Ce chapitre a été réalisé durant l’année scolaire 2019-2020 – dernière MAJ juin 2019.

Plan du chapitre

Ressources du TP1

TP 1 : Le transfert de l’information de l’ADN du noyau au cytoplasme
– vidéo de la technique
– fiche technique du logiciel
– corrigé du TP

Ressources du TP2

TP 2 la synthèse des protéines (= TP craquer le code)
– vidéo de la technique
– fiche technique du logiciel
– corrigé du TP

Introduction

Le patrimoine génétique qu’un individu possède peut s’exprimer (partiellement) dans ses cellules. En effet, ses informations sont à l’origine de caractères qui sont liés aux protéines fabriquées.

Comment les informations génétiques sont-elles exprimées dans nos cellules ?

I – L’expression du patrimoine génétique sous la forme de protéines

L’ADN signifie Acide DésoxyriboNucléique. C’est une macromolécule, c’est-à-dire une très grande molécule constituée de l’association d’autres molécules. Une séquence d’ADN correspond à un des 2 brins de l’ADN et est formée par une succession de 4 nucléotides (plus précisément de désoxyribonucléotides). Cette séquence porte une information qui est transmise de générations en générations.

Pb : Quelles sont les relations entre les gènes, les protéines et le phénotype ?

Le phénotype correspond à l’ensemble des caractères observables d’un individu et s’observe à différentes échelles. Il dépend notamment des informations génétiques portées par cet individu. L’ensemble des allèles possédés par un individu est appelé génotype.

Le phénotype est donc notamment la conséquence de l’expression du génotype, c’est-à-dire l’expression de l’ADN sous forme de protéines. La séquence d’une protéine, un enchainement d’acides aminés, dépend de la séquence de l’ADN, une suite de désoxyribonucléotides.

Les protéines sont donc formées à partir de l’information portée par les gènes.

Aller plus loin sur les transgenèses

Une transgenèse est l’ajout d’une molécule d’ADN (ou d’une portion de molécule d’ADN) provenant d’un individu dans les cellules d’un autre individu (de la même espèce ou d’une espèce différente).Cet ajout d’information génétique engendre l’apparition de nouvelles protéines dans la cellule.La transgenèse est donc un outil pouvant permettre :- de restaurer des protéines fonctionnelles par l’ajout d’ADN ‘sain’ dans certaines cellules -> thérapie génique suite à un défaut génétique (mutation, maladie) (exemple 1 de l’activité)– ou de permettre la fabrication de nouvelles protéines par l’ajout d’ADN exogène (provenant d’une autre espèce) -> acquisition de nouvelles caractéristiques (OGM, recherche) (exemple 2 de l’activité)

Ces expériences montrent que :

– la modification du patrimoine génétique d’une cellule entraine une modification du fonctionnement et/ou du contenu en protéines de cette cellule -> il existe un lien entre information génétique et protéines

– l’information contenue dans la molécule d’ADN provenant d’une cellule est ‘comprise’ par d’autres cellules (chez d’autres organismes) -> l’ADN est un langage universel = universalité de l’ADN

Pour aller plus loin sur les OGM, aller en bas de cette page pour accéder à des vidéos.

Transition : Les protéines sont exprimées dans le cytoplasme des cellules, alors que l’information génétique est protégée dans le noyau. On peut donc se demander comment les informations sont transférées entre le noyau et le cytoplasme.

II – Un intermédiaire entre gènes et protéines : l’ARN

Pb : Comment les informations contenues dans l’ADN dans le noyau sont-elles transférées dans le cytoplasme afin de synthétiser ?

1) La mise en évidence d’un intermédiaire mobile : l’ARN

            La molécule d’ADN est localisée dans le noyau des cellules eucaryotes alors que les protéines sont principalement localisées dans le cytoplasme. Il y a donc à la fois un transfert de l’information vers le cytoplasme, nécessitant un intermédiaire : l’ARN pré-messager.

            L’ARN est une molécule chimiquement proche de l’ADN (Acide RiboNucléique / Acide DésoxyriboNucléique). Les nucléotides de l’ADN sont A, T, C et G (adénine, thymine, cytosine et guanine). Par contre, dans l’ARN, les nucléotides sont A, U (uracile), C et G.

Modèle moléculaire de l’ARN (à gauche) et de l’ADN (à droite) visualisé sur Rastop

(en rouge : C, en orange : G, en vert : T, en bleu : A, en gris : U)

Tableau de comparaison de deux acides nucléiques : ADN et ARN

2) La transcription de l’ADN en ARN

Un des deux brins d’ADN sert de modèle pour synthétiser un simple brin de nucléotides d’ARN.

