Comment les cellules lisent le g

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Comment les cellules lisent le génome de l'ADN
à la protéine
2
Introduction

• L'information héréditaire est codée dans la
  séquence des nucléotides de l'ADN ? la complexité
  de la biologie n'est pas infinie
• Alphabet à 4 lettres ? bactérie, drosophile,
  humain
• Problème comment
• 500 gènes ? bactérie
• 30 000 gènes ? humain
• ? grosse difficulté dans le décodage d'un génome

3
Fig 6-1 p300

• Portion de chromosome 2 de la drosophile(? 3 du
  génome)
• Légende dia suivante

4
Fig 6-1 p300

• Portion de chromosome 2 de la drosophile légende

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Information codée par l'ADN

• Majorité séquence des acides aminés ? molécule
  ? forme chimie
• Également
• Quand un gène va s'exprimer
• Où dans quels types de cellules

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(Dés)Organisation de l'information

• Ni un dictionnaire ni un annuaire de téléphone
• Incroyablement désordonné
• des petits bouts d'ADN codant dispersés dans des
  gros blocs d'ADN apparemment sans signification
• certaines parties du génome contiennent beaucoup
  de gènes et d'autres pas du tout
• des protéines travaillant ensemble dans la
  cellule ont leur gène sur des chromosomes
  différents
• des gènes adjacents codent pour des protéines qui
  n'ont pas de rapport entre elles

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ARN comme intermédiaire

• ADN ? ARN transcription
• ARN ? protéine traduction

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Fig 6-2 p 301

• Flux de l'information génétique de l'ADN à la
  protéine via l'ARN

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Dogme central de la biologie moléculaire

• " Toutes les cellules de la bactérie à l'homme
  expriment leur information génétique de cette
  façon "

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Variations sur le dogme

• Maturation des transcrits ARN (épissage, )
• Peut changer la signification (le message) de la
  molécule d'ARN
• L'ARN peut être le produit final

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Comment les cellules lisent le génome de l'ADN
à la protéine

1. De l'ADN à l'ARN
2. De l'ARN à la protéine
3. Le monde de l'ARN et les origines de la vie

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Comment les cellules lisent le génome de l'ADN
à la protéine

1. De l'ADN à l'ARN
2. De l'ARN à la protéine
3. Le monde de l'ARN et les origines de la vie

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I - De l'ADN à l'ARN
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Fig 6-3 p 302

• Les gènes s'expriment plus ou moins le gène A
  s'exprime beaucoup plus que le gène B

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Transcription

• L'information est recopiée dans un langage proche
  de l'ADN
• Les nucléotides sont des ribonucléotides
• AUGC au lieu de ATGC dans l'ADN
• ADN toujours en double hélice
• ARN en simple brin ? grandes variétés de formes ?
  nombreuses fonctions (structure et catalytique)

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Fig 6-4p303(1)

• Structure de l'ARN
• ?OH au lieu de ?H
• Uracyl au lieu de thymine

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Fig 6-4p303(2)

• Structure de l'ARN même charpente de
  sucre-phosphate

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Fig 6-5p303

• Liaison de l'uracyl avec l'adénine l'absence du
  méthyle ne change pas la liaison avec l'adénine

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Fig 6-6 p 304

• L'ARN peut former des structures spécifiques en
  se repliant
• ARN ne formant que des liaisons
  conventionnelles
• ARN formant des liaisons conventionnelles et
  non conventionnelles

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Transcription analogies avec la réplication

• Ouverture des 2 brins
• Déroulement d'une petite portion de l'ADN
• Utilisation d'un des 2 brins comme matrice
• Appariement des bases
• Liaison covalente du nouveau nucléotide ?
• la séquence du transcrit est complémentaire du
  brin qui a servi de matrice

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Fig 6-7 p 303

• Transcription brin unique d'ARN complémentaire
  d'un des deux brins d'ADN

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Transcription différences avec la réplication

• La molécule d'ARN ne reste pas liée au brin d'ADN
• L'hélice d'ADN se reforme juste après le passage
• Les molécules d'ARN sont beaucoup plus petites
  que celles d'ADN
• ADN jusqu'à 250 millions de pb
• ARN jusqu'à quelques milliers de nucléotides

