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V. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

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LE MATERIEL GENETIQUE, STRUCTURE ET EXPRESSIONLE MATERIEL GENETIQUE, STRUCTURE ET EXPRESSIONLE MATERIEL GENETIQUE, STRUCTURE ET EXPRESSIONLE MATERIEL GENETIQUE, STRUCTURE ET EXPRESSION

1. Rappel: Les acides nucleiques1. Rappel: Les acides nucleiques1. Rappel: Les acides nucleiques1. Rappel: Les acides nucleiques1.1 Les deux types d1.1 Les deux types d1.1 Les deux types d1.1 Les deux types dacide nucleique : Lacide nucleique : Lacide nucleique : Lacide nucleique : LADN, LADN, LADN, LADN, LARNARNARNARN

1.2 Les grandes fonctions du noyau1.2 Les grandes fonctions du noyau1.2 Les grandes fonctions du noyau1.2 Les grandes fonctions du noyau

2. Ultrastructure du noyau interphasique.2. Ultrastructure du noyau interphasique.2. Ultrastructure du noyau interphasique.2. Ultrastructure du noyau interphasique.

2.1 L2.1 L2.1 L2.1 Lenveloppe nucleaire et les lamines.enveloppe nucleaire et les lamines.enveloppe nucleaire et les lamines.enveloppe nucleaire et les lamines.

2.2 Les pores nucleaires.2.2 Les pores nucleaires.2.2 Les pores nucleaires.2.2 Les pores nucleaires.

2.3 Les echanges entre le nucleoplasme et le cytoplasme2.3 Les echanges entre le nucleoplasme et le cytoplasme2.3 Les echanges entre le nucleoplasme et le cytoplasme2.3 Les echanges entre le nucleoplasme et le cytoplasme

3. Le noyau et le cycle cellulaire.3. Le noyau et le cycle cellulaire.3. Le noyau et le cycle cellulaire.3. Le noyau et le cycle cellulaire.

3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases.3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases.3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases.3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases.3.2 Il existe des points de controle du3.2 Il existe des points de controle du3.2 Il existe des points de controle du3.2 Il existe des points de controle du cycle cellulaire.cycle cellulaire.cycle cellulaire.cycle cellulaire.

3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle

cellulaire.cellulaire.cellulaire.cellulaire.

3.4 Condensation de l3.4 Condensation de l3.4 Condensation de l3.4 Condensation de lADN, probleme dADN, probleme dADN, probleme dADN, probleme dempaquetageempaquetageempaquetageempaquetage

4. ADN, chromatine et chromosomes.4. ADN, chromatine et chromosomes.4. ADN, chromatine et chromosomes.4. ADN, chromatine et chromosomes.

4. 1 Nucleosome.4. 1 Nucleosome.4. 1 Nucleosome.4. 1 Nucleosome.

4.2 Les histones participent a l4.2 Les histones participent a l4.2 Les histones participent a l4.2 Les histones participent a lassemblage des nucleosomes.assemblage des nucleosomes.assemblage des nucleosomes.assemblage des nucleosomes.

4.3 Troisieme niveau de condensation: les boucles.4.3 Troisieme niveau de condensation: les boucles.4.3 Troisieme niveau de condensation: les boucles.4.3 Troisieme niveau de condensation: les boucles.

4.4 Condensation maximale a la metaphase.4.4 Condensation maximale a la metaphase.4.4 Condensation maximale a la metaphase.4.4 Condensation maximale a la metaphase.

4.5 Resume : taux de condensation /compression successif de l4.5 Resume : taux de condensation /compression successif de l4.5 Resume : taux de condensation /compression successif de l4.5 Resume : taux de condensation /compression successif de lADNADNADNADN

5. La transcription et maturation des ARN.5. La transcription et maturation des ARN.5. La transcription et maturation des ARN.5. La transcription et maturation des ARN.

5.1 Notions sur l5.1 Notions sur l5.1 Notions sur l5.1 Notions sur lorganisation des genesorganisation des genesorganisation des genesorganisation des genes

5.2 Les ARN p5.2 Les ARN p5.2 Les ARN p5.2 Les ARN polymerases assurent la transcription de lolymerases assurent la transcription de lolymerases assurent la transcription de lolymerases assurent la transcription de lADN en ARN.ADN en ARN.ADN en ARN.ADN en ARN.

5.3 Les differentes categories d5.3 Les differentes categories d5.3 Les differentes categories d5.3 Les differentes categories dARNARNARNARN

a. Les ARN de transferta. Les ARN de transferta. Les ARN de transferta. Les ARN de transfert

b. Les ARN ribosomiquesb. Les ARN ribosomiquesb. Les ARN ribosomiquesb. Les ARN ribosomiques

c. Les ARN premessagerc. Les ARN premessagerc. Les ARN premessagerc. Les ARN premessager

5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription

5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de l5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de l5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de l5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de linitiationinitiationinitiationinitiation

de la transcriptionde la transcriptionde la transcriptionde la transcription

5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotes.5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotes.5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotes.5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotes.

5.5.2 Maturation des ARN5.5.2 Maturation des ARN5.5.2 Maturation des ARN5.5.2 Maturation des ARN

5.5.3 Maturation des ARN premessager en ARNm5.5.3 Maturation des ARN premessager en ARNm5.5.3 Maturation des ARN premessager en ARNm5.5.3 Maturation des ARN premessager en ARNm

5.6 Les ARN preribosomiques (transcri5.6 Les ARN preribosomiques (transcri5.6 Les ARN preribosomiques (transcri5.6 Les ARN preribosomiques (transcrits par la ARN.polymerase I).ts par la ARN.polymerase I).ts par la ARN.polymerase I).ts par la ARN.polymerase I).


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5.6.1 Le nucleole. transcription, maturation des ARNr et assemblage5.6.1 Le nucleole. transcription, maturation des ARNr et assemblage5.6.1 Le nucleole. transcription, maturation des ARNr et assemblage5.6.1 Le nucleole. transcription, maturation des ARNr et assemblage

des ribosomes.des ribosomes.des ribosomes.des ribosomes.

5.6.2 Les ribosomes5.6.2 Les ribosomes5.6.2 Les ribosomes5.6.2 Les ribosomes

6 La traduction.6 La traduction.6 La traduction.6 La traduction.

6.1 Le code genetique.6.1 Le code genetique.6.1 Le code genetique.6.1 Le code genetique.

6.2 Proprietes des ARNt6.2 Proprietes des ARNt6.2 Proprietes des ARNt6.2 Proprietes des ARNt

6.3 Mecanisme de la traduction6.3 Mecanisme de la traduction6.3 Mecanisme de la traduction6.3 Mecanisme de la traductionILes molecules constituant le materiel genetique doivent posseder plusieurs proprietesfondamentales :- Permettre le stockage dune information.Dans ce contexte, les differents degres dorganisation du materiel genetique seront etudieset nous

determinerons les relations qui existent entre les molecules dADN, les genes et leschromosomes.- Etre capable de se reproduire a lidentique.Un gene porte linformation biologique sous une forme qui doit etre copiee et transmiseavec precision dechaque cellule a toute sa descendance.Le processus genetique fondamental qui assure la reproduction a lidentique de lADN estla replication- Assurer la realisation du programme genetique.

Le materiel genetique est forme de genes dont la fonction est pour leur majorite, decontroler la synthese deproteines qui sont les constituants et les acteurs principaux de toutes les activitescellulaires.

1. Rappel: Les acides nucleiques1. Rappel: Les acides nucleiques1. Rappel: Les acides nucleiques1. Rappel: Les acides nucleiquesLes acides nucleiques sont des molecules, qui comme leur nom lindique, ont tout dabordete isolees a partirdu noyau. En fait, il existe des acides nucleiques non seulement dans le noyau, mais aussidans le cytoplasmeV.

