1. Présentation générale

a. Schéma des étapes de la synthèse des protéines chez les eucaryotes

b. Rappels sur les bases azotées, les nucléosides et les nucléotides (et leurs pendants désoxy-)

c. Représentations schématiques des chaînes d'acides ribonucléiques ou d'acides désoxyribonucléiques

2. La transcription

a. La transcription chez Escherichia coli (Procayotes)

b. La transcription chez les Eucaryotes

c. Addition de la coiffe des ARN

d. La poly-adénylation des ARN messagers

e. L'épissage alternatif des ARN messagers

f. Les ARN de transfert

3. Le noyau et les pores nucléaires

4. Les ribosomes et les polysomes

5. Le réticulum endoplasmique

6. Quelques notions sur le code génétique et les codons

7. La dégradation des protéines : l'ubiquitine et le protéasome

8. Les protéines mal repliées : "Unfolded Protein Response" - UPR

9. Liens Internet et références bibliographiques

1. Présentation générale

a. Schéma des étapes de la synthèse des protéines chez les eucaryotes

1ère étape : la transcription des gènes de l'ADN en ARN prémessager a lieu dans le noyau.

Pour chaque gène, un seul brin de l'ADN est transcrit mais ce brin varie selon les gènes.

La synthèse de l'ARN est catalysée par l'ARN polymérase, une enzyme oligomérique. Il en existe 3 types chez les eucaryotes.

La transcription s'effectue de l'extrémité 5' vers l'extrémité 3' des gènes.

2ème étape : la maturation de l'ARN prémessager a lieu dans le noyau

• a. une coiffe de 7-méthylguanosine triphosphate est ajoutée à l'extrémité 5' de l'ARN prémessager
• b. une queue poly-A (50 à 250 nucléotides d'adénine) est ajoutée à l'extrémité 3' de l'ARN prémessager

Ces modifications protégent l'ARN messager d'une dégradation trop rapide dans le cytoplasme.

• c. excision des introns (les parties du gène qui ne codent pas un polypeptide) de l'ARN prémessager
• d. épissage des exons (les brins codant) de l'ARN pré-messager.

L'ARN pré-messager ainsi mature devient l'ARN messager (ARNm).

L'ARNm est ensuite exporté vers le cytoplasme via les pores nucléaires.

3ème étape : la traduction de l'ARNm en protéine a lieu dans le réticulum endoplasmique.

Elle a lieu dans le cytoplasme au niveau des ribosomes et nécessite la présence d'ARN de transfert (ARNt) chargés avec les acides aminés correspondants et de l'énergie sous forme de GTP.

Les ARNt sont synthétisés dans le noyau.

La synthèse s'effectue de l'extrémité N-terminale de la protéine vers l'extrémité C-terminale.

4ème étape (selon les protéines) : modifications co-traductionnelles ou post-traductionnelles comme la glycosylation (liaison covalente d'oses aux protéines) qui a lieu dans le réticulum endoplasmique puis est finie dans l'appareil de Golgi.

Chez les procaryotes, la transcription et la traduction ont lieu dans le cytoplasme et peuvent être simultanées.

b. Rappels sur les bases azotées, les nucléosides et les nucléotides (et leurs pendants désoxy-)

Voir ci-dessous la structure de ces bases azotées.

Remarque : la xanthine, la caféine, la théobromine, l'acide urique sont aussi des purines (mais qui n'interviennent pas dans la structure des acides nucléiques).

Un nucléoside est une glycosylamine : une base azotée dont un groupement amine est lié à un carbohydrate (ribofurannose) par une liaison β-N-osidique. Un désoxynucléoside utilise le 2-désoxyribofurannose.

Un nucléotide résulte de la phosphorylation d'un groupement -OH du ribose du nucléoside. C'est un ester-phosphate de nucléoside.

Les nucléosides diphosphates (NDP) ou les nucléosides triphosphate (NTP) sont des polyacides forts qui peuvent libérer 3 ou 4 protons (acides polyprotiques).

L'ATP (adénosine 5'-triphosphate) est un NTP particulier puisque c'est la molécule réservoir énergétique de la cellule ( le GTP l'est aussi mais dans une moindre mesure).

c. Représentations schématiques des chaînes d'acides ribonucléiques ou d'acides désoxyribonucléiques

La base azotée est représentée par la lettre correspondante.

Le ribofurannose (ARN) ou le 2-désoxyribofurannose (ADN) est représenté par une ligne verticale.

La position médiane sur la ligne verticale représente le carbone 3' du ribofurannose lié au nucléotide suivant.

