Acides nucléiques
Vue d'ensemble

L'ADN et l'ARN assurent le stockage, la transmission et l’utilisation de l’information génétique, ce qui en fait les molécules fondamentales de l’hérédité, du développement et de l’évolution des organismes vivants.

Types d'acides nucléiques

Les acides nucléiques comprennent deux grandes catégories de molécules :

• l'ADN (acide désoxyribonucléique ou DNA en anglais), qui constitue le support principal et stable de l’information génétique,
• l'ARN (acide ribonucléique ou RNA), impliqué dans de nombreux processus cellulaires, notamment la transcription, la traduction et la régulation de l’expression génétique.

Dans les organismes cellulaires, l'ADN et l'ARN coexistent généralement.

Chez les virus, le génome est constitué soit d’ADN, soit d’ARN, qui constitue alors le support de l’information génétique virale et l’agent infectieux proprement dit.

Dans les cellules, les acides nucléiques peuvent se présenter sous différentes formes :

• soit libres,
• soit combinés à des protéines pour former des complexes nucléoprotéiques.

Formes libres

Dans les cellules, certains acides nucléiques peuvent être présents sans association stable avec des protéines.

1. Certaines molécules d’ARN existent sous forme relativement libre, notamment dans le noyau ou le cytoplasme.

a. On peut citer par exemple :

• les ARN messager (ARNm),
• les ARN de transfert (ARNt),
• certains ARN régulateurs impliqués dans l’expression et la régulation des gènes comme les comme les miRNA, les siRNA, les piARN ou encore les ARN longs non codants (lncRNA).

b. Ces ARN peuvent circuler entre différents compartiments cellulaires et agir comme molécules fonctionnelles transitoires, impliquées dans l’expression et la régulation de l’information génétique.

2. L’ADN peut également exister sous des formes non associées à la chromatine, certains génomes extranucléaires ou molécules d’ADN indépendantes, comme :

• l’ADN mitochondrial (ADNmt) ou chloroplastique, présent dans les organites énergétiques des cellules eucaryotes, respectivement les mitochondries et les chloroplastes,
• les plasmides de nombreux procaryotes, petites molécules d’ADN circulaire extrachromosomique capables de se répliquer indépendamment du chromosome bactérien,
• l’ADN extracellulaire, détecté dans certains fluides biologiques ou libéré lors de processus cellulaires particuliers, tels que :
  • l’ADN circulant dans le plasma sanguin (cfDNA ou circulating free DNA), libéré lors de la mort cellulaire physiologique ou pathologique, notamment par apoptose ou nécrose,
  • l’ADN tumoral circulant (ctDNA), provenant de cellules cancéreuses et utilisé comme biomarqueur dans certaines tumeurs,
  • l’ADN associé aux pièges extracellulaires des neutrophiles (NETs), structures formées par décondensation de la chromatine induite par la citrullination des histones ( NET dans l'athérosclérose).

Complexes nucléoprotéiques

Dans les cellules, les acides nucléiques peuvent également être associés de manière stable ou transitoire à des protéines pour former des complexes nucléoprotéiques.

Ces associations permettent de stabiliser les acides nucléiques, d’organiser leur structure dans la cellule et de réguler de nombreux processus moléculaires liés à l’expression et à la transmission de l’information génétique.

1. Le terme nucléoprotéine désigne au sens large un complexe formé entre un acide nucléique (ADN ou ARN) et une ou plusieurs protéines.

Dans l’usage courant en biologie cellulaire, ce terme est cependant le plus souvent utilisé pour désigner des complexes ADN-protéines, sens que nous adopterons ici dans vetopsy.fr.

2. Les nucléoprotéines (NP) sont donc des complexes formés entre l’ADN et des protéines comme :

• la chromatine, complexe formé d’ADN associé à des histones organisées en nucléosomes ainsi qu’à de nombreuses protéines associées impliquées dans l’organisation, la compaction et la régulation du génome,
• les complexes ADN-protéines régulateurs, comme ceux formés par les facteurs de transcription avec l’ADN des promoteurs ou des enhancers,
• les complexes impliqués dans la réplication ou la réparation de l’ADN, où l’ADN est associé à différentes protéines enzymatiques comme les polymérases, les hélicases ou les protéines de réparation.

3. Les ribonucléoprotéines (RNP) sont des complexes qui associent un ARN une ou plusieurs protéines et interviennent dans de nombreux mécanismes cellulaires, notamment :

• les ribosomes, impliqués dans la synthèse des protéines lors de la traduction
• les snRNP du spliceosome, qui participent à l’épissage des pré-ARNm,
• les snoRNP, principalement localisés dans le nucléole, impliqués dans la modification et la maturation des ARN ribosomiques.
• la télomérase, ribonucléoprotéine associant un ARN matrice et une protéine enzymatique, impliquée dans l’allongement des télomères
• de nombreuses RNP nucléaires ou cytoplasmiques impliquées dans la maturation, le transport ou la régulation des ARN, comme
  • les complexes hnRNP associés aux pré-ARNm,
  • les particules mRNP associées aux ARN messagers au cours de leur export, de leur traduction, de leur stockage ou de leur dégradation
  • ou encore les complexes Argonaute-ARN (miRNA, siRNA ou piRNA) du système d’interférence par l’ARN.

Nature et composition des acides nucléiques

Structure de base des acides nucléiques

Les acides nucléiques sont des polymères linéaires constitués par l’enchaînement de nucléotides reliés entre eux par des liaisons phosphodiester.

