Épissage alternatif
Éplicéosomes
Épissage d’introns
Autres événements d’épissage
Technologie de l’ADN recombinant
Applications de l’épissage de gènes
Ressources
Les gènes sont des séquences d’ADN codant pour les protéines. L’épissage de gènes est une forme de génie génétique où des gènes ou des séquences de gènes spécifiques sont insérés dans le génome d’un organisme différent. L’épissage de gènes peut également se référer spécifiquement à une étape du traitement de l’acide désoxyribonucléique (ADN) pour le préparer à être traduit en protéine.
L’épissage de gènes peut également être appliqué à des techniques de biologie moléculaire visant à intégrer diverses séquences d’ADN ou gènes dans l’ADN des cellules. Les gènes individuels codent des protéines spécifiques et, sur la base des résultats du Projet sur le génome humain, on estime qu’il y a environ 30 000 gènes dans chaque cellule du corps humain. Parce que les fonctions cellulaires dans différents tissus ont des objectifs différents, les gènes subissent un effort concerté complexe pour maintenir le niveau approprié d’expression des gènes d’une manière spécifique aux tissus. Par exemple, les cellules musculaires ont besoin de protéines spécifiques pour fonctionner, et ces protéines diffèrent remarquablement des protéines des cellules cérébrales. Bien que l’information génétique soit, pour la plupart, la même dans les deux types cellulaires, les objectifs fonctionnels différents entraînent des besoins cellulaires différents et, par conséquent, différentes protéines sont produites dans différents types de tissus.
Les gènes ne sont pas exprimés sans les signaux appropriés. De nombreux gènes peuvent rester inactifs. Avec la stimulation appropriée de l’expression des gènes, la cellule peut produire diverses protéines. L’ADN doit d’abord être transformé en une forme que les autres molécules de la cellule peuvent reconnaître et traduire en protéine appropriée. Avant que l’ADN puisse être converti en protéine, il doit être transcrit en acide ribonucléique (ARN). Il y a trois étapes dans la maturation de l’ARN; épissage, capsulage et polyadénylation. Chacune de ces étapes est impliquée dans la préparation de l’ARN nouvellement créé, appelé transcription de l’ARN, afin qu’il puisse sortir du noyau sans être dégradé. En termes d’expression génique, l’épissage de l’ARN est l’étape où l’épissage des gènes se produit dans ce contexte à des endroits spécifiques du gène. Les zones du gène qui sont épissées représentent des régions non codantes qui sont des séquences intermédiaires également appelées introns. L’ADN qui reste dans l’ARN traité est appelé régions codantes et chaque région codante du gène est appelée exons. Par conséquent, les introns sont des séquences intermédiaires entre les exons et l’épissage des gènes implique l’excision des introns et la jonction des exons. Par conséquent, la séquence finale sera plus courte que la séquence originale du gène codant ou de l’ADN.
Afin d’apprécier le rôle de l’épissage dans la façon dont les gènes sont exprimés, il est important de comprendre comment un gène se transforme en sa forme fonctionnelle. Initialement, l’ARN est appelé ARN précurseur (ou pré-ARN). Les pré-ARN sont ensuite modifiés en d’autres ARN appelés ARN de transfert (ARNt), ARN ribosomique (ARNr) ou ARN messager (ARNm). Les ARNM codent les protéines dans un processus appelé traduction, tandis que les autres ARN sont importants pour aider l’ARNm à être traduit en protéines. L’épissage de l’ARN crée des molécules d’ARN fonctionnelles à partir des pré-ARN.
L’épissage se déroule généralement de manière prédéterminée pour chaque gène. Des expériences qui ont stoppé la formation de transcriptions à différents intervalles de temps montrent que l’épissage suivra une voie majeure commençant par un intron et se dirigeant sélectivement vers un autre intron, pas nécessairement adjacent. Bien que d’autres voies puissent être suivies, chaque transcription a sa propre séquence primaire pour l’excision intron.
