacté en chromosomes afin qu'il s'insère dans le noyau. Il est également organisé de manière à ce que des segments spécifiques soient accessibles selon les besoins par un type de cellule spécifique.

Le premier niveau d'organisation, ou d'emballage, est l'enroulement des brins d'ADN autour des protéines histones. Les histones emballent et ordonnent l'ADN en unités structurelles appelées complexes de nucléosomes, qui peuvent contrôler l'accès des protéines aux régions de l'ADN (Figure 16.6une). Au microscope électronique, cet enroulement d'ADN autour des protéines histones pour former des nucléosomes ressemble à de petites billes sur une ficelle (Figure 16.6b). Ces billes (protéines histones) peuvent se déplacer le long de la ficelle (ADN) et modifier la structure de la molécule.

Si l'ADN codant pour un gène spécifique doit être transcrit en ARN, les nucléosomes entourant cette région d'ADN peuvent glisser le long de l'ADN pour ouvrir cette région chromosomique spécifique et permettre à la machinerie transcriptionnelle (ARN polymérase) d'initier la transcription (Figure 16.7). Les nucléosomes peuvent se déplacer pour ouvrir la structure chromosomique pour exposer un segment d'ADN, mais le font de manière très contrôlée.

Connexion visuelle

  1. La méthylation de l'ADN et l'hypo-acétylation des histones provoquent un tassement lâche des nucléosomes, inactivant l'un des chromosomes X.
  2. La méthylation des histones et l'hyper-acétylation de l'ADN provoquent un tassement serré des nucléosomes, inactivant l'un des chromosomes X en raison de la répression transcriptionnelle.
  3. La méthylation de l'ADN et l'hypo-acétylation des histones provoquent un tassement serré des nucléosomes, inactivant l'un des chromosomes X.
  4. L'acétylation de l'ADN et l'hyperméthylation des histones provoquent un tassement serré des nucléosomes, inactivant l'un des chromosomes X.

La façon dont les protéines histones se déplacent dépend des signaux trouvés à la fois sur les protéines histones et sur l'ADN. Ces signaux sont des marqueurs ajoutés aux protéines histones et à l'ADN qui indiquent aux histones si une région chromosomique doit être ouverte ou fermée. La figure 16.8 illustre les modifications apportées aux protéines histones et à l'ADN. Ces balises ne sont pas permanentes, mais peuvent être ajoutées ou supprimées au besoin. Ce sont des modifications chimiques (groupes phosphate, méthyle ou acétyle) qui sont attachées à des acides aminés spécifiques dans la protéine ou aux nucléotides de l'ADN. Les balises ne modifient pas la séquence de base de l'ADN, mais elles modifient le degré d'enroulement de l'ADN autour des protéines histones. L'ADN est une molécule chargée négativement, par conséquent, les changements dans la charge de l'histone changeront la façon dont la molécule d'ADN sera étroitement enroulée. Lorsqu'elles ne sont pas modifiées, les protéines histones ont une grande charge positive en ajoutant des modifications chimiques comme des groupes acétyle, la charge devient moins positive.

La molécule d'ADN elle-même peut également être modifiée. Cela se produit dans des régions très spécifiques appelées îlots CpG. Ce sont des tronçons avec une fréquence élevée de paires d'ADN dinucléotidiques (CG) de cytosine et de guanine trouvées dans les régions promotrices des gènes. Lorsque cette configuration existe, le membre cytosine de la paire peut être méthylé, c'est-à-dire qu'un groupe méthyle est ajouté. Cette modification change la façon dont l'ADN interagit avec les protéines, y compris les protéines histones qui contrôlent l'accès à la région. Les régions d'ADN hautement méthylées (hyperméthylées) avec des histones désacétylées sont étroitement enroulées et transcriptionnellement inactives.

Ce type de régulation génique est appelé régulation épigénétique. Moyens épigénétiques autour de la génétique. Les changements qui se produisent dans les protéines histones et l'ADN ne modifient pas la séquence nucléotidique et ne sont pas permanents. Au lieu de cela, ces changements sont temporaires, bien qu'ils persistent souvent à travers plusieurs cycles de division cellulaire et modifient la structure chromosomique (ouverte ou fermée) selon les besoins. Un gène peut être activé ou désactivé en fonction de l'emplacement et des modifications apportées aux protéines histones et à l'ADN. Si un gène doit être transcrit, les protéines histones et l'ADN sont modifiés autour de la région chromosomique codant pour ce gène. Cela ouvre la région chromosomique pour permettre à l'ARN polymérase et à d'autres protéines, appelées facteurs de transcription, de se lier à la région promotrice, située juste en amont du gène, et d'initier la transcription. Si un gène doit rester éteint ou réduit au silence, les protéines histones et l'ADN ont des modifications différentes qui signalent une configuration chromosomique fermée. Dans cette configuration fermée, l'ARN polymérase et les facteurs de transcription n'ont pas accès à l'ADN et la transcription ne peut pas avoir lieu (Figure 16.7).

Connexion science-pratique pour les cours AP®

Pensez-y

Chez les femelles, l'un des deux chromosomes X est inactivé au cours du développement embryonnaire en raison de modifications épigénétiques de la chromatine. Quel impact pensez-vous que ces changements auront sur l'empaquetage des nucléosomes et, par conséquent, sur l'expression des gènes ?

Lien vers l'apprentissage

Regardez cette vidéo qui décrit comment la régulation épigénétique contrôle l'expression des gènes.


Questions de révision

Que sont les modifications épigénétiques ?

  1. l'ajout de modifications réversibles aux protéines histones et à l'ADN
  2. l'élimination des nucléosomes de l'ADN
  3. l'ajout de plus de nucléosomes à l'ADN
  4. mutation de la séquence d'ADN

Parmi les propositions suivantes, lesquelles sont vraies en ce qui concerne les changements épigénétiques ?

  1. permettre la transcription de l'ADN
  2. déplacer les histones pour ouvrir ou fermer une région chromosomique
  3. sont temporaires
  4. Tout ce qui précède


Voir la vidéo: Régulation des gènes exercices (Décembre 2022).