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des cellules. Ce sont des molecules tres importantes dans la vie de la cellule, puisquellescontiennentlinformation genetique et par consequent quelles determinent toutes les caracteristiquesde lorganisme.Elles sont donc indispensables a lexistence meme de la vie, du moins telle que nous laconnaissons sur

Terre actuellement. Le transfert des caracteres hereditaires de tout organisme a lageneration suivante repose

sur les acides nucleiques qui sont de 2 types:- Les acides desoxyribonucleiques: ADN (ADN)


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- Les acides ribonucleiques: ARN (ARN)- Les acides desoxyribonucleiques ou ADN qui sont des polymeres dedesoxyribonucleotides. Lose sera ledesoxyribose et les 4 bases seront: A, G, T et C.

- Les acides ribonucleiques ou ARN qui sont des polymeres de ribonucleotides. Lose seradonc le ribose etles 4 bases principales seront: A, G, U et C.

1.1 Les d1.1 Les d1.1 Les d1.1 Les deux types deux types deux types deux types dacide nucleique : Lacide nucleique : Lacide nucleique : Lacide nucleique : LADN, LADN, LADN, LADN, LARNARNARNARN

LLLLADN:ADN:ADN:ADN:

LADN etait un polymere lineaire de desoxyribonucleotides dont les 4 types de bases sontA, T, G et C etdont le sucre est le desoxyribose. Les nucleotides sont lies entre eux par une liaisonphosphodiester entre le

C3 dun nucleotide et le C5 du nucleotide suivant. Les ADN auront donc la structureglobale suivante (voirFig.1). Il faut bien comprendre que le squelette desoxyribose-phosphate est le meme toutau long dunemolecule dADN et aussi dune molecule a lautre. Il nen est pas de meme pour les basesdont la sequence, cest-a-dire lordre dans lequel elles se succedent est caracteristique dechaque molecule dADN.Ce sont ces sequences qui vont jouer un role biologique capital: des sequences en basesdifferentesdonneront des messages differents. Par consequent, pour simplifier on represente une

chaine dacidenucleique en ecrivant seulement les bases:CGAATLossature de la molecule est formee dune succession de desoxyriboses et de phosphateslies entre eux pardes liaisons phosphodiester asymetriques 5-- 3, Par consequent, la molecule dADN estdite polarisee.On ecrira donc 5CGAAT 3La direction des liaisons phosphodiester determine la polarite de la molecule. Donc, par

exemple, lasequence nucleotidique 5- G - C - A - A - T - 3 est differente de la sequence 3- G - C -A - A - T - 5 et necontiendra donc pas le meme message biologique. Par convention, les sequences dADNsont ecrites dans lesens ou elles sont transcrites in vivo, cest-a-dire de lextremite 5 a lextremite 3. DanslADN, le nombre deresidus dAdenine est toujours egal au nombre de residus de Thymine (donc = U). Dememe, le nombre deresidus de Guanine est toujours egal au nombre de residus de Cytosine. Ce qui signifiequil y a autant debases puriques que de bases pyrimidiques, cest-a-dire A+G =C+T.


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Les etudes de diffraction de rayons X de Wilkins et les donnees chimiques de Chargaffont amene Jim

Watson et Francis Crick, en 1953, a proposer le modele que vous connaissez tous, celui dela double helice

dADN (Fig.3). Selon ce modele, lhelice est formee par la succession des desoxyriboses etde phosphorylesqui constituent lossature de la molecule. Les bases sont perpendiculaires a la chaine et setrouvent alinterieur de la double helice. Les 2 brins de la double helice sont en fait antiparalleles,cest-a-dire que lesbrins sont paralleles, mais dans des directions opposees. En face de chaque base dunehelice, se trouve uneautre base sur lautre helice. Les bases des brins opposes, echangent des liaisonshydrogenes ce qui maintient

ensemble les deux chaines. La geometrie de la double helice exige quune purine soittoujours appariee a unepyrimidine. Dautre part, des contraintes steriques font que lAdenine ne peut sapparierquavec la Thymineet la Guanine quavec la Cytosine. On dit que A est complementaire de T et G estcomplementaire de C(regle dappariement). A forme 2 liaisons hydrogenes avec T, tandis que G en forme 3avec C (Fig.2).

LLLLARNARNARNARN

LARN a une structure generale tres voisine de celle de lADN, puisquil sagit, la aussi,dun polymerelineaire de nucleotides puriques et pyrimidiques relies par des ponts 3-5-phosphodiester.Comme lADN, lamolecule dARN est polarisee. On peut la representer de matiere schematique toujours de5 en 3. Malgre saressemblance avec lADN, il existe cependant 3 differences essentielles entre ces 2 typesdacides nucleiques:1. Comme son nom lindique, dans lARN, lose des nucleotides est le ribose (Fig.4).V.

NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire252. Sauf cas exceptionnel, la Thymine est absente des ARN. Elle est remplacee par lUracileen tant que base.Les ARN contiennent donc les nucleotides a Adenine, Guanine, Cytosine et Uracile.(Fig.5)3. LARN se presente sous forme dune molecule monocatenaire (une seule chaine), cest-a-dire a un brin etnon pas sous forme dune double helice.On trouve cependant, dans certains ARN, des zones helicoidales formees de bases

complementaires unies


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par des liaisons hydrogenes. Mais ces zones appartiennent a differentes parties dunememe molecule qui sereplie donc sur elle-meme pour former une epingle a cheveux. Lappariement des basesest similaire a

celui de lADN. C sapparie avec G et A avec U. (Fig.6)1.1.1.1.2 Les grandes fonctions du noyau2 Les grandes fonctions du noyau2 Les grandes fonctions du noyau2 Les grandes fonctions du noyau(Voir Fig.7)- Stockage de linformation genetiqueLa chromatine represente le site de stockage de la quasi totalite de lADN dune celluleeucaryote. Desorganites, les mitochondries et chloroplastes contiennent aussi un materiel genetique.- Replication et transmission de linformation genetique.Le noyau est capable de conserver le materiel genetique malgre les divisions cellulaires.Cest dans le noyauque la Replication de lADN (Phase S) a lieu.La replication permet la transmission de linformation genetique lors de la mitose et demeiose.- Expression et traitement de linformation genetique.Le noyau est le siege de la synthese:- des ARN messagers, de leur maturation et de leur transport dans le cytoplasme, ou ilssont decryptes par les ribosomes.- des ARN de transfert (vehicules des acides amines)- des ARN ribosomaux (qui constituent la machine de traduction)

Les differents types cellulaires dun organisme (sauf les cellules germinales, gametes) onttous le meme

ADN.Ceci fut demontre par des experiences de transplantation de noyaux provenant de cellulesdifferenciees dansdes oeufs de grenouille ainsi que par des experiences de clonage chez les plantes. (voirFig.8) Cesexperiences furent confortees par des observations montrant que toutes les cellules dunorganisme

possedent des chromosomes mitotiques identiques. En consequence, la differenciationdes cellules, cest adire la specialisation des differents types cellulaires dun organisme depend donc demodifications delexpression des genes et non de leur perte. Un certain nombre de genes determinent doncdes voies dedifferenciation cellulaire. Chaque cellule contient 10 a 20000 proteines differentes. Unfaible nombre degenes, une centaine, suffirait pour produire de grandes differences morphologiques et decomportements

cellulaire qui sont generes au cours du developpement embryonnaire des organismes.


