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.

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.

Fig. 2 - Comparaison de l'ARN et l'ADN

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.

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.

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.

Tableau 1 : Comparaison des cellules procaryotes et eucaryotes :

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.

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.

Fig. 3 - Comparaison de l'expression génétique procaryote et eucaryote

Tableau 2 : Expression génétique dans les cellules procaryotes et eucaryotes :