Régulation post-transcriptionnelle

Contrôle post-transcriptionnel de l'expression des gènes

Rappelle le dogme central selon lequel les instructions sous forme d'ADN dans la cellule sont transformées en ARN avant d'être éventuellement transformées en protéines (Fig. 1).

Au cours de la transcription, l'ADN est transformé en ARN nucléaire hétérogène (ARNh). Après la transcription, une série de modifications catalysées par des enzymes, appelées modifications post-transcriptionnelles, se produisent pour convertir l'ARNh en ARN messager (ARNm) fonctionnel.

Dans les cellules eucaryotes, la transcription et les modifications post-transcriptionnelles ont lieu dans le noyau, tandis que la traduction a lieu dans le cytoplasme. Comme les virus et les bactéries utilisent l'ARN monocaténaire pour se répliquer dans le cytoplasme, les cellules eucaryotes ont développé des mécanismes de protection pour dégrader l'ARN monocaténaire.

Si des ARNh sans modifications post-transcriptionnelles sont libérés dans le cytoplasme, ils seront dégradés par la propre machinerie de dégradation de la cellule. Les modifications post-transcriptionnelles dans le noyau permettent à l'ARNm d'éviter l'autodégradation et de survivre dans l'environnement difficile du cytoplasme.

En revanche, les cellules procaryotes n'ont pas d'organites ni de noyau. Par conséquent, la transcription et la traduction ont lieu dans le cytoplasme. Pour éviter que l'ARN ne soit dégradé dans le cytoplasme, les procaryotes commencent la traduction avant que la transcription ne soit terminée.

Par conséquent, les cellules procaryotes n'ont pas de modifications post-transcriptionnelles, mais plutôt des mécanismes alternatifs pour valider la qualité de l'ARNm et empêcher la réplication virale.

Types de régulation post-transcriptionnelle

Trois modifications post-transcriptionnelles doivent être apportées à l'ARNh avant qu'il puisse être libéré dans le cytoplasme en tant qu'ARNm mature :

1. Ajout d'une coiffe de GTP en 5'.
2. Ajout d'une queue poly-A en 3'.
3. Suppression des introns et conservation des exons.

Les détails de chaque modification seront abordés dans la section suivante.

Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes

Ajout d'une coiffe de GTP en 5'

Rappelle que l'ARN et l'ADN ont une direction avec une extrémité 5' et une extrémité 3'. À l'extrémité 5' de l'ARNh, une coiffe de 7-méthylguanylate-triphosphate, également connue sous le nom de coiffe 5' GTP, est ajoutée. La coiffe 5' GTP est un nucléotide guanine modifié avec un groupe méthyle supplémentaire à la 7e position de la guanine.

L'ajout de la coiffe 5' GTP est catalysé par trois enzymes qui font partie du complexe de liaison CAP. Le complexe de liaison CAP relie le carbone 5' de la coiffe GTP au carbone 5' du premier nucléotide pour créer un pont triphosphate 5'-à5'.

La coiffe de GTP en 5' a trois fonctions générales :

1. Aider au traitement de l'ARN et à l'exportation de l'ARN hors du noyau.

2. Servir de marqueur pour orienter l'ARNm pendant la traduction dans le cytoplasme.

3. Protéger l'ARNm de la dégradation.

Ajout d'une queue poly-A 3'

La queue polyadénosyle (poly-A ) est ajoutée à l'extrémité 3' de l'ARNh pour protéger la transcription de l'ARN d'une dégradation rapide dans le cytoplasme.

Une fois qu'un brin d'ARN simple brin pénètre dans le cytoplasme, il est rapidement dégradé par la machinerie de dégradation de la cellule, connue sous le nom de 3'-exonucléases. Les exonucléases 3' dégradent rapidement l'ARN simple brin en commençant par son extrémité 3', ce qui constitue un mécanisme de protection contre les transcriptions d'ARN virales et bactériennes. Une fois que l'ARNm est libéré dans le cytoplasme, il est lui aussi dégradé par les 3'-exonucléases.

Cependant, la queue poly-A agit comme un tampon qui sera dégradé avant les informations codantes de l'ARNm. Plus la queue poly-A est longue, plus la transcription de l'ARNm peut survivre longtemps dans le cytoplasme. La queue poly-A est également essentielle pour l'exportation de l'ARNm mature du noyau vers le cytoplasme.

L'ajout de la coiffe GTP en 5' et de la queue poly-A en 3' est illustré dans la figure 2 ci-dessous.