Épissage alternatif
Un seul gène peut être traité pour créer de nombreux produits géniques, ou protéines, et ce processus est appelé épissage alternatif. Dans ce cas, une combinaison différente d’exons reste dans l’ARN traité. L’épissage alternatif de gènes à divers sites intron-exon au sein d’un gène peut être utilisé pour créer plusieurs protéines à partir de la même molécule de pré-ARN. Les protéines sont composées de plusieurs domaines. Différents exons peuvent coder pour différents domaines. L’épissage sélectif peut éliminer les exons indésirables ainsi que les introns. Les combinaisons de protéines qui peuvent être produites à partir d’un épissage alternatif sont liées par leur structure ou leur fonction, mais ne sont pas identiques. En utilisant un seul gène pour créer plusieurs protéines, l’ADN des cellules peut être utilisé plus efficacement.
L’épissage alternatif peut être spécifique à un tissu, de sorte que différentes protéines sont fabriquées à partir du même gène d’origine par deux types cellulaires différents ou plus. Ou un type de cellule peut faire plusieurs configurations en utilisant le même gène. Par exemple, un type de cellule immunitaire appelé cellule B fabrique des anticorps contre de nombreux antigènes. Les antigènes sont des substances étrangères qui déclenchent des réponses immunitaires et des anticorps se lient et des antigènes afin qu’ils puissent être décomposés et éliminés. Bien qu’un nombre infini d’anticorps puisse être produit, tous les anticorps tombent dans l’un des cinq sous-types de base. L’épissage alternatif est utilisé pour créer ces cinq types d’anticorps à partir du même gène.
Les anticorps sont constitués de plusieurs molécules d’immunoglo-buline (Ig). Ces molécules ont à leur tour plusieurs domaines. Un domaine particulier appelé région constante de la chaîne lourde distingue les cinq sous-types d’anticorps, appelés IgM, IgD, IgG,gE et IgA. Les différents types d’anticorps remplissent diverses fonctions dans le corps et agissent dans des tissus corporels distincts. Par exemple, les IGA sont sécrétées dans la muqueuse gastro-intestinale et les IGG traversent le placenta. Le gène codant pour ces régions de chaîne lourde contient des exons qui dirigent la production de sous-types individuels, et le gène est alternativement épissé pour produire un transcription finale de l’ARNm, qui peut en produire n’importe lequel.
La plupart des gènes ne produisent qu’un seul transcrit; cependant, les gènes qui produisent plusieurs transcrits ont de nombreux rôles cellulaires et développementaux. L’épissage alternatif contrôle la détermination du sexe chez les mouches Drosophila melanogaster. Et un certain nombre de protéines sont exprimées de manière différentielle à partir du même gène dans diverses cellules. Différentes cellules musculaires utilisent un épissage alternatif pour créer des protéines de myosine spécifiques aux cellules. Et les cellules embryonnaires à différents stades de développement produisent de multiples formes de la protéine, l’acide rétinoïque. Certaines transcriptions diffèrent des transcriptions connexes à l’extrémité 5 ‘ et d’autres peuvent varier à l’extrémité 3’.
Spliceosomes
Les molécules ou complexes moléculaires qui épissent réellement l’ARN dans le noyau cellulaire sont appelés spliceosomes. Les splicéosomes sont constitués de petites séquences d’ARN liés par de petites protéines supplémentaires. Ce complexe de splicéosomes reconnaît des séquences nucléotidiques particulières à la frontière intron-exon. L’ADN et l’ARN sont généralement lus dans le sens 5′ à 3′. Cette désignation est faite sur la base des liaisons phospho-diester, qui constituent l’épine dorsale des brins d’ADN et d’ARN. Les introns sont d’abord coupés à leur extrémité 5′ puis à leur extrémité 3′. Les deux exons adjacents sont ensuite liés ensemble sans l’intron. Le spliceosome est un complexe enzymatique qui effectue chacune de ces étapes le long du pré-ARN pour éliminer les introns.
Les petits ARN qui composent le splicéosome ne sont pas des ARNM, des ARNR ou des ARNT; ce sont de petits ARN nucléaires (ARNN). Les ARNSN sont présents en très faibles concentrations dans le noyau. Les SNRNA se combinent avec des protéines pour former de petites particules ribo-nucléairesprotéines nucléaires. Plusieurs SNRNP s’agrégent pour former un éplicéosome. Cette structure secondaire reconnaît plusieurs régions clés dans l’intron et à la frontière intron-exon. En substance, les SNRNP jouent un rôle d’épissage catalytique. L’absence de composants snRNP individuels peut inhiber l’épissage. Les SNRNP ne sont qu’un des nombreux complexes capables de réguler l’expression des gènes.