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ARN polymérase

• Forme la chaîne linéaire d'ARN
• Allonge dans le sens 5' ? 3'

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Fig 6-8 p 305
ATP, UTP, GTP, CTP

• ARN polymérase

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ARN polymérase

• Se déplace le long de l'ADN
• Déroule la molécule à son site actif
• Ajoute les nucléotides un par un sur le brin
  servant de matrice
• Gouvernail à l'arrière pour éviter aux deux brins
  de l'ADN de se ré-enrouler

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ARN polymérase

• Les substrats sont ATP,CTP,UTP,GTP
• Comme l'ARN est libéré très vite, on peut
  recommencer une nouvelle molécule avant la fin de
  la synthèse de la précédente
• Vitesse ? 20 nucléotides par seconde (euk) ?
• Plusieurs milliers de transcrits en une heure à
  partir d'un seul gène

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Fig 6-9 p 305

• Transcription de deux gènes en microscopie
  électronique (gènes d'ARN ribosomaux)

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Différences entre ADN polymérase et ARN polymérase

• ARN polymérase
• Ribonucléotides
• Pas besoin damorce
• Une erreur tous les 104
• Erreurs aux conséquences de moyenne importance
• Système de réparation frustre

• ADN polymérase
• Désoxyribonucléotides
• Nécessité damorce
• Une erreur tous les 107
• Erreurs aux conséquences de grande importance
• Système de réparation très complexe

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Différences entre ADN polymérase et ARN polymérase

• ARN polymérase
• Ribonucléotides
• Pas besoin de primer
• Une erreur tous les 104
• Erreurs aux conséquences de moyenne importance
• Système de réparation frustre

• ADN polymérase
• Désoxyribonucléotides
• Nécessité d'un primer
• Une erreur tous les 107
• Erreurs aux conséquences de grande importance
• Système de réparation très complexe

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Les différents types d'ARN

• ARN messager séquence d'acides aminés de la
  protéine
• Chez S. cerevisiae plus de 750 gènes (plus de 10
  du génome) codent pour de l'ARN comme produit
  final
• snARN (small nuclear RNA) épissage du pré-ARNm
• ARNr structure du ribosome
• ARNt intermédiaire entre acide aminé et le
  ribosome
• snoARN (small nucleolar RNAs) modification des
  ARNr
• Autres ARN télomères, inactivation de l'X, SRP,
  

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Principaux types d'ARN produits par la cellule
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Unité de transcription

• Segment d'ADN transcrit
• Eucaryotes un gène donc une molécule d'ARN ou
  une (...) protéine
• Bactérie souvent transcription de plusieurs
  gènes adjacents ? plusieurs protéines

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Quelques chiffres d'ARN

• ARN quelques du poids sec de la cellule
• Le plus important en masse est l'ARNr
• ARNm 3-5 de l'ARN total
• Il y a des dizaines de milliers d'ARNm différents
• Il n'y a que 10-15 molécules de chaque ARNm

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Biochimie de la transcription

• 2 problèmes
• Où commencer ?
• Où finir ?
• Différent chez pro et eucaryotes ?
• 1 - Procaryotes
• 2 Eucaryotes

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1 Procaryotes
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L'initiation de la transcription

• Principal point de la régulation de la synthèse
  des protéines
• Principal acteur ARN polymérase

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L'ARN polymérase

• Complexe multi protéique
• Facteur ? détachable qui "dit" à la pol. où
  commencer
• Adhère faiblement à l'ADN bactérien et glisse
  facilement le long de cet ADN
• sauf si
• elle rencontre un promoteur
• Séquence spéciale d'ADN
• Indiquant le point de départ pour la synthèse de
  l'ADN
• ? facteur ?

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Cycle de transcription de l'ARN polymérase

• Fixation de l ARN Polymérase sur le promoteur
• Ouverture des 2 brins d ADN
• Élongation de la molécule d ARN (5 ? 3 )
• Signal de terminaison Stop
• Libération de lARN et de la polymérase

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Étape 1 Facteur ?

