Réplication et transcription de l'ADN

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Réplication et transcription de l'ADN
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Terme anglais Biochimie, réplication et transcription

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1 Introduction[modifier | w]

La réplication est le processus qui permet aux cellules de dupliquer leurs matériels génétiques ou de créer de nouvelles séquences d'ADN à travers plusieurs étapes hautement régulées. La réplication est utilisée par la cellule durant la phase S du cycle cellulaire au cours de laquelle il y a réplication du matériel génétique pour préparer la division cellulaire. À l'aide de nombreuses enzymes spécifiques différentes, l'ADN est copié en un deuxième exemplaire dans le noyau d'une cellule grâce au processus de réplication. Les cellules procaryotes et eucaryotes doivent se répliquer et, par conséquent, les deux passent par une méthode similaire, mais différente. Premièrement, les procaryotes ont un ADN cyclique qui est connecté à un anneau et n'a donc qu'un seul emplacement pour démarrer la réplication. Les cellules eucaryotes sont un peu différentes, car elles sont organisées en chromosomes qui contiennent certes l'ADN, mais aussi des histones. Ces dernières consistent à un octamère sur laquelle est entouré l'ADN permettant sa compaction. Contrairement à l'ADN des procaryotes, celles des eucaryotes est linaire, c'est-à-dire que chaque chromosome possède des extrémités franches en 5' et 3' et celles-ci sont bordées par des régions appelées télomères. La réplication est connue pour être semi-conservatrice, car l'ADN d'origine (le brin parent) sert de brin matrice pour l'obtention de la copie (le brin fille). [1]

La transcription est le processus de synthèse d'un nouvel ARN qui utilise l'ADN comme matrice et comme substrats des ribonucléotides (cytosine (C), guanine (G), uracile (U) et adénine (A)).

Trois différentes ARN polymérases existe chez les eucaryotes et permettent de synthétiser différentes types d'ARN (ARNm, ARNt, ARNr, ARNsn, ARNsno et d'autres ARN non codants) nécessaires à la synthèse des protéines (ARNm), la réplication de l'ADN (ARNt), la synthèse des ribosomes (ARNr), la synthèse du spliceosome (ARNsn), la maturation des ribosomes (ARNsno) et la régulation transcriptionnelle (ARN non codants). Il est à noter que pour les ARNm, différentes étapes co-transcriptionnelles ont lieux afin de permettre la maturation du pré-ARNm en ARNm mature, c'est-à-dire l'ajout d'une coiffe en 5', l'épissage et l'ajout d'une queue poly(A) en 3'.

La réplication et la transcription sont essentielles au maintien de l'homéostasie dans le corps et à la protection contre les mutations qui se produisent en raison de stress environnementaux. [2] Des virus spécifiques peuvent également détourner le mécanisme de réplication d'une cellule et utiliser la transcription pour créer des protéines virales et des informations génétiques.

2 Mécanisme moléculaire[modifier | w]

2.1 Réplication[modifier | w]

Pour que l'ADN subisse une réplication, il doit d'abord entrer dans une formation moins compacte, ce qui est possible lors de l'acétylation de certains résidus spécifiques des histones, ce qui permet à son tour d'exposer l'ADN matrice. [3] L'hélicase est ensuite chargée d'ouvrir les deux brins d'ADN en deux matrices à simple brin. Une fois que l'ADN commence à se diviser, une fourchette de réplication est formée permettant à une seconde enzyme, appelée ARN primase, de synthétiser de courts fragments d'ARN qui serviront d'amorce pour l'ADN polymérase. Cette dernière est capable de se fixer à ces segments courts et de placer des bases complémentaires le long du brin matrice, ce qui correspond à la phase d'élongation de la réplication de l'ADN. [4] Sur le brin sens en direction 5' vers 3', l'ADN polymérase synthétise en façon constante tandis que sur le brin anti-sens (3' vers 5'), l'enzyme doit synthétiser l'ADN en courts segments puisque l'ADN polymérase ne code qu'en direction 5' vers 3'. En raison de la courte nature répétitive de ces fragments retardés, l'ADN placé sur ces sections porte le nom de fragments d'Okazaki. Pour les bactéries et autres procaryotes, les ADN polymérases I, II, IV et V sont utilisées pour vérifier et réparer les erreurs commises par la polymérase III. Chez les eucaryotes, ces polymérases sont appelées alpha, delta et epsilon. Dans les deux cas, les bases complémentaires sont placées, mais l'amorce d'ARN doit être éliminée et remplacée par la séquence d'ADN appropriée. Une enzyme appelée exonucléase est responsable de cette action qui consiste à dégrader ce fragment d'ARN et faire correspondre le brin de matrice avec les bases nécessaires. Cette dernière étape de réplication est connue sous le nom de terminaison. Lors du remplacement de l'amorce, une autre enzyme, appelée ADN ligase, relie les fragments d'Okazaki créés sur le brin anti-sens. L'ADN ligase est capable de connecter des nucléotides par la création de liaisons phosphodiesters.[5] La création de ces liaisons est le processus final de la réplication de l'ADN, conduisant à la formation de deux brins d'ADN semi-conservés. Ils sont appelés ainsi, car chaque double hélice se compose désormais de la moitié du brin matrice et de la moitié du brin nouvellement synthétisé. Pour que l'ADN évite la dégradation en ces extrémités, la télomérase est utilisée pour ajouter des télomères à la fin de la séquence de l'ADN en 3' et en 5'. [2]