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Lexpression genique peut etre controlee a chaque niveau de lADN a lARN puis de laproteine (regulationtranscriptioimelle, post-transcriptionnelle, traductionnelle, post-traductionnelle). Nous

verrons que le

controle de la transcription est preeminent parmi les differents niveaux possibles deregulation des genes.La regulation de linitiation de la transcription de certains genes a en effet, un rolepreponderant dans lesmecanismes moleculaires impliques dans les processus de differentiation cellulaire. Deplus, les cellules sontcapables de modifier lexpression de leurs genes en reponse a des signaux extracellulaires(hormones,facteurs de croissance, ...).

2. Le noyau : ultra structure du noyau interphasique2. Le noyau : ultra structure du noyau interphasique2. Le noyau : ultra structure du noyau interphasique2. Le noyau : ultra structure du noyau interphasiqueLes organismes contenant des cellules a noyau sont les eucaryotes (les bacteries qui nepossedent pas denoyau sont des procaryotes, les virus appartiennent aux acaryotes).- Le noyau contient la quasi totalite de linformation genetique dune cellule (ADNnucleaire). Cetteinformation genetique, au cours de linterphase, est presente sous la forme de chromatine(Fig.9). Lachromatine interphasique est une masse confuse qui occupe une grande partie du volumenucleaire, qui

contraste avec lultra structure hautement organisee et reproductible des chromosomesmetaphasiques.Du point de vue fonctionnel, on designe sous le nom de chromatine active oueuchromatine les portions dela chromatine qui sont transcrites par opposition a la chromatine condensee ou inactiveouheterochromatine qui nest jamais transcrite. Leuchromatine mise en evidence par desexperiencesV. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

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dincorporation duridine tritiee (3H) (qui sincorpore dans lARN) represente 5 a 10 % dela chromatinenucleaire.Le nucleole apparait comme une masse globulaire, de structure heterogene. Il estconsidere combe un souscompartiment organise du noyau, cest le lieu de synthese des ARN ribosomiques (ARNr)(Fig.10).

2.1 L2.1 L2.1 L2.1 L enveloppe nucleaire et les laminesenveloppe nucleaire et les laminesenveloppe nucleaire et les laminesenveloppe nucleaire et les lamines- Le noyau contient un squelette compose de proteines appartenant a la famille desfilaments intermediaires


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appelees lamines, qui sont presentes sur la face interne de la membrane interne delenveloppe nucleaire.Elles forment une couche dense visible en microscopie electronique, la lamina densa(Fig.11). Elles auraient

un role dans la disparition et la reconstitution de la membrane nucleaire lors de divisioncellulaire. Lorsque lacellule se divise par mitose, une phosphorylation de residus serine des lamines provoqueun desassemblagede la lamina nucleaire, lenveloppe nucleaire est dissociee en vesicules de petite dimensionqui restentcombinees avec la lamine. Lors de la telophase les lamines sont dephosphorees. On pensedonc quellesjouent un role dans la division cellulaire. Les fibres de chromatine se disposent sur la faceinterne de la

lamina et interagissent avec les lamines.2.2 Les pores nucleaires2.2 Les pores nucleaires2.2 Les pores nucleaires2.2 Les pores nucleairesLe noyau est un organite delimite par une double membrane (enveloppe nucleaire). Lamembrane externedu noyau est en continuite avec celle du reticulum endoplasmique (Fig.11 et 12). Lesmembranes externe etinterne se trouvent connectees au niveau de pores de 80 nm de diametre. Un pore estconstitue par unensemble de structures constituant le complexe pore (compose d une centaine de

proteines) qui delimite uncanal aqueux de 9-10 nm dans lequel transitent toutes molecules hydrosolubles dont lepoids moleculaire estinferieur a 10 000 Da. Au dessus de cette masse moleculaire, les molecules plus grossescomme le (RNIP)des granules peri et interchromatiniens, passent dans le cytoplasme par des mecanismes detransport actif(qui necessitent de lenergie).Ces pores interviennent dans la regulation des echanges entre le noyau et le cytoplasme,

leur nombre estproportionnel a lactivite de synthese de la cellule. Les pores sont donc des structuresdynamiques quipeuvent reapparaitre quand les echanges entre le noyau et le cytoplasme augmentent. Leurdistribution nedepend pas du hasard et elle semble dependre de la distribution des chromosomesinterphasiques dans lenoyau. Laugmentation ou la diminution du nombre des pores serait un des elements deregulation dutransfert des informations.

3. Le noyau et le cycle cellulaire3. Le noyau et le cycle cellulaire3. Le noyau et le cycle cellulaire3. Le noyau et le cycle cellulaire


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Le cycle cellulaire est lensemble des modifications quune cellule subit entre sa formationpar division de lacellule mere et le moment ou cette cellule a fini de se diviser en deux cellules. Toutes lescellules, a

lexception des hematies, des cellules nerveuses differenciees et des fibres musculairessquelettiques, sontsusceptibles de se diviser. Un etre humain fabrique des milliers de nouvelles cellules parseconde. (Si ladivision des cellules est bloquee par exemple par une exposition a des radiationspuissantes, cela entraine lamort). La duree dun cycle cellulaire est tres variable, elle est de 8 minutes pour unembryon de drosophile.Les cellules du foie dun mammifere se divisent une a deux fois par an, les cellulesintestinales une a deux

fois par jour. Il est de 12-24 heures en general pour les cellules de mammiferes.3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases3.1 Le cycle cellulaire est divise en plusieurs phases(Fig.13 et14)

Phase M: MitosePhase M: MitosePhase M: MitosePhase M: Mitose : (division cellulaire) environ 1 heure. La division cellulaire necessitela replication desmolecules dADN, la condensation et la segregation des chromosomes, mais aussi laduplication de tous lesorganites cytoplasmiques. Linterphase, cest en generale la periode la plus longue, ellecorrespond au temps

entre deux mitoses.Linterphase se decompose en trois phases G1, S et G2.

Phase G1:Phase G1:Phase G1:Phase G1: La phase G1 correspond a la periode entre la fin de la mitose et la phase desynthese de lADN(phase S). Cette phase a une duree variable en fonction du type cellulaire etudie (8 a 60minutes). Au coursde la phase G1, il ny a pas de synthese dADN, la quantite dADN (2N chromosomes)reste constante. Leschromosomes apparaissent sous la forme de filaments sinueux, la chromatine. La phase

G1 est caracteriseeV. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

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par la synthese de proteines. Cette synthese depend de lactivite des genes. La synthesedARNm assure laproduction des proteines necessaires a la croissance de la cellule.La cellule peut abandonner le pool de cellules en proliferation pour se differencier, laphase G1 sera alorsune phase de croissance et de differenciation cellulaire, la cellule controle sonenvironnement et sa propretaille.


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Les cellules en G1 peuvent sarreter dans leur progression du cycle et entrer dans un etatde repos (phaseG0) et peuvent rester hors du cycle pendant des jours et meme des annees avant dereprendre leur

proliferation.Des quune cellule est sortie de la phase G1, elle est prete pour terminer les phase S, G2 etM quelles quesoient les conditions de lenvironnement. Il existe cependant des points de controle ducycle cellulaire.

La phase S:La phase S:La phase S:La phase S: La duree de la phase S (synthese) est constante (6 a 8 heures). Elle estcaracterisee par lareplication de la totalite de lADN nucleaire. La quantite dADN double donc pendantcette phase.

La phase G2:La phase G2:La phase G2:La phase G2: (entre fin de S et debut de la mitose).Cest une phase courte, dune duree de 4 a 5 heures. Elle debute des que la replication estachevee. Lessyntheses dARN persistent tandis que la quantite dADN est double.Les phases G1 et G2 sont des periodes de croissance pour la cellule.La succession G1, S, G2, M correspond a un cycle standard. La duree de la phase G1 estla plus variable.

