Expression génétique

L’ordre des nucléotides dans l’ADN porte une information. Une cellule utilise certaines régions de cette information pour produire des ARN et, pour les gènes concernés, des protéines. Une protéine est une chaîne d’acides aminés dont l’ordre contribue à déterminer la forme et la fonction. L’expression génétique désigne les processus qui permettent d’utiliser l’information d’un gène pour produire ses molécules fonctionnelles.

Il faut distinguer l’information et le code génétique. L’information est une séquence particulière, comme l’ordre des bases d’un gène. Le code génétique est la correspondance utilisée pour relier des groupes de trois nucléotides de l’ARN messager aux acides aminés ou à un signal d’arrêt. Deux gènes différents utilisent le même système de correspondance, tout en portant des messages différents.

Avec quatre bases possibles à chaque position, un fragment de longueur n peut prendre 4ⁿ séquences dans un modèle où toutes les combinaisons sont admises. Pour trois positions, 4³ = 64 combinaisons sont possibles. Une chaîne de trois acides aminés, choisis parmi vingt, possède 20³ = 8 000 séquences possibles dans le même type de modèle. Ces calculs décrivent des possibilités combinatoires, pas le nombre de molécules effectivement présentes dans une cellule.

Chez les eucaryotes, la transcription de l’ADN nucléaire se déroule dans le noyau. Un des brins d’une région d’ADN sert de modèle, ou brin transcrit. Un ARN est synthétisé par complémentarité. L’ARN contient du ribose, tandis que l’ADN contient du désoxyribose. Dans l’ARN, l’uracile, noté U, remplace la thymine. Face au brin transcrit, A appelle U, T appelle A, C appelle G et G appelle C.

La transcription ne recopie pas tout le génome en une seule molécule d’ARN. Elle concerne des régions exprimées selon les besoins et l’état de la cellule. Les deux brins de l’ADN se réassocient après le passage de la transcription : le gène n’est pas consommé. Plusieurs ARN peuvent être produits à partir d’une même région, ce qui permet d’utiliser plusieurs fois la même information.

Le produit initial peut être un pré-ARN messager. Une maturation éventuelle conduit à un ARNm utilisable, ensuite exporté vers le cytoplasme. On retient l’existence de cette étape sans détailler ses mécanismes moléculaires. Tous les ARN ne sont pas des messagers et tous ne sont pas traduits. Il serait donc inexact de dire que chaque ARN produit devient une protéine.

Dans le cytoplasme, un ribosome lit l’ARNm par groupes successifs de trois nucléotides appelés codons. Un cadre de lecture fixe le regroupement. Dans un exemple commençant au codon initiateur AUG, la lecture avance de trois en trois. Chaque codon reconnu conduit à l’incorporation d’un acide aminé, sauf les codons stop qui arrêtent la traduction. La chaîne produite se replie ensuite et peut subir des transformations avant d’être fonctionnelle.

Le code génétique est redondant : plusieurs codons peuvent correspondre au même acide aminé. Il est aussi non ambigu dans le cadre du code standard : un codon donné correspond à une signification déterminée. Les codons UAA, UAG et UGA sont des signaux d’arrêt. AUG code la méthionine et peut servir de signal de départ dans le contexte approprié ; toute occurrence AUG au milieu d’un ARN n’impose pas le départ d’une nouvelle traduction.

Le code est très largement commun au vivant, avec certaines exceptions. Cette quasi-universalité explique qu’un gène transféré à un autre organisme puisse conduire à une protéine semblable, sous réserve des conditions nécessaires à son expression. Le transfert seul ne garantit donc pas une production : il faut que la cellule puisse transcrire et traduire la séquence dans un contexte adapté.

Le génotype désigne les informations génétiques considérées, notamment les allèles portés pour les régions étudiées. Le phénotype correspond aux caractères observables. On peut le décrire à plusieurs échelles : molécule, cellule, organisme. Pour relier génotype et phénotype, on cherche comment les ARN et protéines produits influencent le fonctionnement cellulaire. Il n’existe pas toujours une relation simple entre un seul gène et un caractère global.

Des cellules spécialisées d’un même organisme possèdent généralement le même génome nucléaire, mais n’expriment pas tous les gènes de la même façon. Leur équipement en protéines et ARN diffère. Une cellule qui produit beaucoup d’une enzyme donnée n’a pas nécessairement davantage de copies du gène : elle peut transcrire davantage ce gène, ou réguler d’autres étapes. La spécialisation repose en partie sur ces différences d’expression.

L’expression peut être influencée par des facteurs internes, liés par exemple au développement, et par des facteurs externes. L’environnement ne réécrit pas systématiquement la séquence d’ADN lorsqu’il modifie une activité cellulaire. Une variation de quantité d’ARN ou de protéine peut survenir sans mutation. Pour interpréter un document, il faut identifier ce qui a été mesuré : ADN, ARN, protéine, activité ou caractère visible.

Pour programmer une traduction simple, on peut lire une séquence à partir du point de départ indiqué, avancer de trois positions, consulter une table de correspondance et arrêter la lecture au premier stop. Une séquence incomplète, un caractère inconnu ou un départ non défini doit être signalé. L’algorithme ne doit pas inventer une protéine lorsqu’une donnée manque.

La catalyse enzymatique montre ensuite comment une protéine issue de l’expression génétique intervient dans une réaction. La rubrique S’entraîner propose des activités de lecture de séquences.