Expression des gènes

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La biologie évolutive du développement couvre un large éventail de domaines et d'exemples, permettant d'étudier l'évolution à travers les mécanismes du développement. Son but est essentiellement de comparer le rôle des différents gènes du développement dans l'évolution de différents taxons. Ici, nous nous concentrerons plus précisément sur le rôle que joue l'expression de différents gènes au cours du développement.

Définitions[modifier | modifier le code]

Le gène[modifier | modifier le code]

Un gène est une séquence d'ADN, composé de plusieurs nucléotides (groupement phosphate, sucre et base azotée), situé sur le chromosome. Sa place, ou locus, sur celui-ci est la même d'un individu à l'autre. Le gène est aussi un caractère héréditaire, transmis par la mère et le père, expliquant les traits de ressemblance, par exemple la couleur de cheveux ou encore la couleur des yeux.

Le gène, au même titre que l'ADN, est donc le support de l'information permettant la "construction" du corps humain, construction faite à partir des protéines codées par ce gène.

L'expression du gène[modifier | modifier le code]

C'est le mécanisme qui regroupe tous les processus permettant d'aboutir à un produit fonctionnel du gène. On peut donc y inclure la transcription, la traduction, les cascades de gènes ...

Les mécanismes d'expression[modifier | modifier le code]

A l'échelle moléculaire[modifier | modifier le code]

La transcription[modifier | modifier le code]

La transcription est le processus permettant d'obtenir un brin d'ARN à partir d'un brin d'ADN. Ce mécanisme fait intervenir plusieurs protéines, qui vont venir ouvrir les brins d'ADN complémentaires. Une fois que cela est fait, l'ARN polymérase vient synthétiser un brin d'ARN complémentaire au brin d'ADN matrice. Le brin d'ARN synthétisé, il peut se retirer et laisser les brins d'ADN se rattacher ensemble par l'intermédiaire de protéines.

Cependant, le brin d'ARN obtenu n'est pas mature, dans la mesure où le gène contient des parties codantes, les exons, mais aussi des parties non-codantes, les introns. Ces introns ne sont pas nécessaires afin d'obtenir un produit fonctionnel du gène. Il faut donc les retirer. Ce processus, appelé épissage, permet de cliver l'ARN de façon à supprimer les introns, et à coller côte à côte les exons. De cette façon, le brin d'ARN ne contient que les parties codantes du gène. Il reste encore deux étapes afin que le brin d'ARN soit mature.

L'ARN est d'abord modifié à son extrémité 5', afin d'y ajouter une coiffe[1] méthylguanosine. Cette coiffe à plusieurs rôles, mais on retiendra surtout qu'elle empêche l'action de ribonucléase sur celui-ci, en plus de faciliter son export vers le cytoplasme et le recrutement de ribosomes.

Ensuite, il est modifié à son extrémité 3', où une queue poly-A (adénine) y est ajouté, afin qu'elle aussi puisse faciliter l'export de l'ARN en dehors du noyau.

Le produit final obtenus après toutes ces opérations est l'ARN messager, ou ARNm.

La traduction[modifier | modifier le code]

Une fois l'ARN messager mature, il est exporté en dehors du noyau, afin de recruter les ribosomes et procéder à la traduction.

La table des codons. Chaque codon code pour une seule protéine, mais plusieurs codons peuvent coder pour la même protéine. Le code génétique est donc redondant.

En effet, il existe 4 types de bases azotées : A, T (ou U dans l'ARN), G et C. Les nucléotides sont donc lu par groupes de 3, les codons. Chaque codons code pour une protéine, ou permet d'initier ou stopper la traduction.

Une fois que le ribosome est venu s'installer sur le brin d'ARNm, il va parcourir celui-ci jusqu'à trouver le premier codon AUG qui permet de démarrer la traduction. Le ribosome va ensuite lire chaque codon, qui se traduira par la production d'un acide aminé. On obtient ainsi, la production d'une chaîne d'acide aminé, autrement dit d'une protéine. La traduction prend fin lorsque le ribosome rencontre un codon stop.

