Transcription ADN: comment ça marche ?

Que vous soyez un nouveau venu en biologie ou un passionné de longue date, il y a de fortes chances qu'en par défaut, vous considérez l'acide désoxyribonucléique (ADN) comme peut-être le concept le plus indispensable dans toute la vie la science. Au minimum, vous savez probablement que l'ADN est ce qui vous rend unique parmi les milliards de personnes sur le planète, lui donnant un rôle dans le monde de la justice pénale ainsi qu'une scène centrale en biologie moléculaire conférences. Vous avez presque sûrement appris que l'ADN est responsable de vous doter de tous les traits dont vous avez hérité de vos parents, et que votre propre ADN est votre héritage direct aux générations futures si vous avez enfants.

Ce que vous ne savez peut-être pas grand-chose, c'est le chemin qui relie l'ADN de vos cellules aux traits physiques que vous manifestez, à la fois manifestes et cachés, et la série d'étapes le long de ce chemin. Les biologistes moléculaires ont produit le concept d'un « dogme central » dans leur domaine, qui peut se résumer simplement comme "ADN à ARN à protéine." La première partie de ce processus - générer de l'ARN, ou acide ribonucléique, à partir de l'ADN - est connue sous le nom de

L'ADN et l'ARN sont des acides nucléiques. Les deux sont fondamentaux pour toute la vie; ces macromolécules sont très étroitement liées, mais leurs fonctions, bien qu'exquisément entrelacées, sont très divergentes et spécialisées.

L'ADN est un polymère, ce qui signifie qu'il se compose d'un grand nombre de sous-unités répétitives. Ces sous-unités ne sont pas exactement identiques, mais elles sont de forme identique. Considérez une longue chaîne de perles composée de cubes de quatre couleurs et dont la taille varie très légèrement, et vous aurez une idée de base de la façon dont l'ADN et l'ARN sont arrangés.

Les monomères (sous-unités) des acides nucléiques sont appelés nucléotides. Les nucléotides eux-mêmes sont constitués de triades de trois molécules distinctes: un groupe (ou des groupes) phosphate, un sucre à cinq carbones et une base riche en azote ("base" pas dans le sens de "fondation", mais signifiant "ion hydrogène" accepteur"). Les nucléotides qui composent les acides nucléiques ont un groupe phosphate, mais certains ont deux ou même trois phosphates attachés à la suite. Les molécules adénosine diphosphate (ADP) et adénosine triphosphate (ATP) sont des nucléotides d'une importance extraordinaire dans le métabolisme énergétique cellulaire.

L'ADN et l'ARN diffèrent de plusieurs manières importantes. Un, alors que chacune de ces molécules comprend quatre bases azotées différentes, l'ADN comprend l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et la thymine (T), alors que l'ARN comprend les trois premiers d'entre eux, mais remplace l'uracile (U) par T. Deuxièmement, le sucre de l'ADN est le désoxyribose, tandis que celui de l'ARN est le ribose. Et troisièmement, l'ADN est double brin dans sa forme la plus stable sur le plan énergétique, tandis que l'ARN est simple brin. Ces différences sont d'une importance majeure à la fois dans la transcription en particulier et dans la fonction de ces acides nucléiques respectifs en général.

Les bases A et G sont appelées purines, tandis que C, T et U sont classées comme pyrimidines. De manière critique, A se lie chimiquement à, et seulement à, T (si ADN) ou U (si ARN); C se lie à et seulement à G. Les deux brins d'une molécule d'ADN sont complémentaires, ce qui signifie que les bases de chaque brin correspondent à chaque point à la base "partenaire" unique du brin opposé. Ainsi AACTGCGTATG est complémentaire de TTGACGCATAC (ou UUGACGCAUAC).

Avant d'approfondir les mécanismes de la transcription de l'ADN, cela vaut la peine de prendre un moment pour revoir la terminologie associé à l'ADN et à l'ARN, car avec autant de mots à consonance similaire dans le mélange, il peut être facile de confondre eux.

Réplication est l'acte de faire une copie identique de quelque chose. Lorsque vous faites une photocopie d'un document écrit (old school) ou utilisez la fonction copier-coller sur un ordinateur (new school), vous répliquez le contenu dans les deux cas.

