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Sommaire

  • 1Du transcrit primaire à l'ARN messager mature
  • 2Ajout de la coiffe en extrémité 5′5'5′
  • 3Formation de l'extrémité 3′3'3′ et polyadénylation
  • 4Épissage des introns
    • 4.1Le spliceosome lock — section verrouillée
    • 4.2Les deux réactions de transestérification lock — section verrouillée
  • 5Épissage constitutif et épissage alternatif lock — section verrouillée
  • 6Conséquences sur la diversité protéique lock — section verrouillée
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B3 · Expression des gènes

Maturation des ARN messagers : coiffe, polyadénylation et épissage

Décrire l'ajout de la coiffe en 5', la polyadénylation en 3' et le mécanisme d'épissage par le spliceosome. Expliquer l'épissage alternatif et la diversité protéique qu'il engendre.

Biologie moléculaire et génome·schedule7 min de lecture·quiz17 QCM corrigés

Du transcrit primaire à l'ARN messager mature

Chez les eucaryotes, l'ARN produit par l'ARN polymérase II n'est généralement pas immédiatement utilisable pour la synthèse protéique. Il subit plusieurs transformations dans le noyau, souvent alors que sa transcription est encore en cours.

Définition

Pré-ARN messager

Transcrit primaire destiné à devenir un ARN messager après ajout d'une coiffe en extrémité 5′5'5′, formation de l'extrémité 3′3'3′ polyadénylée et épissage.

Définition

Maturation de l'ARN messager

Ensemble des modifications qui transforment un pré-ARN messager en ARN messager mature, stable, exportable vers le cytoplasme et apte à être traduit.

Le pré-ARNm comprend des exons, séquences conservées dans l'ARN mature, et des introns, séquences éliminées par épissage. Un exon n'est pas nécessairement entièrement codant, car les régions non traduites situées en 5′5'5′ et en 3′3'3′ appartiennent aussi à des exons.

Les trois grandes étapes de maturation sont coordonnées avec la transcription, décrite dans la fiche précédente du sous-bloc. Cette coordination limite la présence de transcrits incomplets et facilite leur contrôle avant l'export nucléaire.

Ajout de la coiffe en extrémité 5′5'5′

Définition

Coiffe en 5′5'5′

Structure formée d'une 7-méthylguanosine reliée au premier nucléotide du pré-ARNm par une liaison inhabituelle 5′5'5′-5′5'5′ triphosphate.

L'extrémité initiale du pré-ARNm porte trois phosphates. Peu après le début de la transcription, lorsque le transcrit mesure seulement quelques dizaines de nucléotides, trois activités enzymatiques interviennent successivement :

  1. une ARN triphosphatase retire le phosphate terminal de l'extrémité 5′5'5′ ;
  2. une guanylyltransférase ajoute une guanosine monophosphate selon une liaison 5′5'5′-5′5'5′ triphosphate ;
  3. une méthyltransférase méthyle l'azote en position 7 de la guanine ajoutée.

Des méthylations supplémentaires peuvent toucher le ribose des premiers nucléotides du transcrit. La liaison inversée de la coiffe la distingue d'une liaison phosphodiester ordinaire et rend l'extrémité 5′5'5′ difficilement accessible aux enzymes de dégradation.

La coiffe est reconnue dans le noyau par un complexe de liaison à la coiffe. Elle remplit plusieurs fonctions :

  • elle protège l'ARN contre les exonucléases agissant depuis l'extrémité 5′5'5′ ;
  • elle participe à l'épissage, notamment pour la reconnaissance du premier intron ;
  • elle favorise l'export de l'ARNm hors du noyau ;
  • elle permettra ensuite la reconnaissance de l'ARNm par la machinerie d'initiation de la traduction.
À retenir

Nature de la coiffe

La coiffe n'est pas une simple guanosine ajoutée dans le prolongement de l'ARN. Il s'agit d'une 7-méthylguanosine reliée par une liaison 5′5'5′-5′5'5′ triphosphate.

Formation de l'extrémité 3′3'3′ et polyadénylation

Définition

Polyadénylation

Ajout, sans matrice d'ADN, d'une succession de résidus adénosine à l'extrémité 3′3'3′ du pré-ARNm préalablement clivé.