• Reconnaît le promoteur

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PAUSE 14 JANV 2007
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Étape 2
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Étape 3
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Étape 4
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Étape 5
45
Étape 6
46
Étape 7
47
Fig 6-10 p 307(1?4)

• Cycle de transcription de l'ARN polymérase
  bactérienne
• Formation de la polymérase avec le facteur ? ?
  localisation sur le promoteur
• La polymérase déroule l'ADN
• La transcription commence ? synthèse d'environ 10
  nucléotides (initiation avortée) ? libération de
  ? ? modifications de conformation de polymérase

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Fig 6-10 p 307(5?7)

• Cycle de transcription de l'ARN polymérase
  bactérienne
• La polymérase prend le "mode élongation" et se
  déplace vers la droite du schéma
• Élongation
• Pol quitte l'ADN et libère l'ARN quand elle
  rencontre un signal de terminaison

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Signaux de terminaison

• Codés par l'ADN
• Conduisent à la formation d'un ARN dont la
  structure déstabilise la fixation de la pol sur
  l'ARN

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Science,8 juin 2001,cover

• COVER The enzyme RNA polymerase II in the act of
  transcribing a gene. X-ray crystal structure
  comprises the protein (gray, except for orange
  "clamp" and green "bridge" helix), DNA (blue
  template strand, green nontemplate strand), and
  RNA (red). The pink sphere is an active center
  Mg2 ion. Double-stranded DNA enters from the
  right and unwinds before the active center. The
  unwound nontemplate DNA strand is obscured by
  motion or disorder. 1876 Adapted from Fig. 2C of
  Gnatt et al.

51
Gnatt,AL2001p1876fig1Science

• Fig. 1. Nucleic acids in the transcribing complex
  and their interactions with pol II. (A) DNA
  ("tailed template") and RNA sequences. DNA
  template and nontemplate strands are in blue and
  green, respectively, and RNA is in red. This
  color scheme is used throughout. (B) Ordering of
  nucleic acids in the transcribing complex
  structure. Nucleotides in the solid box are well
  ordered. Nucleotides in the dashed box are
  partially ordered, whereas those outside the
  boxes are disordered. Three protein regions that
  abut the downstream DNA are indicated. (C)
  Protein contacts to the ordered nucleotides boxed
  in (B). Amino acid residues within 4 Å of the DNA
  are indicated, colored according to the scheme
  for domain or domainlike regions of Rpb1 or Rpb2
  (3). Ribose sugars are shown as pentagons,
  phosphates as dots, and bases as single letters.
  Amino acid residues listed beside phosphates
  contact only this nucleotide. Amino acid residues
  listed beside riboses contact this nucleotide and
  its 3'-neighbor. Single-letter abbreviations for
  the amino acid residues are as follows A, Ala
  D, Asp E, Glu G, Gly H, His K, Lys L, Leu
  M, Met N, Asn Q, Gln R, Arg S, Ser T, Thr
  V, Val and Y, Tyr. (D) Schematic representation
  of protein features participating in the detailed
  interactions shown in (C). Same notation as in
  (C), except that bases are shown as thick bars.

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Gnatt,AL2001p1876fig2
Crystal structure of the pol II transcribing
complex.

• Fig. 2. Crystal structure of the pol II
  transcribing complex.
• (A) Electron density for the nucleic acids. On
  the left, the final sigma-weighted 2mFobs 
   DFcalc electron density for the downstream DNA
  duplex (dashed box in Fig. 1B) is contoured at
  0.8 (green). At this contour level, the
  surrounding solvent region shows only scattered
  noise peaks. A canonical 16-base pair B-DNA
  duplex was placed into the density. On the right,
  the final model of the DNA-RNA hybrid and
  flanking nucleotides (boxed in Fig. 1B) is
  superimposed on a simulated-annealing Fobs 
   Fcalc omit map, calculated from the protein
  model alone with CNS (45) (green, contoured at
  2.6 ). The location of the active site metal A is
  indicated.
• (B) Comparison of structures of free pol II (top)
  and the pol II transcribing complex (bottom). The
  clamp (yellow) closes on DNA and RNA, which are
  bound in the cleft above the active center. The
  remainder of the protein is in gray.
• (C) Structure of the pol II transcribing complex.
  Portions of Rpb2 that form one side of the cleft
  are omitted to reveal the nucleic acids. Bases of
  ordered nucleotides (boxed in Fig. 1B) are
  depicted as cylinders protruding from the
  backbone ribbons. The Rpb1 bridge helix
  traversing the cleft is highlighted in green. The
  active site metal A is shown as a pink sphere.

