La réplication de l’ADN, la transcription et la traduction Thème 2.7 La réplication de l’ADN, la transcription et la traduction Idée Essentielle: les informations génétiques contenues dans l’ADN peuvent être copiées exactement puis traduites pour former les protéines requises par la cellule.

Nature de la science L’obtention de preuves pour des théories scientifiques : Meselson et Stahl ont obtenu des preuves de la réplication semi-conservative de l’ADN. (1.8) Notions-Clés 2.7 N1 La réplication de l’ADN est semi-conservative et elle dépend de l’appariement des paires de bases complémentaires. 2.7 N2 L’hélicase déroule la double hélice et sépare les deux brins en brisant les liaisons hydrogène. 2.7 N3 L’ADN polymérase lie les nucléotides entre eux pour former un nouveau brin, le brin préexistant lui servant de matrice. Il n’est pas nécessaire de faire la distinction entre les divers types de polymérases de l’ADN 2.7 N4 La transcription est la synthèse de l’ARNm copiée par l’ARN polymérase à partir des séquences de bases de l’ADN 2.7 N5 La traduction est la synthèse des polypeptides sur les ribosomes. 2.7 N6 La séquence des acides aminés des polypeptides est déterminée par l’ARNm d’après le code génétique. 2.7 N7 Les codons de trois bases sur l’ARNm correspondent a un acide aminé dans un polypeptide. 2.7 N8 La traduction dépend de l’appariement des bases complémentaires entre les codons sur l’ARNm et les anticodons sur l’ARNt.

Nature de la science L’obtention de preuves pour des théories scientifiques : Meselson et Stahl ont obtenu des preuves de la réplication semi-conservative de l’ADN. (1.8) Compétences et Applications 2.7 A1 L’utilisation de la Taq ADN polymérase pour produire rapidement de multiples copies d’ADN par amplification en chaine par polymérase (ACP). 2.7 A2 La production d’insuline humaine dans les bactéries à titre d’exemple de l’universalité du code génétique, ce qui permet le transfert de gènes d’une espèce à une autre. 2.7 C1 L’utilisation d’un tableau du code génétique pour en déduire le ou les codons qui correspondent à tel ou tel acide aminé. 2.7 C2 L’analyse des résultats de Meselson et Stahl pour appuyer la théorie de la réplication semi-conservative de l’ADN. 2.7 C3 L’utilisation d’un tableau des codons de l’ARNm et de leurs acides aminés correspondants pour en déduire la séquence des acides aminés codés par un brin court d’ARNm dont la séquence des bases est connue. 2.7 C4 La déduction de la séquence des bases de l’ADN pour le brin d’ARNm.

Q – À quoi sert la transcription et la traduction? 2.7.N4 La transcription est la synthèse de l’ARNm copiée par l’ARN polymérase à partir des séquences de bases de l’ADN. 2.7.N5 La traduction est la synthèse des polypeptides sur les ribosomes. Q – À quoi sert la transcription et la traduction? A - Ces processus fonctionnent ensemble pour créer un polypeptide qui ensuite se replis pour devenir une protéine. Les protéines effectuent plusieurs fonctions essentielles dans les cellules. Catalyse Résistance à la traction Transport des nutriments et des gaz Adhésion de la cellule Contraction musculaire Use the learn.genetics tutorial to discover one example: Hormones Récepteurs Cytosquelette Assemblage de l’ADN Coagulation du sang Immunité Transport Membranaire http://learn.genetics.utah.edu/content/molecules/firefly/

2.7.N4 La transcription est la synthèse de l’ARNm copiée par l’ARN polymérase à partir des séquences de bases de l’ADN. 2.7.N5 La traduction est la synthèse des polypeptides sur les ribosomes. http://learn.genetics.utah.edu/content/molecules/transcribe/

Notre emphase est sur l’ARNm 2.7.N4 La transcription est la synthèse de l’ARNm copiée par l’ARN polymérase à partir des séquences de bases de l’ADN. La transcription est le processus par lequel la séquence d’ARN est produite à partir d’un gabarit d’ADN: Il y a trois types principaux d’ARN qui sont majoritairement synthétisés: ARN Messager (ARNm): une copie transcrite d’un gène pour coder un polypeptide ARN de Transfert (ARNt): Une séquence en forme de T ou trèfle qui transporte un acide aminé ARN Ribosomal (ARNr): Une composante primaire des ribosomes Notre emphase est sur l’ARNm http://www.nature.com/scitable/topicpage/Translation-DNA-to-mRNA-to-Protein-393