La formation de l'extrémité 3′3'3′ ne correspond pas à une simple interruption de la synthèse d'ARN. Le pré-ARNm est d'abord reconnu puis coupé à un emplacement déterminé par plusieurs séquences.

Le motif AAUAAA, situé en amont du site de coupure, est reconnu par le complexe CPSF, facteur de spécificité du clivage et de la polyadénylation. Une région riche en guanosines et uridines, située en aval, est reconnue par le facteur CstF. D'autres facteurs de clivage assemblent alors le complexe de maturation.

Après coupure du pré-ARNm, la poly(A) polymérase ajoute successivement des adénosines sans lire de matrice. La queue obtenue comporte généralement quelques centaines de résidus chez les mammifères.

Définition

Queue poly(A)

Séquence d'adénosines ajoutée après clivage à l'extrémité 3′3'3′ de la majorité des ARN messagers eucaryotes.

Dans le noyau, des protéines de liaison à la poly(A) recouvrent progressivement la queue. Elles contribuent à en contrôler la longueur, protègent l'extrémité 3′3'3′ et participent à l'export nucléaire. Dans le cytoplasme, d'autres protéines associées à la queue poly(A) favorisent la stabilité de l'ARNm et l'efficacité de sa traduction.

La diminution progressive de la longueur de cette queue constitue souvent une première étape de la dégradation d'un ARNm. La polyadénylation influence donc la durée pendant laquelle un transcrit peut être utilisé.

Attention

Clivage et polyadénylation sont deux opérations distinctes

Le pré-ARNm est d'abord clivé, puis la poly(A) polymérase ajoute la queue poly(A) sur la nouvelle extrémité 3′3'3′. Les adénosines de cette queue ne sont pas directement codées par la matrice d'ADN.

Épissage des introns

Définition

Épissage

Mécanisme nucléaire qui excise les introns d'un pré-ARNm et relie les exons dans un ordre continu.

L'épissage dépend de séquences courtes portées par le pré-ARNm :

  • le site donneur 5′5'5′ de l'intron contient généralement les nucléotides GU ;
  • le point de branchement comporte une adénosine particulière ;
  • une région riche en pyrimidines précède le site terminal ;
  • le site accepteur 3′3'3′ se termine généralement par AG.

Ces motifs sont nécessaires à la reconnaissance de l'intron, mais leur faible longueur ne suffit pas toujours à les identifier sans l'aide de protéines régulatrices.

Le spliceosome

Définition

Spliceosome

Complexe ribonucléoprotéique dynamique qui reconnaît les limites des introns et catalyse leur excision ainsi que la jonction des exons.

Le spliceosome contient de petites particules ribonucléoprotéiques nucléaires, désignées U1, U2, U4, U5 et U6. Chacune associe un petit ARN nucléaire à plusieurs protéines. Les ARN assurent une partie essentielle de la reconnaissance par complémentarité de bases et participent au centre catalytique.

Méthode

Assemblage et action du spliceosome

  1. U1 reconnaît le site donneur 5′5'5′ de l'intron.
  2. Des facteurs reconnaissent la région riche en pyrimidines et le site accepteur 3′3'3′.
  3. U2 se fixe au voisinage du point de branchement en laissant accessible l'adénosine de branchement.
  4. Le complexe formé par U4, U6 et U5 rejoint le pré-ARNm.
  5. Des réarrangements libèrent U1 et U4, tandis que U2 et U6 forment le centre catalytique.
  6. U5 rapproche et aligne les deux exons.
  7. Deux réactions de transestérification excisent l'intron puis unissent les exons.

Les deux réactions de transestérification

Lors de la première réaction, le groupement hydroxyle en position 2′2'2′ du ribose de l'adénosine de branchement attaque le site donneur 5′5'5′. L'extrémité 5′5'5′ de l'intron se lie alors à cette adénosine par une liaison phosphodiester inhabituelle 2′2'2′-5′5'5′. L'intron prend une structure en boucle appelée lasso.

Lors de la seconde réaction, le groupement hydroxyle 3′3'3′ de l'exon situé en amont attaque le site accepteur 3′3'3′. Les deux exons sont reliés par une liaison phosphodiester ordinaire et l'intron en lasso est libéré. Il est ensuite débranché puis généralement dégradé.

