Que vous soyez un nouveau venu dans la biologie ou un aficionado de longue date, les chances sont excellentes que par défaut, vous considérez l'acide désoxyribonucléique (ADN) comme peut-être le concept le plus indispensable de tous des sciences de la vie. Au minimum, vous savez probablement que l'ADN est ce qui vous rend unique parmi les milliards de personnes sur la planète, lui donnant un rôle dans le monde de la justice pénale ainsi que sur le devant de la scène dans les conférences de biologie moléculaire. Vous avez presque sûrement appris que l'ADN est responsable de vous doter des traits que vous avez hérités de vos parents et que votre propre ADN est votre héritage direct pour les générations futures si vous avez des enfants.

Ce que vous ne savez peut-être pas il s'agit en grande partie du chemin qui relie l'ADN de vos cellules aux traits physiques que vous manifestez, à la fois manifestes et cachés, et la série d'étapes le long de ce chemin. Les biologistes moléculaires ont produit le concept d'un «dogme central» dans leur domaine, qui peut être résumé simplement comme «ADN-ARN-protéine». La première partie de ce processus - la génération d'ARN, ou d'acide ribonucléique, à partir de l'ADN - est connue sous le nom de transcription, et cette série bien étudiée et coordonnée de gymnastique biochimique est aussi élégante que scientifiquement approfondie.
Aperçu des acides nucléiques

L'ADN et l'ARN sont des acides nucléiques. Les deux sont fondamentaux pour toute la vie; ces macromolécules sont très étroitement liées, mais leurs fonctions, bien qu'extrêmement entrelacées, sont très divergentes et spécialisées.

L'ADN est un polymère, ce qui signifie qu'il se compose d'un grand nombre de sous-unités répétitives. Ces sous-unités ne sont pas exactement identiques, mais leur forme est identique. Considérez une longue chaîne de perles composée de cubes qui viennent en quatre couleurs et varient très légèrement en taille, et vous obtenez une idée de base de la façon dont l'ADN et l'ARN sont organisés.

Les monomères (sous-unités) des acides nucléiques sont connus comme nucléotides. Les nucléotides eux-mêmes sont constitués de triades de trois molécules distinctes: un groupe (ou des groupes) phosphate, un sucre à cinq carbones et une base riche en azote ("base" non pas dans le sens de "fondation", mais signifiant "accepteur d'ions hydrogène" ). Les nucléotides qui composent les acides nucléiques ont un groupe phosphate, mais certains ont deux ou même trois phosphates attachés à la suite. Les molécules adénosine diphosphate (ADP) et adénosine triphosphate (ATP) sont des nucléotides d'une importance extraordinaire dans le métabolisme énergétique cellulaire.

L'ADN et l'ARN diffèrent de plusieurs manières importantes. Premièrement, alors que chacune de ces molécules comprend quatre bases azotées différentes, l'ADN comprend l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et la thymine (T), tandis que l'ARN comprend les trois premières, mais remplace l'uracile (U) pour T. Two, le sucre dans l'ADN est le désoxyribose, tandis que celui dans l'ARN est le ribose. Et troisièmement, l'ADN est double brin dans sa forme la plus énergétiquement stable, tandis que l'ARN est simple brin. Ces différences sont d'une importance majeure dans la transcription en particulier et dans la fonction de ces acides nucléiques respectifs en général.

Les bases A et G sont appelées purines, tandis que C, T et U sont classées comme pyrimidines. De manière critique, A se lie chimiquement à, et seulement à, T (si l'ADN) ou U (si l'ARN); C se lie à et seulement à G. Les deux brins d'une molécule d'ADN sont complémentaires, ce qui signifie que les bases de chaque brin correspondent en tout point à la base "partenaire" unique dans le brin opposé. Ainsi, AACTGCGTATG est complémentaire de TTGACGCATAC (ou UUGACGCAUAC).
Transcription d'ADN vs Traduction

Avant de se plonger dans la mécanique de la transcription d'ADN, il vaut la peine de prendre un moment pour revoir la terminologie associée à l'ADN et à l'ARN, car avec autant de mots au son similaire dans le mixage, il peut être facile de les confondre.

La réplication est l'acte de faire une copie identique de quelque chose. Lorsque vous faites une photocopie d'un document écrit (ancienne école) ou utilisez la fonction copier-coller sur un ordinateur (nouvelle école), vous répliquez le contenu dans les deux cas.