Le code génétique Dans l’ADN, chaque groupe de trois nucléotides désigne un acide aminé: Ce brin d'ADN correspond à la "recette" de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu L’ordre des nucléotides indique à la cellule l’ordre des acides aminés qu’elle doit assembler pour fabriquer une protéine donnée.

La transcription Information : dans le noyau (sous forme d'ADN) Synthèse des protéines : dans le cytoplasme (au niveau des ribosomes du reticulum endoplasmique) L'ADN ne sort pas du noyau. L'information passe au cytoplasme sous forme d'une copie : l'ARN. ARN = Acide RiboNucléique

ARN diffère de l'ADN: Sucre des nucléotides = ribose et non désoxyribose comme dans l’ADN d’où le nom ARN, acide ribonucléique. Ribose Désoxyribose

La base azotée thymine (T) remplacée par Uracyl (U) (U peut s'apparier à A). Une seule chaîne de nucléotides. Molécules plus courtes et plus instables que l'ADN. Certains segments de l’ARN peuvent s’apparier s’ils sont complémentaires

Première étape de la synthèse d'une protéine = copie du gène (ADN) en une molécule d'ARN = transcription Ribonucléotides libres

L'ARNm se détache et la molécule d'ADN se referme 3’ 5’ 5’ 3’ Copie du gène en ARN = ARNm (ARN messager) N.B. La copie se fait dans la direction 3’ – 5’ L'ARNm se détache et la molécule d'ADN se referme 3’ 5’

Synthèse de l'ARNm se fait par l'enzyme ARN polymérase L’enzyme assemble le brin d’ARN dans la direction 5’ – 3’ (comme l’ADN polymérase) Vitesse de la synthèse ~ 60 nucléotides / s

ARN polymérase se fixe à l’ADN au niveau d’une courte séquence d'ADN placée juste avant le début du gène = promoteur Le promoteur indique: Le début du gène à transcrire en ARNm (où l’ARN polymérase doit se fixer sur l’ADN) Quel brin d’ADN doit être transcrit

Le promoteur des eucaryotes contient une séquence de nucléotides faite uniquement des bases A et T. TATA(A ou T)A(A ou T)A Le plus souvent c’est la séquence TATAAATA Cette séquence est appelée TATA box (elle est située sur le brin 5’-3’, celui qui est complémentaire à celui qui est copié, à environ 25 nucléotides avant le début du gène). Une protéine, appelée facteur de transcription, reconnaît la TATA box et s’y fixe. Il se forme alors un complexe protéique par l’ajout d’autres protéines dont l’ARN polymérase II qui peut alors commencer son travail de transcription du brin 3’-5’

Plusieurs ARN polymérases II peuvent « travailler » en même temps, les unes derrières les autres, sur le même brin d’ADN. Il peut donc se former plusieurs copies d'ARN en même temps Pouvez-vous expliquez ce qu’on voit sur cette illustration?

Lorsque la séquence d’ARN est synthétisée: 2.7.N4 La transcription est la synthèse de l’ARNm copiée par l’ARN polymérase à partir des séquences de bases de l’ADN. L’enzyme ARN polymérase s’attache à un site sur l’ADN au début du gène (La séquence de l’ADN qui est transcrite en ARN est appelé un gène). L’ARN polymérase sépare les brins d’ADN et synthétise une copie complémentaire d’ARN à partir du brins anti-sens de l’ADN(secondaire) Ceci est fait par liaisons covalentes de ribonucléotides triphosphates qui s’alignent avec leur partenaire complémentaire (à partir de l’énergie du catabolisme de l’ADN pour construire l’ARN) Lorsque la séquence d’ARN est synthétisée: ARN polymérase se détache de la molécule d’ADN ARN se détaches de l’ADN L’hélice double se reforme La transcription a lieu dans le noyau (site de l’ADN) et, une fois complétée, l’ARNm se déplace vers le cytoplasme (site de la traduction) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/DNA_transcription.svg

La traduction La synthèse de la protéine (assemblage des acides aminés) se fait au niveau des ribosomes

Les ribosomes Plus petites structures cellulaires : visibles au microscope électronique seulement. Formés de deux sous-unités: une petite et une grande (40 S et 60 S chez eucaryotes, 30 S et 50 S chez procaryotes).