P représente le groupement phosphoryle lié au carbone 5 'du ribofurannose.

3'-OH indique que le groupement OH du carbone 3' du dernier ribofurannose est libre (il n'est pas impliqué dans une liaison phosphodiester).

Pour que l'information passe de l'ADN aux protéines, la cellule utilise diverses classes de molécules d'acides ribonucléiques ou ARN.

• les ARN de transfert (ARNt) qui apportent les acides aminés à la machinerie de traduction des ARN messagers en protéines.
• les ARN ribosomiaux (ARNr) qui constituent (avec des protéines) les ribosomes.
• les ARN messagers (ARNm, découverts par J. Monod, F. Jacob et leurs collaborateurs).

• des petits ARN ("small RNAs" : snRNA, snoRNA, siRNA ("small interfering RNA"), miRNA, piRNA, ...) de faible taille (20 - 30 nucléotides). Ils participent à divers mécanismes métaboliques dont la maturation des ARN. Ces petits ARN possèdent souvent une activité catalytique.

Source : Buckingham S. (2003)

Le groupement OH porté par le carbone 2 du ribofurannose rend les ARN plus sensibles à l'hydrolyse de la liaison phosphodiester.

Les ARN sont donc des molécules moins stables que l'ADN, raison pour laquelle l'ADN est employé comme molécule de stockage robuste et non modifiable (hormis les mutations) de l'information génétique. La structure en double hélice de l'ADN, son empaquetage très dense dans le noyau et son association étroite aux histones sont des éléments supplémentaires de stabilité.

Parmi les ARN, l'ARN ribosomal est le plus stable (temps de demi-vie moyen : quelques jours) car il est trés replié via de nombreux appariements intramoléculaires et son association à un grand nombre de protéines.

Les ARN de transfert sont assez stables car repliés via de nombreux appariements intramoléculaires.

Les ARN messagers sont les moins stables (temps de demi-vie moyen : quelques jours).

Les structures tridimensionnelles de l'ADN.

De gauche à droite, structure de l'ADN A, B et Z.

Source : "DNA" (Wikipedia)

La transcription est la polymérisation de ribonucléosides triphosphates (NTP), catalysée par l'ARN polymérase : ARN_n-OH + NTP ---> ARN_n+1-OH + pyrophosphate inorganique (PPi)

L'hydrolyse ultèrieure du pyrophosphate inorganique (PPi) rend la réaction exergonique : ΔG°' = - 2,2 kcal.mol^-1.

a. La transcription chez Escherichia coli (Procayotes)

Chez Escherichia coli, l'ARN polymérase est une protéine oligomérique constituée de 6 sous-unités.

Cinq d'entre elles s'associent de manière stoechiomètrique : α₂ββ'σ⁷⁰ pour constituer l'holoenzyme (figure ci-contre).

Elle est de forme irrégulière et l'un des bords est creusé d'un sillon assez long pour adapter un ADN bicaténaire de 16 paires de bases.

• β' fixe l'ADN à l'holoenzyme.
• β forme une partie du site actif. Elle est impliquée dans l'initiation et l'élongation.
• σ⁷⁰ joue un rôle primordial dans l'initiation de la transcription en dirigeant l'enzyme vers le promoteur. Chaque cellule bactérienne peut contenir plusieurs éléments σ.
• ω compte pour moins d'un exemplaire par molécule d'enzyme.

Source : "3D structures - Darst Lab"

Chez les Procaryotes, la transcription a lieu dans le cytoplasme.

L'initiation de la transcription nécessite que la sous-unité σ de l'ARN polymérase se fixe sur l'oligomère α₂ββ' (appelé "core-enzyme") pour former l'holoenzyme α₂ββ'σ.

Ce complexe se fixe de manière non-spécifique à l'ADN, via la sous-unité σ, et se déplace jusqu'au promoteur situé en amont de la séquence codante entre deux types de séquences appelées respectivement région -35 et "Pribnow box" ou "TATA box" ou région -10.

Voir les articles de D. Pribnow (1975) et de Schaller et al. (1975).

Source : M. Hunter (2009)

Ce séquences sont dites consensus car elles reflètent l'emploi le plus fréquent de certains nucléotides à des positions précises par le plus grand nombre d'organismes pour lesquels on a ce type de données.

