L'expression génétique

Définir la transcription et la traduction et indiquer en quel lieu de la cellule eucaryote se déroule chacun de ces processus.

Observer le schéma du flux de l'information génétique. Indiquer quelles molécules sont désignées par A, B et C, quels processus se produisent au niveau des flèches 1 et 2, et ce que représente la zone entourée d'un trait discontinu.

Définir ce qu'est un gène du point de vue de l'expression génétique et indiquer quels deux types de produits fonctionnels un gène peut générer lorsqu'il s'exprime.

Quelle enzyme catalyse la transcription de l'ADN en ARN ? Indiquer sur lequel des deux brins du gène elle agit et dans quel sens elle synthétise la molécule d'ARN.

Indiquer deux différences structurales entre l'ADN et l'ARN, et expliquer quelles bases s'apparient pendant la transcription lorsque le brin matrice présente une adénine ou une thymine.

À partir du brin matrice d'ADN 3'-TACGGAACT-5', déterminer la séquence de l'ARN messager obtenu en indiquant sa polarité, et préciser combien d'acides aminés ce fragment peut coder au maximum.

Le brin codant d'un gène a pour séquence 5'-ATGGCTTAA-3'. Indiquer la séquence de l'ARNm transcrit, expliquer pourquoi elle est presque identique à celle du brin codant et préciser quel rôle joue alors l'autre brin d'ADN dans la transcription.

Qu'est-ce qu'un codon ? Indiquer combien de nucléotides le constituent, combien de codons différents existent et combien d'acides aminés différents ils codent au total.

Quel est le codon d'initiation de la traduction et quel acide aminé code-t-il ? Expliquer quelle fonction remplissent les codons stop et ce qui se passe lorsque le ribosome en atteint un.

Considérer le fragment suivant de la séquence codante d'un ARNm traduit en une protéine cytoplasmique :

$5'\text{--- AUG - UCU - UCC - UCA - UCG --- } 3'$

(Remarque : les quatre codons qui suivent le codon d'initiation AUG codent tous l'acide aminé sérine).

1. a) À partir de ce cas concret, justifier pourquoi le code génétique est dégénéré et démontrer que cette propriété ne revient pas à dire que le code est « ambigu ».
2. b) On suppose que deux mutations ponctuelles indépendantes sont introduites : le mutant 1 change le deuxième codon de UCU en UCC ; le mutant 2 change le troisième codon de UCC en UAC (qui code la tyrosine). Comparer l'impact des deux mutations sur la séquence d'acides aminés de la protéine et classer chaque mutation selon son effet fonctionnel.
3. c) Expliquer quel avantage adaptatif confère le fait que la dégénérescence du code génétique se concentre presque toujours sur la troisième base de chaque triplet (hypothèse du flottement) plutôt que sur la première ou la deuxième, face aux mutations ponctuelles spontanées.

Dans la thérapie génique du syndrome de neuropathie optique héréditaire de Leber, on étudie le transfert d'une copie sauvage d'un gène mitochondrial vers le noyau cellulaire (expression allotopique) afin que la protéine soit traduite dans le cytosol puis importée dans la mitochondrie. Or, dans le code génétique mitochondrial humain, le triplet UGA code le tryptophane, alors que dans le code nucléaire standard il joue le rôle de codon stop.

1. a) Prédire ce qui se passerait si le gène mitochondrial était transféré dans le noyau sans modifier sa séquence, puis transcrit et traduit dans les ribosomes cytoplasmiques. Quelle serait la répercussion sur la longueur et la fonctionnalité du polypeptide obtenu ?
2. b) Concevoir la stratégie de mutagenèse dirigée que l'équipe de biotechnologie doit appliquer à la séquence codante du transgène avant de l'intégrer dans le noyau pour garantir la synthèse de la protéine native.
3. c) Justifier pourquoi le génome mitochondrial (avec seulement $37$ gènes et un nombre très réduit d'ARNt) a pu « se permettre » des dérives et des changements dans l'attribution des codons au cours de l'évolution, alors que dans le génome nucléaire ce type d'altérations est létal pour la cellule.

Décrire brièvement ce que fait le ribosome pendant la traduction : comment il lit l'ARNm, comment les acides aminés arrivent et quel type de liaison se forme entre eux.

