Flux d'information — cliquer sur une étape pour les détails
Cliquer sur ADN, ARNm ou Protéine pour voir les détails
Transcription — ADN → ARNm›
Noyau
La transcription convertit l'information de l'ADN en ARN messager. Elle se déroule dans le noyau et comprend 3 phases :
Initiation : l'ARN polymérase II (Pol II) est recrutée au promoteur (région TATA box, BRE, Inr…) par les facteurs généraux de transcription (TFIID, TFIIB, TFIIH…). Le complexe de pré-initiation (PIC) se forme, l'ADN est déroulé localement.
Élongation : Pol II synthétise l'ARN pré-messager (pre-mRNA) en direction 5'→3', en utilisant le brin matrice 3'→5'. Vitesse ~20-30 nt/s. Rajout de la coiffe 7-méthylguanosine en 5' très tôt (co-transcriptionnel).
Terminaison : déclenchée par le signal de polyadénylation (AAUAAA) → clivage de l'ARN + ajout de la queue poly(A) 3' (~200 adénosines). Protège l'ARNm de la dégradation et facilite l'export nucléaire.
Maturation de l'ARNm — Splicing›
Épissage
Le pre-mRNA contient des exons (régions codantes) et des introns (régions non-codantes à exciser). Le spliceosome (complexe ribonucléoprotéique ~3MDa) catalyse l'épissage :
1. Reconnaissance du site 5' donneur (GU) et du site 3' accepteur (AG) — règle GT-AG.
2. Formation d'un lasso (lariat) via un site de branchement (A interne).
3. Ligation des exons, excision de l'intron-lasso.
Épissage alternatif : ~95% des gènes humains multi-exoniques subissent un épissage alternatif → plusieurs protéines depuis un seul gène. Ex : le gène DSCAM (Drosophila) peut générer ~38 000 isoformes distinctes.
Traduction — ARNm → Protéine›
Ribosome
La traduction se déroule dans le cytoplasme sur les ribosomes (80S = 60S + 40S chez les eucaryotes).
Code génétique : chaque codon (triplet de nucléotides) code un acide aminé ou un signal stop. 64 codons pour 20 acides aminés + 3 stop (UAA, UAG, UGA) → redondance = dégénérescence du code. AUG est le codon initiateur (Met).
Trois sites du ribosome : site A (aminoacyl-ARNt entrant), site P (peptidyl-ARNt — chaîne en croissance), site E (exit — ARNt vide sort).
Modifications post-traductionnelles (PTM) : phosphorylation, ubiquitination, acétylation, glycosylation — modifient l'activité, la localisation, la stabilité des protéines. Les PTM sont elles-mêmes réversibles.
La règle "un gène = une protéine" est dépassée›
Complexité
Le génome humain comporte ~20 000 gènes codant des protéines, mais le protéome compte >500 000 protéines distinctes. Ce rapport 1:25 s'explique par :
· Épissage alternatif : un gène → plusieurs ARNm → plusieurs isoformes protéiques.
· PTM : phosphorylation, ubiquitination, clivage protéolytique…
· ARN non codants : miRNA, lncRNA régulent l'expression sans coder de protéines.
· Éditing de l'ARN : modification post-transcriptionnelle des bases (A→I, C→U).
Le génome est plus un répertoire de potentialités qu'un plan rigide.
Régulation de l'expression génique
Niveaux de régulation — du gène à la protéine
La régulation de l'expression génique opère à chaque niveau — de la compaction de la chromatine jusqu'aux modifications post-traductionnelles.
Promoteurs, enhancers & silencers›
Éléments cis-régulateurs Promoteur : région en amont du site de démarrage de la transcription (+1). Contient le promoteur minimal (TATA box à -30, Inr, BRE) reconnu par TFIID/TBP. Requis pour l'initiation basale.
Enhancer : élément activateur pouvant se trouver à grande distance (jusqu'à 1 Mb) et dans n'importe quelle orientation. Les facteurs de transcription qui s'y fixent (TF activateurs) contactent le complexe de pré-initiation via des médiateurs ou par boucle chromatinienne (TAD, CTCF). Contrôlent le niveau et la spécificité cellulaire.
Silencer : analogue répresseur des enhancers. Recrute des répresseurs transcriptionnels.
