L'expression des gènes et la biosynthèse des protéines

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1. Qu'est-ce qu'un gène ?
• À l'intérieur du noyau cellulaire, l'information génétique est contenue dans les chromosomes. Le support chimique de cette information est l'ADN. Les molécules d'ADN, doubles hélices formées par l'enchaînement de millions de nucléotides, sont organisées en unités fonctionnelles, les gènes, qui occupent un emplacement déterminé sur le chromosome (locus).
• Chaque gène correspond à une région de l'ADN qui code la biosynthèse d'une chaîne polypeptidique : « un gène, une protéine ». Cependant, les cellules n'expriment pas tous les gènes qu'elles possèdent. Pour leur simple survie, elles doivent exprimer au minimum les gènes codant les protéines nécessaires au fonctionnement de la cellule (protéines d'entretien ou de ménage).
Elles expriment en outre des gènes correspondant à des protéines qui ne sont pas indispensables à la cellule elle-même, mais qui sont utiles à d'autres cellules et à l'organisme en général (protéines de luxe). Le répertoire des protéines synthétisées par une cellule à un instant donné correspond au répertoire de ses gènes actifs.
2. Que nous apprennent les séquences des gènes et des protéines ?
• Le gène et la protéine correspondante sont colinéaires. L'unité de code – le codon – est constituée de trois nucléotides successifs, pris parmi les quatre qui caractérisent l'ADN (A, G, C, T, symbolisés par l'initiale de leur base azotée). Chaque codon correspond à un seul acide aminé ou à un signal de ponctuation (début ou fin de synthèse).
Il y a donc une correspondance étroite entre le « langage » de l'ADN qui comporte 64 signes (43) et le « langage » des protéines qui comporte 20 signes (les 20 acides aminés protéinogènes). Cette correspondance constitue le code génétique.
• Un acide aminé correspondant souvent à un ou plusieurs codons de l'ADN qui diffèrent seulement par le troisième nucléotide, on dit que le code est dégénéré. Il en résulte qu'il est redondant. La succession des codons du gène – sa séquence nucléotidique – dicte la séquence de la chaîne polypeptidique.
• Dans les conditions naturelles, la fabrication de chaque protéine cellulaire dépend certes d'un gène déterminé, mais aussi de nombreux facteurs de régulation internes et externes (produits du métabolisme, messagers intercellulaires, gènes de régulation, etc.) en relation avec l'environnement. Le concept « un gène, une protéine » est validé car il est opératoire (il permet de prévoir le résultat d'une manipulation).
De plus, la correspondance entre codons de l'ADN et acides aminés est universelle ; la machinerie de biosynthèse des protéines de n'importe quelle cellule vivante est capable de « lire » un gène provenant de n'importe quelle autre espèce et de produire la protéine correspondante.
3. Comment un gène conduit-il à la biosynthèse d'une protéine ?
L'expression d'un gène en protéine comporte deux étapes, la transcription et la traduction. Au cours de la transcription, une molécule intermédiaire, l'ARN messager (ARNm), dont la séquence est complémentaire de celle de l'ADN, est synthétisée dans le noyau sous l'action d'un complexe enzymatique, l'ARN polymérase.
Après ouverture de la double hélice, l'un des deux brins de l'ADN, appelé brin transcrit, sert de « matrice ». La complémentarité des bases qui assure la conservation de l'information génétique en imposant la séquence de l'ARNm : il se forme ainsi un brin d'ARN complémentaire de l'ADN à partir des ribonucléotides triphosphates contenus dans le nucléoplasme.
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L'ARNm assure la transmission de l'information génétique entre le noyau et le cytoplasme.
• La seconde étape, la traduction, se déroule dans le cytoplasme et correspond à la biosynthèse proprement dite de la protéine. Cette synthèse, effectuée selon le programme contenu dans l'ARNm, est réalisée par les ribosomes, organites cytoplasmiques d'une quinzaine de nanomètres de diamètre, formés d'un édifice de protéines et d'ARN.
L'ARNm est « lu » par les ribosomes qui enchaînent les acides aminés en une chaîne polypeptidique lors de réactions enzymatiques. La traduction d'un ARNm démarre au niveau d'un codon d'initiation et se termine au niveau d'un codon stop.
• Les ribosomes peuvent être libres dans le cytoplasme, regroupés en structures plus ou moins spiralées, les polysomes, ou encore liés aux membranes du réticulum endoplasmique granulaire (REG). Dans ce dernier cas, ils assurent uniquement la biosynthèse des protéines destinées à la membrane plasmique ou à l'exportation.
Plus les cellules synthétisent de protéines et plus elles sont riches en ribosomes. Une cellule peut en contenir plusieurs milliers. Dans les polysomes, plusieurs ribosomes traduisent simultanément un même ARNm, assurant ainsi la synthèse de plusieurs exemplaires de la même protéine.
4. Quelles sont les relations entre allèles, phénotype et environnement ?
• Dans une espèce donnée, tous les individus possèdent les mêmes gènes aux mêmes locus mais, à l'exception des jumeaux monozygotes, ils se distinguent les uns des autres par la combinaison de leurs allèles. Chaque gène existe dans toutes les cellules en deux exemplaires car chaque chromosome est en double exemplaire.
• Pour un gène donné, il existe donc deux situations possibles : soit les deux gènes sont des allèles identiques et l'individu est qualifié d'homozygote pour ce gène, soit les deux gènes sont des allèles différents et l'individu est qualifié d'hétérozygote. Ainsi, le gène commandant la synthèse de la mélanine (pigment qui colore la peau) peut exister sous au moins deux formes alléliques : une forme qui ne permet pas la synthèse de la mélanine, conduisant alors à l'albinisme, et une forme permettant la synthèse du pigment.
• En outre, deux génotypes différents (hétérozygote et homozygote pour l'allèle normal) conduisent à un même phénotype. La plupart des caractères phénotypiques, au niveau de l'organisme comme au niveau cellulaire, dépendent d'ailleurs de l'expression de plusieurs gènes. Enfin, les conditions écologiques influent sur l'expression des gènes : bien qu'ils aient le même génotype, deux vrais jumeaux possédant des gènes de prédisposition à l'obésité atteindront des poids très différents si l'un mange excessivement et l'autre non.
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