14.1: Qu'est-ce que l'expression génique ?
Aperçu
L’expression génique est le processus dans lequel l’ADN dirige la synthèse de produits fonctionnels, tels que les protéines. Les cellules peuvent réguler l’expression des gènes à différents stades. Cela permet aux organismes de générer différents types de cellules et permet aux cellules de s’adapter à des facteurs internes et externes.
L’information génétique passe de l’ADN à l’ARN à la protéine
Un gène est une portion d’ADN qui sert de plan pour les ARN fonctionnels et les protéines. Puisque l’ADN est composé de nucléotides et que les protéines sont constituées d’acides aminés, un médiateur est nécessaire pour convertir l’information qui est codée dans l’ADN en protéines. Ce médiateur est l’ARN messager (ARNm). L’ARNm copie le plan de l’ADN par le biais d’un processus appelé transcription. Dans les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau par l’appariement de bases complémentaire avec la matrice d’ADN. L’ARNm est ensuite traité et transporté dans le cytoplasme où il sert de modèle pour la synthèse des protéines pendant la traduction. Chez les procaryotes, qui n’ont pas de noyau, les processus de transcription et de traduction se produisent au même endroit et presque simultanément puisque l’ARNm nouvellement formé est susceptible d’être rapidement dégradé.
L’expression génique peut être régulée à n’importe quel stade pendant la transcription
Chaque cellule d’un organisme contient le même ADN et, par conséquent, le même ensemble de gènes. Cependant, tous les gènes d’une cellule ne sont pas “ activés ” ou utilisés pour synthétiser des protéines. On dit qu’un gène est “ exprimé ” lorsque la protéine qu’il code est produite par la cellule. L’expression génique est régulée pour assurer une production convenable de protéines dans des cellules spécifiques à des moments précis. Divers mécanismes intrinsèques et extrinsèques régulent l’expression des gènes avant et pendant la transcription.
La structure de la chromatine — l’ADN compacté et ses protéines histones associées — peut être modifiée chimiquement pour être ouverte ou fermée. De telles modifications permettent ou restreignent l’accès de la machinerie de transcription à l’ADN. La modification de la chromatine est un mécanisme intrinsèque utilisé pendant le développement pour former différents types de cellules (p. ex., un neurone par rapport à une cellule musculaire) à partir du même génome.
Les protéines liant l’ADN, appelées facteurs de transcription, régulent la transcription en se liant à des séquences d’ADN spécifiques près ou à l’intérieur des régions codantes des gènes. Les facteurs de transcription qui favorisent l’initiation de la transcription sont appelés des activateurs. Les protéines qui empêchent la machinerie de transcription de se lier au site d’initiation de la transcription sont appelées des répresseurs. Les activateurs ou les répresseurs transcriptionnels réagissent aux stimuli externes tels que les molécules de signalisation, les carences nutritionnelles, la température et l’oxygène.
L’expression génique peut être régulée de façon post-transcriptionnelle et post-traductionnelle
L’expression génique peut être régulée par le traitement post-transcriptionnel de l’ARNm. Chez les eucaryotes, l’ARNm transcrit subit un épissage et d’autres modifications qui protègent les extrémités du brin d’ARN contre la dégradation. L’épissage supprime les introns — segments qui n’encodent pas les protéines — et réunit les régions nommées exons codant des protéines. L’épissage alternatif permet l’expression de protéines fonctionnellement diverses à partir du même gène. La régulation de l’expression des gènes par l’épissage alternatif joue un rôle important dans le développement des organes, la survie et la prolifération des cellules, ainsi que dans l’adaptation aux facteurs environnementaux.
L’expression génique peut également être modifiée en régulant la traduction de l’ARNm en protéines. La traduction peut être régulée par des microARN — de petits ARN non codants — qui se lient à une séquence d’ARNm spécifique et bloquent l’initiation de la traduction ou dégradent l’ARNm transcrit. En outre, les protéines appelées répresseurs traductionnels peuvent se lier à l’ARN et interférer avec l’initiation de la traduction.
Les polypeptides traduits subissent un traitement pour former des protéines fonctionnelles. L’ajout ou l’élimination de groupes chimiques peut modifier l’activité, la stabilité et la localisation des protéines dans une cellule. Par exemple, l’ajout ou l’élimination de groupes phosphoryle (–PO32-) peut activer ou inactiver les protéines. De même, l’ajout de groupes d’ubiquitine provoque la dégradation des protéines. Ainsi, les modifications post-traductionnelles des protéines sont la dernière étape de la régulation des gènes.