2.2 Transcription[modifier | w]

La transcription est régulée par deux régions sur l’ADN : l’activateur (enhancer) et le promoteur qui peuvent se situer en amont ou en aval du gène chez les mammifères. [6] [7] [8] Cette région correspond à l’endroit où les facteurs de transcription se lient à l’ADN pour permettre la formation du complexe de pré-initiation au promoteur. Pour ce qui est de ce dernier, il contient différents motifs pour le recrutement de facteurs spécifiques chez les métazoaires.

Le processus de la transcription de l’ARN polymérase II est divisé en trois grandes étapes : l’initiation, l’élongation et la terminaison.

  • Pour ce qui est de l’initiation, celle-ci consiste au recrutement des différents facteurs généraux de la transcription (GTF) au promoteur des gènes afin de former un complexe de pré-initiation. Ce dernier permet à la fois de recruter l’ARN polymérase II et d’ouvrir une bulle de transcription. [9] En somme, l’étape de l’initiation de la transcription débute lors de l’apparition du premier lien phosphodiester de l’ARN. Après une synthèse de 30 bp, l’ARNPII relâche le promoteur et les GTF pour entrer dans l’étape de l’élongation. [10] Cette dernière correspond à la phase de synthèse de l’ARN durant laquelle différents évènements de maturation de l’ARN ont lieu de façon co-transcriptionnelle: l’ajout de la coiffe en 5’ de l’ARN et l’épissage.
  • Comme l’initiation, l’étape de l’élongation implique une régulation contrôlée afin de permettre une bonne coordination entre la transcription, la maturation de l’ARN et le passage de l’ARNPII au travers de la chromatine. Durant l’élongation, la polymérase subit différents évènements de pause et une modulation de sa vitesse, ce qui permet une fenêtre d’opportunité pour la régulation. De plus, différents facteurs sont recrutés pour permettre une processivité optimale de la polymérase et le glissement ou l’éviction d’histones afin que la polymérase puisse passer la barrière qu’est la chromatine. Différentes enzymes sont aussi recrutées pour catalyser des modifications post-traductionnelles des histones. [11]
  • La dernière étape est la terminaison. La définition de cette étape consiste au relâchement de l’ARN transcrit et de l’ARNPII. Pour ce faire, les facteurs d’élongation doivent être relâchés et des facteurs de terminaison doivent être recrutés. Une mauvaise terminaison peut se résumer à une terminaison précoce, à une accumulation d’ARN non fonctionnel et à l’envahissement du gène voisin. [12] [13] Contrairement à l’initiation qui se situe à un endroit précis du promoteur, la terminaison ne possède pas de position précise. [14] La terminaison de l’ARN polymérase II aux gènes codants s’effectue via deux mécanismes. [15] [16] Le premier consiste au relâchement des facteurs d’élongation à l’aide d’un changement de conformation du complexe d’élongation lors de son passage sur le site poly(A). Le deuxième est le relâchement de l’ARNPII de l’ADN à la suite de la dégradation de l’ARN naissant par une exonucléase. [14] [17] [18] [19] Tout au long de la transcription, différents évènements reliés à la maturation de l’ARN sont effectués. Initialement, il avait été proposé que ces processus avaient lieu après la transcription, mais des évidences ont prouvé qu’ils étaient plutôt co-transcriptionnels. [20] Pour ce faire, les différentes protéines impliquées doivent être recrutées durant la transcription.

