15.3 : Transcription eucaryote
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Compétences à développer
- Énumérez les étapes de la transcription eucaryote
- Discuter du rôle des ARN polymérases dans la transcription
- Comparez et contrastez les trois ARN polymérases
- Expliquer l'importance des facteurs de transcription
Les procaryotes et les eucaryotes effectuent fondamentalement le même processus de transcription, à quelques différences près. La différence la plus importante entre les procaryotes et les eucaryotes réside dans le noyau et les organites liés à la membrane de ces derniers. Les gènes étant liés dans un noyau, la cellule eucaryote doit être capable de transporter son ARNm vers le cytoplasme et doit empêcher son ARNm de se dégrader avant qu'il ne soit traduit. Les eucaryotes utilisent également trois polymérases différentes qui transcrivent chacune un sous-ensemble différent de gènes. Les ARNm des eucaryotes sont généralement monogéniques, c'est-à-dire qu'ils ne spécifient qu'une seule protéine.
Initiation de la transcription chez les eucaryotes
Contrairement à la polymérase procaryote qui peut se lier seule à une matrice d'ADN, les eucaryotes ont besoin de plusieurs autres protéines, appelées facteurs de transcription, pour d'abord se lier à la région promotrice, puis pour aider à recruter la polymérase appropriée.
Les trois ARN polymérases eucaryotes
Les caractéristiques de la synthèse de l'ARNm des eucaryotes sont nettement plus complexes que celles des procaryotes. Au lieu d'une seule polymérase comprenant cinq sous-unités, les eucaryotes possèdent trois polymérases composées chacune de 10 sous-unités ou plus. Chaque polymérase eucaryote nécessite également un ensemble distinct de facteurs de transcription pour l'amener dans la matrice d'ADN.
L'ARN polymérase I est située dans le nucléole, une sous-structure nucléaire spécialisée dans laquelle l'ARN ribosomal (ARNr) est transcrit, traité et assemblé en ribosomes (Tableau\(\PageIndex{1}\)). Les molécules d'ARNr sont considérées comme des ARN structuraux car elles jouent un rôle cellulaire mais ne sont pas traduites en protéines. Les ARNr sont des composants du ribosome et sont essentiels au processus de traduction. L'ARN polymérase I synthétise tous les ARNr à l'exception de la molécule d'ARNr 5S. La désignation « S » s'applique aux unités « Svedberg », une valeur non additive qui caractérise la vitesse à laquelle une particule se sédimente pendant la centrifugation.
Tableau\(\PageIndex{1}\) : Emplacements, produits et sensibilités des trois ARN polymérases eucaryotes
| ARN polymérase | Compartiment cellulaire | Produit de transcription | Sensibilité à l'α-amanitine |
|---|---|---|---|
| JE | Nucléole | Tous les ARNr sauf l'ARNr 5S | Insensible |
| II | Noyau | Tous les pré-ARNm nucléaires codant pour des protéines | Extrêmement sensible |
| III | Noyau | ARNr 5S, ARNt et petits ARN nucléaires | Modérément sensible |
L'ARN polymérase II est située dans le noyau et synthétise tous les pré-ARNm nucléaires codant pour des protéines. Les pré-ARNm eucaryotes font l'objet d'un traitement approfondi après la transcription mais avant la traduction. Pour plus de clarté, la discussion de ce module sur la transcription et la traduction chez les eucaryotes utilisera le terme « ARNm » pour décrire uniquement les molécules matures et transformées qui sont prêtes à être traduites. L'ARN polymérase II est responsable de la transcription de la très grande majorité des gènes eucaryotes.
L'ARN polymérase III est également située dans le noyau. Cette polymérase transcrit une variété d'ARN structuraux, y compris le pré-ARNr 5S, les pré-ARN de transfert (pré-ARNt) et les petits pré-ARN nucléaires. Les ARNt jouent un rôle essentiel dans la traduction ; ils servent de molécules adaptatrices entre la matrice d'ARNm et la chaîne polypeptidique en croissance. Les petits ARN nucléaires ont diverses fonctions, notamment l' « épissage » des pré-ARNm et la régulation des facteurs de transcription.
