Sais-tu pourquoi la structure et le comportement de nos organes sont si différents ? C'est grâce à l'expression génétique ! Mais qu'est-ce que ça veut dire ? L'expression génétique est le processus par lequel l'information génétique est traduite en protéines. Ces mécanismes sont au cœur de toute biologie moléculaire et peuvent t'aider à comprendre la base de la vie elle-même.
Dans ce résumé de cours, nous allons nous plonger dans les étapes de l'expression génétique, de la transcription à la traduction, et nous allons explorer les différences entre l'expression des gènes dans les cellules eucaryotes et procaryotes. L'exploration de cet important processus biologique nous permettra de mieux comprendre comment les gènes donnent naissance à la structure et au comportement des organes.
L’expression du patrimoine génétique
Les gènes sont ce qui fait de nous ce que nous sommes. Les gènes sont l'unité de base de l'hérédité, transmis du parent à la progéniture. Les gènes sont composés d'ADN. Tout comme des arrangements différents de lettres donnent des mots différents, des arrangements différents de bases nucléotidiques de l'ADN donnent des gènes différents.
Chez les eucaryotes, les gènes sont ensuite organisés en chromosomes. Les organismes peuvent avoir des dizaines de milliers de gènes. Les humains ont plus de 20 000 gènes, composés de millions de bases d'ADN, répartis sur 46 chromosomes.
Les gènes servent de manuel d'instructions pour les cellules. Ils contiennent des instructions qui indiquent aux cellules les fonctions qu’elles doivent remplir ; les gènes indiquent aux cellules comment elles doivent se présenter et fonctionner, et peuvent coder pour des molécules. Les molécules importantes pour lesquelles les gènes codent sont les protéines. Les protéines accomplissent toutes sortes de tâches et de fonctions cellulaires, comme la création de nouvelles protéines ou le métabolisme des toxines.
L'expression génétique est un sujet très vaste et ce résumé de cours ne peut pas tout couvrir. Ce sera plutôt une brève introduction à l'expression génétique.
Étapes de l'expression génétique
Le dogme central de la biologie explique le flux d'informations génétiques de l'ADN vers les composants cellulaires qui sont utiles à la vie. Selon le dogme central, les informations génétiques passent de l'ADN à l'ARN puis aux protéines.
Les processus par lesquels le flux d'informations génétiques se produit sont la réplication de l'ADN, qui produit des copies de l'ADN, la transcription, qui convertit l'ADN en ARN, et la traduction, qui convertit l'ARN en protéine. Dans ce processus, les informations sont traduites du langage des acides nucléiques vers le langage des acides aminés.
Fig. 1 - Le dogme central de la biologie moléculaire
L'ADN est le matériel héréditaire des organismes. C'est l'ADN qui code les informations génétiques comprenant les instructions dont les cellules ont besoin pour survivre et fonctionner. La molécule d'ADN est organisée en double hélice qui ressemble à une échelle torsadée. L'ADN est composé de nucléotides organisés en deux brins, eux-mêmes composés de bases azotées complémentaires maintenues ensemble par des liaisons hydrogène, tandis que le squelette de l'ADN est composé de molécules de sucre et de groupes phosphate maintenus ensemble par des liaisons covalentes.
L'ARN est utilisé pour transférer les informations génétiques et pour la synthèse des protéines ; différents types d'ARN servent d'instructions pour la fabrication des protéines et la machinerie qui assemble les protéines. L'ARN est similaire à l'ADN, mais il est monocaténaire et ses nucléotides sont un peu différents.
L'ADN a quatre bases : adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et thymine (T), tandis que l'ARN intègre de l'uracile (U) à la place de la thymine. Les nucléotides de l'ARN contiennent un sucre ribose, tandis que les nucléotides de l'ADN ont un sucre désoxyribose.
Les protéines ou les polypeptides, sont composées d'acides aminés maintenus ensemble par des liaisons peptidiques. Ces acides aminés sont ensuite organisés en structures tridimensionnelles. Les protéines sont les unités fonctionnelles des cellules. Elles remplissent une grande variété de fonctions, notamment le transport et le stockage de molécules, la défense de l'organisme contre les agents pathogènes dans le cadre du système immunitaire et la régulation des fonctions corporelles, comme la régulation du taux de sucre dans le sang.