La séquence des bases azotées le long de ces polymères constitue le support moléculaire de l’information génétique.

1. Les nucléotides sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée (nucléobase), responsable des propriétés d’appariement et de reconnaissance moléculaire dans les acides nucléiques :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C), la thymine (T) spécifique à l'ADN, ou l'uracile (U) spécifique à l'ARN.

b. d'un pentose, ose à 5 carbones,

• ribose pour l'ARN,
• 2'-désoxyribose pour l'ADN.

c. un ou plusieurs groupes phosphate, responsables de la charge négative de la molécule et impliqués dans la formation des liaisons phosphodiester entre nucléotides successifs.

2. Les nucléosides sont des nucléotides sans groupe phosphate, composés uniquement d'une base azotée et d'un pentose.

a. Un nucléotide correspond donc à un nucléoside auquel sont liés un ou plusieurs groupes phosphate.

• Dans la littérature, les nucléotides sont souvent désignés comme nucléoside mono-, di- ou triphosphate (par exemple adénosine triphosphate), car on considère le nucléoside auquel sont ajoutés un, deux ou trois groupements phosphate.
• Les termes nucléoside mono-, di- ou triphosphate et nucléotide mono-, di- ou triphosphate sont donc souvent employés de manière équivalente.

b. Dans vetopsy.fr, on emploiera les termes nucléoside mono-, di- ou triphosphate.

3. Les nucléotides participent également à de nombreuses autres fonctions cellulaires, notamment comme ( fonctions des nucléotides).

Structure et rôle de l'ADN

L'ADN ou acide désoxyribonucléique est généralement bicaténaire, formant une double hélice stabilisée par des liaisons hydrogène entre bases complémentaires et antiparallèles.

• A-T et G-C représentent la notation la plus courante pour exprimer la complémentarité des bases.
• A=T (2 liaisons hydrogène) et G≡C (3 liaisons hydrogène) correspondent à la notation chimique qui insiste sur la stabilité de la molécule.

1. Sa structure montre une grande stabilité chimique en raison ( ARN versus ADN) :

• du ribose, i.e. absence du groupement hydroxyle en 2′ du désoxyribose,
• de remplacement de l’uracile par la thymine,

Il peut adopter différentes formes, i.e. ADN B, ADN A, ADN Z, en fonction des conditions physico-chimiques.

2. L'ADN est localisé dans le noyau chez les eucaryotes.

• Chez les procaryotes, il est contenu dans le nucléoïde, une région du cytoplasme où est localisé le chromosome bactérien, généralement sous forme d’ADN circulaire.

Des structures analogues, appelées nucléoïdes mitochondriaux, sont également présentes dans les mitochondries des cellules eucaryotes, où elles regroupent les molécules d'ADN mitochondrial (ADNmt) associées à de nombreuses protéines.

• Chez les virus, le génome est constitué soit d’ADN, soit d’ARN.

3. L’organisation de l’ADN au sein du génome comprend des séquences codantes, non codantes et répétitives, ainsi que des régions régulatrices impliquées dans le contrôle de l’expression des gènes (organisation du génome).

4. Le rôle de l'ADN est de conserver et de transmettre l’information génétique.

Structure et rôle de l'ARN

L’ARN ou acide ribonucléique est généralement monocaténaire, contrairement à l’ADN qui est le plus souvent bicaténaire.

1. L'ARN est une molécule plus instable, adaptée à des rôles dynamiques et transitoires ( ARN versus ADN).

Il peut se replier en structures secondaires (tiges-boucles, épingles à cheveux) et en structures tertiaires complexes qui permettent l’émergence de fonctions structurales et catalytiques.

Remarque : certains virus possèdent un génome constitué d’ARN, dont l’organisation et les modes d’expression diffèrent de ceux des ARN cellulaires ( ARN viraux).

2. Les cellules contiennent de nombreux types d’ARN possédant des fonctions variées dans l’expression et la régulation de l’information génétique, notamment les ARN impliqués dans ( diversité des ARN) :

• la traduction,
• la maturation des ARN (RNA processing),
• la régulation de l’expression génique,
• d’autres ARN fonctionnels ou catalytiques.

Organisation, expression et transmission de l’information génétique

L’information génétique portée par l’ADN n’est pas seulement définie par la séquence des nucléotides, mais aussi par l’organisation structurale du génome et par les mécanismes qui permettent son expression et sa transmission.

1. Dans les cellules eucaryotes, l’ADN est associé à des protéines, principalement les histones, pour former la chromatine.

Cette chromatine s’organise ensuite en chromosomes comportant des régions spécialisées, notamment les centromères et les télomères, qui jouent un rôle essentiel dans la stabilité et la transmission des chromosomes.

2. L’information génétique peut être exprimée par ordre chronologique par :

a. la transcription de l’ADN en ARN,

b. la maturation des ARN (RNA processing) comprenant :

• des modifications co-transcriptionnelles (coiffage, épissage, polyadénylation),
• des modifications post-transcriptionnelles (épissage alternatif, édition).

c. la traduction des ARN messagers en protéines.

5. Enfin, l’information génétique doit être fidèlement transmise lors de la division cellulaire grâce à :

• la réplication de l’ADN lors de la phase S de l'interphase,
• la ségrégation des chromosomes vers les cellules filles.

ADN ou ARN