Exemples de séquences consensus :

• région -35 : TTGACAT
• région -10 : TATAAT

Source : "Biochemistry" - Garret & Grisham

σ⁷⁰ est l'élément le plus fréquement trouvé chez Escherichia coli. Mais il existe d'autres types de facteurs σ ce qui permet de réguler la transcription de différents gènes : σ²⁸ reconnaît les promoteurs des gènes de motilité et de chimiotaxie, σ³² ceux des gènes induits par le choc thermique, σ³⁸ ceux des gènes de la phase stationnaire et de réponse au stress, σ⁵⁴ ceux des gènes du métabolisme azoté.

La sous unité σ se détache et la sous unité β' assure la liaison avec l'ADN pour former le complexe fermé. L'ADN est déroulé sur environ 17 paires de bases par l'ARN polymérase  : c'est le complexe ouvert.

La phase d'élongation commence en remplaçant la sous unité σ par un facteur de transcription appelé NusA.

NusA fait partie d'une famille de facteurs d'élongation trés conservés.

Chez Escherichia coli c'est une protéine de 495 acides aminés (55 kDa) constituée de 6 domaines. Le domaine N-terminal (1 à 137) interagit avec l'ARN polymérase.

Ce complexe enzymatique synthétise le brin d'ARN complémentaire du brin d'ADN matrice.

Figure ci-contre : les différents complexes d'élongation au cours d'un cycle de transcription chez Escherichia coli.

• RNAP : ARN polymérase
• NusB, NusG et NusE : autres facteurs de transcription

Source : Burmann & Rösch (2011)

Au cours de l'élongation, l'ARN polymérase ouvre une "bulle de transcription" de 12 -13 paires de bases ouverte.

L'ARN polymérase apparie les ribonucléotides avec les désoxyribonucléotides de l'ADN matrice elle établie les liaisons phosphodiester entre les ribonucléotides.

Le brin d'ARN en cours de biosynthèse reste apparié à l'ADN puis il y a désappariement.

La terminaison de la transcription se fait de 2 manières (50% pour chacune d'entre elle environ chez Escherichia coli).

a. La terminaison Rho-dépendante

Une courte séquence d'ADN, riches en paires G-C (3 liaisons hydrogènes donc plus fortement liées) suivie de plusieurs U, est transcrite en "épingle à cheveux" ce qui stoppe la progression de l'ARN polymérase.

Une protéine de terminaison appelée Rho (une hélicase ARN-ADN / ATP-dépendante sous forme d'homohexamère) se fixe sur l'ARN et le complexe d'élongation est dissocié.

Le brin d'ARN néo-synthétisé est libéré du brin d'ADN matrice.

Le site d'enroulement de l'ARN autour de Rho est une région d'environ 70 nucléotides (jusqu'à 100 nucleotides), riche en cytosine et pauvre en guanine, appelée "rho utilization site" située en amont de la séquence appelée "terminateur".

Source : Pearson Education, Inc. (2009)

b. La terminaison Rho-indépendante (ou terminaison intrinsèque)

Elle a lieu au niveau d'une séquence répétée inversée (également riche en paires G-C) suivie de 6 A, située après la séquence codante.

La transcription de cette séquence inversée aboutit à la formation d'une structure en "épingle à cheveux" dans l'ARN en cours de biosynthèse qui bloque le complexe de transcription.

Les liaisons H entre la séquence poly A et le brin complémentaire poly-U néo-synthétisé sont rompus et le brin d'ARN est dissocié du brin d'ADN matrice.

Source : Freeman & Co. (2005)

L'ARNm synthétisé peut être directement traduit. La transcription et la traduction se déroulant dans le même compartiment, des ribosomes peuvent même commencer à traduire un ARN messager avant que sa transcription ne soit finie.

Figure ci-contre : une unité de gène ribosomal en action (Chrironumus pallidivitatus). De nombreuses molécules d'ARN polymérase I (ARN Pol I) sont en train de transcrire le gène car l'initiation est trés fréquente.

Plus on s'approche de l'extrémité 5', plus les transcrits (ARNr) sont longs.

Adapté de Hans-Heinrich Trepte

b. La transcription chez les Eucaryotes

Chez les eukaryotes, à chacun des types d'ARN correspond une ARN polymérase.

L'ARN polymérase est un énorme complexe protéique de 550 kDa constitué de 12 sous-unités.

Elle nécessite 5 facteurs de transcription : TFII-B, TFII-D, TFII-E, TFII-F, et TFII-H.

• en blanc : ARN polymérase
• en beu : double hélice d'ADN
• en rouge : ARN en cours de formation en rouge
• en vert : structure qui fait avancer le brin d'ADN dans l'enzyme

Source des figures : R. D. Kornberg

"Nobel Lecture 2006" & "Cell Death and Differentiation 14"

Ce n'est qu' en 2007 que sa structure tridimensionnelle a été obtenue, par cryo-microscopie électronique : l'échantillon et l'intérieur du microscope sont refroidis à -180 Celsius afin d'éviter l'évaporation de l'eau contenue dans la structure de l'enzyme.