L'ADN subit une réplication, mais L'ARN, dans la mesure où la science moderne peut le vérifier, ne le fait pas; elle découle uniquement de la transcription _._ D'une racine latine qui signifie «une écriture à travers», la transcription est l'encodage d'un message particulier dans une copie d'une source originale. Vous avez peut-être entendu parler de transcripteurs médicaux, dont le travail consiste à taper par écrit les notes médicales prises sous forme d'enregistrement audio. Idéalement, les mots, et donc le message, seront exactement les mêmes malgré le changement de médium. Dans les cellules, la transcription implique la copie d'un message génétique d'ADN, écrit dans le langage des séquences de bases azotées, sous forme d'ARN - en particulier, l'ARN messager (ARNm). Cette synthèse d'ARN se produit dans le noyau des cellules eucaryotes, après quoi l'ARNm quitte le noyau et se dirige vers une structure appelée ribosome pour subir une traduction.

Alors que la transcription est le simple encodage physique d'un message dans un autre support , la traduction, en termes biologiques, est la conversion de ce message en une action délibérée. Une longueur d'ADN ou un seul message d'ADN, appelé gène, aboutit finalement à la fabrication par les cellules d'un produit protéique unique. L'ADN transmet ce message sous la forme d'ARNm, qui transmet ensuite le message à un ribosome pour qu'il soit traduit en une protéine. Dans cette vue, l'ARNm est comme un plan ou un ensemble d'instructions pour assembler un meuble.

Cela, nous l'espérons, éclaircit tous les mystères que vous avez sur ce que font les acides nucléiques. Mais qu'en est-il de la transcription en particulier?
Les étapes de la transcription

L'ADN, assez célèbre, est tissé en une hélice double brin. Mais sous cette forme, il serait physiquement difficile d'en construire quoi que ce soit. Par conséquent, dans la phase (ou étape) d'initiation de la transcription, la molécule d'ADN est déroulée par des enzymes appelées hélicases. Un seul des deux brins d'ADN résultants est utilisé pour la synthèse d'ARN à la fois. Ce brin est appelé brin non codant, car, grâce aux règles d'appariement des bases d'ADN et d'ARN, l'autre brin d'ADN a la même séquence de bases azotées que l'ARNm à synthétiser, faisant ainsi de ce brin le brin codant. Sur la base des remarques faites précédemment, vous pouvez conclure qu'un brin d'ADN et l'ARNm dont il est responsable de la fabrication sont complémentaires.

Avec le brin maintenant prêt à l'action, une section d'ADN appelée la séquence promotrice indique où la transcription est de commencer le long du brin. L'enzyme ARN polymérase arrive à cet endroit et fait partie d'un complexe promoteur. Tout cela pour garantir que la synthèse de l'ARNm commence exactement là où elle est supposée sur la molécule d'ADN, et cela génère un brin d'ARN qui contient le message codé souhaité.

Ensuite, dans la phase d'élongation, l'ARN polymérase " lit "le brin d'ADN, en commençant par la séquence du promoteur et en se déplaçant le long du brin d'ADN, comme un enseignant remontant une rangée d'étudiants et distribuant des tests, ajoutant des nucléotides à l'extrémité croissante de la molécule d'ARN nouvellement formée.

Les liaisons créées entre les groupes phosphate d'un nucléotide et le groupe ribose ou désoxyribose sur le nucléotide suivant sont appelées liaisons phosphodiester. Notez qu'une molécule d'ADN a ce qu'on appelle une terminaison 3 '("trois-prime") à une extrémité et une terminaison 5' ("cinq-prime") à l'autre, avec ces nombres provenant des positions terminales d'atome de carbone dans les "anneaux" ribose terminaux respectifs. Au fur et à mesure que la molécule d'ARN croît dans la direction 3 ', elle se déplace le long du brin d'ADN dans la direction 5'. Vous devriez examiner un diagramme pour vous assurer que vous comprenez parfaitement les mécanismes de la synthèse de l'ARNm.

