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D3. Contrôle de la transcription des gènes chez les eucaryotes - Biologie


Trois différences majeures existent dans les mécanismes de contrôle utilisés pour réguler la transcription des gènes chez les eucaryotes par rapport aux procaryotes.

  • de multiples changements se produisent dans la structure de la chromatine au site de transcription
  • les mécanismes positifs régulent les transcriptions beaucoup plus souvent que les négatifs.
  • la transcription et la traduction se produisent à des sites et à des moments spatialement et temporellement distincts.

Les génomes des eucaryotes sont beaucoup plus gros que ceux des procaryotes. Cela pose certains problèmes en ce qui concerne la reliure. N'oubliez pas que les protéines de liaison à l'ADN présentent à la fois une liaison non spécifique et spécifique. La liaison non spécifique peut aider une protéine à trouver un site spécifique dans le génome, mais à mesure que la taille du génome augmente, les chances de trouver plusieurs sites spécifiques répartis de manière aléatoire augmentent. Ce problème peut être évité si plusieurs protéines sont nécessaires pour générer un complexe de transcription actif. Les chances de trouver deux sites spécifiques ou plus pour différentes protéines à proximité de sites autres que ceux requis pour la transcription génique sont très faibles. Plusieurs régulateurs négatifs ne seraient pas nécessaires puisque la liaison d'un seul régulateur serait probablement suffisante. La plupart des gènes eucaryotes ont environ 5 sites régulateurs pour la liaison des facteurs de transcription et de l'ARN polymérase. Des exemples de ces facteurs de transcription sont présentés dans la figure ci-dessous.

Chiffre: Contrôle de la transcription du gène de la globine


Chiffre: Exemple de complexes de transcription. (réimprimé avec la permission des Laboratoires Kanehisa et du projet KEGG : www.kegg.org )

La lumière peut même réguler l'expression des gènes en activant indirectement un facteur de transcription inactif chez les plantes. Le facteur de transcription PIF3 se lie à une région promotrice (boîte G) de gènes sensibles à la lumière. Ce n'est que lorsque PIF3 se lie à un autre facteur de transcription, Pr, que la transcription est activée. Pr, un "photorécepteur" se trouve sous une forme inactive dans le cytoplasme. Lorsqu'il absorbe la lumière rouge, il subit un changement de conformation et se déplace dans le noyau, où il peut se lier à PIF3 et activer la transcription. Le complexe d'activation est inactivé lorsque Pr interagit avec la lumière rouge lointaine.

Figure : Lors de l'absorption de la lumière rouge, un photorécepteur phytochrome est converti de la forme Pr inactive à la forme Pfr active

p53 informations de l'IHM

animation : p53 et transcription du gène à partir du HHMI (charge lentement)


D3. Contrôle de la transcription des gènes chez les eucaryotes - Biologie

L'initiation est la première étape de la transcription eucaryote et nécessite RNAP et plusieurs facteurs de transcription pour procéder.

Objectifs d'apprentissage

Décrire comment la transcription est initiée et se déroule le long du brin d'ADN

Points clés à retenir

Points clés

  • La transcription eucaryote est réalisée dans le noyau de la cellule et se déroule en trois étapes séquentielles : initiation, élongation et terminaison.
  • Les eucaryotes ont besoin de facteurs de transcription pour se lier d'abord à la région promotrice, puis pour aider à recruter la polymérase appropriée.
  • L'ARN polymérase II est la polymérase responsable de la transcription de l'ARNm.

Mots clés

  • répresseur: toute protéine qui se lie à l'ADN et régule ainsi l'expression des gènes en diminuant le taux de transcription
  • activateur: tout produit chimique ou agent qui régule un ou plusieurs gènes en augmentant le taux de transcription
  • polymérase: l'une quelconque des diverses enzymes qui catalysent la formation de polymères d'ADN ou d'ARN en utilisant un brin existant d'ADN ou d'ARN comme matrice

Étapes de la transcription eucaryote

La transcription eucaryote est réalisée dans le noyau de la cellule par l'une des trois ARN polymérases, selon l'ARN à transcrire, et se déroule en trois étapes séquentielles :

Initiation de la transcription chez les eucaryotes

Contrairement à l'ARN polymérase procaryote qui peut se lier à une matrice d'ADN par elle-même, les eucaryotes ont besoin de plusieurs autres protéines, appelées facteurs de transcription, pour se lier d'abord à la région promotrice, puis aider à recruter la polymérase appropriée. L'assemblage complet des facteurs de transcription et de l'ARN polymérase se lie au promoteur, formant un complexe de pré-initiation de la transcription (PIC).

L'élément promoteur central le plus étudié chez les eucaryotes est une courte séquence d'ADN connue sous le nom de boîte TATA, trouvée 25 à 30 paires de bases en amont du site de départ de la transcription. Seulement environ 10 à 15 % des gènes de mammifères contiennent des boîtes TATA, tandis que le reste contient d'autres éléments promoteurs centraux, mais les mécanismes par lesquels la transcription est initiée au niveau des promoteurs avec des boîtes TATA sont bien caractérisés.

