Acides nucléiques
Expression génique

Chez les eucaryotes, ce processus implique de nombreuses étapes successives allant de :

• la transcription des gènes à la maturation des ARN,
• à leur traduction,
• au devenir des protéines produites.

Chacune de ces étapes peut être modulée par différents mécanismes de contrôle regroupés sous le terme de régulation de l’expression génique.

Expression génique

Chez les eucaryotes, l’expression d’un gène débute par la transcription de l’ADN en ARN sous l’action des ARN polymérases.

1. Les gènes peuvent produire :

• des ARN messagers (ARNm), ou ARN codants, qui servent d’intermédiaires entre l’ADN et les protéines,
• des ARN non codants qui exercent directement leur fonction sous forme d’ARN.

2. Chez les eucaryotes, la majorité des ARN nouvellement synthétisés subissent différentes étapes de maturation avant de devenir fonctionnels ( maturation des ARN).

a. Ces mécanismes comprennent notamment :

• le coiffage de l’extrémité 5′,
• l'épissage des introns,
• le clivage et à la polyadénylation de l’extrémité 3′.
• différents clivages supplémentaires, comme la maturation du pré-ARNr 47S en ARNr 18S, 5,8S et 28S ou l’élimination des séquences excédentaires des pré-ARNt,
• les modifications chimiques des nucléotides, comme les méthylations ribosiques et les pseudouridylations,
• l’assemblage de complexes ribonucléoprotéiques (RNP), selon la nature des ARN produits.

b. Ces mécanismes conduisent à la formation d’ARN matures capables d’assurer leurs fonctions biologiques au sein de la cellule.

3. Les ARN messagers matures sont exportés vers le cytoplasme où ils peuvent être traduits par les ribosomes en protéines.

Ces protéines assurent ensuite la majorité des fonctions structurales, enzymatiques, régulatrices ou de signalisation de la cellule.

Régulation de l'expression génique

La régulation de l’expression génique regroupe l’ensemble des mécanismes qui modulent la production et l’utilisation des ARN et des protéines au sein de la cellule.

Ces mécanismes permettent à des cellules possédant le même génome d’exprimer des ensembles de gènes différents, d’adapter leur fonctionnement aux conditions physiologiques et environnementales et de répondre à de nombreux signaux extracellulaires.

1. La régulation épigénétique agit principalement sur l’accessibilité de l’ADN et constitue souvent le premier niveau de contrôle de l’expression génique et repose notamment sur :

• l’organisation de la chromatine,
• les modifications post-traductionnelles des histones ( code des histones),
• la méthylation de l’ADN,
• l’action de différents complexes de remodelage de la chromatine qui modulent l’accessibilité des gènes à la machinerie transcriptionnelle.

2. La régulation transcriptionnelle contrôle l’initiation et l’intensité de la transcription des gènes qui déterminent quels gènes seront transcrits ainsi que leur niveau d’expression et qui dépend notamment de l’action coordonnée ( activation et répression transcriptionnelle) :

• des promoteurs,
• des enhancers,
• des silencers et des insulators,
• des facteurs de transcription,
• des coactivateurs,
• des corépresseurs
• du complexe Mediator.

3. La régulation post-transcriptionnelle agit sur les ARN après leur synthèse et leur maturation, aussi bien dans le noyau que dans le cytoplasme.

Chez les eucaryotes, cette régulation concerne principalement les ARN messagers (ARNm), dont l'information, la maturation, la stabilité, la localisation, la traduction et la dégradation peuvent être modulées afin d'adapter l'expression génique aux besoins de la cellule.

a. Dans le noyau, la régulation post-transcriptionnelle concerne principalement des modifications du pré-ARNm qui modulent l’organisation et l’information du transcrit avant son export vers le cytoplasme, notamment :

• l’épissage alternatif, qui permet la production de plusieurs ARN messagers à partir d’un même pré-ARNm par sélection différentielle des exons,
• l’édition de l’ARN, qui correspond à des modifications enzymatiques de certaines bases nucléotidiques pouvant modifier l’information portée par l’ARN,
• les modifications chimiques des ARN (épitranscriptome), telles que la N6-méthyladénosine (m⁶A), qui peuvent moduler la stabilité, la localisation, la traduction ou le devenir des ARN.

Processus	La séquence nucléotidique est-elle modifiée ?	Conséquence principale
Épissage alternatif	Non	Produit plusieurs ARNm à partir d'un même pré-ARNm par sélection différentielle des exons
Édition de l'ARN	Oui	Modifie ponctuellement la séquence nucléotidique de certains ARN A → I C → U U → C
Épitranscriptome	Non	Ajoute des modifications chimiques qui modulent le devenir des ARN (stabilité, localisation, traduction, dégradation...) sans modifier leur séquence

b. Après leur export nucléaire, les ARNm peuvent subir différents mécanismes influençant leur stabilité, leur traduction ou leur devenir dans le cytoplasme, notamment :

• le contrôle de la traduction d'un ARNm particulier,
• la régulation par les microARN (miRNA) et autres ARN non codants, qui peuvent inhiber la traduction ou favoriser la dégradation des ARNm,
• des interactions entre protéines liant l’ARN (RBP ou RNA-binding proteins) et des structures régulatrices situées dans les régions UTR des ARNm, pouvant moduler leur stabilité, leur localisation ou leur traduction,
• la régulation de la stabilité et de la dégradation des ARNm, qui détermine leur durée de vie dans la cellule.

Remarque : les ARN non codants peuvent également faire l’objet de mécanismes régulateurs influençant leur maturation, leur stabilité, leur localisation ou leur activité.

4. Les ARN font également l’objet de mécanismes de surveillance et de contrôle qualité destinés à détecter les transcrits anormaux et à prévenir la production d’ARN ou de protéines défectueux.

a. Chez les ARN messagers (ARNm), ces mécanismes comprennent notamment ( surveillance traductionnelle des ARNm) :

• la voie NMD (Nonsense-Mediated Decay),
• la voie NSD (Nonstop Decay),
• la voie NGD (No-Go Decay).

b. D’autres mécanismes de surveillance interviennent également au cours de la transcription, de la maturation et de l’assemblage des ARN non codants ( surveillance des autres ARN).

c. Les ARN cellulaires font également l’objet de mécanismes de dégradation contrôlant leur durée de vie et participant au renouvellement permanent du transcriptome ( dégradation des ARN).

5. La régulation traductionnelle contrôle l’efficacité avec laquelle les ARN messagers sont utilisés par les ribosomes pour produire des protéines.

Elle permet à la cellule, sans modifier directement la transcription des gènes, d’ajuster rapidement sa synthèse protéique en réponse :

• aux besoins physiologiques,
• aux variations de l’environnement,
• aux situations de stress.

6. La régulation post-traductionnelle agit sur les protéines après leur synthèse.

a. Elle comprend notamment :

• leur repliement,
• leur adressage intracellulaire,
• leur assemblage au sein de complexes multiprotéiques,
• différentes modifications post-traductionnelles telles que les phosphorylations, les ubiquitinations, les SUMOylations ou les acétylations.

b. Ces mécanismes contrôlent l’activité, la stabilité, la localisation et le devenir des protéines dans la cellule.

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