Cela permet de figer l'enzyme dans son état natif.

Source : G. Schoehn - CNRS 2007

Cette structure a permis de localiser cinq sous-unités supplémentaires impliquées dans les phases initiale et finale de la transcription.

Ces sous-unités permettent de reconnaître l'ADN et de fixer différents facteurs de transcription.

L'initiation de la transcription est plus complexe chez les Eucaryotes.

Chez les eukaryotes, les ARN polymérases ne reconnaissent pas directement leurs séquences promotrices. Des facteurs de transcription doivent d'abord médier la fixation des ARN polymérases et l'initiation de la transcription.

Le complexe complet [ARN polymérases - facteurs de transcription - séquence ADN du promoteur] est appelé complexe d'initiation de la transcription.

Chez les Eucaryotes, la terminaison de la transcription s'effectue selon différents processus, qui dépendent de la polymérase employée.

Dans le cas des gènes transcrits par pol I, la transcription s'arrête avec un facteur de terminaison, via un mécanisme semblable au mécanisme rho-dépendant chez les bactéries.

Dans le cas des gènes transcrits par pol III, la transcription s'arrête après la transcription d'une séquence de terminaison qui contient un segment polyuracile, via un mécanisme semblable au mécanisme rho-indépendant chez les procaryotes.

La transcription des gènes transcrits par pol II peut continuer sur des centaines, voire des milliers, de nucléotides au-delà de la fin de la séquence codante. Le brin d'ARN est alors coupé par un complexe qui s'associe à la polymérase. Cette coupure, couplée semble-t-il à la terminaison de la transcription s'effectue au niveau d'une séquence consensus. Les ARNm matures transcrits par pol II sont polyadénylés à leur extrémité 3, formant la queue poly(A).

Certains ARN des cellules eucaryotes, en particulier les ARN dits pré-messagers, subissent des modifications post-transcriptionnelles, catalysées par plusieurs enzymes localisées dans le noyau.

• l'addition d'une coiffe protectrice à l'extrémité 5'
• une poly-adénylation à l'extrémité 3'
• un épissage alternatif (excision des parties non codantes appelées introns)

c. Addition de la coiffe des ARN

C'est l'addition d'une 7-méthylguanosine (N7) sur le premier nucléotide de l'ARN, par une liaison 5'-5' triphosphate (notation : 7mGpppN). Cette modification est appelée la coiffe (ou "5'-cap").

Les ribofurannoses des deux premiers nucléotides de l'ARNm transcrit peuvent aussi être méthylés en position 2'.

La coiffe :

• elle protège l'extrémité 5' des ARN contre la dégradation par des exonucléases 5' -> 3', augmentant ainsi leur temps de demie-vie.

• elle participe au transport des ARN vers le cytoplasme : la coiffe est reconnue dans le noyau par un complexe de fixation de la coiffe ("cap-binding complex"). Ce complexe est reconnu par les pores nucléaires.

• dans le cas des ARNm, après qu'ils aient été exportés dans le cytoplasme, la coiffe est reconnue par un complexe protéique spécifique, comprenant notamment le facteur d'initiation eIF4E. eIF4E forme un complexe avec eIF4G qui recrute le ribosome via eIF3, qui permet traduction en protéine.

Les enzymes ("mRNA-capping enzyme catalytic subunit") qui catalysent l'addition de la coiffe sont :

a. une polynucléotide 5'-phosphatase (EC 3.1.3.33) qui libère le 5' diphosphate : 5'-phospho-polynucléotide + H2O <===> polynucléotide + phosphate inorganique.

b. une ARNm guanylyl-transférase (EC 2.7.7.50) qui forme la liaison 5'-5' triphosphate avec le GTP en tant que donneur de liaison à haut potentiel énergétique : GTP + (5')pp-Pur-ARNm <===> G(5')ppp-Pur-ARNm + pyrophosphate inorganique.

c. une ARNm [guanine-N(7)-]-méthyl-transférase (EC 2.1.1.56) ajoutent les groupements méthyle sur l'atome N7 de la guanosine et les deux nucléotides suivants. Le donneur de méthyle est la S-adénosylméthionine.

Voir la "molécule du mois" - Janvier 2012 : "Messenger RNA Capping" / PDB 3KYH - PDB 1RI1.