À partir du tableau du code génétique suivant :

1. a) Traduire le $\text{ARNm}$ suivant : $5'\text{-AUGGCUUAA-}3'$, et indiquer la séquence d'acides aminés obtenue.
2. b) Expliquer le rôle joué par le premier et le dernier codon du fragment.

Décrire la structure caractéristique d'un ARNt (forme en feuille de trèfle, anticodon et extrémité 3') et expliquer comment la cellule fait en sorte que chaque ARNt soit chargé de son acide aminé correct, en mentionnant les enzymes responsables.

Différencier la fonction de l'ARNm, de l'ARNt et de l'ARNr dans la synthèse des protéines, en indiquant ce que chaque type d'ARN apporte au processus.

Pendant la traduction, l'ARNm est lu en codons consécutifs, sans séparateurs entre eux. Expliquer ce qu'est le cadre de lecture et déterminer, en justifiant, ce qui arriverait à la protéine synthétisée si le ribosome commençait la lecture un nucléotide avant la position correcte.

Ordonner les étapes suivantes de l'expression génétique dans une cellule eucaryote et justifier l'ordre choisi : fixation de l'ARNm au ribosome, maturation de l'ARNm, traduction dans le cytosol, sortie de l'ARNm du noyau, transcription dans le noyau.

Une protéine est constituée de $300$ acides aminés. a) Calculer le nombre minimal de nucléotides de l'ARNm mature qui la code, codon stop compris. b) Calculer combien de paires de bases occuperait le gène chez un organisme sans introns. c) Expliquer pourquoi, chez les organismes eucaryotes, le gène est généralement beaucoup plus long que l'ARNm mature correspondant.

Dans le génome humain, le gène de la fibronectine contient de nombreux exons et introns. Dans les fibroblastes, il donne une isoforme protéique insoluble qui fait partie de la matrice extracellulaire, tandis que dans les hépatocytes il produit une isoforme soluble qui circule dans le plasma sanguin.

1. a) Justifier par quel mécanisme moléculaire une seule séquence d'ADN génomique peut donner ces deux protéines aux fonctions et aux localisations si différentes.
2. b) Un patient présente une mutation ponctuelle consistant en une transition (G remplacé par A) dans le site accepteur d'épissage (splicing) de l'intron 4 de ce gène. Prédire deux altérations possibles de la structure de l'ARNm mature obtenu et leurs conséquences sur la protéine synthétisée.
3. c) Si l'on clone ce gène humain intact (avec tous ses introns et exons) dans un plasmide et qu'on l'introduit dans Escherichia coli, expliquer si la bactérie synthétisera la fibronectine humaine fonctionnelle.

On étudie un gène humain de $24\,000$ paires de bases (pb) qui comporte $8$ exons et $7$ introns. Après une maturation complète, son ARNm mature dans les cellules musculaires a une longueur de $1200$ nucléotides (régions UTR et queue poly-A comprises).

1. a) Si l'on hybride en laboratoire le brin matrice de l'ADN génomique avec cet ARNm mature musculaire et qu'on observe l'hétéroduplex obtenu au microscope électronique, prédire la morphologie qu'il présentera et le nombre maximal de boucles monocaténaires observées. Justifier de quel acide nucléique chaque boucle sera constituée.
2. b) Un élève affirme que, comme l'ARNm compte $1200$ nucléotides, la protéine obtenue aura exactement $400$ acides aminés. Réfuter cette affirmation en donnant au moins deux arguments d'ordre moléculaire.
3. c) Dans le tissu nerveux, on isole un ARNm mature issu du même gène mais d'une taille de $1500$ nucléotides. Expliquer quel phénomène s'est produit et prédire si la protéine neuronale sera nécessairement plus longue que la protéine musculaire, en justifiant votre réponse.

Le schéma suivant représente un ribosome fonctionnel pendant la phase d'élongation de la traduction :

1. a) Déduire, en justifiant, la polarité (extrémités $5'$ et $3'$) de la chaîne d'ARNm et le sens dans lequel le ribosome se déplacera le long de celle-ci.
2. b) Écrire la séquence de l'anticodon de l'ARNt marqué d'un point d'interrogation (?) en précisant obligatoirement sa polarité $5'\to 3'$ et déterminer, en justifiant, quel acide aminé il transporte sachant que le codon GCU code l'alanine.
3. c) Dans une souche mutante, il se produit un ARNt suppresseur capable de reconnaître le codon UAA en introduisant l'acide aminé tyrosine. Prédire ce qui se passera pour la traduction et pour la longueur de la protéine obtenue lorsque le ribosome atteindra la position indiquée par le codon stop, par rapport à la cellule sauvage.

