Microbiologie

Pendant le processus de transcription, l’information codée dans la séquence d’ADN d’un ou plusieurs gènes est transcrite en un brin d’ARN, également appelé transcription d’ARN. La molécule d’ARN simple brin qui en résulte, composée de ribonucléotides contenant les bases adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et uracile (U), agit comme une copie moléculaire mobile de la séquence d’ADN originale. La transcription chez les procaryotes et les eucaryotes nécessite que la double hélice d’ADN se déroule partiellement dans la région de synthèse de l’ARN. La région déroulée est appelée bulle de transcription. La transcription d’un gène particulier se fait toujours à partir de l’un des deux brins d’ADN qui sert de matrice, le brin dit antisens. Le produit ARN est complémentaire du brin d’ADN matrice et est presque identique au brin d’ADN non matrice, ou brin sens. La seule différence est que dans l’ARN, tous les nucléotides T sont remplacés par des nucléotides U ; au cours de la synthèse de l’ARN, U est incorporé lorsqu’il y a un A dans le brin antisens complémentaire.

Transcription chez les bactéries

Les bactéries utilisent la même ARN polymérase pour transcrire tous leurs gènes. Comme l’ADN polymérase, l’ARN polymérase ajoute les nucléotides un par un au groupe 3′-OH de la chaîne nucléotidique en croissance. Une différence essentielle dans l’activité entre l’ADN polymérase et l’ARN polymérase est la nécessité d’un 3′-OH sur lequel ajouter les nucléotides : L’ADN polymérase a besoin d’un tel groupe 3′-OH, ce qui nécessite une amorce, alors que l’ARN polymérase n’en a pas besoin. Au cours de la transcription, un ribonucléotide complémentaire du brin matrice d’ADN est ajouté au brin d’ARN en croissance et une liaison phosphodiester covalente est formée par synthèse de déshydratation entre le nouveau nucléotide et le dernier ajouté. Chez E. coli, l’ARN polymérase comprend six sous-unités polypeptidiques, dont cinq composent l’enzyme centrale de la polymérase, responsable de l’ajout de nucléotides d’ARN à un brin en croissance. La sixième sous-unité est connue sous le nom de sigma (σ). Le facteur σ permet à l’ARN polymérase de se lier à un promoteur spécifique, permettant ainsi la transcription de divers gènes. Il existe différents facteurs σ qui permettent la transcription de divers gènes.

Initiation

L’initiation de la transcription commence au niveau d’un promoteur, une séquence d’ADN sur laquelle la machinerie de transcription se lie et initie la transcription. La paire de nucléotides dans la double hélice d’ADN qui correspond au site à partir duquel le premier nucléotide 5′ de l’ARN est transcrit est le site d’initiation. Les nucléotides précédant le site d’initiation sont désignés  » en amont « , tandis que les nucléotides suivant le site d’initiation sont appelés nucléotides  » en aval « . Dans la plupart des cas, les promoteurs sont situés juste en amont des gènes qu’ils régulent. Bien que les séquences des promoteurs varient selon les génomes bactériens, quelques éléments sont conservés. Aux positions -10 et -35 de l’ADN, avant le site d’initiation (désigné par +1), il existe deux séquences consensus de promoteur, ou des régions qui sont similaires dans tous les promoteurs et dans les différentes espèces bactériennes. La séquence consensus -10, appelée boîte TATA, est TATAAT. La séquence -35 est reconnue et liée par σ.

Elongation

L’élongation en phase de transcription commence lorsque la sous-unité σ se dissocie de la polymérase, permettant à l’enzyme centrale de synthétiser l’ARN complémentaire à la matrice d’ADN dans une direction 5′ à 3′ à un taux d’environ 40 nucléotides par seconde. Au fur et à mesure de l’élongation, l’ADN est continuellement déroulé devant l’enzyme centrale et rembobiné derrière elle (figure 1).

Figure 1. Pendant l’élongation, l’ARN polymérase bactérienne suit la matrice d’ADN, synthétise l’ARNm dans le sens 5′ à 3′, et déroule et rembobine l’ADN au fur et à mesure de sa lecture.

Termination

Une fois qu’un gène est transcrit, la polymérase bactérienne doit se dissocier de la matrice d’ADN et libérer l’ARN nouvellement fabriqué. C’est ce qu’on appelle la terminaison de la transcription. La matrice d’ADN comprend des séquences nucléotidiques répétées qui agissent comme des signaux de terminaison, provoquant le décrochage de l’ARN polymérase et sa libération de la matrice d’ADN, libérant ainsi le transcrit d’ARN.