Facteurs de transcription — domaines et activation›
TF
Les facteurs de transcription sont des protéines modulaires avec :
· Domaine de liaison à l'ADN (DBD) : reconnaît une séquence consensus spécifique. Structures : zinc finger (p53), leucine zipper (c-Jun), hélix-tour-hélix (homeobox), bHLH (Myc).
· Domaine d'activation (TAD) : recrute la machinerie de transcription via le médiateur. Souvent intrinsèquement désordonné (IDP).
· Domaine de dimérisation : beaucoup de TF agissent en dimères (homo ou hétérodimères).
Régulation des TF : phosphorylation (NF-κB libéré de IκB), ubiquitination, compartimentalisation (YAP/TAZ : nucléaire si actif, cytoplasmique si Hippo activé).
Organisation 3D du génome — TAD & CTCF›
Topologie
Le génome est organisé en territoires chromosomiques, puis en compartiments A (actifs, euchromatine) et B (réprimés, hétérochromatine), puis en TAD (Topologically Associating Domains) — îlots d'interactions préférentielles de ~0,1-3 Mb.
CTCF est une protéine d'ancrage qui, avec la cohésine, établit les frontières des TAD par extrusion de boucles (loop extrusion). Les mutations aux sites CTCF peuvent fusionner des TAD et permettre à un enhancer de "sauter" dans un TAD adjacent, activant un gène normalement silencieux — mécanisme de cancer.
Technique clé : Hi-C (capture de conformation chromosomique + séquençage) cartographie les interactions chromosomiques à l'échelle du génome entier.
La méthylation des cytosines dans les îlots CpG du promoteur réprime la transcription sans modifier la séquence ADN.
Méthylation de l'ADN — 5-méthylcytosine›
Répression
La méthylation de l'ADN consiste en l'ajout d'un groupement méthyle (CH₃) sur la cytosine en position 5 (5mC), principalement dans les dinucléotides CpG.
Enzymes :
· De novo : DNMT3a, DNMT3b (établissent de nouvelles marques).
· Maintenance : DNMT1 (méthyle le brin néosynthétisé après réplication, héritabilité).
· Déméthylation active : TET1/2/3 (oxydent 5mC → 5hmC → 5fC → 5caC → déméthylation par BER).
Îlots CpG : régions riches en dinucléotides CpG, souvent dans les promoteurs. Normalement non méthylées dans les gènes actifs. Hyperméthylation = silencing du gène → mécanisme épigénétique de suppression tumorale dans les cancers.
Empreinte génomique (Imprinting)›
Méthylation parentale
L'empreinte génomique est un exemple spectaculaire d'épigénétique : certains gènes ne sont exprimés que depuis l'allèle paternel ou maternel, grâce à la méthylation différentielle établie dans les gamètes.
Exemple — IGF2/H19 : IGF2 (facteur de croissance) n'est exprimé que depuis l'allèle paternel. H19 (lncRNA) n'est exprimé que depuis l'allèle maternel. La région ICR (Imprinting Control Region) est méthylée sur l'allèle paternel, bloquant l'isolateur CTCF → IGF2 accède à l'enhancer. Sur l'allèle maternel, CTCF se lie et bloque IGF2.
Maladies : syndrome de Prader-Willi (délétion paternelle 15q11-q13) et Angelman (délétion maternelle même région) — même délétion, phénotypes totalement différents selon l'origine parentale.
Épigénétique transgénérationnelle›
Hérédité
Les marques épigénétiques subissent normalement une reprogrammation globale lors de la fécondation et dans les cellules germinales primordiales. Mais certaines marques échappent à cet effacement.
Famine hollandaise (1944-45) : les enfants et petits-enfants de femmes enceintes pendant la famine présentaient une susceptibilité accrue à l'obésité, aux maladies métaboliques et cardiovasculaires — profil épigénétique altéré de façon héréditaire.
Mécanismes : méthylation de l'ADN résistante à la reprogrammation, piARN (régulation des transposons dans la lignée germinale), ARNmc paternels transmis via les spermatozoïdes.
Sujet encore débattu : quelle part est vraiment épigénétique vs comportementale/microbiomique ?
Épigénétique & Cancer — le double tranchant›
Oncologie
Dans les cancers, on observe deux altérations épigénétiques globales :
Hyper-méthylation focale des îlots CpG : silencing de gènes suppresseurs de tumeurs (p16/CDKN2A, MLH1, BRCA1, VHL…) — sans mutation de la séquence ADN.