3.2 Il existe des points de controle du cycle cellulaire3.2 Il existe des points de controle du cycle cellulaire3.2 Il existe des points de controle du cycle cellulaire3.2 Il existe des points de controle du cycle cellulaireLe cycle cellulaire peut etre controle a differents niveaux

A lentree de la phase M, ou a la sortie de la phase M, ou a lentree de la phase S.

Ces systemes darret sont importants car ils permettent la regulation du cycle cellulaire pardes signaux delenvironnement.II y a deux points de controle majeurs:- En G1 avant lentree en phase S, cest en general en ce point que les cellules sarretent.- en G2 avant lentree en mitose.

3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle3.3 Cycle de spiralisation des chromosomes au cours du cycle

cellulairecellulairecellulairecellulaire(Voir figure 13)

Au cours du cycle cellulaire les chromosomes (ADN) passent par differents degres decondensation. Aucours de la mitose : les chromosomes sont fortement condenses et inactifs sur le plantranscriptionnel.Durant linterphase certaines portions des chromosomes (chromatine active oueuchromatine) sontdecondensees et assurent la synthese dARN. Dautres regions restent condensees etinactives, elle formelheterochromatine. Il faut avoir une vision dynamique de la chromatine car a un moment

donne, certains


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domaines des chromosomes peuvent etre dans un etat hypercondense et, plus tard sederouler, sedecondenser pour devenir actifs. La chromatine est concue comme une succession dedomaines condenses

et de domaines plus diffus, avec des passages reversibles dun etat dans lautre suivant laphase du cyclecellulaire.

3.4 Condensation de l3.4 Condensation de l3.4 Condensation de l3.4 Condensation de lADNADNADNADNLe genome de eucaryotes et des procaryotes est constitue dADN.L ADN est une macromolecule formee de 2 brins complementaires antiparalleles dont lessequencesnucleotidiques sont complementaires. Ces deux brins sont apparies dans une doublehelice droite contenantenviron 10 paires de bases par tour d helice qui comporte un grand et un petit sillon. Lesgenomes deseucaryotes ont des tailles variables et il nexiste pas de relation entre la taille dun genomeet la complexitedun organisme.

4. ADN, chroma4. ADN, chroma4. ADN, chroma4. ADN, chromatine et chromosomes.tine et chromosomes.tine et chromosomes.tine et chromosomes.

4.1 Nucleosome4.1 Nucleosome4.1 Nucleosome4.1 NucleosomeLADN double brin (complementaires et antiparalleles) est associe a des proteines. Ondistingue deux typesde proteines : les histones et les PCNH (Proteines non histones).

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Les PCNH sont tres nombreuses et sont difficiles a classer car elles entrent en jeux danslarchitecture deschromosomes, la replication et la transcription, la regulation des genes,..). Les ARNpolymerase (quisynthetise les ARNs) peuvent etre considerees comme des proteines non histone.Certaines des proteinesnon histone sont des facteurs de transcription.

Les histones sont des proteines basiques (riches en arginine et lysine qui sont chargespositivement) quiinteragissent avec les phosphates de lADN (Fig.15). Les histones sont des proteines tresconservees aucours de levolution. On distingue deux types dhistones :- histones nucleosomiques : H2A, H2B, H3, H4.- histones non nucleosomiques : H1Les histones H3 et H4 sont les plus conservees au cours de levolution, ce qui suggerequils ont une

fonction identique chez tous les eucaryotes. Lassociation des histones avec lADNconduit a la formation


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des nucleosomes, particules unitaires de la chromatine (Fig.16). Chaque nucleosomecontient environ 200paires de bases, ils sont formes de deux parties: (Fig.17 et 19)- Le coeur (ou noyau nucleosomique): forme de 4 paires dhistones 2(H2A)+ 2(H2B) +

2(H3) + 2(H4) quiforment un octamere entourees par deux tours dhelice dADN (140 Pb).- LADN internucleosomique dont la longueur peut varier de 0 a 114 nucleotides.Lassemblage en nucleosome forme un filament cylindrique de 110 A de diametre appelenucleofilament oufibrille chromatinienne (Fig. 15, 16 et 17). La formation des nucleosomes constitue lepremier niveaudorganisation aboutissant a un degre de condensation voisin de 7 cest a dire unemolecule dADNassemblee en nucleosomes sera 7 fois moins courte quune molecule dADN nue. Les

nucleosomes sont uncomposant invariant (toujours presents) de leuchromatine et de lheterochromatine dansle noyauinterphasique ou dans les chromosomes mitotiques.

4.2 Les histones H1 participent a l4.2 Les histones H1 participent a l4.2 Les histones H1 participent a l4.2 Les histones H1 participent a lassemblage des nucleosomesassemblage des nucleosomesassemblage des nucleosomesassemblage des nucleosomesLes nucleosomes sassemblent pour donner des structures dordre superieures, les fibresde chromatine de30 nm de diametre. La figure 18 montre un modele dorganisation des nucleosomes dansla fibre de

chromatine. La fibre de chromatine resulte de lempilement des nucleosomes quisorganisent en une helicereguliere contenant environ 6 nucleosomes par tour et formant ainsi un solenoide. Lapresence desmolecules dhistone H1 est necessaire a lempilement des nucleosomes et a la formationde la fibre de 30nm. Lhistone H1 se fixe dans les regions reliant les nucleosomes, impose une spiralisationplus importantedu nucleofilament, et conduit a la formation de la fibre de chromatine de 30 nm de

diametre. On considereque la fibre de 30 nm induit un degre de condensation de lADN de 40 a 50 X.

4.3 Troisieme niveau de condensation: les boucles4.3 Troisieme niveau de condensation: les boucles4.3 Troisieme niveau de condensation: les boucles4.3 Troisieme niveau de condensation: les bouclesLe niveau de condensation de la molecule dADN saccentue pendant la periode quiprecede la divisioncellulaire (une condensation de lordre de 10000 fois). Les proteines non histones, quiforment en particulierle squelette axial des chromosomes metaphasiques sont responsables des niveauxsuperieurs dorganisationde la fibre chromatinienne de 30 nm. La fibre de 30 nm forme des boucles qui auraientune longueur de


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20000 a 150000 paires de base. Ces boucles se fixeraient a leur base sur des proteines quiorganisent lesquelette axial du chromosome (Fig.20). Des regions dADN sont associees a la matricenucleaire (SAR,

Scaffold Associated Region). Un chromosome humain qui a une longueur moyenne de4,5 cm dADNcontiendrait 1500 a 1600 boucles. Le nombre de boucles, par genome haploide serait dumeme ordre degrandeur que le nombre de genes estime pour lespece, soit entre 25 et 30000 genes pourlhomme. Cesboucles de la fibre de 30 nm sont enroulees en spirale sur le squelette axial duchromosome, il y aurait enmoyenne 18 boucles par tour soit environ 106 paires de bases, ce qui correspondrait a unemini-bande dun

chromosome metaphasique (Fig.21).4.4 Les chromosomes metaphasiques4.4 Les chromosomes metaphasiques4.4 Les chromosomes metaphasiques4.4 Les chromosomes metaphasiquesChaque chromosome se structure progressivement au cours de la phase G2 et surtout audebut de la mitosepar une condensation de plus en plus accentuee du nucleofilament dedouble au cours dela phase S. Cettecondensation atteint un maximum a la metaphase. Cette condensation rend possible laseparation desV. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