Un scientifique qui caractérise un nouveau gène peut déterminer quelle polymérase le transcrit en vérifiant si le gène est exprimé en présence d'un poison spécifique aux champignons, l'α-amanitine (tableau ci-dessus). Il est intéressant de noter que l'α-amanitine produite par l'Amanita phalloides, le champignon Death Cap, affecte les trois polymérases de manière très différente. L'ARN polymérase I est totalement insensible à l'α-amanitine, ce qui signifie que la polymérase peut transcrire l'ADN in vitro en présence de ce poison. En revanche, l'ARN polymérase II est extrêmement sensible à l'α-amanitine et l'ARN polymérase III est modérément sensible. La connaissance de la polymérase transcrivante peut donner au chercheur des indications sur la fonction générale du gène étudié. Comme l'ARN polymérase II transcrit la grande majorité des gènes, nous nous concentrerons sur cette polymérase dans nos discussions ultérieures sur les facteurs de transcription et les promoteurs eucaryotes.
Structure d'un promoteur de l'ARN polymérase II
Les promoteurs eucaryotes sont beaucoup plus gros et complexes que les promoteurs procaryotes, mais ils possèdent tous deux une boîte TATA. Par exemple, dans le gène de la thymidine kinase de souris, la boîte TATA est située à environ -30 par rapport au site d'initiation (+1) (Figure\(\PageIndex{1}\)). Pour ce gène, la séquence exacte de la boîte TATA est TATAAAA, telle qu'elle est lue dans la direction 5' à 3' sur le brin non matrice. Cette séquence n'est pas identique à la boîte TATA d'E. coli, mais elle conserve l'élément riche en A—T. La thermostabilité des liaisons A—T est faible, ce qui permet à la matrice d'ADN de se détendre localement en vue de la transcription.
Art Connection
Un scientifique épisse un promoteur eucaryote devant un gène bactérien et insère le gène dans un chromosome bactérien. Vous attendez-vous à ce que la bactérie transcrive le gène ?
Le génome de la souris comprend un gène et deux pseudogènes de la thymidine kinase cytoplasmique. Les pseudogènes sont des gènes qui ont perdu leur capacité à coder les protéines ou qui ne sont plus exprimés par la cellule. Ces pseudogènes sont copiés à partir de l'ARNm et incorporés dans le chromosome. Par exemple, le promoteur de la thymidine kinase de souris possède également une boîte CAAT conservée (GGCCAATCT) à environ -80. Cette séquence est essentielle et intervient dans la fixation des facteurs de transcription. Plus en amont de la boîte TATA, les promoteurs eucaryotes peuvent également contenir une ou plusieurs boîtes riches en GC (GGCG) ou des boîtes octamères (ATTTGCAT). Ces éléments se lient à des facteurs cellulaires qui augmentent l'efficacité de l'initiation de la transcription et sont souvent identifiés dans des gènes plus « actifs » qui sont constamment exprimés par la cellule.
Facteurs de transcription pour l'ARN polymérase II
La complexité de la transcription eucaryote ne s'arrête pas aux polymérases et aux promoteurs. Une armée de facteurs de transcription basaux, d'activateurs et de silenceurs aide également à réguler la fréquence à laquelle le pré-ARNm est synthétisé à partir d'un gène. Les activateurs et les silencieux affectent l'efficacité de la transcription mais ne sont pas nécessaires pour que la transcription puisse se poursuivre. Les facteurs de transcription basaux jouent un rôle crucial dans la formation d'un complexe de préinitiation sur la matrice d'ADN qui recrute ensuite l'ARN polymérase II pour initier la transcription.
Les noms des facteurs de transcription basaux commencent par « TFII » (il s'agit du facteur de transcription de l'ARN polymérase II) et sont spécifiés par les lettres A—J. Les facteurs de transcription se mettent systématiquement en place sur la matrice d'ADN, chacun stabilisant davantage le complexe de préinitiation et contribuant au recrutement de l'ARN polymérase II.
