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Lesson Explainer: Transcription Biology

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire le processus de transcription et souligner les rôles de l’ADN, de l’ARNm et de l’ARN polymérase.

Aimez-vous les champignons?Lorsque vous cueillez des champignons sauvages, vous devez faire attention à ceux que vous choisissez de manger. Celui-ci en particulier doit être évité à tout prix.

L’Amanite phalloïde (Amanita phalloides) est un champignon vénéneux mortel

Figure1

Sur la figure ci-dessus, nous voyons l’amanite phalloïde, dite « calice de la mort », qui peut entraîner la mort quelques jours après son ingestion. Le poison dans ce champignon, appelé 𝛼-amanitine, est capable d’inhiber la transcription en interagissant avec l’ARN polymérase. Sans transcription, les cellules ne peuvent plus produire les protéines nécessaires à leur survie, et elles meurent.

Définition : Transcription

La transcription est le processus de conversion d’une séquence d’ADN en ARNm.

La transcription est le processus qui convertit un gène, constitué d’ADN, en ARN messager (ARNm), qui peut ensuite être traduit en protéine lors de la traduction (voir figure 2). Le « dogme central de la biologie moléculaire » commence par la transcription, qui a lieu dans le noyau pour les cellules eucaryotes et le cytoplasme pour les cellules procaryotes.

Définition : ADN (acide désoxyribonucléique)

L’ADN est la molécule qui porte les instructions génétiques de la vie. Il est composé de deux brins s’enroulant l’un autour de l’autre pour former une double hélice.

Définition : ARNm (ARN messager)

L’ARNm est un message transcrit à partir de l’ADN d’un gène, qui peut être traduit pour fabriquer la protéine correspondante.

Terme clé : Cellule eucaryote

Une cellule eucaryote est une cellule qui contient un noyau et des organites, chacun délimité par une membrane.

Exemple 1: Comprendre où la transcription a lieu dans la cellule

Dans quel organite de la cellule eucaryote la transcription a-t-elle lieu?

Réponse

L’ADN dans nos cellules contient les instructions pour construire toutes les protéines qui composent notre corps. Ces instructions sont sous la forme de gènes. Pour qu’un gène de l’ADN soit converti en protéine, l’ARN messager (ARNm) doit d’abord être formé grâce à un processus appelé la transcription;l’ARNm est produit dans le noyau pour les cellules eucaryotes et dans le cytoplasme chez les procaryotes. Une fois formé, l’ARNm peut ensuite être traduit pour donner la protéine correspondant à ce gène.

Ainsi, la transcription a lieu à l’intérieur du noyau pour les cellules eucaryotes.

Avant d’entrer dans les détails des étapes de la transcription, intéressons-nous d’abord à comment l’ARN polymérase, l’enzyme principale impliquée dans la transcription, utilise l’ADN double brin comme matrice pour fabriquer un ARNm simple brin.

Terme clé : ARN polymérase

L’ARN polymérase est l’enzyme qui catalyse la transcription en synthétisant l’ARN à partir d’une matrice d’ADN.

L’ADN est une molécule double brin enroulée en forme d’hélice. L’ARN polymérase se lie à l’ADN et déroule son hélice pour séparer les deux brins, rendant accessible chaque nucléotide. Elle utilise ensuite l’un des deux brins d’ADN comme matrice pour synthétiser une séquence complémentaire d’ARNm, comme le montre la figure 3.

Terme clé : Nucléotide

Les nucléotides sont des monomères qui, ensemble, forment un polymère appelé l’acide nucléique. Les nucléotides sont constitués d’un sucre, le pentose, d’un groupe phosphate et d’une base azotée.

Terme clé : Matrice

Le brin matrice est le brin d’ADN (ou ARN) qui est utilisé par une enzyme (comme l’ADN ou ARN polymérase) pour y attacher des nucléotides complémentaires.

Puisqu’il y a deux brins dans l’ADN, quel brin est en fait utilisé comme matrice?

Un brin est appelé le brin sens et l’autre est appelé le brin antisens. Le brin sens est lu dans le sens 5 vers 3 et ressemble à l’ARNm qui est traduit. Le brin antisens est le brin dans le sens 3 à 5 qui lui est complémentaire, et c’est en fait le brin antisens qui est utilisé comme matrice pour la transcription. Vous pouvez le voir sur la figure 4.

Comme vous l’avez peut-être remarqué sur la figure 4, lorsque l’ARN est transcrit, la thymine de (T) est remplacée par de l’uracile (U). Ceci indique que la base uracile propre à l’ARN remplace la base thymine de l’ADN.