L’ARN polymérase est une enzyme qui va lire la séquence de nucléotides d’un des brins de l’ADN (appelé brin transcrit) et synthétiser de l’ARN par complémentarité : C à G ; G à C ; T à A et A à U.

            Ainsi, les thymines sont « remplacés » par des uraciles, complémentaires de l’adénine.

            De cette manière, l’information d’un allèle, codée sous forme de séquences de nucléotides est conservée dans l’ARN pré-messager issu de la transcription.

Schéma des mécanismes de la transcription de l’ADN en ARN pré-messager (source : manuel Belin)

3) La maturation des ARN

           Une fois synthétisé, l’ARN pré-messager peut subir des modifications éventuelles avant d’être exporté dans le cytoplasme.

            Les expériences d’hybridation ADN/ARN messager montrent que l’ARNm est toujours plus court que l’ADN. L’ARN subit une maturation, nommée épissage, pendant laquelle certains fragments de nucléotides (introns) sont éliminés alors que d’autres sont conservés (exons).

            Selon les conditions ou les besoins cellulaires, la maturation d’un même ARN pré-messager peut varier conduisant ainsi à des ARNm différents donc donnant ensuite des protéines différentes.

Schéma des mécanismes de maturation de l’ARN pré-messager en ARN messager (source : manuel Belin)

III – La synthèse des protéines à partir de l’ARN

Pb : Comment les informations de l’ARNm permettent-elles la synthèse des protéines ?

1) Un système de correspondance universel : le code génétique

            L’association de trois nucléotides consécutifs est appelée codon. A chaque codon correspond un acide aminé de la protéine. Ce système de correspondance est appelé le code génétique. Il a été élucidé dans les années 1960.

            Ce code génétique est universel (rencontré chez tous les êtres vivants), univoque (chaque codon a un sens unique) et redondant (plusieurs codons correspondent au même acide aminé).

2) La traduction de l’ARNm en protéines

Dans le cytoplasme, chaque ARN messager est pris en charge par une structure protéique appelée ribosome. Le ribosome lit l’information de l’ARNm et synthétise une suite ordonnée d’acides aminés en respectant le code génétique. La protéine est ainsi synthétisée. Ce processus, assurant le passage de l’ARNm à la protéine est appelée la traduction.

            Chaque traduction commence à la lecture d’un codon AUG (codon initiateur) correspondant à l’acide aminé « méthionine », et s’arrête à la lecture d’un des 3 codons-stop (UAG, UGA ou UAA) qui arrête la synthèse protéique, libère la protéine et entraine le détachement du ribosome.

            Seule l’information portée par l’ARNm détermine donc la protéine synthétisée.

Schéma des étapes détaillées de la traduction : initiation, élongation et terminaison  (pour mieux comprendre)

Schéma des étapes de la traduction : initiation, élongation et terminaison – simplifiées (à retenir)

IV – La régulation de l’expression des gènes

Pb  : Quels sont les paramètres qui contrôlent la régulation de l’expression des gènes dans une cellule ?

Le phénotype résulte de l’ensemble des produits de l’ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule.

L‘expression de l’information génétique peut être régulée par divers facteurs :

– des facteurs internes agissant au niveau de l’ADN (condensation, méthylation…) ou des ARNm (épissage alternatif) ou des séquences de nucléotides précédant les gènes. Ces facteurs se mettent généralement en place au cours du développement de l’individu et de la différenciation de ces cellules.

– des facteurs externes agissant au niveau de l’ADN (mutations…) ou sur les mécanismes d’expression (intensification ou inhibition de la transcription de certains gènes, de la traduction de certains ARNm). Ces facteurs sont liés à l’environnement (agents mutagènes, présence/absence de substrats, perturbateurs endocriniens) et peuvent permettre à la cellule d’y répondre, ou être délétères…

Conclusion

L’expression de notre patrimoine génétique, formé de l’ensemble de nos allèles (notre génotype) est responsable du contenu en protéines de nos cellules, lui-même responsable de la structure et du fonctionnement de nos cellules, et donc de notre phénotype (à chacune de ces échelles)

On sait maintenant que l’information contenue dans la molécule d’ADN (sous forme de séquence de nucléotides) est responsable du contenu en protéines de nos cellules et donc de leur phénotype (structure, contenu et fonctionnement)

Un peu d’infos sur les OGM…Quelques vidéos qui traient des transgenèses et des OGM pour mieux se positionner sur ses avantages et ses risques.