Thérapeutique : inhibiteurs de DNMT (5-azacytidine, décitabine — hypométhylants) et inhibiteurs d'HDAC (vorinostat, romidepsine) sont approuvés pour certaines leucémies et lymphomes. Inhibiteurs de BET (BRD4) en essais cliniques.
Histones, chromatine & code des histones
Compaction de la chromatine — simulation
Euchromatine
L'état de compaction de la chromatine détermine l'accessibilité de l'ADN aux facteurs de transcription.
Principales marques d'histones et leurs effets
Marque
Histone · Position
Effet
Enzyme
H3K4me3
H3 · Lys4 (tri-méthyl)
Activation — promoteurs actifs
MLL/SET1 (KMT)
H3K27ac
H3 · Lys27 (acétyl)
Activation — enhancers actifs
p300/CBP (HAT)
H3K36me3
H3 · Lys36 (tri-méthyl)
Élongation — corps du gène actif
SETD2 (KMT)
H3K27me3
H3 · Lys27 (tri-méthyl)
Répression — Polycomb (PRC2)
EZH2 (PRC2)
H3K9me3
H3 · Lys9 (tri-méthyl)
Hétérochromatine constitutive
SUV39H1/2 (KMT)
H3K4me1
H3 · Lys4 (mono-méthyl)
Enhancers poised / actifs (+ H3K27ac)
MLL3/4 (KMT)
H4K16ac
H4 · Lys16 (acétyl)
Décompaction chromatine — activation
MOF/KAT8 (HAT)
H2AK119ub
H2A · Lys119 (ubiquityl)
Répression — Polycomb (PRC1)
RING1B (PRC1)
La combinaison de marques sur les queues des histones constitue le "code des histones" (hypothesis Jenuwein-Allis, 2001), lue par des protéines "reader" (bromodomaine, chromodomaine, PHD finger).
Complexes Polycomb et Trithorax — mémoire cellulaire›
PRC1/PRC2MLL/SET1
Les complexes Polycomb (PcG) et Trithorax (TrxG) sont les gardiens antagonistes de l'identité cellulaire — ils maintiennent respectivement la répression et l'activation des gènes développementaux (gènes Hox notamment).
PRC2 : méthyle H3K27 (via EZH2) → H3K27me3. PRC1 est recruté par H3K27me3 et dépose H2AK119ub → compaction de la chromatine → silencing stable.
Mémoire épigénétique : après réplication, PRC1/2 maintiennent les marques sur les deux chromatides filles → hérédité mitotique des états d'expression. EZH2 est muté ou surexprimé dans de nombreux cancers (lymphomes, glioblastomes, cancers prostatiques) → cible thérapeutique (tazemetostat, inhibiteur EZH2, approuvé 2020).
Remodelage de la chromatine ATP-dépendant›
SWI/SNF · ISWI · NuRD
Les complexes de remodelage utilisent l'énergie de l'ATP pour repositionner, éjecter ou restructurer les nucléosomes, rendant l'ADN accessible ou inaccessible.
Familles :
· SWI/SNF (BAF/PBAF) : éjecte ou repositionne les nucléosomes → activation. Muté dans ~20% des cancers humains (SMARCA4, ARID1A…).
· ISWI (NURF, RSF) : espace régulièrement les nucléosomes → répression ou transcription ordonnée.
· NuRD (CHD4) : couple remodelage + déacétylation → répression. Impliqué dans la réparation des DSB.
· INO80 : échange de variantes d'histones (H2A.Z, H2A.X).
ATAC-seq et DNase-seq cartographient les régions de chromatine ouverte (accessibles) à l'échelle du génome.
ARN non codants — les maîtres cachés
Classes d'ARN non codants et leurs mécanismes
Les ARN non codants représentent ~80% du transcriptome humain mais ne codent aucune protéine — ils régulent l'expression à presque tous les niveaux.
miRNA — biogenèse et mécanisme RISC›
Micro ARN Biogenèse : le gène miRNA est transcrit en pri-miRNA → clivé par Drosha/DGCR8 en pré-miRNA (~70 nt, tige-boucle) → exporté par Exportine-5 → clivé par Dicer en duplex ~22 nt → un brin chargé dans RISC (RNA-Induced Silencing Complex, centré sur Ago2).