Chaque unité formée d'un mélange d'ARN (= ARNr) et de protéines (~ 60% ARNr et 40% protéines). Les sous-unités sont synthétisées dans le ou les nucléole(s) du noyau (les nucléoles sont des points plus sombres visibles au microscope dans le noyau) . Cellule Noyau Nucléole

30S 50 S ARNr en brun; protéines en bleu

Unité 50S : Formée de deux ARNr et de 34 protéines L'unité 30 S est formée de 1 ARNr et de 21 protéines

Unité 50S. Les protéines sont en jaune.

ARNr synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux (ADN) ARNr synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux (ADN). Ces gènes existent en des centaines de copies dans le génome. Donc, certains gènes ne codent pas pour des protéines. C’est le cas de ces gènes qui servent à produire les ARNr.

Pour synthétiser la protéine, il faut: ARNm = information (la recette) Ribosome = machine à assembler les acides aminés Acides aminés = pièces de construction ARNt (ARN de transfert) = molécules qui transportent les acides aminés du cytoplasme au ribosome où ils sont assemblés en protéine.

L'ARN de transfert (ARNt) ARNt = brin d'ARN qui se replie sur lui-même pour former une structure en 3D

Deux zones importantes sur l'ARNt : Extrémité 3' (se termine par CCA) : peut se lier à un acide aminé N.B. certains nucléotides sont exotiques (différents des 4 habituels). I, par exemple = "inosine" un dérivé de l'adénine. I peut s'apparier avec U, C ou A. Anticodon = zone formée de trois nucléotides pouvant se lier à l'ARNm Lien web

Chaque ARNt est caractérisé par son anticodon. Un ARNt ne transporte pas n'importe quel acide aminé: ça dépend de l'anticodon Ex. ARNt AAA transporte toujours l'acide aminé PHE ARNt GAU transporte toujours l'acide aminé LEU L'acide aminé est attaché au bon ARNt par l'enzyme aminoacyl-ARNt synthétase

Il existe plusieurs sortes d’aminoacyl-ARNt synthétase Il existe plusieurs sortes d’aminoacyl-ARNt synthétase. Chacune peut attacher un acide aminé particulier à un ARNt particulier. Le site actif de l’enzyme reconnaît : un acide aminé particulier ET un anticodon particulier. L’enzyme unit l’acide aminé à l’ARNt

Chaque ARNt est synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux de l'ADN (encore des gènes qui ne codent pas pour des protéines)

N.B. Un gène peut coder pour la synthèse d'une protéine Un gène peut coder pour la synthèse d'un ARNr ou ARNt (ces gènes existent en des milliers de copies dans le génome) DONC, gène = brin d'ADN qui est copié en ARN

Mécanisme de la traduction Le brin d'ARNm s'attache au ribosome. En fait, il s’attache d’abord à la petite unité. C’est à ce moment que la grosse unité vient se fixer. Donc, les deux unités ne s’assemblent que lorsque l’ARNm se fixe à la petite unité. Deux ARNt peuvent se fixer par leur anticodon sur l’ARNr au niveau du ribosome (un sur la zone appelée site P et l’autre sur la zone appelée site A).

L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG. L’anticodon UGC se fixe sur le codon ACG Liaison codon-anticodon de deux ARNt (il y a deux sites de liaison sur le ribosome). Chaque ARNt se fixe par son anticodon sur trois nucléotides de l’ARNm. Ces trois nucléotides de l’ARNm constituent ce qu’on appelle un codon. Après leur fixation, les acides aminés qu’ils transportent sont reliés entre eux (le catalyseur est constitué d’une partie de l’ARN du ribosome et non d’une enzyme protéique).