L'ADN subit une réplication, mais l'ARN, dans la mesure où la science moderne peut le vérifier, ne le fait pas; elle naît uniquement de la transcription_._ D'une racine latine qui signifie « une écriture à travers », la transcription est l'encodage d'un message particulier dans une copie d'une source originale. Vous avez peut-être entendu parler de transcripteurs médicaux, dont le travail consiste à taper sous forme écrite les notes médicales prises sous forme d'enregistrement audio. Idéalement, les mots, et donc le message, seront exactement les mêmes malgré le changement de support. Dans les cellules, la transcription implique la copie d'un message d'ADN génétique, écrit dans le langage des séquences de bases azotées, sous forme d'ARN - en particulier, l'ARN messager (ARNm). Cette synthèse d'ARN se produit dans le noyau des cellules eucaryotes, après quoi l'ARNm quitte le noyau et se dirige vers une structure appelée ribosome à subir Traduction.

Alors que la transcription est le simple codage physique d'un message dans un support différent, la traduction, en termes biologiques, est la conversion de ce message en action intentionnelle. Une longueur d'ADN ou un message d'ADN unique, appelé gène, aboutit finalement à ce que les cellules fabriquent un produit protéique unique. L'ADN transporte ce message sous la forme d'ARNm, qui transmet ensuite le message à un ribosome pour qu'il soit traduit en une protéine. De ce point de vue, l'ARNm est comme un plan ou un ensemble d'instructions pour assembler un meuble.

Cela, espérons-le, éclaircit tous les mystères que vous avez sur ce que font les acides nucléiques. Mais qu'en est-il de la transcription en particulier ?

L'ADN, assez célèbre, est tissé en une hélice double brin. Mais sous cette forme, il serait physiquement difficile de construire quoi que ce soit à partir de celui-ci. Par conséquent, dans le initiation phase (ou étape) de transcription, la molécule d'ADN est déroulée par des enzymes appelées hélicases. Un seul des deux brins d'ADN résultants est utilisé à la fois pour la synthèse d'ARN. Ce volet est appelé le non codant brin, car, grâce aux règles d'appariement des bases ADN et ARN, l'autre brin d'ADN a la même séquence de bases azotées que l'ARNm à synthétiser, faisant ainsi de ce brin le codage brin. Sur la base des points soulevés précédemment, vous pouvez conclure qu'un brin d'ADN et l'ARNm qu'il est responsable de la fabrication sont complémentaires.

Le brin étant maintenant prêt pour l'action, une section d'ADN appelée séquence promotrice indique où la transcription doit commencer le long du brin. L'enzyme ARN polymérase arrive à cet endroit et devient partie intégrante d'un complexe promoteur. Tout cela permet de s'assurer que la synthèse de l'ARNm commence exactement là où elle est supposée sur la molécule d'ADN, et cela génère un brin d'ARN qui contient le message codé souhaité.

Ensuite, dans le élongation phase, l'ARN polymérase « lit » le brin d'ADN, en commençant par la séquence du promoteur et en se déplaçant le long du brin d'ADN, comme un enseignant remontant une rangée d'étudiants et distribuant des tests, ajoutant des nucléotides à l'extrémité croissante de l'ARN nouvellement formé molécule.

Les liaisons créées entre les groupes phosphate d'un nucléotide et le groupe ribose ou désoxyribose du nucléotide suivant sont appelées liaisons phosphodiester. Notez qu'une molécule d'ADN a ce qu'on appelle une extrémité 3' ("trois premiers") à une extrémité et une extrémité 5' ("cinq premiers") à l'autre, avec ces nombres provenant du les positions terminales des atomes de carbone dans les "anneaux" terminaux respectifs du ribose. Au fur et à mesure que la molécule d'ARN se développe dans la direction 3', elle se déplace le long du brin d'ADN dans la direction 5' direction. Vous devriez examiner un diagramme pour vous assurer que vous comprenez parfaitement les mécanismes de la synthèse de l'ARNm.