Les processus d'introduction des ARN polymérases I et III dans la matrice d'ADN impliquent des collections légèrement moins complexes de facteurs de transcription, mais le thème général est le même. La transcription eucaryote est un processus étroitement régulé qui nécessite une variété de protéines pour interagir entre elles et avec le brin d'ADN. Bien que le processus de transcription chez les eucaryotes implique un investissement métabolique plus important que chez les procaryotes, il garantit que la cellule transcrit précisément les pré-ARNm dont elle a besoin pour la synthèse des protéines.
Evolution Connection : L'évolution des promoteurs
L'évolution des gènes est peut-être un concept familier. Des mutations peuvent survenir dans les gènes lors de la réplication de l'ADN, et le résultat peut être bénéfique ou non pour la cellule. En modifiant une enzyme, une protéine structurale ou un autre facteur, le processus de mutation peut transformer des fonctions ou des caractéristiques physiques. Cependant, les promoteurs eucaryotes et autres séquences régulatrices des gènes peuvent également évoluer. Prenons l'exemple d'un gène qui, au fil des générations, gagne en valeur pour la cellule. Peut-être que le gène code une protéine structurale dont la cellule a besoin pour synthétiser en abondance pour une certaine fonction. Si tel est le cas, il serait bénéfique pour la cellule que le promoteur de ce gène recrute des facteurs de transcription plus efficacement et augmente l'expression génique.
Les scientifiques qui étudient l'évolution des séquences promotrices ont rapporté des résultats variables. Cela s'explique en partie par le fait qu'il est difficile de déterminer exactement où commence et où se termine un promoteur eucaryote. Certains promoteurs sont présents dans les gènes ; d'autres sont situés très loin en amont, voire en aval, des gènes qu'ils régulent. Cependant, lorsque les chercheurs ont limité leur examen aux séquences de promoteurs centraux humains qui ont été définies expérimentalement comme des séquences qui se lient au complexe de préinitiation, ils ont découvert que les promoteurs évoluaient encore plus rapidement que les gènes codant pour les protéines.
On ne sait toujours pas comment l'évolution du promoteur pourrait correspondre à l'évolution des humains ou d'autres organismes supérieurs. Cependant, l'évolution d'un promoteur pour produire efficacement plus ou moins d'un produit génique donné constitue une alternative intrigante à l'évolution des gènes eux-mêmes. 1
Structures promotrices pour les ARN polymérases I et III
Chez les eucaryotes, les éléments promoteurs conservés diffèrent selon les gènes transcrits par les ARN polymérases I, II et III. L'ARN polymérase I transcrit des gènes qui possèdent deux séquences promotrices riches en GC dans la région de -45 à +20. Ces séquences suffisent à elles seules à l'initiation de la transcription, mais les promoteurs avec des séquences supplémentaires dans la région comprise entre -180 et -105 en amont du site d'initiation amélioreront encore l'initiation. Les gènes transcrits par l'ARN polymérase III possèdent des promoteurs en amont ou des promoteurs présents dans les gènes eux-mêmes.
Élongation et terminaison eucaryotes
Après la formation du complexe de préinitiation, la polymérase est libérée des autres facteurs de transcription, et on laisse l'allongement se poursuivre comme chez les procaryotes, la polymérase synthétisant le pré-ARNm dans la direction 5' à 3'. Comme indiqué précédemment, l'ARN polymérase II transcrit la majeure partie des gènes eucaryotes. Cette section se concentrera donc sur la façon dont cette polymérase effectue l'élongation et la terminaison.
Bien que le processus enzymatique d'élongation soit essentiellement le même chez les eucaryotes et les procaryotes, la matrice d'ADN est plus complexe. Lorsque les cellules eucaryotes ne se divisent pas, leurs gènes existent sous la forme d'une masse diffuse d'ADN et de protéines appelée chromatine. L'ADN est étroitement encapsulé autour de protéines histones chargées à intervalles répétés. Ces complexes ADN-histone, collectivement appelés nucléosomes, sont régulièrement espacés et comprennent 146 nucléotides d'ADN enroulés autour de huit histones comme un fil autour d'une bobine.