Ainsi, à la fin de ce processus, nous obtenons un produit fonctionnel du gène : une protéine.

Les cascades de gènes[modifier | modifier le code]

Comme nous venons de le mentionner, le but de la traduction est de produire le produit final fonctionnel d'un gène. Ce produit, une protéine peut dans certains cas être un facteur de transcription servant à transcrire un autre gène. Ce gène une fois transcrit peut lui aussi produire le même genre de produit pour aller transcrire un autre gène et ainsi de suite, jusqu'à transcrire un gène qui produira une protéine final ayant un autre but[2]. On parle dans ce cas de cascade de gènes.

A plus grande échelle[modifier | modifier le code]

Les allèles[modifier | modifier le code]

Comme nous l'avons dit précédemment, le locus d'un gènes ne change pas d'une personne à l'autre. Cependant, chez une même personne, il peut exister deux versions différentes d'un même gène sur le même chromosome, autrement dit, une version différente sur chaque chromatide. Cela s'appelle un allèle. L'allèle est donc une version du gène, et il peut en exister plusieurs. Ainsi, le gène étant un caractère héréditaire, chacun des parents peut nous avoir transmis des allèles différents pour un même gène - l'hétérozygotie, ou alors le même allèle - l'homozygotie.

L'homozygotie et l'hétérozygotie sont deux conditions qui jouent un grand rôle dans l'expression des gènes. Pourquoi ? Car il existe ce qu'on appelle le phénomène de dominance de l'allèle.

Lorsqu'un individu est hétérozygote, et donc qu'il possède deux versions différentes d'un même gène, et qu'un seul de ces allèles est exprimé, don dit de cet allèle qu'il est dominant. À l'inverse, on dit de l'allèle non exprimé qu'il est récessif. Ainsi, un allèle dominant n'a besoin d'être présent qu'en un seul exemplaire pour être exprimé, tandis que l'individu doit être homozygote pour l'allèle récessif afin qu'il s'exprime.

Cependant, il existe d'autres concepts que la simple dominance.

Pour la suite des concepts, nous croisons deux parents homozygote, respectivement pour l'allèle dominant produisant un phénotype spécifique et l'autre pour l'allèle reécessif, produisant un phénotype différent.

Un exemple de dominance incomplète

Il existe ce qu'on appelle la dominance incomplète. Lors de cette situation, la génération hétérozygote obtenue à partir de ce croisement présente un phénotype intermédiaire. Ce n'est ni le phénotype dominant, ni le phénotype récessif, mais plutôt un phénotype entre les deux.

Ici nous pouvons voir un exemple de co-dominance

Il y a aussi ce que l'on appelle la co-dominance. Dans cette situation, la génération fille obtenue exprime les deux phénotypes, plutôt qu'un phénotype intermédiaire. L'exemple par excellence est celui du groupe sanguin d'un individu. Dans ce cas il existe 3 allèles : A, B et o. Les allèles A et B sont des allèles dominant, car dans le cas d'hétérozygotes A/o ou B/o, seul l'allèle A ou B est exprimé. Cependant, pour des hétérozygotes A/B, les deux allèles seront exprimés, il n'y aucune dominance sur l'autre.

Les changements survenant dans l'expression des gènes[modifier | modifier le code]

Les mutations ponctuelles[modifier | modifier le code]

Nous observons sur cette image des globules rouges normaux, et les globules rouges mutants

Lors de la traduction, les nucléotides sont lus par groupe de trois, permettant la synthèse d'un acide aminé correspondant. Cependant il est possible que le brin matrice d'ADN ait été endommagé avant la transcription. Il existe quatre types de mutations ponctuelles : transition, transversion, insertion et délétion[3]. La transversion et transition consiste au remplacement d'un nucléotide par un autre. Ce genre de mutation peut ne rien changer, comme avoir un impacte important sur le corps. En effet, le code génétique étant redondant, il existe plusieurs combinaisons possible pour un même acide aminé. Ainsi, la mutation survenue peut mener à la synthèse du même acide aminé de départ. Par contre, dans le cas contraire, l'acide aminé synthétisé peut être différent, altérant de cette façon la protéine produite. C'est le cas par exemple dans le cas de la drépancytose. La chaîne alpha de l'hémoglobine est normale, tandis la chaîne beta est modifié en une position : l'acide aminé valine est remplacé par la glutamine. Le résultat est le globule rouge est déformé, prenant une forme de faucille allongée, pouvant mener à de graves problèmes vasculaires.