Mécanisme : le miRNA guide RISC vers les ARNm cibles en reconnaissant la région 3'UTR par complémentarité partielle (seed region = nt 2-8). Appariement imparfait → répression traductionnelle + déadénylation. Appariement parfait (rare) → clivage ARNm.
Un seul miRNA peut cibler des centaines d'ARNm différents → régulateur de réseaux entiers. miR-21, miR-155, Let-7 : exemples d'oncomiR et suppresseurs de tumeur.
XIST & inactivation du chromosome X›
lncRNA emblématique
Chez les femmes (XX), un des deux chromosomes X est inactivé de façon aléatoire et permanente dans chaque cellule somatique → corpuscule de Barr.
XIST (X Inactive Specific Transcript) est un lncRNA de ~17 kb qui s'accumule uniquement sur le futur chromosome X inactif (Xi). Il recrute PRC2 (via SPEN, HDAC3…), dépose H3K27me3 sur tout le chromosome, puis d'autres compactions suivent (méthylation ADN, macroH2A).
XIST crée une architecture 3D unique : la membrane nucléaire, le nucléole et la proximité avec d'autres xi. Une fois établi, l'inactivation est maintenue de façon stochastique et héréditaire — mécanisme central de la compensation de dosage des gènes liés à l'X.
Thérapies basées sur les ARN non codants›
Thérapeutique siRNA thérapeutiques : Inclisiran (Leqvio) — siRNA ciblant PCSK9 (régulateur du LDL-cholestérol), approuvé FDA 2021. Délivré par LNP avec ligand GalNAc pour ciblage hépatique. 2 injections/an suffisent.
Anti-miR (antagomiR) : oligonucléotides antisens modifiés (LNA, 2'-O-methyl) qui séquestrent un miRNA. Anti-miR-21 en essai pour fibrose cardiaque et NASH. Miravirsen (anti-miR-122) pour hépatite C.
miRNA mimiques : restaurent un miRNA suppresseur de tumeur perdu dans les cancers. miR-34a (p53 target) en essai pour le carcinome hépatocellulaire.
ASO (antisense oligonucleotides) pour des lncRNA ou des ARNm toxiques (Spinraza pour SMA, ciblant un pré-ARNm).
Synthèse
Dogme central — ADN → (transcription) → ARNm → (traduction) → protéine. Mais ~80% du transcriptome est non-codant. L'épissage alternatif, les PTM et les ARN non codants rendent le rapport gènes/protéines non linéaire (~20 000 gènes, >500 000 protéines).
Régulation transcriptionnelle — Promoteurs (TATA box, Pol II), enhancers (à distance, via boucles chromatiniennes, CTCF/cohesin), facteurs de transcription (DBD + TAD, zinc finger, bHLH, leucine zipper). Organisation 3D en TAD influence l'activation/répression.
Méthylation de l'ADN — 5mC dans les îlots CpG des promoteurs. DNMT3a/b (de novo), DNMT1 (maintenance), TET1/2/3 (déméthylation active via oxydation). Hyperméthylation = silencing de suppresseurs de tumeur dans les cancers. Imprinting = méthylation parentale monoallélique (IGF2/H19).
Code des histones — H3K4me3 (promoteurs actifs), H3K27ac (enhancers actifs), H3K27me3 (PRC2, répression), H3K9me3 (hétérochromatine). HAT (acétylation → ouverture), HDAC (déacétylation → fermeture). SWI/SNF remanie les nucléosomes ATP-dépendamment. ATAC-seq cartographie la chromatine ouverte.
ARN non codants — miRNA (~22 nt) : guide RISC vers 3'UTR → répression traductionnelle/dégradation. siRNA : RNAi, ciblage parfait, clivage. lncRNA (>200 nt) : XIST inactiver le chr X, HOTAIR/MALAT1 en oncogenèse. piRNA : protègent la lignée germinale contre les transposons via la voie Piwi.
Mots-clés absolus : transcription, Pol II, TATA box, enhancer, splicing, spliceosome, traduction, codon, ribosome, PTM, 5mC, CpG, DNMT, TET, H3K4me3, H3K27me3, HAT, HDAC, PRC2, EZH2, SWI/SNF, CTCF, TAD, XIST, miRNA, RISC, Ago2, Dicer, siRNA, lncRNA, piRNA, imprinting.