Le système multi-enzymatique complexe qui dégrade les ARN qui ne sont plus utiles s'appelle l'exosome - PDB 2NN6 (système qui est le pendant des protéasomes dans le cas des protéines).

Figure ci-contre : représentation schématique (simplifiée) d'un gène Eucaryote.

Les régions non-codantes ou non traduites ("UnTranslated Regions") en 5' (5'-UTR) sont davantage conservées entre différentes espèces et ne changent pas beaucoup au sein d'une famille de gènes.

A l'inverse, les 3'-UTR sont caractérisées par une plus faible conservation entre différentes espèces.

Hormis les ARN messagers (ARNm) codant les histones, l’extrémité 3’ des ARNm des eucaryotes comporte une série de 50 à 200 résidus adényliques qui constitue ce que l'on appelle la queue "polyA".

• elle stimule la terminaison de la transcription
• elle participe à la migration des ARN messagers dans le cytoplasme
• elle protége les ARN messagers de la dégradation
• elle contribue à l'initiation de la traduction

L'étude des transcrits de 10 chromosomes humains a montré que prés de la moitié des transcrits sont non polyadénylés [écrit poly(A)-] (Cheng et al., 2005) :

• 19,4% sont poly(A)+
• 43,7% sont poly(A)-, c'est-à-dire non polyadénylés
• 36,/9% sont poly(A)+ et poly(A)-

La polyadénylation alternative génère différents transcrits à partir d'un même gène (schéma ci-dessous).

Source : D. Gautheret - INSERM ERM206

e. L'épissage alternatif

C'est le processus qui permet à un même gène de générer différents transcrits selon la combinaison des exons qui formeront l'ARN messager mature.

L'épissage est effectué par deux réactions de trans-estérification au sein de complexes appelés "spliceosomes" formés, entre autres, de 5 particules ribonucléoprotéiques appelées SnRNP ("Small nuclear RiboNucleoProtein").

Ce sont des protéines associées à des petits ARN nucléaires (snARN) riches en uracile (U1, U2, U4, U5 et U6).

Les répercutions de l'épissage sur les marqueurs de séquence exprimée ou " EST " ("expressed sequence tags") que l'on peut obtenir sont les suivantes :

• quand différents exons d'un même gène sont attachés au même dernier exon en 3' dans une collection d'EST, ils apparaissent comme des gènes distincts avant l'analyse.

• s'il existe plusieurs sites d'initiation de la transcription, on aboutit à différents EST pour un même gène.

• la probabilité que l'extrémité 5' d'un ADNc corresponde effectivement au site d'initiation décroît en fonction de la longueur du transcrit. En conséquence, les EST qui dérivent de l'extrémité 5' correspondent souvent à des séquences internes du gène.

• des erreurs peuvent être observées également à l'extrémité 3' : délétions internes ou erreurs d'épissage. Certains gènes possèdent plusieurs extrémités 3'.

f. Les ARN de transfert (ARNt)

L'ARN polymérase de type III est responsable de la transcription dans le nucléoplasme des 32 ARNt à partir des gènes portés par le génome.

Les ARNt jouent un rôle capital dans la traduction.

Les ARNt sont des petits ARN de 75 à 95 nucléotides. Après leur synthèse, ils sont fortement modifiés :

• hydrolyse de séquences nucléotidiques aux extrémités 5' (par la RNAse P) et 3' (par une endonucléase)
• addition d'une séquence CCA à l'extrémité 3' par une nucléotidyl-transférase (site de liaison covalente à l'acide aminé porté par l'ARNt)
• un fort pourcentage de modifications de nucléotides

Figure ci-contre : exemples de bases azotées modifiées dans les ARNt.

La pseudouridine (Ψ) résulte d'une modification post-transcriptionnelle de l'uridine (isomérisation par rotation de 180° du cycle pyrimidine). C'est la modification la plus fréquente des bases des ARN et elle contribue à la stabilisation de la structure 3D des ARNt. La boucle TΨC comporte une pseudouridine.

La ribothymidine est trouvée essentiellement dans la boucle T des ARNt à laquelle elle donne son nom. Lors de la transcription, une uridine est incorporée en position 54 dans le précurseur de l'ARNt puis cette uridine est modifiée par l'ARNt (uracile(54)-C(5))-méthyltransférase (EC 2.1.1.35) en ribothymidine. Elle joue un role important dans la stabilisation de la structure 3D des ARNt.