En plus des SNRNP, certains introns ont des capacités d’épissage automatique (auto). Ces introns sont appelés introns du groupe II. Les introns du groupe II se trouvent dans certains gènes mitochondriaux, qui proviennent d’un génome séparé du noyau et situé dans de petits compartiments de la cellule appelés mitochondries. Les fonctions de Mitochrondria fournissent de l’énergie pour les besoins énergétiques des cellules. Bien que tout l’ADN chromosomique soit situé dans le noyau, quelques gènes sont situés dans les mitochondries des cellules. Les introns du groupe II forment des structures secondaires utilisant leur région intronique interne de la même manière que les introns nucléaires. Cependant, ces introns mitochondriaux se rejoignent directement d’eux-mêmes sans SNRNP.
Épissage d’introns
Diverses séquences de signaux d’épissage sont universelles et se trouvent dans chaque site intron épissé, tandis que certaines séquences de signaux sont uniques à des gènes individuels. L’ADN est composé de bases appelées nucléotides, qui représentent l’alphabet de l’ADN. Il existe quatre bases, l’adénine (A), la Guanine (G), la Thymine (T) et la Cytosine (C). La plupart des introns des formes de vie supérieures commencent par la séquence nucléotidique G-T et se terminent par la séquence A-G. Les séquences définissent les frontières « gauche » (5′) et « droite » (3′) de l’intron et sont décrites comme conformes à la règle GT-AG. Des mutations dans l’une de ces quatre positions produisent des introns qui ne peuvent pas être éliminés par des mécanismes d’épissage normaux. Dans l’intron se trouve une autre séquence hautement conservée qui présente une certaine variabilité dans les gènes d’une espèce; cette région (appelée site de la branche) est la zone qui se connecte à l’extrémité 5 ‘ de l’intron lorsqu’elle est coupée puis s’enroule pour former une forme de lariat. Ce lariat est une boucle dans l’intron qui se forme au fur et à mesure qu’il est retiré de l’ARN en maturation.
Autres événements d’épissage
L’épissage peut également impliquer des molécules autres que l’ARNm. Les ARNT, qui jouent un rôle crucial dans l’alignement des acides aminés le long d’une protéine synthétisée, peuvent subir un épissage. Les ARNT sont codés par l’ADN seulement
TERMES CLÉS
Anticorps — Une molécule créée par le système immunitaire en réponse à la présence d’un antigène (une substance étrangère ou une particule). Il marque les microorganismes étrangers dans le corps pour la destruction par d’autres cellules immunitaires.
Antigène – Une molécule, généralement une protéine, que le corps identifie comme étrangère et vers laquelle il dirige une réponse immunitaire.
Capsulage – Une modification de l’extrémité 5′ d’un transcrit d’ARNm mature.
Cytoplasme – Tout le protoplasme d’une cellule vivante située à l’extérieur du noyau, à la différence du nucléoplasme, qui est le protoplasme du noyau.
Acide désoxyribonucléique —ADN) – Le matériel génétique d’une cellule.
Exons – Les régions de l’ADN qui codent pour une protéine ou forment un ARNt ou un ARNm.Gène
– Une unité d’héritage discrète, représentée par une partie de l’ADN située sur un chromosome. Le gène est un code pour la production d’un type spécifique de protéine ou de molécule d’ARN, et donc pour une caractéristique héréditaire spécifique.
Génome – L’ensemble complet des gènes qu’un organisme porte.
Introns — Séquences non codantes dans un gène qui sont épissées pendant le traitement de l’ARN.
Mitochondries – Organite intracellulaire séparé du noyau, doté de son propre génome et important pour la production d’énergie pour divers tissus.
Polyadénylation – Modification de l’extrémité 3′ d’un transcrit d’ARNm mature.
ADN recombinant – ADN qui est coupé à l’aide d’enzymes spécifiques afin qu’un gène ou une séquence d’ADN puisse être inséré.