La streptomycine est un antibiotique bactéricide qui se fixe sur la sous-unité $30\text{S}$ du ribosome procaryote ($70\text{S}$), provoquant des erreurs de lecture de l'ARNm et inhibant la synthèse protéique. Bien qu'elle soit considérée comme sélective vis-à-vis des ribosomes cytoplasmiques eucaryotes ($80\text{S}$), les patients soumis à des traitements intensifs présentent souvent une néphrotoxicité et une ototoxicité associées à un dysfonctionnement énergétique cellulaire.

1. a) En vous appuyant sur la théorie endosymbiotique, justifier pourquoi ce médicament peut endommager les cellules humaines et provoquer un déficit en ATP malgré la sélectivité de cible décrite.
2. b) L'analyse d'une souche bactérienne résistante à la streptomycine montre qu'elle ne dégrade pas le médicament et ne possède pas de pompes d'efflux actif, mais qu'elle présente une mutation dans le gène du chromosome bactérien codant l'ARNr $16\text{S}$. Expliquer comment cette mutation confère la résistance sans empêcher totalement le fonctionnement du ribosome.
3. c) Dans une expérience sur des cellules, on utilise la cycloheximide (inhibiteur des ribosomes $80\text{S}$) et le chloramphénicol (inhibiteur des ribosomes $70\text{S}$). Prédire ce qu'il adviendra de l'assemblage des complexes multienzymatiques de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale (dont les sous-unités ont une origine génétique double) en présence de chacun de ces composés séparément.

Pour traduire les $61$ codons sens du code génétique standard, la plupart des cellules eucaryotes n'ont besoin de synthétiser qu'entre $30$ et $45$ espèces différentes d'ARNt, au lieu de $61$.

1. a) Expliquer la base thermodynamique et structurale de l'« hypothèse du flottement » (wobble) de Crick et justifier pourquoi cette souplesse spatiale se limite au troisième nucléotide du codon (extrémité $3'$) et au premier de l'anticodon (extrémité $5'$).
2. b) L'acide aminé valine est codé par quatre codons : $5'\text{-GUU-}3'$, $5'\text{-GUC-}3'$, $5'\text{-GUA-}3'$ et $5'\text{-GUG-}3'$. Si un ARNt spécifique présente une inosine (I) à l'extrémité $5'$ de son anticodon (sachant que l'inosine peut s'apparier avec U, C et A), déterminer combien et lesquels de ces codons cet unique ARNt pourra lire, en écrivant la séquence de cet anticodon dans le sens $5'\to 3'$.
3. c) Expliquer l'avantage adaptatif pour l'organisme que la dégénérescence du code génétique et le flottement se concentrent sur la troisième position du codon, plutôt que sur la première ou la deuxième base, face aux mutations ponctuelles.

Lors de l'observation de l'expression des gènes chez les bactéries (Escherichia coli) au microscope électronique, on distingue des structures en « sapin de Noël » où de multiples ribosomes traduisent l'ARNm alors que celui-ci est encore en cours de synthèse par l'ARN polymérase liée à l'ADN génomique. En revanche, dans une cellule humaine, cela n'est jamais observé.

1. a) Prédire la conséquence immédiate sur la synthèse des protéines bactériennes de l'ajout de rifampicine (un inhibiteur qui bloque l'initiation de l'ARN polymérase mais pas l'activité des ribosomes) et comparer cet effet avec ce qui se produirait à court terme dans le cytoplasme d'une cellule eucaryote.
2. b) Expliquer pourquoi le couplage transcription-traduction bactérien est mécaniquement incompatible avec la présence d'introns et avec le mécanisme d'épissage (splicing) typique des eucaryotes.
3. c) Le mécanisme de régulation génique par « atténuation » dans l'opéron tryptophane bactérien dépend du fait que la vitesse d'avancée du ribosome sur une séquence leader détermine la formation de structures en épingle à cheveux de terminaison dans l'ARN qui vient d'être transcrit. Justifier pourquoi ce système de régulation est impossible dans les cellules eucaryotes.