Acides nucléiques
ADN : organisation des séquences du génome

Avant d’examiner l’organisation globale du génome, il est nécessaire de définir ce qu’est un gène, unité fonctionnelle fondamentale de l’information génétique.

Qu'est-ce qu'un gène ?

1. Un gène correspond à une région d’ADN qui contient l’ensemble des informations nécessaires à la synthèse d’une molécule fonctionnelle.

Selon les cas, cette molécule est :

• un gène codant pour une protéine, après transcription de l’ADN en ARN messager puis traduction,
• un gène d’ARN non codant qui produit directement des ARN fonctionnels qui ne sont pas traduits, mais jouent des rôles structuraux, catalytiques ou régulateurs dans la cellule.

2. Chez les eucaryotes, les gènes présentent généralement une organisation structurale caractéristique comprenant plusieurs régions fonctionnelles.

a. On distingue notamment :

• le promoteur, région située en amont du gène où se fixent l’ARN polymérase et les facteurs de transcription nécessaires à l’initiation de la transcription,
• la région transcrite, qui correspond à la séquence d’ADN copiée en ARN lors de la transcription et qui comprend notamment les régions non traduites 5'UTR et 3'UTR, situées respectivement en amont et en aval de la séquence codante, qui servent à réguler la traduction, la stabilité, la localisation et la durée de vie de l’ARN messager,
• les exons, segments de la séquence transcrite conservés dans l’ARN mature et comprenant à la fois la séquence codante et certaines régions non traduites,
• les introns, séquences intermédiaires transcrites mais éliminées lors de l’épissage de l’ARN,
• les signaux de terminaison qui marquent la fin de la transcription.

b. Cette organisation permet une régulation fine de l’expression des gènes et contribue à la diversité des ARN produits par les cellules.

Organisation générale du génome

Le génome correspond à l’ensemble de l’ADN d’une cellule, constituant le support de l’information génétique.

1. Dans les cellules eucaryotes, cet ADN est localisé :

• dans le noyau, où il forme le génome nucléaire organisé en chromosomes,
• dans les mitochondries, où il constitue un génome mitochondrial distinct, l'ADNmt, généralement circulaire ( ADN mitochondrial).

2. L’ADN du génome est organisé en séquences codantes, non codantes et répétitives, comprenant notamment :

• les gènes codant des protéines (ADN coding),
• les gènes d’ARN non codants, impliqués notamment dans la régulation et la structure (1 à 2 % du génome humain),
• des séquences répétées, participant à l’organisation et à l’évolution du génome et représentant environ 45 % du génome,
• les régions régulatrices, des régions régulatrices qui contrôlent l’expression des gènes et contribuent à l’organisation et à la dynamique de la chromatine,
• différentes séquences structurales (ADN structural) participant à l’organisation des chromosomes.

Ainsi, un peu plus de la moitié du génome (≈ 55 %) correspond à des séquences non dérivées d’éléments transposables (transposons), comprenant les gènes, leurs introns, ainsi que diverses régions régulatrices et intergéniques (The impact of retrotransposons on human genome evolution 2010).

3. Cette organisation reflète une structuration fonctionnelle de l’ADN, dans laquelle la distribution et l’agencement des séquences conditionnent l’expression, la régulation et la transmission de l’information génétique.

ADN codant (coding DNA)

L’ADN codant regroupe les séquences correspondant aux gènes codant des protéines, i.e. les séquences dont l’information est traduite en polypeptides après transcription en ARN messager.

• Ces gènes contiennent l’information nécessaire à la synthèse des protéines et constituent la fraction du génome directement responsable de la production des protéines cellulaires.
• Cette fraction est très minoritaire dans le génome humain, représentant environ 1 à 2 % du génome.

ADN non codant

ADN des gènes d’ARN non codants

Les gènes produisant des ARN fonctionnels non traduits constituent une catégorie distincte de gènes, appelés gènes d’ARN non codants, dont le produit final est directement un ARN fonctionnel.

Les gènes d’ARN non codants correspondent à des séquences transcrites mais non traduites, dont le produit fonctionnel est directement l’ARN.

1. Ces gènes produisant des ARN impliqués dans de nombreux processus cellulaires :

• les ARN ribosomiques (ARNr), constituants structuraux et catalytiques du ribosome,
• les ARN de transfert (ARNt), impliqués dans la traduction,
• les petits ARN nucléaires (snARN), participant à l’épissage,
• les petits ARN nucléolaires (snoARN) et les ARN des corps de Cajal (scaARN), impliqués dans la maturation des ARN (RNA processing) et dans la modification des ARN, notamment les ARN ribosomiques et les ARN de transfert,
• les ARN non codants régulateurs (ncARN), tels que les microARN (miRNA), les petits ARN interférents (siRNA), les ARN associés aux PIWIi (piRNA) et les ARN longs non codants (lncRNA) qui participent à la régulation transcriptionnelle, post-transcriptionnelle et épigénétique de l’expression génique.

2. Ces gènes représentent une fraction importante de l’activité transcriptionnelle du génome, même s’ils ne produisent pas de protéines.

ADN régulateurs

L’ADN régulateur correspond aux séquences contrôlant l’expression des gènes, i.e. quand, où et à quel niveau les gènes sont exprimés.

Les régions régulatrices correspondent à des séquences d’ADN impliquées dans le contrôle de l’expression des gènes.

• Les promoteurs sont des séquences situées en amont des gènes, permettant le recrutement de l’ARN polymérase et l’initiation de la transcription.
• Les enhancers sont des séquences régulatrices pouvant activer la transcription à distance en interagissant avec les promoteurs.
• Les silencers sont des séquences régulatrices de l’ADN qui inhibent la transcription d’un gène en recrutant des protéines répressives qui empêchent l’initiation ou l’élongation transcriptionnelle.

Ils répriment la transcription en recrutant des facteurs répresseurs et des complexes corépresseurs (HDAC, Polycomb…) et peuvent agir à distance, comme les enhancers.

• Les insulators sont des séquences d’ADN qui délimitent des domaines chromatiniens et empêchent les interactions inappropriées entre enhancers et promoteurs, contribuant ainsi à la régulation spatiale de l’expression génique.

Remarque : bien que classés dans l’ADN non codant, les introns sont des séquences transcrites mais éliminées lors de l’épissage, i.e. étape de la maturation des pré-ARNm pouvant être co-transcriptionnelle ou post-transcriptionnelle.

Ils participent à la diversité des ARN par des mécanismes tels que l’épissage alternatif, et lorsqu'ils ne sont pas dégradés, ils peuvent contenir des séquences précurseurs de microARN (miARN) ou de petits ARN nucléolaires (snoARN) exerçant des fonctions de régulation.

ADN structural

L’ADN structural correspond aux séquences qui contribuent à l’organisation, la stabilité et la ségrégation des chromosomes, sans coder de protéines comme :

• les télomères, séquences répétées situées aux extrémités des chromosomes,
• les centromères, régions chromosomiques spécialisées permettant l’assemblage du kinétochore, structure nécessaire à l’attachement des microtubules du fuseau mitotique et à la ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire,
• certaines régions d’hétérochromatine constitutive, notamment dans les régions péricentromériques.

ADN répétitif

Une part importante du génome est constituée de séquences répétées, regroupées sous le terme d’ADN répétitif, dont l’organisation et les fonctions sont étudiées dans la page spécifique.