29chromosomes dans deux cellules filles. A la metaphase, chaque chromosome est constituede deuxchromatides, reunies au niveau dun centromere ou se trouve le kinetochore (Fig.22).La position du centromere permet de distinguer plusieurs types de chromosomes:(Fig.23)

metacentriquemetacentriquemetacentriquemetacentrique (bras egaux), submetacentriquesubmetacentriquesubmetacentriquesubmetacentrique (bras inegaux), acrocentriqueacrocentriqueacrocentriqueacrocentrique(un bras tres court),

telocentriquetelocentriquetelocentriquetelocentrique (centromere a lextremite de lunique bras).En plus du centromere, on distingue dautres etranglements le long des chromatides que

lon appelleconstrictions secondaires.Chaque chromatide apres lutilisation de techniques de coloration particulieres apparaitdivisee en bandestransversales (voir fig. 22). Par exemple, la coloration par le Giemsa donne des bandes G.La distributiondes bandes sur chaque chromosome est unique ce qui permet didentifier et de numeroterles chromosomes.La disposition des bandes permet entre autre de detecter des anomalies ou remaniementchromosomiques


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(translocation) responsables de certaines maladies genetiques. Chaque bande contientenviron 107 paires debases et peut contenir, en theorie, plusieurs dizaines de genes. Le tableau complet de tousles chromosomes

est appele caryotype.caryotype.caryotype.caryotype. La distribution de ces bandes sur les chromosomesmetaphasiques est resteeinchangee pendant de longues periodes au cours de levolution. Ex : homme, chimpanze,gorille, orangoutang.Remarque : il y a 46 Chromosomes pour lhomme (Fig.24) alors quil y en a 48 pour lessinges : il y aeu fusion de deux chromosomes chez lhomme.Des comparaisons entre les cartes physiques des chromosomes de differentes especes ontpermis demontrer que les memes genes se retrouvent parfois dans le meme ordre sur leschromosomes de deuxespeces differentes (on parle de relations de synthenie).La forme condensee de la chromatine ressemble a lheterochromatine, les chromosomesmitotique sontinactifs du point de vue de leur transcription, la condensation empeche lARN polymerasede se fixer alADN. Le nucleofilament dirige par ailleurs le fonctionnement de la cellule car cest a desgenes que sontelaborees par transcription les differentes categories dARN, qui participent ensuite a la

synthese desproteines. Il apparait que les zones de chromatine, ou se produit une transcription, sontdes portions defibrille chromatinienne de 300 A qui sont decondensees en nucleofilament. LADN estalors accessible auxenzymes de la transcription. Le degre de condensation de leuchromatine est denviron1000, le degre decondensation de lheterochromatine est voisin de celui des chromosomes mitotiques(10000).

L heterochromatine est par nature inerte, reste condensee lors de 1interphase, elle nestpas transcrite, sereplique tardivement dans la phase S.Lorsque un gene est transfere en position adjacente a lheterochromatine soit a la suite dune translocation,soit par transfection et integration chromosomique, le gene peut devenir inactif (effet deposition,).Il existe de lheterochromatine constitutive (toujours inactivee,) qui se trouve en general, aproximite descentromeres et des telomeres.

5. La transcription et la maturation des ARN5. La transcription et la maturation des ARN5. La transcription et la maturation des ARN5. La transcription et la maturation des ARN


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5.1 L5.1 L5.1 L5.1 Lorganisation des gorganisation des gorganisation des gorganisation des genesenesenesenesLa majorite de lADN chromosomique ne code pas pour des proteines ou des ARNs, Lesgenomes des

organismes superieurs semblent contenir unexcesdADN. On estime que 30%

environ de lADN dungenome est constituee de sequences repetees de nombreuses fois (ADN satellite).La taille du genome humain haploide est 3 109 paires de bases. On pense que seulement10% de lADN aune importance vitale chez les vertebres. Laccumulation des donnees de sequences chezdifferentsorganismes, a permis de realiser des comparaisons de sequences entre differentes especes.Les observations(en particulier les comparaisons des sequences entre lhomme et la souris) montrent quecertaines regionssont tres fortement conservees au cours de levolution. Ces regions correspondent a desregions codantespour des proteines qui jouent un role fondamental ou a des regions regulatrices tresimportantes.Les genes eucaryotes peuvent contenir jusqua 2 millions de paires de bases et des genesdune longueursuperieure a 100000 pb sont courants. En fait, environ 1000 paires bases seulement sontnecessaires pourcoder pour une proteine de taille moyenne (300 a 400 acides amines). La plus grande

partie de lADNsupplementaireest constituee de longs segments dADN non codant quiinterrompent des segmentsrelativement court dADN codants. Les molecules de ADN de chaque chromosome sont tres longues jusqua plusieurscentaines de millionsde paires de nucleotides et contiennent plusieurs milliers de genes.V. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

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Les genes sont separes par de grands fragments dADN non codant. Chaque gene comprend des exons qui sont des sequences codantes c'est-a-dire quiseront transcrites ettraduites en proteines mais aussi des sequences transcrites et non traduites appeles lesintrons. Les intronsseparent les exons. Un gene peut ne contenir quun seul exon et pas dintron, mais il y ades genes quipossedent plus de cent exons. Apres la transcription le ARN produit de la ARN polymerase ou transcrit primairecontient encore lesintrons et les exons.


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Apres lexcision des introns et lepissage des exons, le messager ne contient plus que lesexons reunis enune seule sequence codante.On estime que lhomme possede entre 25 et 30000 genes.

5.2 L5.2 L5.2 L5.2 Les ARN polymerases assurent la transcription de les ARN polymerases assurent la transcription de les ARN polymerases assurent la transcription de les ARN polymerases assurent la transcription de lADN en ARNADN en ARNADN en ARNADN en ARNLa transcription est le mecanisme de synthese des differentes categories dARN (ARNt,ARNm et ARNr)qui participent ensuite a la synthese des proteines dans le cytoplasme. Elle aboutit a laformation dunemolecule dARN a partir dun des deux brins dADN. La synthese de lARN necessite :- une matrice dADN.- des rNTP (ribonucleotides triphosphates, rUTP, rCTP, rGTP, rATP). Tous lesribonucleotidestriphosphates sont des molecules riches en energies. Cest lhydrolyse des liaisonsphosphoanhydrides de cesnucleotides qui permet laccrochage des nucleotides entre eux le long de la chaine.- Une enzyme : ARN polymerase.

Toutes les ARN polymerases synthetisent les ARN dans le sens 5-3, antiparallelement aubrin dADNmatrice (Fig.27). La croissance de la chaine neoformee seffectue a sont extremite 3OH.Elles utilisent desprecurseurs triphosphates pour associer deux nucleotides par une liaison phosphodiester3-5. Le premier

nucleotide conserve son groupement triphosphate ce qui permet didentifier lextremite 5dun ARN.- Il existe trois ARN polymerases chez les eucaryotes, ce sont des complexes de grandetaille comprenantplusieurs sous unites. (PM> 500000), elles nont pas la capacite dinitier seule latranscription comme la

ARN polymerase des procaryotes.- La polymerase I assure la transcription des ARNr (sauf lARNr 5S), elle est localiseeexclusivement

dans le nucleole.- La polymerase II assure la transcription des ARNm- La polymerase III assure la transcription des ARNt, de lARNr 5S et des snARN (smallnuclear

ARN = petits ARN nucleaires).Chez les procaryotes la meme ARN polymerase peut transcrire les differentes categoriesdARN.

5.3 Abondance relative des differentes categories5.3 Abondance relative des differentes categories5.3 Abondance relative des differentes categories5.3 Abondance relative des differentes categories ddddARN.ARN.ARN.ARN.Dans une cellule eucaryote il y a 10000 a 20000 especes differentes dARNm, la plupart

sont presents enfaible quantite 5 a 15 molecules par cellule. (Fig.25 et 26):


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LARNm represente 3 a 5% de lARN total (ARNr 75% et ARNt.. 10%..). Ce sont lesARNm qui dirigent lasynthese des proteines dune cellule.On distingue trois familles dARNm-ARNm tres abondant : present en grand nombre de copies. Ils correspondent a latranscription dun

nombre limite de genes. Certains genes sont plus abondamment transcrit que dautres, ilscodent en generalpour des proteines dont les cellules ont besoins en grande quantite, ce sont des enzymesdu metabolisme debase ou des proteines de structure ubiquiste (ex : proteine du cytosquelette). On appelleces genes leshousekeeping gene ou gene de menage.-ARNm dabondance intermediaire-ARNm rares : les ARNm de cette classe sont les plus diversifies (11000 differents).