3 Importance clinique[modifier | w]

3.1 Pathologie[modifier | w]

De nombreux problèmes peuvent survenir avec la réplication ou la transcription et les mutations les plus courantes entraînent une perte de fonction. Dans la réplication, il y a des points de contrôle après la phase S pour assurer l'exactitude de l'ADN synthétisé. Cependant, un problème commun majeur est la perte de cette régulation en raison d'une mutation, entraînant d'autres mutations dans la cellule. [21] De nombreuses mutations peuvent passer inaperçues, car elles sont silencieuses. Cependant, certaines peuvent affecter directement la transcription de certains gènes, entraînant le quantité absolue d'une protéine essentielle. Cette perte de fonction peut entraîner de nombreux problèmes différents, certains pouvant mettre la vie en danger selon la cellule affectée.[2]

3.2 Thérapie[modifier | w]

Le séquençage de l'ADN est devenu beaucoup plus efficace ces dernières années, permettant la possibilité d'une thérapie génique. La thérapie génique est le processus consistant à modifier l'ADN ou la transcription pour exprimer plus rapidement ou corriger des mutations de l'ADN. [22] Théoriquement, en modifiant l'expression des gènes, on peut inverser les mutations qui peuvent se produire, limitant ainsi les effets néfastes de l'ADN mal codé. La thérapie génique n'en est qu'à ses stades embryonnaires, mais avec plus de recherche, elle pourrait être un traitement important pour de nombreuses maladies, y compris les maladies auto-immunes. L'ADN est la pierre angulaire de tous les organismes, faisant de la réplication de l'ADN un processus crucial pour la vie. La synthèse d'ARN à partir de la transcription est tout aussi importante pour les tous organismes afin de créer les enzymes et les protéines nécessaires à la survie. [2]

3.3 Test[modifier | w]

Un Southern blot teste la réplication de l'ADN à la recherche de séquences spécifiques. Ce test vérifie la présence d'ADN et montre si la réplication s'est produite dans la cellule. Pour ce qui est de l'analyse de la transcription, deux principales méthodes sont utilisées, soit la RT-qPCR et le Northen blot. [2]

