\chapter{L'expression du patrimoine génétique}

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\NathanLiveVideo[\PictoVideo\ Retrouvez l'essentiel de ce cours en vidéo avec \PictoNathanLive]{expression du patrimoine génétiques}{}

\vspace*{-7mm}
\section{Introduction}

Les allèles des gènes que possède un individu ou une cellule constituent son \textit{génotype} et la séquence en nucléotides des allèles est une information codée. La diversité allélique peut se traduire, aux différentes échelles d'organisation des individus, par une diversité des \textit{phénotypes}, c'est-à-dire des caractères «apparents».

\begin{problematique}
Comment une cellule utilise-t-elle cette information ? En quoi consiste l'expression de cette information ?
\end{problematique}

\vspace*{-6mm}
\section{Les protéines : résultat de l'expression des gènes}

\enlargethispage*{5em}
Dans les cellules, les gènes gouvernent la synthèse de macromolécules : les protéines. Celles-ci sont des \textit{enchaînements linéaires} plus ou moins longs de molécules organiques plus petites, les \textit{acides aminés}, liés entre eux par des \textit{liaisons peptidiques}. Une protéine est donc aussi appelée un « \textit{polypeptide} ».

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{085_4_crs_1}
\figcaption{Formule générale d'un acide aminé.}
\end{center}
\end{figure}

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{085_4_crs_2}
\figcaption{Liaison peptidique entre deux acides aminés.}
\end{center}
\end{figure}

\newpage

Il existe 20 acides aminés différents de par la composition et les propriétés de leur \textit{chaîne latérale} (radical).

Chaque protéine se caractérise par l'ordre d'enchaînement des acides aminés qui la composent, c'est-à-dire par sa \textit{séquence en acides aminés} et cette séquence est codée par la séquence en nucléotides du gène.

\begin{problematique}
Quels mécanismes biochimiques permettent ce codage ?
\end{problematique}

\subsection{Première étape de l'expression d'un gène : la transcription}

La \textit{transcription} est la fabrication, dans le noyau des cellules eucaryotes, d'une molécule d'ARN \textit{pré-messager} correspondant au gène.

L'ARN est un \textit{acide nucléique monocaténaire}, composé par un enchaînement de nucléotides. Il présente deux différences dans ses caractéristiques par rapport à l'ADN: le sucre qu'il contient est du \textit{ribose} (et non du désoxyribose) et il ne contient pas de thymine mais une autre bases azotée : l'\textit{uracile}.

La transcription est réalisée par un \textit{complexe enzymatique} comprenant une \textit{ARN-polymérase}.

Celui-là écarte les brins d'ADN constituant le gène et synthétise, à partir de \textit{ribonucléotides libres}, un brin d'ARN dont la séquence en bases est complémentaire de l'un des deux brins de la molécule d'ADN (\textit{brin transcrit}).

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{086_4_crs_3}
\figcaption{Modalités de la transcription.}
\end{center}
\end{figure}

\subsection{Maturation post-transcriptionnelle de l'ARN pré-messager}

\enlargethispage*{\baselineskip}

Après la transcription, l'ARN pré-messager (\textit{transcrit primaire}) subit des modifications qui le transforme en \textit{ARN messager}.

L'une des modifications, importante du point de vue « informatif », est le retrait par des systèmes enzymatiques particuliers de portions de la molécule appelées \textit{introns}.

Les portions d'ARN « raboutées » les unes aux autres et constituant l'ARN messager mature sont les \textit{exons}. L'ensemble du mécanisme s'appelle « \textit{l'épissage des ARN} ».

Pour un ARN pré-messager donné, les \textit{introns excisés} (retirés) peuvent être différents en fonction, en particulier, du type de cellule dans laquelle s'exprime le gène. Ce phénomène s'appelle « \textit{l'épissage alternatif des ARNm} ».

Ainsi, à partir d'une séquence a priori unique, celle du gène, il peut se former, dans un organisme, plusieurs séquences différentes d'ARN messager.

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{087_4_crs_4}
\figcaption{Maturation de l'ARN pré-messager par excision des introns.}
\end{center}
\end{figure}

\begin{Remarque}
l'épissage des ARN a pour conséquence que seules certaines parties d'un gène sont finalement exprimées et que ces parties sont susceptibles de varier d'une cellule à l'autre. 
Des exercices peuvent vous être donnés sur ces différences de tailles et de séquences entre ADN du gène et/ou ARN messagers.\\
\textit{Voir exercices \ref{ch4exo8} page \pageref{ch4exo8} et \ref{ch4exo15corr} page \pageref{ch4exo15corr}.}
\end{Remarque}

\subsection{Traduction de l'ARNm en polypeptide}

Après maturation, l'ARNm sort du noyau. Dans le cytoplasme, il est « pris en charge » par des édifices moléculaires appelés \textit{ribosomes}.\\ 
\Cf{ch4exo12}.

Les ribosomes en se déplaçant sur l'ARNm, procèdent à un \textit{décodage} de la séquence en nucléotides de celui-ci et enchaînent des acides aminés selon une séquence codée par la séquence en nucléotides de l'ARNm : c'est la \textit{traduction} de l'ARNm.