Terme clé : Brin sens

Le brin sens est l’un des deux brins d’ADN (celui en sens 5- 3), qui a la même séquence que l’ARNm qui est traduit. Il est complémentaire au brin antisens.

Terme clé : Brin antisens (brin matrice)

Le brin antisens est l’un des deux brins d’ADN (celui en sens 3- 5), c’est lui qui sert de matrice lors de la transcription. Il est complémentaire au brin sens.

Exemple 2: Convertir une séquence d’ADN en ARNm

Un brin d’ADN simple en cours de transcription a la séquence 3-AATCCGATCG- 5. En écrivant dans le sens 5- 3, quelle sera la séquence du brin complémentaire d’ARNm?

  1. TTCGGATCGA
  2. GGAUUCGAUC
  3. UUAGGCUAGC
  4. AATCCGATCG
  5. TTAGGCTAGC

Réponse

Pour qu’une cellule produise une protéine à partir d’un gène, l’ADN du gène doit d’abord être transcrit en ARNm, qui est ensuite traduit en la protéine correspondante. L’ARNm est produit dans le noyau chez les cellules eucaryotes et dans le cytoplasme chez les cellules procaryotes.

L’ARN polymérase est l’enzyme qui synthétise l’ARNm à partir de l’ADN. Elle utilise l’un des brins d’ADN comme matrice pour former un séquence nucléotidique complémentaire d’ARNm (la thymine de l’ADN est remplacée par de l’uracile dans l’ARN). Le brin matrice est parfois appelé brin antisens (qui va dans le sens 3 vers 5), tandis que l’autre brin est appelé le brin sens (qui va dans le sens 5 vers 3). L’ARNm est synthétisé dans le sens 5 vers 3, c’est-à-dire que les nouveaux nucléotides sont ajoutés à l’extrémité 3 de l’ARNm. Vous pouvez voir cela illustré ci-dessous.

La question nous demande d’écrire la séquence complémentaire au brin antisens (lu de 3 vers 5), de séquence 3-AATCCGATCG- 5.

En suivant les règles standard de l’appariement des bases complémentaires (et en substituant la thymine par de l’uracile dans l’ARN), cela devient 5 -UUAGGCUAGC- 3.

Par conséquent, la réponse correcte est l’option C, UUAGGCUAGC.

Maintenant que nous comprenons comment l’ARN polymérase utilise l’ADN comme matrice pour former l’ARNm, nous allons nous intéresser aux étapes de la transcription.

La première étape de la transcription est appelée l’initiation;c’est la liaison de l’ARN polymérase à une séquence spécifique de l’ADN appelée le promoteur. C’est là que l’ARN polymérase initie la transcription.

Une fois liée, l’ARN polymérase déroule la structure hélicoïdale de l’ADN et rompt les liaisons hydrogène entre les nucléotides complémentaires des brins d’ADN, comme le montre la figure 5.

L’étape suivante de la transcription s’appelle l’élongation. Maintenant que les deux brins d’ADN sont séparés, les bases d’ADN révélées sur le brin antisens peuvent former des liaisons hydrogène avec des nucléotides d’ARN complémentaires. L’ARN polymérase relie les nucléotides d’ARNm adjacents en formant des liaisons phosphodiester. Les nucléotides sont ajoutés en extrémité 3 du brin d’ARNm, qui s’allonge dans le sens 5 vers 3. L’ARN polymérase se déplace dans cette direction et continue d’ouvrir l’ADN pendant la synthèse de l’ARNm. Vous pouvez voir cela sur la figure 6.

L’étape finale de la transcription est la terminaison. La transcription se termine une fois qu’une séquence particulière, le terminateur, est atteinte. C’est une séquence spécialisée qui provoque la dissociation de l’ARN polymérase de l’ADN et la libération du brin d’ARNm complètement synthétisé.

Exemple 3: Comprendre les étapes de la transcription

Le schéma ci-dessous indique les étapes principales de la transcription dans un ordre incorrect. Utilisez les lettres pour indiquer le bon ordre.

Réponse

Pour qu’une cellule produise une protéine à partir d’un gène, l’ADN de ce gène doit d’abord être transcrit en ARNm qui est ensuite traduit en la protéine correspondante. L’ARNm est produit dans le noyau pour les cellules eucaryotes et dans le cytoplasme pour les cellules procaryotes.

L’ARN polymérase est l’enzyme qui synthétise l’ARNm à partir de l’ADN. Elle utilise l’un des brins d’ADN comme matrice pour former la séquence nucléotidique complémentaire en ARNm (avec la thymine de l’ADN remplacée par de l’uracile dans l’ARN).