Pour que la synthèse des polynucléotides se produise, la machinerie de transcription doit éliminer les histones chaque fois qu'elle rencontre un nucléosome. Cela est possible grâce à un complexe protéique spécial appelé FACT, qui signifie « facilite la transcription de la chromatine ». Ce complexe éloigne les histones de la matrice d'ADN lorsque la polymérase se déplace le long de celle-ci. Une fois le pré-ARNm synthétisé, le complexe FACT remplace les histones pour recréer les nucléosomes.
La fin de la transcription est différente pour les différentes polymérases. Contrairement aux procaryotes, l'élongation par l'ARN polymérase II chez les eucaryotes se produit de 1 000 à 2 000 nucléotides au-delà de l'extrémité du gène transcrit. Cette queue pré-ARNm est ensuite retirée par clivage lors du traitement de l'ARNm. En revanche, les ARN polymérases I et III nécessitent des signaux de terminaison. Les gènes transcrits par l'ARN polymérase I contiennent une séquence spécifique de 18 nucléotides reconnue par une protéine de terminaison. Le processus de terminaison de l'ARN polymérase III implique une épingle à cheveux à ARNm similaire à la terminaison indépendante du rho de la transcription chez les procaryotes.
Résumé
La transcription chez les eucaryotes implique l'un des trois types de polymérases, selon le gène transcrit. L'ARN polymérase II transcrit tous les gènes codant pour les protéines, tandis que l'ARN polymérase I transcrit les gènes de l'ARNr et l'ARN polymérase III transcrit l'ARNr, l'ARNt et les petits gènes d'ARN nucléaire. L'initiation de la transcription chez les eucaryotes implique la liaison de plusieurs facteurs de transcription à des séquences promotrices complexes qui sont généralement situées en amont du gène copié. L'ARNm est synthétisé dans la direction 5' à 3', et le complexe FACT déplace et réassemble les nucléosomes au fur et à mesure que la polymérase passe. Alors que les ARN polymérases I et III mettent fin à la transcription par des méthodes dépendantes des protéines ou de l'ARN, l'ARN polymérase II transcrit 1 000 nucléotides ou plus au-delà de la matrice génique et clive l'excédent lors du traitement pré-ARNm.
Connexions artistiques
Figure\(\PageIndex{2}\) : Un scientifique épisse un promoteur eucaryote devant un gène bactérien et insère le gène dans un chromosome bactérien. Vous attendez-vous à ce que la bactérie transcrive le gène ?
- Réponse
-
Non Les procaryotes utilisent des promoteurs différents de ceux des eucaryotes.
Notes
- 1 H Liang et al., « Évolution rapide des principaux promoteurs dans les génomes des primates », Molecular Biology and Evolution 25 (2008) : 1239—1244.
Lexique
- Coffret CAAT
- (GGCCAATCT) séquence promotrice eucaryote essentielle impliquée dans la liaison des facteurs de transcription
- FAIT
- complexe qui « facilite la transcription de la chromatine » en désassemblant les nucléosomes avant une ARN polymérase II transcrivant et en les réassemblant après le passage de la polymérase
- Boîte riche en GC
- (GGCG) séquence promotrice eucaryote non essentielle qui lie les facteurs cellulaires pour augmenter l'efficacité de la transcription ; peut être présente plusieurs fois dans un promoteur
- Coffret Octamer
- (ATTTGCAT) : séquence promotrice eucaryote non essentielle qui lie les facteurs cellulaires pour augmenter l'efficacité de la transcription ; peut être présente plusieurs fois dans un promoteur
- complexe de préinitiation
- groupe de facteurs de transcription et autres protéines qui recrutent l'ARN polymérase II pour la transcription d'une matrice d'ADN
- petit ARN nucléaire
- molécules synthétisées par l'ARN polymérase III qui ont diverses fonctions, notamment l'épissage des pré-ARNm et la régulation des facteurs de transcription