Le ribosome avance de trois unités Le premier ARNt est retiré. Un autre ARNt se met en place

Vitesse de la synthèse : Chez E. coli ~ 5 AA / s Chez eucaryotes ~ 16 AA / s Tous les ARNm se terminent par le codon (triplet de bases) UAA, UAG ou UGA = codons STOP. Lorsque le ribosome atteint un codon STOP, une enzyme (facteur de terminaison) s'y fixe et détache l'ARNm du ribosome. ==> le ribosome se sépare en deux Les deux unités se réuniront à nouveau si un ARNm se fixe à la petite unité.

Polypeptide ARNm Ribosome

La protéine synthétisée pénètre dans le reticulum endoplasmique où elle prendra sa forme finale.

2.7.N6 La séquence des acides amines des polypeptides est déterminée par l’ARNm d’après le code génétique ARN Messager (ARNm): une copie transcrite d’un gène pour coder un polypeptide La longueur de la molécule d’ARNm varie – la moyenne chez les mammifères est d’environ 2,200 nucléotides (donc approximativement 730 acides aminés dans le polypeptide en moyenne) Seulement certains gènes dans le génome ont besoin d’être exprimé dépendant de : Spécialisation de la cellule Environnement Alors pas tout les gènes (sont transcrits) et traduits Si une cellule a besoin de produire une quantité importante d’une certaine protéine (ex. cellules β du pancréas spécialisées pour sécréter l’insuline afin de contrôler la glycémie) alors plusieurs copies de l’ARN requis sont créées. image from:

2.7.N7 Les codons de trois bases sur l’ARNm correspondent à un acide amine dans un polypeptide. The genetic code is the set of rules by which information encoded in mRNA sequences is converted into proteins (amino acid sequences) by living cells Codons are a triplet of bases which encodes a particular amino acid As there are four bases, there are 64 different codon combinations (4 x 4 x 4 = 64) The codons can translate for 20 amino acids Different codons can translate for the same amino acid (e.g. GAU and GAC both translate for Aspartate) therefore the genetic code is said to be degenerate The order of the codons determines the amino acid sequence for a protein The coding region always starts with a START codon (AUG) therefore the first amino acid in all polypeptides is Methionine The coding region of mRNA terminates with a STOP codon - the STOP codon does not add an amino acid – instead it causes the release of the polypeptide Amino acids are carried by transfer RNA (tRNA) The anti-codons on tRNA are complementary to the codons on mRNA based on

Ce diagramme résume le processus de synthèse des protéines Ce diagramme résume le processus de synthèse des protéines. Vous devriez être capable d’utiliser une section du code génétique, de le transcrire et le traduire afin de déduire le polypeptide qui sera synthétisé.

2.7.A2 la production d’insuline humaine dans les bactéries a titre d’exemple de l’universalité du code génétique, ce qui permet le transfert de gènes d’une espèce à une autre. Le diabètes chez certains individus est du à la destruction des cellules du pancréas qui secrète l’hormone insuline. On peut le traiter en injectant de l’insuline dans le sang. L’insuline Porcine et bovine, extraite des pancréas de cochons et de bœufs, est utilisé couramment. L’insuline Porcine a seulement une différence dans la séquence d’acides aminés en comparaison avec l’insuline humain. Les bovins en ont trois. L’insuline de requin, très utilisé pour traiter le diabète au Japon, en a dix-sept. Malgré les différences dans les acides aminés entre animaux et humains, ils se lient tous au récepteur humain de l’insuline et réduit la concentration de glucose sanguine. Cependant, certains diabétiques développent des allergies avec les insulines animales, alors il est préférable d’utiliser des insulines humaines. En 1982 l’insuline humaine est devenue disponible commercialement pour la première fois. Elle a été produite en utilisant des bactéries E. coli modifiées génétiquement. Depuis, des méthodes de production ont été conçues en utilisant des cellules de levure et récemment des plants de carthame. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Inzul%C3%ADn.jpg