La boîte TATA, en tant qu'élément promoteur central, est le site de liaison d'un facteur de transcription connu sous le nom de protéine de liaison TATA (TBP), qui est lui-même une sous-unité d'un autre facteur de transcription : le facteur de transcription II D (TFIID). Une fois que TFIID se lie à la boîte TATA via la TBP, cinq autres facteurs de transcription et l'ARN polymérase se combinent autour de la boîte TATA en une série d'étapes pour former un complexe de pré-initiation. Un facteur de transcription, le facteur de transcription II H (TFIIH), est impliqué dans la séparation des brins opposés d'ADN double brin pour permettre à l'ARN polymérase d'accéder à une matrice d'ADN simple brin. Cependant, seul un taux de transcription bas, ou basal, est entraîné par le complexe de pré-initiation seul. D'autres protéines appelées activateurs et répresseurs, ainsi que tous les coactivateurs ou corépresseurs associés, sont responsables de la modulation du taux de transcription. Les protéines activatrices augmentent le taux de transcription et les protéines répresseurs diminuent le taux de transcription.

Initiation à la transcription eucaryote: Un promoteur généralisé d'un gène transcrit par l'ARN polymérase II est montré. Les facteurs de transcription reconnaissent le promoteur, l'ARN polymérase II se lie alors et forme le complexe d'initiation de la transcription.

Les trois ARN polymérases eucaryotes (RNAP)

Les caractéristiques de la synthèse d'ARNm eucaryotes sont nettement plus complexes que celles des procaryotes. Au lieu d'une seule polymérase comprenant cinq sous-unités, les eucaryotes ont trois polymérases composées chacune de 10 sous-unités ou plus. Chaque polymérase eucaryote nécessite également un ensemble distinct de facteurs de transcription pour l'amener à la matrice d'ADN.

L'ARN polymérase I est située dans le nucléole, une sous-structure nucléaire spécialisée dans laquelle l'ARN ribosomique (ARNr) est transcrit, traité et assemblé en ribosomes. Les molécules d'ARNr sont considérées comme des ARN structuraux car elles ont un rôle cellulaire mais ne sont pas traduites en protéines. Les ARNr sont des composants du ribosome et sont essentiels au processus de traduction. L'ARN polymérase I synthétise tous les ARNr à l'exception de la molécule d'ARNr 5S.

L'ARN polymérase II est située dans le noyau et synthétise tous les pré-ARNm nucléaires codant pour les protéines. Les pré-ARNm eucaryotes subissent un traitement intensif après la transcription, mais avant la traduction. L'ARN polymérase II est responsable de la transcription de l'écrasante majorité des gènes eucaryotes, y compris tous les gènes codant pour les protéines qui sont finalement traduits en protéines et en gènes pour plusieurs types d'ARN régulateurs, y compris les microARN (miARN) et les ARN à long codage (lncRNA) .

L'ARN polymérase III est également localisée dans le noyau. Cette polymérase transcrit une variété d'ARN structurels qui incluent le pré-ARN 5S, les pré-ARN de transfert (pré-ARNt) et les petits pré-ARN nucléaires. Les ARNt ont un rôle essentiel dans la traduction : ils servent de molécules adaptatrices entre la matrice d'ARNm et la chaîne polypeptidique en croissance. Les petits ARN nucléaires ont une variété de fonctions, y compris les pré-ARNm et la régulation des facteurs de transcription. Tous les miARN ne sont pas transcrits par l'ARN polymérase II, l'ARN polymérase III en transcrit certains.

Modélisation de la transcription: Ce modèle interactif du processus de transcription de l'ADN dans une cellule eucaryote.


16.5 Régulation des gènes post-transcriptionnels eucaryotes

Dans cette section, vous explorerez la question suivante :

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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 enlèvent 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.

Soutien aux enseignants

Présentez les modifications de l'ARNm à l'aide de vidéos telles que celle-ci sur les 5'caps et les 3'poly-A tails.

Les élèves peuvent ne pas se rendre compte que l'épissage se produit avec des variations, tous les introns ne sont pas excisés exactement de la même manière tout le temps. L'épissage différentiel produit différents produits protéiques. Celui-ci introduit l'épissage d'ARN.

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.

Lien vers l'apprentissage

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.

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Pensez-y

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

Soutien aux enseignants

La question est une application de l'objectif d'apprentissage 3.1 et de la pratique scientifique 6.5 et de l'objectif d'apprentissage 3.6 et de la pratique scientifique 6.4 parce que les étudiants sont invités à expliquer comment le piquant alternatif, c'est-à-dire la réorganisation des introns après la transcription, affecte le ou les produits produits et pourquoi cela l'épissage offre des avantages évolutifs.

Réponse:

Contrôle de la stabilité de l'ARN

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.


Voir la vidéo: Biologie moléculaire En Arabe, Transcription Chez les Eucaryote, SVI S5 Partie 1. (Janvier 2022).