De l'ADN à la protéine : transcription, code génétique et traduction

Information génétique et ADN

L'ADN est une molécule en double hélice, formée de deux brins de nucléotides. Chaque nucléotide porte une base : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) ou guanine (G). Les deux brins se font face par complémentarité : A s'apparie avec T, et C avec G. Un gène est une portion d'ADN dont la séquence permet de fabriquer une molécule fonctionnelle, le plus souvent une protéine. Chez les eucaryotes, l'ADN reste dans le noyau alors que les protéines sont fabriquées dans le cytoplasme. Une molécule messagère est donc nécessaire.

La transcription

La transcription est la copie d'un gène sous forme d'ARN messager (ARNm), dans le noyau. L'ARN polymérase écarte localement les deux brins d'ADN, puis assemble des nucléotides d'ARN complémentaires du brin transcrit. L'ARN diffère de l'ADN : il est le plus souvent simple brin, contient le sucre ribose et possède l'uracile (U) à la place de la thymine. Les correspondances sont donc : A devient U, T devient A, C devient G et G devient C. Chez les eucaryotes, l'ARN formé est ensuite modifié (par exemple par épissage) avant de gagner le cytoplasme.

Le code génétique

L'ARNm est lu par groupes de trois nucléotides appelés codons. Il existe 64 codons possibles pour seulement 20 acides aminés. Le code est donc redondant : plusieurs codons peuvent désigner le même acide aminé. Il est aussi non ambigu : un codon donné correspond toujours à un seul acide aminé. Le codon AUG, qui code la méthionine, marque le début de la lecture. Trois codons (UAA, UAG, UGA) sont des codons stop : ils ne correspondent à aucun acide aminé et terminent la traduction. Ce code est commun à la quasi-totalité des êtres vivants.

La traduction

La traduction a lieu dans le cytoplasme, sur les ribosomes. Le ribosome se fixe sur l'ARNm, repère le premier AUG puis lit les codons un à un, sans chevauchement. Des ARN de transfert apportent l'acide aminé correspondant à chaque codon, grâce à un anticodon complémentaire du codon. Les acides aminés sont reliés par des liaisons peptidiques et forment une chaîne qui se replie en protéine. La lecture s'arrête au codon stop.

Un exemple concret

Soit le brin transcrit 3'-TACCCGTTT-5'. La transcription donne l'ARNm 5'-AUGGGCAAA-3'. Les codons sont AUG, GGC et AAA, ce qui donne le peptide méthionine, glycine, lysine (Met-Gly-Lys).

Un piège à éviter

Il ne faut pas croire que l'ARNm est identique au brin transcrit. Il lui est complémentaire. Sa séquence ressemble donc à celle du brin non transcrit, avec U à la place de T. Autre erreur fréquente : penser que toute mutation modifie la protéine. Comme le code est redondant, une substitution peut laisser l'acide aminé inchangé. À l'inverse, la perte ou l'ajout d'un nucléotide décale toute la lecture en aval.

Données pédagogiques simplifiées : extrait du code génétique, codons de l'ARNm lus de 5' vers 3'.

Exercice 1 : de l'ADN à l'ARNm

Un fragment de gène a pour brin transcrit (écrit de 3' vers 5') : 3'-TAC AAA CCG CTT ATC-5'.

1. Écrire l'ARNm obtenu par transcription, de 5' vers 3'.
2. Expliquer la présence de la base U dans cet ARNm.
3. Donner le peptide produit par la traduction.

Exercice 2 : lire un ARNm

Un ARNm a pour séquence : 5'-GCAUGGGCAAAGAAUGGUAAC-3'.

1. Repérer le codon d'initiation.
2. Découper la séquence en codons à partir de ce codon.
3. Écrire le peptide obtenu et indiquer ce qui arrête la traduction.
4. Combien de nucléotides sont lus, codon stop compris ? Combien d'acides aminés sont assemblés ?

Exercice 3 : effet de mutations

On étudie la région traduite de l'exercice 2 : AUG GGC AAA GAA UGG UAA.

1. Le codon GGC devient GGA. Quelle est la conséquence sur le peptide ?
2. Le codon GAA devient UAA. Quelle est la conséquence ?
3. Le premier G du codon GGC est supprimé. Écrire le nouveau début de peptide en relisant à partir de AUG.
4. Expliquer pourquoi la suppression d'un nucléotide est en général plus grave qu'une substitution.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. On applique la complémentarité (T donne A, A donne U, C donne G, G donne C) : TAC donne AUG, AAA donne UUU, CCG donne GGC, CTT donne GAA, ATC donne UAG. L'ARNm est donc 5'-AUG UUU GGC GAA UAG-3'. Le brin transcrit est écrit de 3' vers 5' alors que l'ARNm se lit de 5' vers 3' : les deux sont antiparallèles.
2. L'ARN contient l'uracile à la place de la thymine. Chaque A du brin transcrit se retrouve donc apparié à un U dans l'ARNm.
3. AUG donne Met, UUU donne Phe, GGC donne Gly, GAA donne Glu et UAG est un codon stop. Le peptide est Met-Phe-Gly-Glu, soit 4 acides aminés.

Exercice 2 : correction

1. Le premier AUG se trouve aux positions 3 à 5. Les deux nucléotides GC situés en amont ne sont pas traduits.
2. La lecture donne AUG, GGC, AAA, GAA, UGG, UAA. Le C final reste isolé après le codon stop.
3. Le peptide est Met-Gly-Lys-Glu-Trp. La traduction s'arrête au codon stop UAA, qui ne code aucun acide aminé.
4. Il y a 6 codons lus, dont le codon stop : 6 × 3 = 18 nucléotides. Il y a 5 acides aminés, car le codon stop n'en apporte pas.

Exercice 3 : correction

1. GGA code aussi la glycine. Le peptide reste Met-Gly-Lys-Glu-Trp. C'est une mutation silencieuse, rendue possible par la redondance du code.
2. UAA est un codon stop. La traduction s'arrête avant le quatrième codon et le peptide devient Met-Gly-Lys, soit 3 acides aminés au lieu de 5. La protéine est tronquée et probablement non fonctionnelle.
3. La séquence devient AUG GCA AAG AAU GGU AA. Le début de peptide est Met-Ala-Lys-Asn-Gly. Le troisième acide aminé (Lys) reste identique par coïncidence, mais les acides aminés 2, 4 et 5 sont modifiés.
4. La suppression décale le cadre de lecture : tous les codons situés après le site de délétion sont regroupés autrement. Une substitution ne modifie qu'un seul codon, et parfois aucun acide aminé.