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Gnatt,AL2001p1876fig3
Switches, clamp loops, and the hybrid-binding site

• Fig. 3. Switches, clamp loops, and the
  hybrid-binding site.
• (A) Stereoview of the clamp core (1, yellow) and
  the DNA and RNA backbones. The view is as in Fig.
  2C. The five switches are shown in pink and are
  numbered. Three loops, which extend from the
  clamp and may be involved in transactions at the
  upstream end of the transcription bubble, are in
  violet. Major portions of the protein are omitted
  for clarity.

54
Gnatt,AL2001p1876fig3
Switches, clamp loops, and the hybrid-binding site

• Fig. 3. Switches, clamp loops, and the
  hybrid-binding site.
• (B) Stereoview of nucleic acids bound in the
  active center.

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Gnatt,AL2001p1876fig4
Maintenance of the transcription bubble

• Fig. 4. Maintenance of the transcription bubble.
• (A) Schematic representation of nucleic acids in
  the transcribing complex. Solid ribbons represent
  nucleic acid backbones from the crystal
  structure. Dashed lines indicate possible paths
  of nucleic acids not present in the structure.
• (B) Protein elements proposed to be involved in
  maintaining the transcription bubble. Protein
  elements from Rpb1 and Rpb2 are shown in silver
  and gold, respectively.

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Gnatt,AL2001p1876fig5
DNA-RNA hybrid conformation

• Fig. 5. DNA-RNA hybrid conformation. The view is
  similar to that in Fig. 2C. The conformation of
  the DNA-RNA hybrid is intermediary between
  canonical A- and B-DNA. DNA, blue RNA, red.

57
Gnatt,AL2001p1876fig6
Proposed transcription cycle and translocation
mechanism

• Fig. 6. Proposed transcription cycle and
  translocation mechanism.
• (A) Schematic representation of the nucleotide
  addition cycle. The nucleotide triphosphate (NTP)
  fills the open substrate site (top) and forms a
  phosphodiester bond at the active site
  ("Synthesis"). This results in the state of the
  transcribing complex seen in the crystal
  structure (middle). We speculate that
  "Translocation" of the nucleic acids with respect
  to the active site (marked by a pink dot for
  metal A) involves a change of the bridge helix
  from a straight (silver circle) to a bent
  conformation (violet circle, bottom). Relaxation
  of the bridge helix back to a straight
  conformation without movement of the nucleic
  acids would result in an open substrate site one
  nucleotide downstream and would complete the
  cycle.
• (B) Different conformations of the bridge helix
  in pol II and bacterial RNA polymerase
  structures. The view is the same as in Fig. 2C.
  The bacterial RNA polymerase structure (2) was
  superimposed on the pol II transcribing complex
  by fitting residues around the active site. The
  resulting fit of the bridge helices of pol II
  (silver) and the bacterial polymerase (violet) is
  shown. The bend in the bridge helix in the
  bacterial polymerase structure causes a clash of
  amino acid side chains (extending from the
  backbone shown here) with the hybrid base pair at
  position 1.

58
Fig 6-11
59
(No Transcript)
60
(No Transcript)
61
LES ARN POLYMÉRASES

• Facteurs de Transcription chez les eucaryotes
• I ARN ribosomaux
• II ARN qui seront traduits ARN qui forment les
  snRNP
• III ARN très petits et stables
• ARN ribosomal 5 S
• ARN de transfert
• etc ...

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66
MATURATION DES ARN

• Chapeau 5 

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MATURATION DES ARN

• Chapeau 5 
• Initiation de la synthèse protéique
• Prévient la dégradation prématurée de l ARN
• Queue de poly - A (acide adénylique)

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(No Transcript)
70
MATURATION DES ARN

• Chapeau 5 
• Initiation de la synthèse protéique
• Prévient la dégradation prématurée de l ARN
• Queue de poly - A en 3  (acide adénylique)
• Exportation des ARMm matures hors du noyau
• Stabilisation de certains ARNm
• Signal de reconnaissance pour le ribosome
• Épissage

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