Transcription chez les eucaryotes

Les procaryotes et les eucaryotes effectuent fondamentalement le même processus de transcription, avec quelques différences significatives (voir tableau 1). Les eucaryotes utilisent trois polymérases différentes, les ARN polymérases I, II et III, toutes structurellement distinctes de l’ARN polymérase bactérienne. Chacune transcrit un sous-ensemble différent de gènes. Il est intéressant de noter que les archées contiennent une seule ARN polymérase qui est plus proche de l’ARN polymérase II eucaryote que de son homologue bactérienne. Les ARNm eucaryotes sont également généralement monocistroniques, ce qui signifie qu’ils ne codent chacun qu’un seul polypeptide, alors que les ARNm procaryotes des bactéries et des archées sont couramment polycistroniques, ce qui signifie qu’ils codent plusieurs polypeptides.

La différence la plus importante entre les procaryotes et les eucaryotes est le noyau membranaire de ces derniers, qui influence la facilité d’utilisation des molécules d’ARN pour la synthèse des protéines. Les gènes étant liés au noyau, la cellule eucaryote doit transporter les molécules d’ARN codant pour les protéines vers le cytoplasme pour les traduire. Les transcrits primaires codant pour les protéines, les molécules d’ARN directement synthétisées par l’ARN polymérase, doivent subir plusieurs étapes de traitement pour protéger ces molécules d’ARN de la dégradation pendant qu’elles sont transférées du noyau au cytoplasme et traduites en une protéine. Par exemple, les ARNm eucaryotes peuvent durer plusieurs heures, alors que l’ARNm procaryote typique ne dure pas plus de 5 secondes.

Le transcrit primaire (également appelé pré-ARNm) est d’abord recouvert de protéines stabilisatrices d’ARN pour le protéger de la dégradation pendant qu’il est traité et exporté hors du noyau. Le premier type de traitement commence alors que le transcrit primaire est encore en cours de synthèse ; un nucléotide 7-méthylguanosine spécial, appelé cap 5′, est ajouté à l’extrémité 5′ du transcrit en croissance. En plus d’empêcher la dégradation, les facteurs impliqués dans la synthèse ultérieure des protéines reconnaissent la coiffe, ce qui aide à initier la traduction par les ribosomes. Une fois l’élongation terminée, une autre enzyme de transformation ajoute ensuite une chaîne d’environ 200 nucléotides adénines à l’extrémité 3′, appelée queue poly-A. Cette modification protège davantage le pré-ARNm de la dégradation et signale aux facteurs cellulaires que le transcrit doit être exporté vers le cytoplasme.

Les gènes eucaryotes qui codent pour des polypeptides sont composés de séquences codantes appelées exons (ex-on signifie qu’ils sont exprimés) et de séquences intermédiaires appelées introns (int-ron désigne leur rôle d’intervention). Les séquences d’ARN transcrites correspondant aux introns ne codent pas les régions du polypeptide fonctionnel et sont éliminées du pré-ARNm au cours du traitement. Il est essentiel que toutes les séquences d’ARN codées par les introns soient complètement et précisément éliminées d’un pré-ARNm avant la synthèse des protéines afin que les séquences d’ARN codées par les exon soient correctement assemblées pour coder un polypeptide fonctionnel. Si le processus se trompe ne serait-ce que d’un seul nucléotide, les séquences des exons réunis seraient décalées et le polypeptide résultant serait non fonctionnel. Le processus de suppression des séquences d’ARN codées par des introns et de reconnexion de celles codées par des exons est appelé épissage de l’ARN et est facilité par l’action d’un spliceosome contenant des petites protéines ribonucléo nucléaires (snRNP). Les séquences d’ARN codées par les introns sont retirées du pré-ARNm alors qu’il se trouve encore dans le noyau. Bien qu’ils ne soient pas traduits, les introns semblent avoir diverses fonctions, notamment la régulation des gènes et le transport des ARNm. Au terme de ces modifications, le transcrit mature, l’ARNm qui code pour un polypeptide, est transporté hors du noyau, à destination du cytoplasme pour y être traduit. Les introns peuvent être épissés différemment, ce qui entraîne l’inclusion ou l’exclusion de divers exons dans le produit ARNm final. Ce processus est connu sous le nom d’épissage alternatif. L’avantage de l’épissage alternatif est que différents types de transcriptions d’ARNm peuvent être générés, tous dérivés de la même séquence d’ADN. Ces dernières années, il a été démontré que certaines archées ont également la capacité d’épisser leur pré-ARNm.