4 Références[modifier | w]

  1. Monika A. Makurath, Kevin D. Whitley, Binh Nguyen et Timothy M. Lohman, « Regulation of Rep helicase unwinding by an auto-inhibitory subdomain », Nucleic Acids Research, vol. 47, no 5,‎ 03 18, 2019, p. 2523–2532 (ISSN 1362-4962, PMID 30690484, Central PMCID 6412110, DOI 10.1093/nar/gkz023, lire en ligne)
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 et 2,4 (en) Mercadante Aa et Mohiuddin Ss, « Biochemistry, Replication and Transcription », sur PubMed, 2020 jan (PMID 30986011, consulté le 7 août 2020)
  3. Hugo Wurtele, Qin Li, Hui Zhou et Zhiguo Zhang, « [Histone acetylation and chromatin assembly] », Medecine Sciences: M/S, vol. 25, no 2,‎ , p. 121–122 (ISSN 0767-0974, PMID 19239836, Central PMCID 2954620, DOI 10.1051/medsci/2009252121, lire en ligne)
  4. Maja Sidstedt, Carolyn R. Steffen, Kevin M. Kiesler et Peter M. Vallone, « The impact of common PCR inhibitors on forensic MPS analysis », Forensic Science International. Genetics, vol. 40,‎ , p. 182–191 (ISSN 1878-0326, PMID 30878722, DOI 10.1016/j.fsigen.2019.03.001, lire en ligne)
  5. Veronika Papp-Kádár, Zoltán Balázs, Károly Vékey et Olivér Ozohanics, « Mass spectrometry-based analysis of macromolecular complexes of Staphylococcus aureus uracil-DNA glycosylase and its inhibitor reveals specific variations due to naturally occurring mutations », FEBS open bio, vol. 9, no 3,‎ , p. 420–427 (ISSN 2211-5463, PMID 30868050, Central PMCID 6396141, DOI 10.1002/2211-5463.12567, lire en ligne)
  6. Bing Li, Michael Carey et Jerry L. Workman, « The Role of Chromatin during Transcription », Cell, vol. 128, no 4,‎ , p. 707–719 (ISSN 0092-8674, DOI 10.1016/j.cell.2007.01.015, lire en ligne)
  7. Bradley R. Cairns, « The logic of chromatin architecture and remodelling at promoters », Nature, vol. 461, no 7261,‎ , p. 193–198 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/nature08450, lire en ligne)
  8. Cizhong Jiang et B. Franklin Pugh, « Nucleosome positioning and gene regulation: advances through genomics », Nature Reviews Genetics, vol. 10, no 3,‎ , p. 161–172 (ISSN 1471-0056 et 1471-0064, DOI 10.1038/nrg2522, lire en ligne)
  9. Sarah Sainsbury, Carrie Bernecky et Patrick Cramer, « Structural basis of transcription initiation by RNA polymerase II », Nature Reviews Molecular Cell Biology, vol. 16, no 3,‎ , p. 129–143 (ISSN 1471-0072 et 1471-0080, DOI 10.1038/nrm3952, lire en ligne)
  10. Steven Hahn, « Structure and mechanism of the RNA polymerase II transcription machinery », Nature Structural & Molecular Biology, vol. 11, no 5,‎ , p. 394–403 (ISSN 1545-9993 et 1545-9985, DOI 10.1038/nsmb763, lire en ligne)
  11. Fei Xavier Chen, Edwin R. Smith et Ali Shilatifard, « Born to run: control of transcription elongation by RNA polymerase II », Nature Reviews. Molecular Cell Biology, vol. 19, no 7,‎ , p. 464–478 (ISSN 1471-0080, PMID 29740129, DOI 10.1038/s41580-018-0010-5, lire en ligne)
  12. Nicole Uwimana, Pierre Collin, Célia Jeronimo et Benjamin Haibe-Kains, « Bidirectional terminators in Saccharomyces cerevisiae prevent cryptic transcription from invading neighboring genes », Nucleic Acids Research, vol. 45, no 11,‎ , p. 6417–6426 (ISSN 0305-1048 et 1362-4962, DOI 10.1093/nar/gkx242, lire en ligne)
  13. Alain Jacquier, « The complex eukaryotic transcriptome: unexpected pervasive transcription and novel small RNAs », Nature Reviews Genetics, vol. 10, no 12,‎ , p. 833–844 (ISSN 1471-0056 et 1471-0064, DOI 10.1038/nrg2683, lire en ligne)
  14. 14,0 et 14,1 Odil Porrua et Domenico Libri, « Transcription termination and the control of the transcriptome: why, where and how to stop », Nature Reviews Molecular Cell Biology, vol. 16, no 3,‎ , p. 190–202 (ISSN 1471-0072 et 1471-0080, DOI 10.1038/nrm3943, lire en ligne)
  15. J. Logan, E. Falck-Pedersen, J. E. Darnell et T. Shenk, « A poly(A) addition site and a downstream termination region are required for efficient cessation of transcription by RNA polymerase II in the mouse beta maj-globin gene. », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 84, no 23,‎ , p. 8306–8310 (ISSN 0027-8424 et 1091-6490, DOI 10.1073/pnas.84.23.8306, lire en ligne)
  16. S Connelly et J L Manley, « A functional mRNA polyadenylation signal is required for transcription termination by RNA polymerase II. », Genes & Development, vol. 2, no 4,‎ , p. 440–452 (ISSN 0890-9369, DOI 10.1101/gad.2.4.440, lire en ligne)
  17. P. Richard et J. L. Manley, « Transcription termination by nuclear RNA polymerases », Genes & Development, vol. 23, no 11,‎ , p. 1247–1269 (ISSN 0890-9369, DOI 10.1101/gad.1792809, lire en ligne)
  18. Hannah E. Mischo et Nick J. Proudfoot, « Disengaging polymerase: Terminating RNA polymerase II transcription in budding yeast », Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Regulatory Mechanisms, vol. 1829, no 1,‎ , p. 174–185 (ISSN 1874-9399, DOI 10.1016/j.bbagrm.2012.10.003, lire en ligne)
  19. Jason N. Kuehner, Erika L. Pearson et Claire Moore, « Unravelling the means to an end: RNA polymerase II transcription termination », Nature Reviews Molecular Cell Biology, vol. 12, no 5,‎ , p. 283–294 (ISSN 1471-0072 et 1471-0080, DOI 10.1038/nrm3098, lire en ligne)
  20. George Orphanides et Danny Reinberg, « A Unified Theory of Gene Expression », Cell, vol. 108, no 4,‎ , p. 439–451 (ISSN 0092-8674, DOI 10.1016/s0092-8674(02)00655-4, lire en ligne)
  21. Annika Klimpel, Tamara Lützenburg et Ines Neundorf, « Recent advances of anti-cancer therapies including the use of cell-penetrating peptides », Current Opinion in Pharmacology, vol. 47,‎ , p. 8–13 (ISSN 1471-4973, PMID 30771730, DOI 10.1016/j.coph.2019.01.003, lire en ligne)
  22. Marielle G. Contesse, James E. Valentine, Tracy E. Wall et Mindy G. Leffler, « The Case for the Use of Patient and Caregiver Perception of Change Assessments in Rare Disease Clinical Trials: A Methodologic Overview », Advances in Therapy, vol. 36, no 5,‎ , p. 997–1010 (ISSN 1865-8652, PMID 30879250, Central PMCID 6824378, DOI 10.1007/s12325-019-00920-x, lire en ligne)
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