L'ajout de nucléotides - en particulier, les nucléosides triphosphates (ATP, CTP, GTP et UTP; L'ATP est l'adénosine triphosphate, le CTP est la cytidine triphosphate et ainsi de suite) - le brin d'ARNm allongé nécessite de l'énergie. Ceci, comme tant de processus biologiques, est fourni par les liaisons phosphate dans les nucléosides triphosphates eux-mêmes. Lorsque la liaison phosphate-phosphate à haute énergie est rompue, le nucléotide résultant (AMP, CMP, GMP et UMP; dans ces nucléotides, le "MP" signifie "monophosphate") est ajouté à l'ARNm, et une paire de molécules de phosphate inorganique, généralement écrite PP_je, tomber.

Au fur et à mesure que la transcription se produit, elle le fait, comme indiqué, le long d'un seul brin d'ADN. Sachez toutefois que la molécule d'ADN entière ne se déroule pas et ne se sépare pas en brins complémentaires; cela ne se produit qu'à proximité directe de la transcription. En conséquence, vous pouvez visualiser une "bulle de transcription" se déplaçant le long de la molécule d'ADN. C'est comme un objet qui se déplace le long d'une fermeture éclair qui est dézippé juste devant l'objet par un mécanisme tandis qu'un mécanisme différent referme la fermeture éclair dans le sillage de l'objet.

Enfin, lorsque l'ARNm a atteint la longueur et la forme requises, le Résiliation phase commence. Comme l'initiation, cette phase est activée par des séquences d'ADN spécifiques qui fonctionnent comme des signes d'arrêt pour l'ARN polymérase.

Chez les bactéries, cela peut se produire de deux manières générales. Dans l'un d'eux, la séquence de terminaison est transcrite, générant une longueur d'ARNm qui se replie sur elle-même et ainsi « se regroupe » tandis que l'ARN polymérase continue de faire son travail. Ces sections repliées d'ARNm sont souvent appelées brins en épingle à cheveux, et elles impliquent un appariement de bases complémentaires au sein de la molécule d'ARNm simple brin mais déformée. En aval de cette section en épingle à cheveux se trouve une étendue prolongée de bases en U, ou résidus. Ces événements obligent l'ARN polymérase à cesser d'ajouter des nucléotides et à se détacher de l'ADN, mettant ainsi fin à la transcription. C'est ce qu'on appelle la terminaison rho-indépendante car elle ne repose pas sur une protéine connue sous le nom de facteur rho.

Dans la terminaison rho-dépendante, la situation est plus simple et aucun segment d'ARNm en épingle à cheveux ou résidu U n'est nécessaire. Au lieu de cela, le facteur rho se lie à l'endroit requis sur l'ARNm et éloigne physiquement l'ARNm de l'ARN polymérase. Que la terminaison rho-indépendante ou rho-dépendante se produise dépend de la version exacte de l'ARN polymérase qui agit sur l'ADN et l'ARNm (il existe une variété de sous-types) ainsi que les protéines et d'autres facteurs dans la cellule immédiate environnement.

Les deux cascades d'événements conduisent finalement l'ARNm à se libérer de l'ADN au niveau de la bulle de transcription.

De nombreuses différences existent entre la transcription chez les procaryotes (qui sont presque tous des bactéries) et les eucaryotes (organismes multicellulaires tels que les animaux, les plantes et les champignons). Par exemple, l'initiation chez les procaryotes implique généralement un arrangement de base d'ADN connu sous le nom de boîte de Pribnow, avec la séquence de bases TATAAT située à environ 10 paires de bases de l'endroit où se produit l'initiation de la transcription elle-même. Les eucaryotes, cependant, ont des séquences amplificatrices positionnées à une distance considérable du site d'initiation, comme ainsi que des protéines activatrices qui aident à déformer la molécule d'ADN d'une manière qui la rend plus accessible à l'ARN polymérase.

De plus, l'élongation se produit environ deux fois plus vite chez les bactéries (environ 42 à 54 paires de bases par minute, avoisinant une par seconde) que chez les eucaryotes (environ 22 à 25 paires de bases par minute). Enfin, alors que les mécanismes de terminaison bactériens sont décrits ci-dessus, chez les eucaryotes, cette phase implique des facteurs de terminaison spécifiques, ainsi qu'un brin d'ARN appelé poly-A (comme dans de nombreux bases d'adénine dans une rangée) "queue". Il n'est pas encore clair si l'arrêt de l'allongement déclenche le clivage de l'ARNm de la bulle ou si le clivage lui-même met fin brusquement à l'allongement traiter.