5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription5.4 Mecanisme moleculaire de la transcription

V. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

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La transcription est la premiere etape de lexpression des genes. La transcription se fait entrois etapes :linitiation, lelongation et la terminaison. Chez les eucaryotes et les procaryotes, linitiationde latranscription constitue le niveau de regulation le plus important.

LLLLinitiationinitiationinitiationinitiation de la transcription est du a une reconnaissance de sequencesspecifiques: les promoteurs, qui setrouvent au debut du gene. LARN polymerase se deplace le long de la matrice ensynthetisant lARNjusqua ce quelle atteigne une sequence de terminaison. Une unite de transcription setenddu promoteur auterminateur.Remarque: Chez les procaryotes, une unite de transcription peut comporter plusieursgenes. Ces genes sont

donc sous la dependance des memes sequences regulatrices et forme un operonun operonun operonun operon. Engeneral, chez leseucaryotes une unite de transcription ne contient quun seul gene.La premiere base transcrite en ARN est notee par convention +1 (+1 de transcription).Les sequences quiprecede le +1 sont dites en amont celles qui le suivent sont en aval. Par convention, lessequences sontecrites de sorte que la transcription se deroule de la gauche vers la droite (Fig.27et 28).Une unite de transcription contient un brin codant identique a lARN et un brin transcrit

qui sert de matrice


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a lADN polymerase. On passe du brin codant (appele brin sens ou brin +) a lARN enchangeant les T enU. Le brin transcrit est appele brin matrice ou brin ou brin antisens. Le produitimmediat de la

transcription sappelle le transcrit primaire.LLLLelongation.elongation.elongation.elongation.Le double brin dADN est separe de facon transitoire en deux simples brins dont lun estutilise commematrice pour la synthese dARN. La synthese dARN a lieu dans unebulle de

transcription: LARNpolymerase deroule lADN. Lenzyme se deplace le long de lADN et allonge la chainedARN en ajoutantdes nucleotides a lextremite 3OH. b) Plusieurs polymerases transcrivent simultanement

la meme unite detranscription, en sorte que la taille des fibrilles en elongation indique le sens deprogression des polymerases.(Fig.28a a 28e). Un hybride ARN/ADN se forme transitoirement dans la bulle detranscription. (Fig.28d).La vitesse de polymerisation est voisine de 40 nucleotides par seconde a 37C pour lARNpolymerasebacterienne, cest une vitesse proche de la vitesse de traduction (15 Acides Amines parseconde) (maisinferieur a la vitesse de replication de lADN 80 paires de bases par seconde). Chez les

procaryotes latranscription et la traduction sont couplees.

La terminaisonLa terminaisonLa terminaisonLa terminaisonCest la reconnaissance de lendroit a partir duquel aucune base supplementaire ne doitetre ajoute a lachaine dARN. Cest la region ou le complexe de transcription doit se detacher. Danscette region, lhybride

ADN/ARN se dissocie et lenzyme est liberee. Les sequences dADN necessaires audeclenchement de ces

reactions sappellent un terminateur.5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de l5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de l5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de l5.5 Les promoteurs et autres signaux de regulation de linitiationinitiationinitiationinitiation

de la transcriptionde la transcriptionde la transcriptionde la transcriptionLe brin a copier varie le long dune meme molecule dADN, lorientation est determineepar le promoteurde chaque gene. Le promoteur est une sequence orientee qui envoie lARN polymerasedans une directionou dans une autre, cette direction determine quel brin dADN sera copie.

Les promoteurs procaryotesLes promoteurs procaryotesLes promoteurs procaryotesLes promoteurs procaryotes

Chez les procaryotes, la comparaison de differents promoteurs a permis didentifier dessequences


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conservees. Ces sequences que lon trouve avec la plus grande frequence a une positiondonnee sont dites

consensusconsensusconsensusconsensus.Il y a quatre elements conserves (voir fig.29)

- Le +1 de transcription- La sequence en - 10,TATA boxtoujours presente sur le brin complementaire decelui a transcrire (cesta dire celui sur lequel on trouve lATG).- La sequence en - 35- La distance entre les sequences - 10 et - 35.Des mutations dans les promoteurs affectent le niveau dexpression du ou des genes quilscontrolent. Lepromoteur le plus efficace est celui qui possede exactement les sequences consensus.V.

NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire32

5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotes5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotes5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotes5.5.1 Les promoteurs de la polymerase II chez les eucaryotesChez les eucaryotes, les mecanismes dinitiation sont beaucoup plus complexes. Les ARNpolymerases sontincapables a elles seules dinitier la transcription, elles ne se fixent pas directement sur lespromoteurs, ceuxci doivent auparavant se lier a des proteines auxiliaires specifiques : les facteurs detranscription generaux.(Notes respectivement TF I, TF II, TF III respectivement pour la polymerase I, II et III).Ces facteursagissent au niveau de tous les promoteurs, ils sassocient a lARN polymerase etdeterminent le sitedinitiation de la transcription.Pour la polymerase II le promoteur contient toujours sur le brin complementaire de celuia transcrire unesequence 5TATAAAT3 situee a 25 nucleotides environ en amont du +1 de transcription(Fig.29 ).

5.5.2 Maturation des transcrits5.5.2 Maturation des transcrits5.5.2 Maturation des transcrits5.5.2 Maturation des transcrits

Au cours de la transcription les ARN sassocient a des proteines et forment desribonucleoproteines (RNP)qui seront transporte dans le cytoplasme. Ces RNPs sont les precurseurs des ARNm(premessager quicorrespondent vraisemblablement aux granules perichromatiniens), ARNt, ARNr(pretransfert etpreribosomique). Ces trois categories de precurseurs subissent des modifications post-transcriptionnelles(Maturation). Les roles des proteines associees aux ARN est encore mal connu: elles

interviendraient a la


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fois dans des modifications post-transcriptionnelles (epissage), dans la stabilite des ARNet dans leurtransport dans le cytoplasme.

5.5.3 Maturation des transcrits synthetises par la ARN polymerase II5.5.3 Maturation des transcrits synthetises par la ARN polymerase II5.5.3 Maturation des transcrits synthetises par la ARN polymerase II5.5.3 Maturation des transcrits synthetises par la ARN polymerase II

a) Coiffe (Capping) et polyadenylation (voir figures 28, 29, 30 eta) Coiffe (Capping) et polyadenylation (voir figures 28, 29, 30 eta) Coiffe (Capping) et polyadenylation (voir figures 28, 29, 30 eta) Coiffe (Capping) et polyadenylation (voir figures 28, 29, 30 et31)31)31)31)- En 5 un nucleoside (methylguanosine) est ajoute au cours de la synthese dARN. Cettecoiffe possede unrole dans la stabilite des transcrits et dans la traduction. Ceci correspond au processus decapping (coiffe).Cette coiffe precede une sequence guide et tous deux sont indispensables a lassociationdes ARNm auxribosomes.