La 5,6-dihydrouridine (boucle D) est non-plane. Elle perturbe les interactions d'empilement des bases dans les hélices et déstabilise la structure des ARN. Cette particularité est utilisée par certains organismes qui se développent à des températures trés basses et qui ont des ARNt riches en 5,6-dihydrouridine. Leurs ARNt restent ainsi localement flexibles à ces températures.

L'inosine contient une purine particulière : l'hypoxanthine. L'inosine peut former des appariements de type wobble ("appariement bancal") I-U, I-A et I-C. Ainsi, l'inosine est fréquemment en première position de l'anti-codon des ARNt, permettant au même ARNt de s'apparier à plusieurs codons synonymes. L'inosine résulte de la désamination de l'adénine par l'adénine désaminase (EC 3.5.4.2).

On trouve également : la 1-méthyladénosine, la 1-méthylguanosine, la 5-méthylcytidine, ...

Bases de données : "The genomic tRNA database".

Les ARNt adoptent une structure repliée dans l'espace (figure ci-contre) caractéristique du fait d'un grand nombre de liaisons hydrogène entre des bases distantes.

La tige qui correspond aux extrémités 5' et 3', appelée bras accepteur, est cependant accessible.

• T : boucle TΨC
• A : boucle qui porte l'anti-codon
• D : boucle D

Adapté de "Transfer RNA" (Wikipedia)

Les ARN de transfert :

• portent, à l'extrémité 3', l'un des 20 acides aminés fixé par une liaison ester à leur extrémité 3'-OH
• contiennent une séquence particulière de 3 nucléotides, appelée anticodon, qui est complémentaire des codons constitutifs de l'ARN messager

Source : Structure des acides nucléiques (Equipe multimédia - Jussieu)

Les modifications post-transcriptionnelles (décrites ci-dessus) des ARNt jouent un rôle important dans l'appariement  codon - anticodon.

Par exemple, la transformation de l'adénosine (en position 37 - adjacente à l'extrémité 3' de l'anticodon) en 2-méthylthio-N6-threonyl carbamoyl adénosine (ms2t6A) est essentielle pour une traduction efficace par les ribosomes.

Ces modifications post-transcriptionnelles jouent également un rôle important dans l'interaction de l'ARNt avec son aminoacyl-ARNt synthétase, l'enzyme qui lie spécifiquement un acide aminé.

En apportant les 2 informations (anticodon et acide aminé) aux ribosomes, les ARNt établissent ainsi le lien entre l'information contenue par l'ARN messager (l'information génétique portée par leurs codons) et les acides aminés qui constituent la (ou les) protéine(s) codée(s) par cet ARN messager.

Figure ci-contre : ARNt-Gln à gauche de la figure (la glutamine est indiquée par la flèche rouge) fixé à la glutaminyl-ARNt synthétase (en marron - transparent à droite de la figure).

Source : Wikipédia - structure PDB 1QRS modifié avec PyMOL par Yikrazuul.

Le noyau est séparé du cytoplasme par une double membrane (externe et interne, espacées de 30 nm).

Le contenu du noyau communique avec le cytosol via des pores nucléaires.

Tout l'ADN chromosomique est contenu dans le noyau. L'ADN est super-enroulé et enveloppé dans des fibres de chromatine associées à des protéines appelées histones.

La synthèse des ARN ribosomaux a lieu dans le nucléole qui est une structure nucléaire distincte au sein du noyau. Il est dépourvu de membrane et on peut en trouver plusieurs dans un même noyau.

Adapté de "Biologie moléculaire de la cellule" Alberts et al. (1983)

La membrane externe est en continuité avec le réticulum endoplamique rugueux. La membrane interne est associée à un réseau de protéines, la lamina nucléaire (entre la membrane et la chromatine).

L'enveloppe nucléaire ne peut être franchie qu'au niveau des pores nucléaires (2000 à 4000 par noyau).

Les pores contrôlent l'état des ARN qui sortent du noyau. Les pores ne laissent entrer dans le nucléoplasme que les protéines qui possèdent une séquence signal qui les adresse au noyau ("nuclear localisation signal" - NLS).

Ce filtrage des protéines est capitale pour la régulation de la transcription et la régulation de la réplication de l'ADN.

Cette séquence signal est constituée d'acides aminés basiques qui forment des motifs du type FKKKRKV ou KRFAATKKAGQAKKKK, reconnus par une protéine adaptatrice, l'importine α qui interagit ensuite avec son récepteur, l'importine β.

Le pore nucléaire est un complexe protéique (une particule) de 1,2 10⁸ Da !