“Le Code Génétique est Universel” 2.7.A2 la production d’insuline humaine dans les bactéries a titre d’exemple de l’universalité du code génétique, ce qui permet le transfert de gènes d’une espèce à une autre. Tous les organismes vivants utilisent les mêmes bases et le même code génétique. Chaque codon produit le même acide aminé dans la transcription et la traduction sans égard à l’espèces Donc la séquence des acides aminés dans un polypeptide demeure inchangé. Alors, on peut prendre des gènes d’une espèce et les insérez dans le génome d’autres espèces. “Le Code Génétique est Universel” restriction On utilise déjà le transfert de gène dans la production industrielle de l’insuline: http://www.abpischools.org.uk/res/coResourceImport/modules/hormones/en-flash/geneticeng.cfm

2.7.A2 la production d’insuline humaine dans les bactéries a titre d’exemple de l’universalité du code génétique, ce qui permet le transfert de gènes d’une espèce à une autre. La bactérie E. coli contient des petits cercles d’ADN soit les plasmides. Ceux-ci peuvent être retirés. Enzymes de Restriction ‘coupent’ le gène désiré du génome. La même enzyme de restriction coupe dans le plasmide. Puisqu’on utilise la même enzyme de restriction le mêmes bases sont exposées créant des ‘bouts collants’ Ligase lie les bouts collants, fixant le gène dans le plasmide E. coli Le plasmide recombinant est insérée dans la cellule hôte. Elle exprime maintenant le nouveau gène. Un exemple est la production d’insuline humaine.

FIN

Bibliographie / Remerciement Jason de Nys Gilles Bourbonnais Cégep de Sainte-Foy

Exercices Déduire le(s) codon(s) qui traduisent pour l’Aspartate. Si l’ARNm contient la séquence de bases CUGACUAGGUCCGGA Déduire la séquence d’acides aminés du polypeptide traduit. Déduire la séquence de bases de l’ADN anti-sens à partir duquel l’ARNm a été transcrite. Si l’ARNm contient la séquence de bases ACUAAC déduisez la séquence de bases du brin directeur de l’ADN.

Déduire le(s) codon(s) qui traduisent pour l’Aspartate. Exercices Déduire le(s) codon(s) qui traduisent pour l’Aspartate. Si l’ARNm contient la séquence de bases CUGACUAGGUCCGGA Déduire la séquence d’acides aminés du polypeptide traduit. Déduire la séquence de bases de l’ADN anti-sens à partir duquel l’ARNm a été transcrite. Si l’ARNm contient la séquence de bases ACUAAC déduisez la séquence de bases du brin directeur de l’ADN. GAU, GAC Leucine + Threonine + Lysine + Arginine + Serine + Glycine Le brin anti-sens est complémentaire à l’ARNm, mais n’oubliez pas que l’uracile est remplacée par la thymine) GACTGATCCAGGCCT (Le brin directeur est le gabarit de l’ARNm le seul changement est que l’uracile est remplacée par la thymine) ACTAAC

Transcrivez ce brin d’ADN er ARNm 2.7.C1 l’utilisation d’un tableau du code génétique pour en déduire le ou les codons qui correspondent à tel ou tel acide aminé. Transcrivez ce brin d’ADN er ARNm

Transcrivez ce brin d’ADN er ARNm 2.7.S1, 2.7.S3, 2.7.S4 Transcrivez ce brin d’ADN er ARNm N’oubliez pas que dans l’ARNm, l’uracile remplace par la thymine l’uracile est complémentaire à l’Adénine

Maintenant Traduisez cet ARNm en polypeptide 2.7.C1 l’utilisation d’un tableau du code génétique pour en déduire le ou les codons qui correspondent à tel ou tel acide aminé. Maintenant Traduisez cet ARNm en polypeptide N’oubliez pas que le codon de départ est le ‘Met’ Il y a 20 acides aminés et un codon de terminaison

Maintenant Traduisez cet ARNm en polypeptide 2.7.S1, 2.7.S3, 2.7.S4 Maintenant Traduisez cet ARNm en polypeptide N’oubliez pas que le codon de départ est le ‘Met’ Il y a 20 acides aminés et un codon de terminaison

Le codon ‘Met’ est toujours le premier 2.7.C1 l’utilisation d’un tableau du code génétique pour en déduire le ou les codons qui correspondent à tel ou tel acide aminé. Le codon ‘Met’ est toujours le premier Il y a 20 acides aminés et un codon de terminaison