Splicesome – La machinerie intracellulaire qui traite l’ARN en retirant les introns de la séquence.
comme toutes les autres molécules d’ARN. Cependant, les ARNT ont une structure et une fonction uniques distinctes des autres molécules d’ARN en ce sens qu’elles sont responsables de la correspondance des blocs de construction protéiques réels (acides aminés) de la séquence nucléotidique codée pour construire une protéine ou un polypeptide. Étant donné que ces ARN spécialisés ont des conformations uniques, les enzymes qui rejoignent les exons après l’élimination des introns diffèrent de celles qui rejoignent les introns dans d’autres molécules d’ARN. Alors que les introns sont éliminés et que les exons sont joints, les molécules enzymatiques ne sont pas les mêmes que celles utilisées pour le traitement de l’ARNm. L’élimination des introns dans le traitement de l’ARNt dépend moins des séquences d’introns internes que d’autres introns d’ARN.
Technologie de l’ADN recombinant
Les progrès réalisés dans la compréhension des mécanismes qui décrivent comment se produit l’épissage des gènes ont permis aux scientifiques de couper et de recuire des séquences nucléotidiques, également appelées technologie de l’ADN recombinant. Puisque l’épissure signifie littéralement la jonction d’extrémités séparées, l’épissage des gènes fait référence à la jonction de presque toutes les séquences nucléotidiques pour créer un nouveau produit génique ou pour introduire une nouvelle séquence génique. Par conséquent, à peu près n’importe quelle séquence génétique pourrait être épissée dans une autre séquence.
Certaines enzymes appelées enzymes de restriction sont utilisées en laboratoire pour épisser, connecter (ou ligaturer) et éliminer ou ajouter des nucléotides aux séquences. Les enzymes de restriction sont utilisées dans la technologie de l’ADN recombinant pour retirer et insérer des séquences génétiques de et dans d’autres séquences. Cette technologie a permis à certaines sociétés biotechnologiques et pharmaceutiques de fabriquer de grandes quantités de protéines essentielles à des fins médicales et de recherche. Par exemple, une protéine d’insuline humaine peut être fabriquée en grande quantité en insérant le gène de l’insuline dans le génome de bactéries, par exemple, afin de produire de grandes quantités de la protéine. Comme une photocopieuse, de telles séquences peuvent produire beaucoup d’insuline pour les diabétiques qui ne sont pas capables de fabriquer suffisamment d’insuline par eux-mêmes. Ces patients peuvent ensuite s’auto-injecter l’insuline purifiée pour traiter leur maladie.
Applications de l’épissage de gènes
En utilisant la technologie d’épissage de gènes, des vaccins ont été produits. L’ADN d’un virus peut être épissé dans le génome d’une souche inoffensive de souche bactérienne. Lorsque les bactéries produisent la protéine virale, cette protéine peut être récoltée. Comme les bactéries se développent rapidement et facilement, une grande quantité de cette protéine peut être extraite, purifiée et utilisée comme vaccin. Il est introduit chez un individu par injection, ce qui provoquera une réponse immunitaire. Lorsqu’une personne est infectée par un virus par exposition naturelle, une réponse immunitaire rapide peut être déclenchée en raison de l’inoculation initiale. Une autre application de la technologie d’épissage des gènes est liée au gène impliqué dans la production de vitamine B. Ce gène a été retiré d’un génome de carottes et épissé dans le génome du riz. La souche de riz recombinante génétiquement modifiée est donc modifiée pour produire de la vitamine B. Cela peut avoir de nombreux avantages pour la santé, en particulier dans les pays du tiers monde qui dépendent du riz comme source alimentaire majeure et n’ont pas accès à des sources alimentaires riches en vitamines.
La technologie d’épissage des gènes permet donc aux chercheurs d’insérer de nouveaux gènes dans le matériel génétique existant du génome d’un organisme afin que des traits entiers, de la résistance aux maladies aux vitamines, puissent être copiés d’un organisme et transférés à un autre.
Ressources
LIVRES
Hall, Stephen et James Watson. Frontières Invisibles : La Course à la Synthèse d’un Gène Humain. Il s’agit de la première édition de la série.
Keller, Evelyn Fox. Le siècle du Gène. Boston : Harvard University Press, 2002.
Lambrecht, Bill. Dîner au New Gene Cafe: Comment le Génie Génétique Change Ce que Nous Mangeons, Comment Nous Vivons et la Politique Mondiale de l’Alimentation. Il est l’auteur de plusieurs ouvrages.
Louise Dickerson