Les réactions de transestérification ne modifient pas le nombre total de liaisons phosphodiester et n'exigent donc pas directement d'apport énergétique. En revanche, de l'ATP est consommé pour les nombreux réarrangements du spliceosome et pour le contrôle de fidélité.

À retenir

Repères de l'intron

Un intron épissé par le spliceosome présente classiquement un site donneur 5′5'5′ contenant GU, une adénosine de branchement, une région riche en pyrimidines et un site accepteur 3′3'3′ se terminant par AG.

Épissage constitutif et épissage alternatif

Définition

Épissage constitutif

Épissage dans lequel tous les exons retenus par défaut sont assemblés selon une combinaison principale identique.

Définition

Épissage alternatif

Sélection variable des sites d'épissage d'un même pré-ARNm, produisant plusieurs ARN messagers matures distincts à partir d'un même gène.

Comparaison

Épissage constitutif et épissage alternatif

CritèreÉpissage constitutifÉpissage alternatif
Sélection des sitescombinaison principale stablecombinaison variable
Produits formésARN messager principalplusieurs isoformes d'ARN messager
Conséquenceassemblage uniforme des exonsdiversification contrôlée des transcrits

Les principales modalités d'épissage alternatif sont :

  • l'inclusion ou l'exclusion d'un exon ;
  • le choix entre deux exons mutuellement exclusifs ;
  • l'utilisation de sites donneurs 5′5'5′ différents ;
  • l'utilisation de sites accepteurs 3′3'3′ différents ;
  • la rétention d'un intron dans l'ARN mature.

Le choix dépend de séquences régulatrices en cis, situées sur le pré-ARNm, et de facteurs agissant en trans, qui s'y fixent. Les protéines de la famille SR favorisent généralement la reconnaissance de certains sites, tandis que plusieurs ribonucléoprotéines nucléaires hétérogènes peuvent la limiter. La concentration de ces facteurs varie selon le type cellulaire, le stade de développement et les signaux reçus.

Conséquences sur la diversité protéique

Les différents ARN messagers issus d'un même gène sont appelés isoformes de transcrit. Lorsque leur région codante diffère, ils peuvent produire des isoformes protéiques présentant une séquence, des domaines fonctionnels, une localisation ou une activité distincts.

L'épissage alternatif ne conduit cependant pas toujours à une nouvelle protéine. Il peut ne modifier qu'une région non traduite, ce qui influence plutôt la stabilité, la localisation ou l'efficacité de traduction de l'ARNm. Il peut aussi introduire un codon d'arrêt prématuré, entraînant la reconnaissance et l'élimination du transcrit par un système de surveillance.

Attention

Un gène ne correspond pas nécessairement à une seule protéine

Un même gène peut produire plusieurs ARN messagers par épissage alternatif, mais toutes les isoformes de transcrit ne donnent pas obligatoirement une protéine différente ou stable.

Points clés
  • La coiffe est une 7-méthylguanosine reliée à l'extrémité 5′5'5′ par une liaison 5′5'5′-5′5'5′ triphosphate.
  • La polyadénylation suit un clivage guidé notamment par le motif AAUAAA et ajoute une queue non directement codée par l'ADN.
  • Le spliceosome reconnaît les sites d'épissage et élimine l'intron sous forme de lasso par deux transestérifications.
  • Les repères classiques d'un intron sont GU en 5′5'5′, une adénosine de branchement, une région riche en pyrimidines et AG en 3′3'3′.
  • L'épissage alternatif produit plusieurs isoformes d'ARNm et contribue à la diversité des protéines à partir d'un même gène.

Fiches connexes

À réviser dans la foulée, sur Expression des gènes.

  • Fiche 01Transcription : initiation, élongation et terminaisonExpression des gènes
  • Fiche 03Code génétique, cadre de lecture et ARN de transfertExpression des gènes
  • Fiche 04Traduction : ribosome, initiation, élongation et terminaisonExpression des gènes
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    • 4.1Le spliceosome lock — section verrouillée
    • 4.2Les deux réactions de transestérification lock — section verrouillée
  • 5Épissage constitutif et épissage alternatif lock — section verrouillée
  • 6Conséquences sur la diversité protéique lock — section verrouillée