La transcription comporte plusieurs étapes. La première étape est celle où l’ARN polymérase se lie à une séquence spécifique de l’ADN appelée le promoteur. Une fois liée, elle est capable d’ouvrir l’ADN en rompant les liaisons hydrogène entre les nucléotides complémentaires des deux brins d’ADN. Ensuite, ces bases révélées peuvent accepter de nouveaux nucléotides complémentaires, et la synthèse d’ARNm peut commencer. L’ARN polymérase forme des liaison phosphodiester avec les nucléotides nouvellement apportés et allonge ce brin en avançant, tout en continuant d’ouvrir l’hélice d’ADN. La transcription s’arrête une fois qu’une séquence, le terminateur, est atteinte. L’ARN polymérase se détache alors de l’ADN et de l’ARNm.

Par conséquent, la réponse correcte est W Y Z X.

La transcription d’une matrice d’ADN simple peut être réalisée simultanément par de nombreuses ARN polymérases. Si vous observiez la transcription d’un brin d’ADN au microscope, vous pourriez voir plusieurs ARNm se ramifier à partir de la molécule d’ADN, qui s’allongent à mesure qu’ils sont synthétisés. Il ne faut pas longtemps à une ARN polymérase pour synthétiser un ARNm à partir de sa matrice ADN – environ 10 minutes pour un gène de 10‎ ‎000 nucléotides, soit environ 1‎ ‎000 nucléotides/ minute!

Rappelez-vous du début de cette fiche explicative sur l’amanite phalloïde:l’ 𝛼-amanitine est un poison mortel car elle peut se lier étroitement à l’ARN polymérase et limiter son mouvement. Réduire la mobilité de l’ARN polymérase ralentit considérablement la synthèse de l’ARNm, qui passe de milliers de nucléotides par minute à seulement quelques-uns. Sans transcription efficace de l’ARNm, les protéines essentielles à la vie ne peuvent pas être synthétisées et nos cellules vont commencer à mourir.

Lorsque l’ARNm vient d’être synthétisé, on l’appelle en réalité pré-ARNm, car il doit passer par quelques étapes supplémentaires de modifications post-transcriptionnelles. L’une de ces étapes est appelée la polyadénylation. Dans cette étape, une chaîne d’adénines, dite queue poly(A), est ajoutée au bout d’un ARNm. Une autre étape consiste à ajouter un nucléotide modifié, appelé la coiffe, en extrémité 5 du pré-ARNm. Ces deux modifications servent à stabiliser l’ARNm, qui sinon se dégraderait plus rapidement.

Terme clé : Pré-ARNm (transcrit primaire, ARNm précurseur)

Le pré-ARNm est l’ARNm immature, qui comporte encore des introns et a besoin d’être modifié pour donner un ARNm.

Un autre événement post-transcriptionnel est appelé l’épissage de l’ARN. Rappelez-vous que seule une petite partie du génome contient de l’ADN codant, le type d’ADN qui code pour les protéines. Le reste du génome contient de l’ADN non codant, et une partie de celui-ci peut être incluse dans les transcrits. Avec l’épissage de l’ARN, ces sections non codantes (appelées « introns ») peuvent être supprimées. Les introns doivent être retirés pour que les séquences codantes (appelées « exons ») puissent être alignées et former la séquence complète du gène.

Terme clé : Épissage de l’ARN

L’épissage est le processus au cours duquel le pré-ARNm est traité pour éliminer les introns et lier les exons, donnant un ARNm mature.

La figure 7 donne un aperçu des modifications post-transcriptionnelles.

Exemple 4: Identifier les modifications post-transcriptionnelles de l’ARNm

Chez les eucaryotes, la transcription donne un pré-ARNm. Lequel des processus suivants est impliqué dans la conversion de ce pré-ARNm en ARNm, prêt pour la traduction?

  1. méthylation
  2. épissage
  3. mutation
  4. duplication
  5. mitose

Réponse

Pour qu’une cellule produise une protéine à partir d’un gène, le gène doit d’abord être transcrit en ARNm, qui est ensuite traduit en la protéine correspondante. L’ARNm est produit dans le noyau pour les cellules eucaryotes et dans le cytoplasme pour les cellules procaryotes. Chez les eucaryotes, l’ARNm doit être traité avant de pouvoir être traduit. Le pré-ARNm subit différentes modifications post-transcriptionnelles pour améliorer sa stabilité, comme la polyadénylation (ajout d’une chaîne d’adénines en fin de pré-ARNm) ou l’épissage.

Dans le génome, une part importante de l’ADN est non codante. L’épissage permet de retirer les sections non codantes et ainsi aligner les sections codantes afin de former la séquence nécessaire pour coder la protéine.