Il est constitué de :

• 2 anneaux
• 1 réseau central
• 8 rayons
• 8 filaments coté cytoplasme
• 8 filaments coté nucléoplasme qui adoptent une disposition en panier ("basket")
• 1 anneau distal

Les protéines et les ARN qui traversent le pore nucléaire se fixent aux filaments.

L'essentiel des protéines qui constituent le pore nucléaire sont des nucléoporines.

Les ribosomes sont présents dans les cellules des Eucaryotes et des Procaryotes. Ils ont été découverts en 1955 par George Palade (Prix Nobel en 1974).

Le génome de l'homme contient environ 200 gènes (sur 5 chromosomes) codant l'ARN ribosomique.

L'ARN ribosomique est transcrit dans les zones fibrillaires du nucléole par l'ARN polymérase I sous la forme d'un précurseur ARN ribosomique 47 S (d'environ 14000 nucléotides). La séquence de ce précurseur est hydrolysée en ARN ribosomique 5,8 S, 18 S et 28 S.

L'ARN ribosomique 5 S (codé par un gène différent) est transcrit par l'ARN polymérase III dans le nucléoplasme.

Les ARN ribosomiques s'associent à des protéines importées dans le nucléole et forment les deux types de sous unités (petite et grande) des ribosomes. Les ribosomes sont donc des complexes rinonucléoprotéiques colossaux (300.000 atomes !).

70 S

• 1 ARN ribosomique 5 S (120 nucléotides)
• 1 ARN ribosomique 23 S (2300 nucléotides)

80 S

Ø 275 Å

40 S

1,4 10⁶ Da

60 S

2,8 10⁶ Da

• 1 ARN ribosomique 5 S (120 nucléotides)
• 1 ARN ribosomique 5,8 S (160 nucléotides)
• 1 ARN ribosomique 28 S (4700 nucléotides)

Les 2 types de sous unités quittent séparément le nucléole et ensuite le noyau via les pores nucléaires.

L'assemblage des 2 types de sous-unités est effectué dans le cytoplasme. Les ribosomes ne peuvent pas revenir dans le noyau évitant ainsi toute synthèse protéique dans celui-ci.

Ensuite, les ribosomes sont :

• associés à l'enveloppe nucléaire
• sous forme libre dans le cytoplasme
• associés à la membrane du réticulum endoplasmique (RE rugueux)
• dans les mitochondries et certains plastes (ils traduisent les ARN messagers transcrits à partir de l'ADN mitochondrial et chloroplastique) et leur structure ressemble aux ribosomes des procaryotes
• associés à la membrane interne de certaines bactéries (exemple : Escherichia coli)

La fonction des ribosomes est de synthétiser les protéines en décodant l'information contenue dans les ARN messagers : c'est la traduction.

La petite sous-unité fixe l'ARN messager et la grande sous-unité fixe les ARN de transfert. Quand la traduction est terminée, les deux sous-unités se dissocient.

Source : "Frontiers in Genetics"

Figure ci-contre : modèle de l'ARN de la grande sous-unité du ribosome. Ce modèle est basé sur la carte électronique obtenue par cryo-microscopie électronique (à une résolution de 5.5 Å) du ribosome 80S de Triticum aestivum en cours de traduction.

Source : Armache et al. (2010)

Voir deux articles capitaux qui ont décrit la structure 3D des ribosomes et leur mode de fonctionnement :

• Ban et al. (2000)
• Nissen et al. (2000)

Plusieurs ribosomes peuvent être associés à un même ARNm et chacun de ces ribosomes synthètise une chaîne polypeptidique (photographie ci-contre).

Ces groupes de ribosomes sont appelés polyribosomes.

Source : "Role of the Ribosome" University of Texas

Voir une trés belle animation du processus. (Source : Alberts et al., "Essential Cell Biology" (Second Edition) - Ed. Garland Science Publishing)

5. Le réticulum endoplasmique (RE)

C'est une extension de la membrane du noyau. Le RE est divisé en RE lisse et RE rugueux (sa surface est couverte de ribosomes), en fonction de son apparence au microscope.

• la synthèse des protéines a lieu dans le RE rugueux
• la synthèsedes lipides dans le RE lisse

Le stockage du calcium intracellulaire est une autre fonction assurée par le RE des muscles striés.

Source : "L'organisation structurale de la cellule"

Lors de leur biosynthèse, un tiers des protéines d'une cellule sont dirigées vers le RE pour y être repliées , y subir un contrôle de leur repliement correct et des maturations diverses.