En ce qui concerne les insertions et les délétions, ce sont des mutations entraînant de graves modifications dans la structure de la protéine finale, dans la mesure où le cadre de lecture est complètement décalé.

L'épissage alternatif[modifier | modifier le code]

Lors de la maturation des ARNm, on passe par l'étape de l'épissage. Durant cette étape, une fois que les introns ont été clivés, les exons sont recollés ensemble, mais leur ordre peut être altéré. On parle alors d'epissage alternatif[4]. Grâce à cela, un seul gène peut permettre la synthèse de plusieurs protéines différentes.

Hétérotopie, hétérotypie, hétérochronie[modifier | modifier le code]

Nous remarquons ici que le gène responsable du développement des pattes est exprimé à la place des antennes

L'hétérotopie est un changement de lieu d'expression d'un gène. En effet, certains gène du développement sont exprimés localement, entraînant le développement de différentes structures. Par exemple, chez la drosophile, on retrouve sur l'axe antéro-postérieur, les gènes entrainant le développement de la tête, des pattes, du thorax, des ailes etc.. et ce dans cet ordre. De cette façon, en changeant la place de certains gènes du développement, on peut se retrouver par exemple avec des pattes à la place des antennes chez la drosophile[5].

L'hétérotypie quant à elle réfère à l'expression d'une chose différente. Le meilleur exemple reste encore celui de la drépanocytose, où un autre acide aminé est produit, entraînant une déformation cellulaire.

Finalement, l'hétérochronie désigne un changement dans le timing d'expression d'un gène. Un gène pourrait donc être exprimé plus tôt, plus tard, pendant une plus longue ou courte durée. Ce phénomène entraîne des modifications directes sur le phénotypes de l'individu. On peut prendre par exemple le cas de l'homme. En effet, le corps humain se développe plus rapidement que ses organes reproducteurs, ce qui est l'exemple parfait de la péramorphose, qui est une catégorie de l'hétérochronie[6].

La co-option de gènes[modifier | modifier le code]

Le concept de co-option des gènes est un des phénomènes qui fait l'exemple parfait que joue les gènes dans l'évolution et le développement. Ce concept apporte l'idée qu'un gène ayant une fonction dans le développement, peut évoluer et jouer un nouveau rôle dans le développement. Par exemple, le gène Distal-less permet la formation d'un organe d'équilibre de vol chez la mouche, des ailes chez la chauve-souris, des tentacules chez la pieuvre, et des bras chez l'étoile de mer. La co-option est donc un phénomène qui produit de gros impact sur le développement et le phénotype final d'un individu, mais pourrait être aussi une des nombreuses explications de l'évolution des espèces au cours du temps.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. A K Banerjee, « 5'-terminal cap structure in eucaryotic messenger ribonucleic acids. », Microbiological Reviews, vol. 44,‎ , p. 175-205 (ISSN 0146-0749, PMID 6247631, PMCID 373176, lire en ligne)
  2. Comparative studies of gene expression and the evolution of gene regulation, Irene Gallego Romero, Ilya Ruvinsky, Yoav Gilad
  3. Lansing M. Prescott, Linda M. Sherwood et Christopher J. Woolverton, Microbiologie, De Boeck Supérieur, (ISBN 9782804160128, lire en ligne)
  4. Alberts et al., Biologie moléculaire de la cellule, Paris, Lavoisier, , page 415
  5. Targeted gene expression as a means of altering cell fates and generating dominant phenotypes, Andrea H. Brand,* and Norbert Perrimon, Department of Genetics and 2Howard Hughes Medical Institute, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts 02115,USA
  6. The evolution of gene expression levels in mammalian organs

Voir aussi[modifier | modifier le code]