Comment fonctionne la synthèse des protéines : transcription, traduction et mutations

Du gène à la protéine

Un gène est un segment d'ADN dont la séquence de bases définit une protéine. La cellule ne lit pas directement l'ADN pour fabriquer la protéine. Elle copie d'abord le gène en ARN messager (transcription), puis les ribosomes lisent l'ARNm pour assembler les acides aminés dans le bon ordre (traduction). Ce flux d'information, de l'ADN à l'ARN puis à la protéine, est souvent appelé le dogme central de la biologie moléculaire.

La transcription

L'ARN polymérase se fixe sur un promoteur en amont du gène, déroule un court segment de la double hélice (la bulle de transcription, environ 14 paires de bases) et avance le long de celle-ci. Elle lit un brin, le brin matrice, et construit un brin d'ARN complémentaire en ajoutant des nucléotides à l'extrémité 3′ de l'ARN, qui s'allonge donc de 5′ vers 3′. L'ARN a ainsi la même séquence que l'autre brin d'ADN, le brin codant, avec de l'uracile (U) à la place de la thymine (T). Derrière la polymérase, l'ADN se referme.

Chez les bactéries, l'ARNm est utilisé aussitôt. Chez les eucaryotes, il est d'abord maturé : on ajoute une coiffe à l'extrémité 5′, une queue poly-A à l'extrémité 3′, et les introns sont retirés (épissage) avant que l'ARNm quitte le noyau.

Le code génétique

L'ARNm est lu trois bases à la fois. Chaque triplet est un codon. Quatre bases donnent 4³ = 64 codons : 61 codent les 20 acides aminés et 3 (UAA, UAG, UGA) signifient stop. AUG code la méthionine et marque aussi le début. La plupart des acides aminés ont plusieurs codons, qui diffèrent en général par la troisième base ; le code est donc redondant (dégénéré). Presque tous les êtres vivants utilisent le même code, à quelques exceptions près.

La traduction

1. Initiation : la petite sous-unité du ribosome se fixe sur l'ARNm et trouve le codon initiateur AUG ; le premier ARN de transfert, chargé de méthionine, s'y apparie, et la grande sous-unité se joint à l'ensemble.
2. Élongation : un ARNt dont l'anticodon s'apparie au codon suivant apporte l'acide aminé suivant ; le ribosome le lie à la chaîne en croissance par une liaison peptidique, puis avance d'un codon. Les ribosomes bactériens ajoutent environ 15 à 20 acides aminés par seconde, les nôtres environ 5.
3. Terminaison : sur un codon stop, aucun ARNt ne convient ; un facteur de terminaison s'y fixe à la place, la chaîne terminée est libérée et le ribosome se dissocie.

L'ordre des codons fixe l'ordre des acides aminés, et cette séquence décide de la façon dont la chaîne se replie en une protéine fonctionnelle.

Un exemple chiffré : la β-globine

Le gène humain de la β-globine (HBB), une moitié de la molécule d'hémoglobine, commence par

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

1. ARNm : AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
2. Codons : AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
3. Protéine : Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, soit MVHLTPEEK en code à une lettre.

Les mutations

• Silencieuse : une substitution qui change un codon en un autre codon du même acide aminé. GTG en GTC au codon 2 donne toujours une valine.
• Faux-sens : le nouveau codon code un autre acide aminé. Dans la drépanocytose, le codon 7 passe de GAG à GTG, et le glutamate devient une valine. La valine, hydrophobe, fait s'agglomérer les molécules d'hémoglobine en fibres quand l'oxygène manque, ce qui déforme les globules rouges en faucilles. Certaines mutations faux-sens sont sans conséquence ; d'autres détruisent la protéine.
• Non-sens : le codon devient un stop. Changer la base 19 de HBB de G en T transforme GAG en TAG, et la protéine s'arrête après six acides aminés. Des mutations de ce type causent la β-thalassémie.
• Décalage du cadre de lecture : insérer ou supprimer un nombre de bases qui n'est pas un multiple de trois décale le cadre de lecture, et tous les codons suivants changent. Supprimer la base 20 de HBB donne MVHLTPGRSLPLLPCGAR puis un stop : une protéine courte et inutile. Insérer ou supprimer trois bases ajoute ou retire un acide aminé sans décalage, comme dans la mutation la plus fréquente de la mucoviscidose, qui supprime une phénylalanine.

Utiliser la simulation

Dans le Simulateur de synthèse des protéines : transcription et traduction, à essayer :

• Regardez la β-globine être transcrite, puis traduite ; comparez l'ARNm des résultats au brin codant.
• Choisissez Substitution à la base 20 par T : la mutation de la drépanocytose, affichée comme faux-sens E7V.
• Base 19 en T : non-sens. Base 6 en C : silencieuse.
• Délétion à la base 20 : décalage du cadre, et le graphique d'hydropathie se brouille après le codon 7.
• Dans l'exemple court, le codon initiateur arrive après quelques bases : le ribosome les saute, et s'arrête à TGA.
• Tapez une séquence sans ATG : aucune protéine n'est produite.

Ce que le modèle suppose

• Le code génétique standard, lu à partir du premier ATG de la séquence, dans ce cadre, jusqu'au premier codon stop ou à la fin de la séquence.
• Une séquence codante sans introns : ce que vous tapez est traité comme la séquence de l'ARNm, sans promoteur, épissage, coiffe ni queue.
• Une polymérase et un ribosome à la fois, à vitesse fixe ; les vrais gènes sont transcrits par de nombreuses polymérases et chaque ARNm est lu par de nombreux ribosomes en même temps (un polysome).
• Des masses calculées à partir des masses moyennes des résidus plus une molécule d'eau, sans modifications ; la méthionine initiale est conservée.
• L'hydropathie selon l'échelle de Kyte-Doolittle, moyennée sur des fenêtres de cinq résidus.

Cas limites

• Pas de codon initiateur : pas de protéine. Une mutation dans l'ATG lui-même fait perdre le départ ; la simulation traduit alors à partir de l'ATG suivant, qui peut se trouver dans un autre cadre.
• Pas de codon stop : le ribosome dépasse la fin de la séquence. Dans les cellules, ces ARNm « sans stop » sont reconnus et détruits.
• Les mutations avant le départ ou après le stop laissent la protéine inchangée, même si dans les vrais gènes elles peuvent encore modifier la quantité produite.
• Une substitution par la même base ne change rien.

Où le modèle cesse d'être juste

• Silencieuse ne veut pas toujours dire sans effet. Les changements synonymes peuvent modifier des signaux d'épissage, le repliement de l'ARNm ou la vitesse de lecture d'un codon, et donc la quantité de protéine produite ou son repliement.
• La dégradation des ARNm non-sens. Chez les eucaryotes, un ARNm portant un stop prématuré est en général détruit avant qu'une grande quantité de protéine tronquée soit produite.
• Le contexte des codons initiateurs. Les ribosomes eucaryotes parcourent l'ARNm depuis la coiffe et préfèrent un AUG dans un bon contexte (la séquence de Kozak, comme GCCACCAUGG) ; les bactéries utilisent une séquence de Shine-Dalgarno juste en amont. Le premier ATG n'est pas toujours celui qui sert.
• Après la traduction. La méthionine initiale est souvent retirée, d'où le nom Glu6Val de la mutation de la drépanocytose ; les protéines sont coupées, repliées avec l'aide de chaperonnes, et décorées de sucres et de phosphates.
• D'autres codes. Les mitochondries et certains microbes lisent quelques codons autrement ; dans les mitochondries humaines, UGA code le tryptophane.

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