Suppression des introns

Rappelle que les gènes eucaryotes sont constitués de séquences codantes appelées exons et de séquences non codantes appelées introns. Souvent, les introns sont espacés entre les exons. Par conséquent, après la transcription de l'ADN en ARN, les introns doivent être supprimés et les exons doivent être réassemblés en un seul brin d'ARNm (Fig. 3).

Le processus d'élimination des introns est connu sous le nom d'épissage. L'épissage est effectué par un complexe appelé spliceosome , lui-même composé d'ARN non codant appelé petit ARN nucléaire (sn RNA) et de protéines appelées petites ribonucléoprotéines nucléaires(snRNP).

Ensemble, ils constituent le spliceosome qui reconnaîtra les limites de l'intron et les excisera de l'ARN pour être dégradé. Le produit final est un transcrit d'ARN qui n'est constitué que d'exons.

Certains gènes eucaryotes sont cependant constitués de combinaisons uniques d'exons. Cela signifie que tous les exons ne sont pas transcrits en un ARNm mature.

Dans la figure 4, différents exons sont inclus dans la transcription finale de l'ARN. À gauche, l'exon n° 2 mais pas l'exon n° 3 peut être inclus dans l'ARNm n° 1, tandis que l'inverse peut être vrai pour l'ARNm n° 2. Cette inclusion sélective d'exons est connue sous le nom d'épissage alternatif . L'épissage alternatif permet de fabriquer différentes formes de la protéine à partir de la même séquence d'ADN.

Exemples de régulation post-transcriptionnelle

Rappelle que toutes les cellules du corps humain ont le même génome, cependant toutes les cellules ne se ressemblent pas et n'expriment pas les mêmes protéines.

L'une des principales raisons de cette différence est que les cellules expriment des gènes différents. Une autre raison est l'épissage alternatif. Les cellules peuvent épisser différemment les transcrits d'ARN pour fabriquer différentes protéines à partir du même gène. En fait, 75 % des gènes humains produisent plusieurs formes des mêmes protéines, ce qui augmente le potentiel de codage du génome.

Les modifications post-transcriptionnelles sont également essentielles pour la détermination du sexe chez la drosophile. Tout comme chez l'homme, certains gènes de la mouche des fruits peuvent être épissés alternativement pour former différentes versions de la même protéine : un gène en particulier, appelé gène doubleex, est responsable de la détermination du sexe de la mouche des fruits. À la suite d'un épissage alternatif, une forme de la protéine doublesex inhibe les gènes impliqués dans le développement de la mouche des fruits mâle.

Cependant, une autre forme de la protéine inhibera le développement de la mouche à fruits femelle. Il est important de noter que cet exemple illustre la façon dont les modifications post-transcriptionnelles peuvent avoir des effets radicaux sur l'organisme, même si le gène lui-même est identique.

En fin de compte, l'épissage alternatif augmente le potentiel de codage du génome. Plutôt que d'avoir deux voies génétiques indépendantes, le même gène peut être exprimé différemment par l'épissage alternatif pour avoir des effets opposés.

Régulation post-transcriptionnelle chez les procaryotes

Contrairement aux eucaryotes, les procaryotes n'ont pas de modifications post-transcriptionnelles. La coiffe GTP en 5', la queue poly-A en 3' et les introns sont propres aux eucaryotes. L'une des raisons peut être la séparation spatiale entre l'ARN et les protéines chez les eucaryotes.

Contrairement aux eucaryotes, les procaryotes n'ont pas de noyau, de sorte que la transcription et la traduction ont lieu dans le cytoplasme. Cela signifie que l'ARN n'a pas besoin d'être transporté du noyau au cytoplasme. Sans ce besoin de transport, la traduction peut se produire sur la transcription de l'ARNm simultanément à la construction de la transcription de l'ARNm.

Par conséquent, l'ARNm n'aurait pas besoin d'être aussi soigneusement protégé contre la dégradation puisque la traduction commence immédiatement. Sans le besoin de protection et de transport, les modifications post-transcriptionnelles ne seraient pas nécessaires.

Cependant, les procaryotes ont d'autres moyens de vérifier la qualité de l'ARNm. Si un ARNm incomplet ou cassé est traduit par le ribosome, une étiquette de 11 acides aminés sera ajoutée à l'extrémité du polypeptide nouvellement synthétisé. Cette étiquette de 11 acides aminés sert de signal aux protéases de la cellule procaryote pour qu'elles détruisent la protéine entière. En détruisant la protéine, elle empêche les protéines incomplètes ou cassées de rester dans la cellule.

En outre, sans modifications post-transcriptionnelles, les ARNm sont rapidement dégradés dans la cellule procaryote ; par conséquent, la traduction doit avoir lieu pendant qu'un nouveau transcrit d'ARNm est synthétisé.