L'expression de l'information génétique
Toutes les cellules du corps, malgré leurs nombreuses différences, possèdent les mêmes gènes. Ainsi, même si elles ont des aspects et des fonctions très différentes, les cellules de la peau et les cellules du foie possèdent les mêmes gènes. Étant donné le grand nombre de gènes compris dans les cellules, elles ont besoin d'un moyen d'exprimer uniquement les gènes dont elles ont besoin quand elles en ont besoin.
Si les cellules exprimaient tous leurs gènes en permanence, ce serait le chaos. Elles gaspilleraient énormément d'énergie à créer des protéines dont elles n'ont pas besoin et n'auraient même pas l'espace nécessaire pour tout stocker. De même, les cellules exprimeraient des gènes pour des fonctions dont elles n'ont pas besoin.
Même si tu veux que les cellules de tes cheveux expriment des gènes qui leur permettent de croître et de proliférer rapidement (pour que tes cheveux continuent de pousser), tu ne voudrais pas que les cellules de ton foie fassent de même.
L'expression des gènes est donc très importante. Tous les gènes ne fonctionnent pas, ou ne sont pas exprimés dans une cellule à un moment donné. Certains gènes sont désactivés, ou réduits au silence de façon permanente, de sorte qu'ils ne sont jamais exprimés, tandis que d'autres sont désactivés ou activés selon les besoins.
L'expression différentielle des gènes permet aux cellules de se spécialiser, de sorte que différentes cellules expriment différents gènes qui correspondent à leur fonction. Ainsi, les cellules du foie expriment les gènes dont elles ont besoin pour éliminer les toxines du corps, tandis que les cellules de la peau expriment les gènes dont elles ont besoin pour former une barrière étanche qui te protège de l'environnement extérieur. L'expression génétique est la façon dont le génotype donne naissance au phénotype ; c'est la façon dont les cellules et les organismes acquièrent leur identité.
Le génotype est le matériel génétique complet d'un organisme.
Le phénotype désigne les caractéristiques physiques d'un organisme ou la manifestation physique de son génotype.
Expression génétique des cellules procaryotes et eucaryotes
Il existe deux principaux types de cellules : les procaryotes et les eucaryotes. Les cellules eucaryotes sont beaucoup plus complexes, sont généralement plus grandes, possèdent des organites liés à une membrane, ont de nombreux chromosomes et ont un noyau défini, où se trouve le matériel génétique.
Les cellules procaryotes sont généralement plus petites, ne possèdent pas d'organites liés à une membrane, ont un ou plusieurs chromosomes, et n'ont pas de noyau. Chez les procaryotes, le matériel génétique se trouve flottant dans le cytoplasme. Les cellules procaryotes ont généralement une paroi cellulaire alors que les cellules eucaryotes n'en ont généralement pas. Les bactéries sont des procaryotes tandis que les eucaryotes sont des organismes unicellulaires ou multicellulaires, comme les animaux, les plantes et les champignons.
Un organite est une structure spécialisée qui remplit une fonction spécifique.
La mitochondrie, la centrale électrique de la cellule, est un organite lié à une membrane.
Tableau 1 : Comparaison des cellules procaryotes et eucaryotes :
Cellules procaryotes | Cellules eucaryotes | |
Taille | Petite | Grande |
Chromosomes | Un ou peu | Plusieurs |
Noyau | Absent | Présent |
Emplacement du matériel génétique | Cytoplasme | Noyau |
Cytoplasme | Présent | Présent |
Membrane plasmique | Présente | Présente |
Organites liés à la membrane | Absents | Présents |
Paroi cellulaire | Généralement présente | Généralement absente |
Les eucaryotes et les procaryotes sont très différents sur le plan structurel, tout comme la façon dont ils expriment et régulent leurs gènes. Les eucaryotes sont plus complexes, tout comme l'expression et la régulation de leurs gènes. Chez les procaryotes, l'expression des gènes est régulée au niveau de la transcription alors que chez les eucaryotes, elle est régulée à plusieurs niveaux : transcription, post-transcription, traduction, post-traduction ou gènes entiers (épigénétique).
Chez les procaryotes, la transcription est activée et désactivée pour réguler l'expression des gènes. Chez les eucaryotes, l'expression des gènes peut être régulée en empêchant ou en permettant l'accès aux gènes eux-mêmes, en enroulant ou en déroulant l'ADN, ou pendant et après la transcription et la traduction.
Chez les procaryotes, la transcription et la traduction ont lieu presque simultanément dans le cytoplasme de la cellule. Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau ; l'ARN qui en résulte est transformé et exporté vers le cytoplasme, et la traduction a lieu dans le cytoplasme.