Le décodage commence sur l'ARNm au premier triplet AUG (\textit{codon initiateur}) rencontré par le ribosome. Chaque triplet de nucléotides ou « \textit{codon} » rencontré par la suite correspond à un acide aminé particulier. Cette correspondance s'appelle le \textit{code génétique}. Trois codons particuliers ne codent pour aucun acide aminé. Ces codons, appelés \textit{codons STOP} ont pour conséquence l'arrêt de la traduction de l'ARNm par le ribosome et la libération du polypeptide synthétisé.

\enlargethispage*{3em}

\Cf{ch4exo13}.

\newpage

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{088_4_crs_5}
\figcaption{Ribosomes au travail lors de la traduction.}
\end{center}
\end{figure}

\begin{Remarque}
un « détail » de vocabulaire qui vous évitera certaines confusions : n'utilisez pas le terme de « code génétique » pour désigner l'information génétique portée par l'ADN (ou l'ARN). Réservez ce terme exclusivement pour désigner le système de correspondance codons/acides aminés, c'est-à-dire le tableau suivant.
\end{Remarque}

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{088_4_crs_6}
\tabcaption{Tableau du code génétique.}\label{tab-code-genetique}
\end{center}
\end{figure}

\Par

Le code génétique est univoque: un codon ne détermine qu'un acide-aminé, il est redondant; plusieurs codons déterminent un même acide-aminé, et il est universel: le même pour tous les organismes.

\section{Les protéines, molécules responsables du\\ phénotype}

Les protéines sont des acteurs essentiels du fonctionnement des cellules et donc de l'organisme. Les \textit{enzymes} par exemple, sont les protéines qui régulent toutes les réactions chimiques constituant le \textit{métabolisme cellulaire}. D'autres protéines donnent aux cellules leur forme et leurs propriétés mécaniques.

Ainsi, toute caractéristique d'un organisme, c'est-à-dire son \textit{phénotype}, trouve-t-elle son origine directe ou indirecte dans le fonctionnement d'une ou plusieurs protéines.

\begin{problematique}
Les protéines étant codées par les allèles des gènes, quelles sont alors les conséquences d'une modification de la séquence d'un allèle, c'est-à-dire une mutation ?
\end{problematique}


\subsection{Effet d'une mutation sur la protéine codée par un gène}

Exemples de mutations et conséquences possibles sur la séquence de la protéine codée :

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\small
\begin{tabular}{|M{2.1cm}|>{\centering\arraybackslash}Z{m{4cm}}|>{\centering\arraybackslash}Z{m{3.7cm}}|}
\tabulartitle\hline
\multicolumn{2}{|Z{m{6.6cm}}|}{\centering\arraybackslash Séquence en nucléotides de l'ARNm après mutation d'un gène} & Séquence en acides aminés du peptide codé\\
\hline
\centering\arraybackslash Séquence initiale & AUG UUG UAC UGU AGU & Met-Leu-Tyr-Cys-Ser\\
\hline
1. Substitution & AUG UUU UAC UGU AGU & Met-Phe-Tyr-Cys-Ser\\
\hline
2. Substitution &AUG UUA UAC UGU AGU &Met-Leu-Tyr-Cys-Ser\\
\hline
3. Substitution &AUG UUG UAA UGU AGU &Met-Leu/STOP\\
\hline
4. Insertion &AUG UUG UAC UGU UAGU &Met-Leu-Tyr-Cys/STOP\\
\hline
\end{tabular}

\tabcaption{Conséquences de quelques exemples de mutations ponctuelles.}
\end{center}
\end{figure}

\begin{enumerate}
\item Mutation « faux sens » : un acide aminé est modifié.
\item Mutation silencieuse : le code génétique étant redondant, aucun acide aminé n'est modifié.
\item Mutation « non sens » : un codon STOP apparaît prématurément et la protéine est raccourcie.
\item Mutation « décalante » : le cadre de lecture de l'ARNm par le ribosome est décalé d'un nucléotide et il apparait un codon STOP.
\end{enumerate}

\newpage

Les exemples précédents illustrent la diversité des conséquences d'une mutation sur la protéine codée par un gène. D'une façon générale, on peut dire qu'une mutation provoque l'apparition d'un type de protéine différent, parfois absente mais ce n'est pas systématique (voir par exemple les mutations silencieuses).

\subsection{Conséquences aux autres échelles d'organisation d'un\\ individu ?}

Si, suite à une mutation, une protéine voit sa séquence modifiée, il est possible que son fonctionnement soit lui-même modifié, parfois de façon suffisante pour que cela change le fonctionnement de certaines cellules, voire de l'organisme entier dans certaines conditions environnementales. Ceci montre que le \textit{phénotype macroscopique} (à l'échelle de l'individu) est dépendant du \textit{phénotype cellulaire}, lui-même dépendant du \textit{phénotype moléculaire} (la ou les protéines) mais évidemment aussi dépendant des conditions du milieu de vie. Un phénotype peut ainsi se définir comme l'expression du génotype (des allèles) dans un environnement donné.