L'ajout de nucléotides - en particulier, les triphosphates nucléosidiques (ATP, CTP, GTP et UTP; ATP est l'adénosine triphosphate, CTP est la cytidine triphosphate et ainsi de suite) - au brin d'ARNm allongé nécessite de l'énergie. Ceci, comme tant de processus biologiques, est fourni par les liaisons phosphate dans les nucléosides triphosphates eux-mêmes. Lorsque la liaison phosphate-phosphate à haute énergie est rompue, le nucléotide résultant (AMP, CMP, GMP et UMP; dans ces nucléotides, le «MP» signifie «monophosphate») est ajouté à l'ARNm et une paire de molécules de phosphate inorganique , généralement écrit PP _{i, tombent.}

Au fur et à mesure que la transcription se produit, comme indiqué, le long d'un seul brin d'ADN. Soyez conscient, cependant, que la molécule d'ADN entière ne se déroule pas et ne se sépare pas en brins complémentaires; cela ne se produit qu'au voisinage direct de la transcription. En conséquence, vous pouvez visualiser une "bulle de transcription" se déplaçant le long de la molécule d'ADN. C'est comme un objet qui se déplace le long d'une fermeture éclair qui est décompressé juste devant l'objet par un mécanisme tandis qu'un mécanisme différent refermet la fermeture éclair dans le sillage de l'objet.

Enfin, lorsque l'ARNm a atteint son longueur et forme requises, la phase de résiliation est lancée. Tout comme l'initiation, cette phase est activée par des séquences d'ADN spécifiques qui fonctionnent comme des signaux d'arrêt pour l'ARN polymérase.

Chez les bactéries, cela peut se produire de deux manières générales. Dans l'une d'elles, la séquence de terminaison est transcrite, générant une longueur d'ARNm qui se replie sur elle-même et ainsi "se rassemble" alors que l'ARN polymérase continue de faire son travail. Ces sections repliées d'ARNm sont souvent appelées brins en épingle à cheveux, et elles impliquent un appariement de bases complémentaires au sein de la molécule d'ARNm simple brin mais tordue. En aval de cette section en épingle à cheveux se trouve un étirement prolongé des bases U ou des résidus. Ces événements obligent l'ARN polymérase à cesser d'ajouter des nucléotides et à se détacher de l'ADN, mettant ainsi fin à la transcription. C'est ce qu'on appelle la terminaison indépendante de rho car elle ne repose pas sur une protéine connue sous le nom de facteur rho.

Dans la terminaison dépendante de rho, la situation est plus simple, et aucun segment d'ARNm en épingle à cheveux ou résidus U n'est nécessaire . Au lieu de cela, le facteur rho se lie à l'endroit requis sur l'ARNm et éloigne physiquement l'ARNm de l'ARN polymérase. Le fait que la terminaison rho-indépendante ou rho-dépendante dépend de la version exacte de l'ARN polymérase qui agit sur l'ADN et l'ARNm (une variété de sous-types existe) ainsi que des protéines et d'autres facteurs dans l'environnement cellulaire immédiat.

Les deux cascades d'événements conduisent finalement l'ARNm à se libérer de l'ADN au niveau de la bulle de transcription.
Procaryotes vs eucaryotes

Il existe de nombreuses différences entre la transcription chez les procaryotes (dont presque tous sont des bactéries) et les eucaryotes (organismes multicellulaires tels que les animaux, les plantes et les champignons). Par exemple, l'initiation chez les procaryotes implique généralement un arrangement de base d'ADN connu sous le nom de boîte de Pribnow, avec la séquence de base TATAAT située à environ 10 paires de bases de l'endroit où l'initiation de la transcription elle-même se produit. Les eucaryotes, cependant, ont des séquences amplificatrices positionnées à une distance considérable du site d'initiation, ainsi que des protéines activatrices qui aident à déformer la molécule d'ADN d'une manière qui la rend plus accessible à l'ARN polymérase.

En outre, l'allongement se produit environ deux fois plus vite chez les bactéries (environ 42 à 54 paires de bases par minute, en bordure d'une par seconde) que chez les eucaryotes (environ 22 à 25 paires de bases par minute). Enfin, alors que les mécanismes bactériens de terminaison sont décrits ci-dessus, chez les eucaryotes, cette phase implique des facteurs de terminaison spécifiques, ainsi qu'un brin d'ARN appelé poly-A (comme dans de nombreuses bases d'adénine d'affilée) "queue". Il n'est pas encore clair si l'arrêt de l'allongement déclenche le clivage de l'ARNm de la bulle ou si le clivage lui-même met brusquement fin au processus d'allongement.