EXTRA Sur le site WEB

2.7.N8 La traduction dépend de l’appariement des bases complémentaires entre les codons sur l’ARNm et les anticodons sur l’ARNt Key components of translation that enable genetic code to synthesize polypeptides tRNA molecules have an anticodon of three bases that binds to a complementary codon on mRNA tRNA molecules carry the amino acid corresponding to their codon 2 3 mRNA has a sequence of codons that specifies the amino acid sequence of the polypeptide 4 Ribosomes: act as the binding site for mRNA and tRNA catalyse the peptide bonds of the polypeptide 1 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/Peptide_syn.png

The process of translation can be summarised by the following steps: 2.7.N8 La traduction dépend de l’appariement des bases complémentaires entre les codons sur l’ARNm et les anticodons sur l’ARNt The process of translation can be summarised by the following steps: initiation mRNA binds to the small subunit of the ribosome. The small subunit of the ribosome moves along the mRNA molecule in a 5' - 3' direction until it reaches a start codon (AUG) A molecule of tRNA (with it’s amino acid, Methionine attached) complementary to the start codon (UAC) binds to the P site of the ribosome The large subunit of the ribosome binds to the tRNA and small subunit A second tRNA (with amino acid attached) complementary to the second codon on the mRNA then binds to the A site of the ribosome The amino acid carried by the tRNA in the P site is transferred to the amino acid in the A site as a consequence of the ribosome catalyzing a new peptide bond (condensation reaction). The growing polypeptide increases in length. The ribosome moves one codon along the mRNA (in a 5’ – 3’ direction): The tRNA in the P site is moved to the E site and then released The tRNA in the A site is moved into P site Another tRNA binds, complementary to the next codon on the mRNA, binds to the A site. Steps 6, 7, and 8 are repeated until a stop codon is reached. When a stop codon is reached translation is stopped: a release factor attaches to the A site the polypeptide chain is released the ribosome complex dissembles ready for reuse translating another mRNA molecule elongation termination

2.7.N8 La traduction dépend de l’appariement des bases complémentaires entre les codons sur l’ARNm et les anticodons sur l’ARNt Initiation: Note: a maximum of two tRNAs can be bound at the same time. mRNA binds to the small subunit of the ribosome. The small subunit of the ribosome moves along the mRNA molecule in a 5' - 3' direction until it reaches a start codon (AUG) A molecule of tRNA (with it’s amino acid, Methionine attached) complementary to the start codon (UAC) binds to the P site of the ribosome n.b. the A, P, E notation, though not necessary makes the process of translation easier to explain The large subunit of the ribosome binds to the tRNA and small subunit http://www.hartnell.edu/tutorials/biology/translation.html

2.7.N8 La traduction dépend de l’appariement des bases complémentaires entre les codons sur l’ARNm et les anticodons sur l’ARNt Elongation: A second tRNA (with amino acid attached) complementary to the second codon on the mRNA then binds to the A site of the ribosome The amino acid carried by the tRNA in the P site is transferred to the amino acid in the A site as a consequence of the ribosome catalyzing a new peptide bond (condensation reaction). The growing polypeptide increases in length. The ribosome moves one codon along the mRNA (in a 5’ – 3’ direction): The tRNA in the P site is moved to the E site and then released The tRNA in the A site is moved into P site Another tRNA binds, complementary to the next codon on the mRNA, binds to the A site. Steps 6, 7, and 8 are repeated until a stop codon is reached. http://www.hartnell.edu/tutorials/biology/translation.html

2.7.N8 La traduction dépend de l’appariement des bases complémentaires entre les codons sur l’ARNm et les anticodons sur l’ARNt Termination: When a stop codon is reached translation is stopped: a release factor attaches to the A site the polypeptide chain is released the ribosome complex dissembles ready for reuse translating another mRNA molecule http://www.hartnell.edu/tutorials/biology/translation.html

2.7.S1, 2.7.S3, 2.7.S4 Practice transcribing and translating using the learn.genetics tutorial. http://learn.genetics.utah.edu/content/molecules/transcribe/

Now use this table to answer the questions on the next slide 2.7.S1, 2.7.S3, 2.7.S4 Now use this table to answer the questions on the next slide n.b. You just have to be able to use the table. You do not have to memorize which codon translates to which amino acid.