- En 3, lextremite 3 non traduite (3UTR) est coupee a environ 10 a 30 nucleotides enaval de la sequencede clivage AAUAAA. Lajout de 100 a 200 residus dacide adenylique (polyA) a lextremite3 de la chaine sefait par la PolyA polymerase. (Fig.30 bis). La queue poly A possede un role danslexportation des ARNmmatures a partir du noyau, dans la stabilisation des transcrits dans le cytoplasme. Seuls lestranscritssynthetises par lARN polymerase II ont des coiffes en 5 et des queues polyA en 3.

b) Epissage des produits primaires de transcriptionb) Epissage des produits primaires de transcriptionb) Epissage des produits primaires de transcriptionb) Epissage des produits primaires de transcriptionChez les eucaryotes, chaque gene comprend des regions qui contiennent les sequencescodees qui seront (engeneral) traduites, les exons ; et des regions non traduites appelees introns qui separent lesexons (voirfigures 30 et 31). Un gene peut ne contenir quun seul exon et pas dintron, mais il y a desgenes de plus decent exons. Les exons sont les parties dun gene qui sont transcrites et conservees danslARNm mature, ilssont en general codants. Il code le plus souvent pour un domaine fonctionnel de la

proteine ou une partiedun tel domaine. Les introns sont des sequences transcrites de lADN, elles sont doncpresentes danslARN premessager mais absente de lARNm mature. Apres la transcription, les ARNpremessagers(transcrits primaires) produit par la ARN polymerase II contiennent encore les introns etles exons (Fig.30a,30b et 30c). Les ARN premessagers subissent donc dimportantes modifications quiconsistent dans

lexcision des introns, les segments restants ou exons etant reassocies entre eux parepissage pour former les


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ARNm matures (Fig.31 et 32) LARN messager nest donc plus une copie conforme dugene originel. Chezles procaryotes il ny a pas dintrons. La sequence nucleotidique et la taille (tres variable)des introns

semblent en general sans importance. Les introns accumulent les mutations au cours delevolution sans quela fonction des genes ne soit affectee. Les seules sequences tres conservees dans lesintrons sont situees alextremite ou proche de lextremite des introns. Ces sequences sont necessaire a leurexcision et sont tressimilaires dans toutes les sequences introniques connues (Fig.32). Elles ne peuvent etremodifiees sans que leprocessus depissage soit affecte.

Site dSite dSite dSite depissage 5epissage 5epissage 5epissage 5 (site donneur): GU

Site dSite dSite dSite depissage 3epissage 3epissage 3epissage 3 (site accepteur): AGCes deux sites depissage ont des sequences differentes et ils definissent donc lesextremites de lintron defacon directionnelle. La GT-AG sapplique aux sites depissage de tous les eucaryotes.Ceci impliquelexistence dun mecanisme commun a lexcision des introns.V. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

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Site de branchementSite de branchementSite de branchementSite de branchement. Chez la levure, le site de branchement est hautement conserve

et possede lasequence UACUAAC. Chez les eucaryotes superieurs, le site de branchement nest pasbien conserve maisun nucleotide A (dit nucleotide cible) est conserve. Le site de branchement est situe 18 a40 nucleotides enamont du site accepteur. (Fig.32)Des processus depissage alternatifs permettent dobtenir plusieurs transcrits matures apartir de la memeunite de transcription. Ceci permet dobtenir plusieurs proteines (isoformes) a partir dun

meme gene(Fig.33).

5.6 Le5.6 Le5.6 Le5.6 Les ARNpreribosomiques (transcrits par la ARN polymerase I)s ARNpreribosomiques (transcrits par la ARN polymerase I)s ARNpreribosomiques (transcrits par la ARN polymerase I)s ARNpreribosomiques (transcrits par la ARN polymerase I)

5.6.1 Le nucleole. Transcription, Maturation des ARNr et assemblage5.6.1 Le nucleole. Transcription, Maturation des ARNr et assemblage5.6.1 Le nucleole. Transcription, Maturation des ARNr et assemblage5.6.1 Le nucleole. Transcription, Maturation des ARNr et assemblage

des ribosomesdes ribosomesdes ribosomesdes ribosomesLe nucleole est le site ou seffectue la maturation des molecules dARNr, a partir dun gros

ARN precurseur,et leur assemblage avec les proteines ribosomales pour former les ribosomes. La taille dunucleole est en

rapport avec la quantite de proteines synthetisee dans une cellule.


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Pendant linterphase, la transcription continue de copies multiples de genes assure uneprovision adequatemolecules dARNr qui sont immediatement condenses avec les proteines ribosomiquespour former les

ribosomes. Le nucleole contient des grandes boucles dADN qui proviennent de plusieurschromosomes,chacune delle contenant un groupe de genes dARNr. On appelle chaque groupe de genede ce type unorganisateur nucleolaire (Fig.34 et 35). Lapparence du nucleole change considerablementau cours du cyclecellulaire. Il disparait au cours de la division cellulaire et reapparait des la telophase quandla transcriptiondes ARNr redemarre. Une cellule eucaryote doit synthetiser 10 millions de ribosomes achaque generation

cellulaire. Les ARN ribosomaux representent environ 80% de lARN cellulaire total(Fig.25). Les ARNribosomaux sont produits grace aux multiples copies des genes ribosomaux. (Chezlhomme 200 copies pargenome haploide, dispersees en petit groupe sur cinq chromosomes). Ces genes sontdisposes en tandem,separes des voisins par un region non transcrite. Un de ces genes peut etre transcrit parenviron 100 ARNpolymerases I a la fois. Chaque gene produit le meme transcrit primaire (ARN 45S)

denviron 13000nucleotides (Fig.35). Avant de quitter le noyau, lARN 45S est coupe pour donner ARN28S, 1 8S et 5,8S quiconstitueront le ribosome final. La plupart des genes existent en une seule copie pargenome haploide.Labondance des proteines dans des types cellulaires particuliers est du au fait quechacune des moleculesdARNm peut etre traduite en plus de dix proteines par minute, un ARN peut produire10000 proteines parcycle cellulaire. (Remarque il ny a pas detape damplification pour les ARN structuraux).Les zonesfibrillaires denses du nucleole sont le site dune synthese dARN45S, les zones granulairescontiennent lesparticules de precurseurs des preribosomes (80S). La maturation de LARNr et laproduction des sous unitesribosomiques ne se font pas de maniere independante et se deroulent dans le nucleole.Dans le nucleolelARN 45S sassocie a des proteines ribosomales et des proteines de maturation pourformer de grosses

particules ribonucleoproteiques ou Preribosome (80S), cest a linterieur de celle ci que seproduit la


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maturation de lARN 45S, puis la production des deux sous unites ribosomiques .

5.6.2 Les ribosomes5.6.2 Les ribosomes5.6.2 Les ribosomes5.6.2 Les ribosomes (Fig.36)Les ribosomes sont le plus souvent decrits, dapres leur vitesse de sedimentation (mesureeen Svedbergs).

Les ribosomes bacteriens sedimentent a 70S et le ribosomes du cytoplasme des eucaryotessuperieurssedimentent en general vers 80S. Les ribosomes sont formes de deux sous unites :- La grosse sous unite du ribosome 60S contient environ 40 proteines et les ARNr 5,8,28S et 5S- La petite sous unite 40S contient environ 30 proteines et IARNr 18S .Il ny a pas de ribosomes fonctionnels dans le noyau, les dernieres etapes de maturationdes ribosomes nontlieu que lorsque ses sous unites sont transferees dans le cytoplasme. Chaque sous unite aun role specifiquedans la synthese proteique. Il existe un autre groupe de genes dispose en tandem avec desintercalaires nontranscrits qui code pour les ARNr5S (120 nucleotides environ) de la grande sous uniteribosomale (cest leseul ARNr transcrit en dehors du nucleole,), et comme d autres genes qui codent pourdes ARN stables(ARNt) il sont transcrit par la polymerase III. Chez 1homme on trouve un seul groupe degenes codantpour lARN 5S qui sont repetes environ deux mille fois.

V. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire34

6. La traduction6. La traduction6. La traduction6. La traduction

6.1 Le code genetique6.1 Le code genetique6.1 Le code genetique6.1 Le code genetiqueLADN, les ARN et les proteines sont de longs polymeres non ramifies. Les mecanismesde codage delinformation genetique cest a dire la correspondance entre les nucleotides de lARNm etles acides aminessont bases sur lutilisation de structures lineaire. Le codage de linformation genetique

correspond au passagedun alphabet de quatre lettres (celui des acides nucleiques) a un alphabet a 20 lettresacides amines(celuides proteines). Le code genetique est un systeme de correspondance formelle existantentre les deuxcategories de sequences (voir Figure 37). La sequence des nucleotides de la moleculedARNm qui sertdintermediaire est lue par groupe de trois nucleotides, chaque triplet de nucleotides,appele codon

determine un acide amine. LARN etant un polymere de 4 nucleotides differents il y a 43= 64 codons


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possibles (Fig. 37). Trois de ces 64 codons ne codent pas pour des acides amines maisdeterminent laterminaison dune chaine polypeptidique (codons stop). On ne trouve que 20 acidesamines differents dans

les proteines (pour 61 codons), ainsi plusieurs codons peuvent coder pour le meme acideamine, le codegenetique est degenere ou redondant. Il est universel malgre quelques exceptions. Lesmutations sur latroisieme base des codons sont pour la plupart muettes. Dautre part, on peut passer dunacide amine a unautre qui presente des caracteristiques similaires en modifiant quune seule base. Parexemple on peut passerde la valine a isoleucine et a la leucine en changeant une seule base. Il en est de memepour le passage

Glu/Asp (acides amines acides) ; Lys/Arg (acides amines basiques), Thr/Ser (acidesamines polaire).

6.2 Proprietes des ARNt6.2 Proprietes des ARNt6.2 Proprietes des ARNt6.2 Proprietes des ARNtIls representent 10 a 15% des ARN cellulaire (voir figure 25). Leur longueur nexcede pas80 a 90nucleotides, en raison de leur faible masse moleculaire, le nombre absolu de molecules parcellule estconsiderable.La structure secondaire plane, en feuille de trefle est formee dune succession de tiges

doubles brins et deboucles denviron 10 nucleotides (Fig.38). Cette forme plane sorganise dans lespace pourdonner unestructure tertiaire compacte en forme de L majuscule (Fig. 38). Les deux partiesfonctionnellementimportantes, lanticodon et le site daccrochage de lacide amine en 3OH sont situees auxdeux extremitesopposees. Ils ont un role capital dans la synthese proteique, ils permettent la lectureprecise de linformation

genetique contenue dans les ARNm et participent a la synthese ordonnee des chainespolypeptidiques. Leurprincipale propriete est de pouvoir etre lies specifiquement a un acide amine precis, choisiparmi les 20trouves dans les proteines pour former un aminoacylARNt.

6.3 Mecanis6.3 Mecanis6.3 Mecanis6.3 Mecanisme moleculaire de la traductionme moleculaire de la traductionme moleculaire de la traductionme moleculaire de la traduction (Fig.39a et 39b)

On peut diviser la traduction, ou synthese dun polypeptide en trois etapes: linitiationinitiationinitiationinitiation,

lelongationelongationelongationelongation et la

terminaisonterminaisonterminaisonterminaison de la chaine. Ces trois etapes necessitent la presence de facteurs proteiques

(surtout des


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enzymes) qui assistent lARNm, lARNt et les ribosomes au cours du processus detraduction. Pour quelinitiation et lelongation de la chaine aient lieu, il faut aussi de lenergie fournie par laGTP (Guanosine

TriPhosphate).InitiationInitiationInitiationInitiation : Letape dinitiation de la traduction met en jeu lARNm, un ARNt portantle premier acideamine du polypeptide ainsi que les deux sous-unites dun ribosome. En premier lieu, lapetite sous-uniteribosomique se lie a la fois a un ARNm et a un ARNt dinitiation specifique. La petitesous-uniteribosomique sattache a une sequence de nucleotides precise a lextremite 5 de lARNm,Le codondinitiation AUG se trouve immediatement a droite de ce site de chargement, a lendroitou la traductioncommence vraiment. LARNt dinitiation, qui porte la methionine, se lie au codondinitiation.Lunion de lARNm, de lARNt dinitiation et de la petite sous-unite ribosomique estsuivie de la liaisondune grosse sous-unite ribosomique, qui complete le ribosome fonctionnel. Desproteines appelees facteursdinitiation jouent un role essentiel dans lagencement de tous ces elements. La celluledepense aussi de

lenergie apportee par la GTP afin de former le complexe dinitiation. A la fin dumecanisme dinitiation,lARNt dinitiation a pris place au site P du ribosome, et le site A vacant est pret a recevoirla prochainemolecule dARNt.

ElongationElongationElongationElongation : Dans lelongation de la traduction, les acides amines sont ajoutes un a un ala suite du premier.Chaque addition, a laquelle participent plusieurs proteines nommees facteurs delongation,se deroule selon

un cycle comptant trois phases:V. NOYAU BIO12 : Biologie Cellulaire

35

- Reconnaissance du codonReconnaissance du codonReconnaissance du codonReconnaissance du codon : Au premier stade de lelongation, le codon de lARNmqui se trouve au site

A du ribosome forme des liaisons hydrogene avec lanticodon dune molecule dARNtentrante qui portelacide amine approprie. Un facteur delongation achemine lARNt jusquau site A. Cettephase necessiteaussi lhydrolyse dune liaison phosphate de la GTP.


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- Formation de la liaison peptidiqueFormation de la liaison peptidiqueFormation de la liaison peptidiqueFormation de la liaison peptidique : Ensuite, une enzyme qui fait partieintegrante de la grosse sousuniteribosomique catalyse la formation dune liaison peptidique entre le polypeptide quidepasse du site P et

lacide amine nouvellement arrive au site A. Cette enzyme, appelee peptidyl transferase, secompose dunensemble de proteines ribosomiques associees a un ARNr. A ce stade, le polypeptide sesepare de lARNtauquel il etait lie et est transfere sur lacide amine porte par IARNt qui se trouve au site

A.

---- TranslocationTranslocationTranslocationTranslocation: LARNt localise au site P se dissocie du ribosome. LARNt du site A,maintenant lie aupolypeptide en formation, se deplace (subit une translocation) vers le site P. Au cours de

ce deplacement, lesliaisons hydrogene entre lanticodon de lARNt et le codon de lARNm se maintiennent,ce qui permet auxdeux molecules de se deplacer ensemble. A la suite de ce mouvement, le prochain codon atraduire seretrouve au site A. Letape de la translocation necessite un apport denergie fourni parlhydrolyse dunemolecule de GTP LARNm ne peut se deplacer a travers le ribosome que dans le sens 5-3 et codon parcodon.

Le cycle delongation ne dure que 60 minutes environ et se repete pour chaque additiondun acide amine ala chaine, jusqua la terminaison de la synthese du polypeptide.

TerminaisonTerminaisonTerminaisonTerminaison : La derniere etape de la traduction est la terminaison Lelongation sepoursuit jusqua cequun codon darret arrive au site A du ribosome. Ces triplets de bases specifiques (UAA,UAG et UGA) necodent pas pour des acides amines, mais servent de signal darret de la traduction. Uneproteine appelee

facteur de terminaison se lie directement au codon darret du site A. Sous leffet du facteurde terminaison,la peptidyl transferase ajoute une molecule deau au lieu dun acide amine a lextremite dela chainepolypeptidique. Cette reaction hydrolyse la liaison entre la chaine polypeptidiquecompletee et lARNt qui setrouve au site P, et detache ainsi le polypeptide du ribosome. Ce dernier se dissocie alorsen petite et grossesous- unites.

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