Regardons les différentes options pour voir laquelle décrit le mieux une modification post-transcriptionnelle du pré-ARNm en ARNm.

L’option A, la méthylation, est fausse. Bien que la méthylation puisse être utilisée pour réguler les niveaux d’expression d’ARNm, elle n’est pas impliquée dans la conversion de pré-ARNm en ARNm pour la traduction.

L’option B, l’épissage, est juste. L’épissage de l’ARN est un processus post-transcriptionnel qui convertit le pré-ARNm en ARNm.

L’option C, la mutation, est fausse. Les mutations modifient les nucléotides dans l’ADN ou l’ARN, cela n’a rien à voir avec la conversion du pré-ARNm en ARNm.

L’option D, la duplication, est fausse. La duplication fait référence à des chromosomes entiers, ou à des parties de chromosomes, qui sont dupliqués.

L’option E, la mitose, est fausse. La mitose est un type de division cellulaire.

La bonne réponse est donc l’option B. L’épissage est impliqué dans la conversion du pré-ARNm en ARNm.

Une fois que le pré-ARNm a été traité dans les cellules eucaryotes, il est mature et peut sortir du noyau à travers les pores nucléaires pour être traduit en protéine par le ribosome. Dans les cellules procaryotes, qui n’ont pas de noyau, l’ARNm est prêt pour la traduction immédiatement après la transcription.

Exemple 5: Identifier comment l’ARNm quitte le noyau

Dans une cellule eucaryote, qu’arrive-t-il à un brin d’ARNm une fois formé?

  1. Il est dégradé en nucléotides.
  2. Il quitte la cellule à travers la membrane cellulaire.
  3. Il se lie à d’autres brins d’ARNm et forme une protéine complexe.
  4. Il est emballé dans des vésicules et transporté vers l’appareil de Golgi.
  5. Il quitte le noyau à travers les pores nucléaires.

Réponse

Pour qu’une cellule produise une protéine à partir d’un gène, le gène doit d’abord être transcrit en ARNm qui est ensuite traduit en la protéine correspondante. L’ARNm est produit dans le noyau dans les cellules eucaryotes et dans le cytoplasme dans les cellules procaryotes. Chez les eucaryotes, avant que le transcrit ne soit libéré dans le cytoplasme, il doit d’abord être traité. Ce pré-ARNm peut subir différentes modifications post-transcriptionnelles, comme la polyadénylation (ajout d’une chaîne d’adénines en fin de pré-ARNm), ou l’épissage. Une fois le traitement post-transcriptionnel terminé, l’ARNm peut quitter le noyau à travers les pores nucléaires.

Maintenant, regardons les options possibles pour voir laquelle décrit le mieux ce qui arrive à l’ARNm après sa formation.

L’option A, il est dégradé en nucléotides, n’est pas juste. L’ARNm sera bien dégradé au cours du temps, ce qui peut arriver naturellement ou à cause de processus précis, mais ce n’est pas le cas dès le départ.

L’option B, il quitte la cellule à travers la membrane cellulaire, est incorrecte. L’ARNm est synthétisé dans le noyau et sort par ses pores dans le cytoplasme, où il pourra être traduit en protéine. Il ne sort pas par la membrane cellulaire.

L’option C, il se lie à d’autres brins d’ARNm et forme une protéine complexe, est fausse. L’ARNm n’est pas une protéine, donc un complexe d’ARNm ne peut pas être appelé une protéine. Ce n’est de toute façon pas quelque chose que l’ARNm fait une fois formé.

L’option D, il est emballé dans des vésicules et transporté vers l’appareil de Golgi, est incorrecte. L’appareil de Golgi transporte ou emballe des protéines, pas des ARNm.

L’option E, il quitte le noyau à travers les pores nucléaires, est juste. Après avoir été synthétisé et traité, l’ARNm sort du noyau par les pores nucléaires pour entrer dans le cytoplasme, où il pourra être traduit en protéine.

Par conséquent, la bonne réponse est l’option E. Une fois formés, les brins d’ARNm quittent le noyau à travers les pores nucléaires.

Récapitulons certains des points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.

Points clés

  • La transcription est la formation d’ARNm à partir d’ADN, et elle a lieu dans le noyau pour les cellules eucaryotes ou dans le cytoplasme pour les cellules procaryotes.
  • La transcription est effectuée par une enzyme, l’ARN polymérase.
  • L’ARN polymérase utilise le brin antisens de l’ADN comme matrice pour fabriquer l’ARNm.
  • Le pré-ARNm n’est pas encore traité et peut être modifié de manière post-transcriptionnelle par des processus comme la polyadénylation et l’épissage.

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