Voici quelques exemples de protéines acheminées vers le RE (source "Ulysse" - Université de Bordeaux) :

• composants de la membrane externe : canaux ioniques, transporteurs, molécules d'adhérence, récepteurs membranaires,…
• composants de la matrice extracellulaire : protéoglycanes, fibronectines, laminine, collagènes, protéases, …
• hormones peptidiques : insuline
• protéines du plasma sanguin : albumine, immunoglobulines, facteurs du complément, facteurs de coagulation, fibrine, lipoprotéines, protéine C, …
• facteurs de croissance impliqués dans la prolifération cellulaire
• facteurs impliqués dans l'inflammation et la réponse immunitaire (interleukines)
• composants des lysosomes : cathepsines, lipases, phospholipases, nucléases, glycosidases.
• les protéines dites "chaperonnes" qui aident au repliement certaines protéines nouvellement synthétisées
• les enzymes des modifications post-traductionnelles : formation de ponts disulfure, glycosylation (glysolyltransférases, glycosidases et protéines de transport nucléotide–glucide)
• les enzymes de protéolyse partielle (furines)
• les récepteurs impliqués dans l'adressage des protéines aux différents compartiments sub-cellulaires (récepteur du mannoside–6 phosphate, Sec24, récepteur KDEL, ....)

Voir la réponse au stress lié à l'accumulation de protéines mal repliées dans le réticulum endoplasmique : "Unfolded protein response" - UPR.

6. Quelques notions sur le code génétique et les codons

Le code génétique a été élucidé au cours des années 1960-1965.

Le code génétique est universel : il est le même dans tous les organismes aussi bien chez les eucaryotes que chez les procaryotes.

Il existe des exceptions en particulier en ce qui concerne l'ADN des mitochondries humaines.

Il correspond à un ensemble d'entités structurales nucléotidiques appelés codons. Le codon génétique correspond à l'enchaînement ordonné de 3 bases nucléotidiques (ou triplet) permettant de définir le code d'un acide aminé.

Il existe 4 nucléotides dans l'ARN messager : U, C, A et G. Il y a donc 4³ = 64 codons différents pour définir l'ensemble des 20 acides aminés utilisés dans la synthèse des protéines. Le code génétique est dit redondant ou dégénéré.

Le codon AUG code pour une méthionine : ce codon initie la traduction de toutes les chaînes polypeptidiques. Il code aussi toute méthionine interne à la chaîne polypeptidique.

Trois codons (UAA, UAG, UGA) sont des codons qui ne peuvent pas être traduits en acides aminés : ce sont des codons appelés non sens ou STOP. Leur rôle est d'arréter la traduction.

STOP

méthionine

codon initiation

Résultats du séquençage du génome humain

Pour chacun des 64 codons, sont montrés sur la figure ci-contre :

• l'acide aminé correspondant
• la fréquence observée du codon considéré pour 10.000 codons employés
• le codon
• lignes noires : la prédiction d'appariement à l'anticodon porté par l'ARN de transfert (règle du "wobble", variabilité du 3è nucléotide du codon)
• une séquence non modifiée de l'anticodon
• le nombre de gènes codant pour l'ARN de transfert trouvés pour cet anticodon

Source : HGP - Nature 409, 860 - 921

Exemple de la phénylalanine

• la fréquence de codage de cet acide aminé par les codons UUU et UUC est respectivement de 171 et de 203 pour 10.000 codons
• les 2 codons semblent décodés par un unique anticodon GAA qui utilise une règle du "wobble" G/U
• 14 gènes codant pour l'ARN de transfert ont été trouvés pour cet anticodon GAA

Roger D. Kornberg - "The Molecular Basis of Eukaryotic Transcription" - Nobel Lecture (2006) - Cell Death & Differentiation 14, 1989 - 1997

Roger D. Kornberg - Prix Nobel de chimie 2006.

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"Ribosome - Reference pathway" : document interactif qui décrit l'ensemble des ARN et des protéines ribosomales eucaryotes et procaryotes.

KEGG

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Un excellent desriptif des pores nucléaires et des complexes nucléoporines : "The nuclear pore complex becomes alive: new insights into its dynamics and involvement in different cellular processes"

Alves & Doye (2003) "Assemblage des pores nucléaires en fin de mitose" M/S : médecine sciences 19, 1193 - 1194

Ban et al. (2000) "The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 Å Resolution" Science 289, 905 -920

Nissen et al. (2000) "The Structural Basis of Ribosome Activity in Peptide Bond Synthesis" Science 289, 920 -930

Armache et al. (2010) "Localization of eukaryote-specific ribosomal proteins in a 5.5-Å cryo-EM map of the 80S eukaryotic ribosome" PNAS 107, 19754 - 19759