L'expression génique

Ce processus débute dans le noyau de la cellule avec une étape fondamentale appelée transcription. Au cours de la transcription, un segment spécifique de la double hélice d'ADN, correspondant à un gène, est utilisé comme matrice pour synthétiser une molécule d'ARN, appelée ARN messager (ARNm). Une enzyme, l'ARN polymérase, se fixe sur une région particulière située en amont du gène, le promoteur, et se déplace le long du brin d'ADN en assemblant les nucléotides d'ARN complémentaires. L'ARNm ainsi produit est une copie fidèle, bien que chimiquement légèrement différente, de l'information génétique. Chez les eucaryotes (organismes dont les cellules possèdent un noyau, comme les plantes, les animaux et les champignons), cet ARN messager naissant, ou pré-ARNm, subit ensuite des modifications cruciales. Un processus appelé épissage (ou épissage alternatif) permet d'exciser les parties non codantes (les introns) et de réunir les parties codantes (les exons). De plus, une même molécule de pré-ARNm peut être épissée de différentes manières, combinant les exons dans des ordres variés pour produire plusieurs versions différentes d'ARNm matures à partir d'un seul et même gène. C'est un mécanisme majeur qui multiplie considérablement la diversité des protéines qu'un génome peut produire.

Une fois l'ARNm mature formé, il est exporté hors du noyau vers le cytoplasme, où a lieu la deuxième grande étape de l'expression génique : la traduction. Ce processus est effectué par des machines moléculaires complexes appelées ribosomes. Le ribosome se fixe sur l'ARNm et le "lit" par groupes de trois nucléotides, appelés codons. Chaque codon spécifie un acide aminé précis. Par exemple, le codon AUG signale le début de la traduction et code pour l'acide aminé méthionine. Des molécules adaptatrices, les ARN de transfert (ARNt), apportent les acides aminés correspondants au ribosome. En se déplaçant le long de l'ARNm, le ribosome catalyse la formation de liaisons peptidiques entre les acides aminés, assemblant ainsi une chaîne polypeptidique qui, après repliement et parfois des modifications post-traductionnelles, deviendra une protéine fonctionnelle. C'est cette protéine qui, finalement, agira comme enzyme, hormone, récepteur, ou élément structural, influençant directement les caractères de la cellule et de l'organisme.

L'expression génique n'est pas un processus binaire (activé ou désactivé) qui se déroule de manière identique dans toutes les cellules. Au contraire, elle est finement régulée à de multiples niveaux, en réponse à une multitude de signaux internes et externes. Cette régulation est ce qui permet à une cellule de s'adapter à son environnement, de se spécialiser, et de maintenir son homéostasie. La régulation peut s'exercer au niveau de l'accessibilité de l'ADN, par exemple via la compaction de la chromatine (le complexe d'ADN et de protéines histones). Si l'ADN est trop compacté, les enzymes de la transcription ne peuvent pas y accéder et le gène est silencieux. Des modifications chimiques des histones (acétylation, méthylation) ou de l'ADN lui-même (méthylation) peuvent changer localement cette compaction, un domaine étudié par l'épigénétique. Au niveau de la transcription, des protéines spécifiques, les facteurs de transcription, se lient à des séquences régulatrices de l'ADN (comme les promoteurs ou les amplificateurs/enhancers) pour recruter ou au contraire bloquer l'ARN polymérase, contrôlant ainsi le moment et l'intensité de la production d'ARNm.

La régulation peut aussi avoir lieu après la transcription, par exemple en contrôlant la durée de vie de l'ARNm dans le cytoplasme. Plus un ARNm est stable, plus il pourra être traduit en protéines. Des mécanismes comme l'interférence par ARN, via de petites molécules d'ARN non codants (miARN, siARN), peuvent se fixer sur des ARNm complémentaires et provoquer leur dégradation ou bloquer leur traduction, réduisant ainsi l'expression du gène. Enfin, la régulation peut agir au niveau post-traductionnel, en contrôlant l'activité, la localisation ou la durée de vie de la protéine une fois qu'elle a été synthétisée. Une protéine peut par exemple nécessiter l'ajout d'un groupement phosphate (phosphorylation) pour devenir active, ou être marquée pour être détruite par le protéasome si elle n'est plus nécessaire.

Les perturbations de l'expression d'un ou plusieurs gènes sont à l'origine de nombreuses maladies, comme les cancers, où des gènes contrôlant la division cellulaire peuvent être anormalement activés ou réprimés.