L'épigénétique est la façon dont les cellules contrôlent l'expression des gènes sans modifier la séquence d'ADN des gènes ; elles le font en activant et désactivant les gènes pour qu'ils soient exprimés ou réduits au silence, respectivement.
Chez les eucaryotes comme chez les procaryotes, l'expression des gènes suit le dogme central, où l'ADN est transcrit en ARN messager (ARNm), qui est ensuite traduit en ADN. Les procaryotes peuvent avoir des opérons, ce qui leur permet de transcrire plusieurs gènes ensemble pour produire une molécule d'ARNm qui produira ensuite plusieurs protéines. Chez les eucaryotes, un ARNm code pour une seule protéine.
L'ARN messager (ARNm) est l'ARN qui porte les instructions pour la synthèse des protéines.
Un opéron est un groupe de gènes qui sont transcrits ensemble, produisant un ARNm polycistronique, un ARNm qui sera traduit en plusieurs protéines.
Fig. 3 - Comparaison de l'expression génétique procaryote et eucaryote
Tableau 2 : Expression génétique dans les cellules procaryotes et eucaryotes :
Cellules procaryotes | Cellules eucaryotes | |
Chronologie de la transcription et de la traduction | Presque simultanée | Séquentielle |
Emplacement de la transcription | Cytoplasme | Noyau |
Emplacement de la traduction | Cytoplasme | Cytoplasme |
Régulation au niveau de la transcription | Oui | Oui |
Régulation au niveau de la post-transcription | Non | Oui |
Régulation au niveau de la traduction | Non | Oui |
Régulation au niveau de la post-traduction | Non | Oui |
Régulation au niveau de l'épigénétique | Non | Oui |
Expression génétique - Points clés
- Les gènes sont l'unité de base de l'hérédité et sont transmis des parents à la progéniture. Les gènes sont composés d'ADN.
- Les gènes servent de manuel d'instructions pour les cellules. Ils contiennent des instructions qui indiquent aux cellules qui elles doivent être ; les gènes indiquent aux cellules comment elles doivent se présenter et fonctionner, et peuvent coder pour des molécules.
- Selon le dogme central de la biologie, l'information génétique passe de l'ADN à l'ARN (transcription) puis aux protéines (traduction).
- L'expression des gènes est très importante. Tous les gènes ne fonctionnent pas, ou ne sont pas exprimés dans une cellule à un moment donné. Les gènes peuvent être réduits au silence de façon permanentent, ou réduits au silence et exprimés selon les besoins.
- Il existe deux principaux types de cellules, les procaryotes et les eucaryotes. Les cellules eucaryotes sont beaucoup plus complexes et ont plus de régulation au niveau de l'expression génétique.
Références
- Fig. 1 : Dogme-central. Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dogme-central.png) par toony, attribué par Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
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Questions fréquemment posées en Expression génétique
Quelles sont les étapes de l'expression génétique ?
Le processus d'expression des gènes comporte une série d'étapes, qui commencent par la transcription de l'ADN en ARN. Au cours de cette première étape, l'information codée dans l'ADN est transformée en ARN. L'ARN sert de modèle pour la production de protéines, qui sont responsables de toutes les fonctions de la cellule.
Comment s'exprime un gène ?
Un gène est exprimé lorsque son code est copié à partir de l'ADN et converti en ARN qui peut être utilisé pour produire des protéines. L'expression d'un gène dépend de nombreux facteurs, tels que la séquence spécifique du gène, les signaux chimiques et les facteurs environnementaux.
Pourquoi un gène ne s'exprime pas ?
Si un gène ne s'exprime pas, cela peut être dû à un certain nombre de raisons. Par exemple, l'ADN peut être porteur d'une mutation qui l'empêche de produire un ARN messager fonctionnel. Par ailleurs, une cellule peut ne pas disposer des protéines nécessaires au processus de traduction, ce qui empêche la production de l'ARNm en protéines.
Comment les gènes s'expriment-ils dans les cellules spécialisées ?
Les différents types de cellules expriment différents gènes afin de remplir les fonctions spécialisées nécessaires à leur survie. Par exemple, les cellules qui forment la peau et les cheveux utilisent des gènes différents de ceux que l'on trouve dans les cellules du cerveau ou des muscles. Cela se fait par un processus appelé régulation épigénétique.
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