B3 · Organisation du génome humain
Organisation des gènes : exons, introns et familles géniques
Décrire l'organisation exon-intron d'un gène codant et les gènes dont le produit est un ARN fonctionnel. Définir familles de gènes, clusters, pseudogènes et gènes emboîtés.
Biologie moléculaire et génome7 min de lecture17 QCM corrigés
Définir l'unité génique
Un gène possède une orientation, définie par le sens dans lequel sa région transcrite est lue. Les indications 5′ et 3′ désignent les extrémités d'un acide nucléique et permettent d'orienter sa séquence. Le brin d'ADN utilisé comme matrice et le mécanisme de transcription sont étudiés dans la fiche consacrée à la transcription.
L'organisation générale d'un gène comprend :
- une région régulatrice, qui contrôle le lieu, le moment et l'intensité de l'expression ;
- un promoteur, où s'assemble la machinerie de transcription ;
- un site d'initiation de la transcription, correspondant au premier nucléotide transcrit ;
- une unité de transcription, qui produit un transcrit primaire ;
- une région associée à la fin de la transcription.
Le promoteur contrôle la transcription mais n'appartient généralement pas au transcrit. Cette distinction évite de confondre le gène, ensemble fonctionnel, avec sa seule région transcrite.
Organisation d'un gène codant une protéine
Chez l'être humain, la région transcrite d'un gène codant est généralement discontinue : les séquences conservées dans l'ARN messager mature sont interrompues, dans l'ADN et le transcrit primaire, par des séquences éliminées au cours de la maturation.
Exons et introns
L'épissage relie les exons après retrait des introns. Son mécanisme et ses variantes appartiennent à la fiche consacrée à la maturation des ARN messagers.
L'alternance exon-intron est définie au niveau de la région transcrite. Un intron est donc bien transcrit dans le transcrit primaire, même s'il ne persiste pas dans l'ARN mature. À l'inverse, les séquences situées entre deux gènes ne sont pas des introns : elles sont intergéniques.
Séquence codante et régions non traduites
L'ARN messager mature comporte habituellement, dans le sens 5′ vers 3′ :
- une région 5′ non traduite, transcrite mais située avant le codon d'initiation ;
- une séquence codante ;
- une région 3′ non traduite, transcrite mais située après le codon de terminaison.
Les régions non traduites appartiennent aux exons puisqu'elles sont conservées dans l'ARN mature. Elles ne sont toutefois pas traduites en acides aminés.
Les limites de la transcription, de l'épissage et de la traduction ne se confondent donc pas. Le site d'initiation de la transcription précède le codon d'initiation de la traduction, tandis que le codon de terminaison précède généralement la fin de la région transcrite.
Gènes produisant un ARN fonctionnel
Ces gènes possèdent, comme les gènes codant une protéine, des séquences régulatrices, un promoteur, un site d'initiation et une région transcrite. En revanche, leur produit fonctionnel ne comporte pas de séquence codante destinée à être traduite.
Leur organisation est variable :
- certains sont constitués d'un seul segment transcrit conservé ;
- d'autres comportent plusieurs exons séparés par des introns ;
- certains produisent un précurseur qui doit être découpé ou modifié avant de devenir fonctionnel ;
- plusieurs copies apparentées peuvent être regroupées dans une même région chromosomique.
La présence d'exons et d'introns n'est donc pas réservée aux ARN messagers. Les notions d'exon et d'intron dépendent de la maturation du transcrit, et non de l'existence d'une traduction.
Familles de gènes et regroupements chromosomiques
Familles de gènes
Une famille se forme principalement par duplication d'un gène, puis divergence progressive des copies. Ces copies apparentées peuvent conserver des fonctions proches, se spécialiser ou perdre leur capacité initiale.
L'appartenance à une famille repose sur la parenté de séquence et l'origine évolutive, non sur la proximité chromosomique. Les membres peuvent être voisins ou dispersés sur plusieurs chromosomes.
Clusters de gènes
Un cluster peut résulter de duplications successives restées localisées. Les gènes regroupés peuvent alors partager une parenté de séquence ou certains mécanismes de régulation. Cependant, la proximité physique ne suffit pas à démontrer une origine commune.
Pseudogènes
Un pseudogène peut conserver une forte ressemblance avec un gène actif tout en portant une interruption de la séquence codante, une perte du promoteur, une anomalie des jonctions d'épissage ou d'autres modifications incompatibles avec la production normale.
On distingue trois grandes origines :
- le pseudogène dupliqué, issu de la duplication d'un gène puis de l'inactivation d'une copie ; il peut conserver l'organisation exon-intron ;
- le pseudogène rétrotransposé, issu de la copie en ADN d'un ARN déjà maturé ; il est généralement dépourvu d'introns ;
- le pseudogène unitaire, correspondant à l'inactivation d'un gène ancestral sans conservation d'une autre copie fonctionnelle directement équivalente.
Certains pseudogènes restent transcrits ou participent à des mécanismes régulateurs. Le terme indique donc surtout l'incapacité à assurer la fonction canonique du gène apparenté, et non nécessairement une absence totale d'activité biologique.
Gènes emboîtés
Le gène interne est fréquemment situé dans un intron du gène externe, mais il conserve sa propre unité de transcription et ses propres éléments régulateurs. Les deux gènes peuvent être orientés dans le même sens ou dans des sens opposés.
L'emboîtement est une relation spatiale entre deux gènes distincts. Il ne signifie ni que le gène interne constitue un exon du gène externe, ni que leurs produits ont nécessairement une fonction commune. Cette organisation montre qu'une région qualifiée d'intronique relativement à un transcrit peut contenir un autre gène fonctionnel.
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