Mécanismes moléculaires de la traduction PDF

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Dr Romanet ...

Description

Mécanismes moléculaires de la traduction I-

Définition

La traduction est le phénomène qui permet la synthèse des protéines à partir des ARNm matures. Se fait par la lecture de l’info génétique étant porté par ARNm et est interprété à travers le code génétique. Cette synthèse est orientée : les ARNm sont lus de leur extrémité 5 à 3’ La synthèse des protéines est également orientée : de leur extrémité N vers C terminale Synthèse protéines se fait dans le cytoplasme (sur des ribosomes libres) ou au niveau du réticulum endoplasmique.

II-

Les acteurs de la traduction

1) Les ARN messagers Sont des molécules transcrites à partir de l’ADN Construits de 4 bases : AUCG Vont être maturés : -

Coiffe en 5’ : export des ARNm vers le noyau - participe à l’initiation de la traduction – protection de l’ARNm

-

Queue polyA : stabilisation ARNm – participe à migration des ARNm – rôle au cours de l’initiation de la traduction

-

Sont épissés après la transcription : otage des séquences non codantes (introns) et raboutage des exons. Ce sont ces séquences qui seront lues lors de la traduction.

2) Les protéines -

Constituées d’acides aminés : 20 aa au total – peuvent être classés en fct de leur charge -caractère polaire non polaire

-

Reliés entre eux par liaison peptidique entre le groupement acide d’un aa en position N avec amine d’un aa en position C

-

Formation de cette liaison libère une molécule d’eau

-

On a un enchaînement des aa qui constituent la protéine depuis l’extrémité N terminale jusqu’à l’extrémité C terminale.

-

Les aa sont codés dans l’ADN à partir du code génétique. Sa lecture permet de savoir à quels codons correspondent tel aa.

Problème de la traduction : énorme différence de taille entre les bases de l’ARN et les aa. Les bases de l’ARN sont bien plus grosses que les aa. Trois nucléotides codent pour un tout petit aa  nécessité d’intermédiaires pour faire la correspondance entre les deux : ribosomes et ARN de transfert (ARNt) : entre ARNm et aa à lier ensemble.

3) Les ARNt -

ARN de 80 nucléotides

-

Transcrits par l’ARN polymérase III

-

Une fois mature : structure en T avec 3 boucles (T, D et A). La boucle A comporte une séquence de 3 nucléotides qui est l’anticodon : peut s’apparier de façon très spécifique avec 3 autres nucléotides : le codon situé sur l’ARNm

-

Pour chaque ARNt un anti-codon particulier constitué de 3 nucléotides qui lui permettent de reconnaître des codons particuliers sur l’ARNm

-

Peuvent fixé par une enzyme sur leur extrémité 3’ un aa (de façon covalente) qui est déterminé par l’anticodon

-

Extrémité 3’ se termine toujours par C-C-A

Maturation de l’ARNt : Clivage en 5’ par une RNASE puis clivage en 3’ par une autre RNASE  Une nucléotidyltransférase ajoute C-C-A en 3’ de tous les ARNt. -

Bras accepteur (extrémité C-C-A 3’ : fixe l’aa. Pour être actif il doit fixer l’aa

-

Extrémité anti-codon (ici U-A-C) : fixe l’ARNm de façon complémentaire (ici A-U-G)

Il y a des bases modifiées dans ARNt : -

Les pseudouridine : permet de stabiliser la structure 3D de l’ARNt – modification la plus fréquente

-

Ribothymidine : stabilisation structure 3D

-

Ionisine : formée par la désamination d’une adénosine par une Adénosine-Désaminase

A un rôle au niveau de l’anti-codon. Normalement l’appariement des bases est très spécifique. La Ionisine permet de former un appariement bancal entre elle, le U, le A et le C : I-U, I-A, I-C. on la retrouve au niveau de l’anticodon pour apporter une certaine flexibilité. Est le plus fréquemment au niveau de la 1ère base de l’anticodon : en face de la troisième base du codon de l’ARNm. Les aa peuvent souvent être codés par plusieurs codons, ce qui change étant la troisième base du codon : la Ionisine permet cela.

4) Les enzymes Les aminoacyl-ARNt Synthétases : -

Fixent aa au niveau 3’ de l’ARNt

-

Très spécifiques : apparie le bon aa à l’ARNt correspondant

-

Activent les acides aminés : 1- apporte de l’énergie sous forme d’ATP AA + ATP  amino-acylAMP + Ppi 2 – formation de la liaison ester entre amino-acyl-AMP avec extrémité 3’ de l’ARNt  Amino acyl ARNt + AMP

5) Les ribosomes Structure d’échafaudage permettant la traduction. Cellules eucaryotes : ribosomes 80s. ont deux sous unités : -

Petite sous unité 40S : formée d’un ARNr 18S + 30-40 protéines

-

Grande sous unité 60S : ARNr 5S + 5,8S + 28S + 40-50 protéines

Les deux sous unités s’assemblent ensembles. Peuvent être trouvées sous deux formes : -

Ribosomes libres  synthèse de protéines simples à visée intra-cellulaire

-

Attachés au REG  synthèse de protéines plus complexes (qui ont besoin d’une maturation particulière) ou devant être sécrétées dans le milieu extérieur.

Sont le site d’accueil de l’ARNm à traduire et des ARNt activés par l’ajout de aa Petite sous-unité : rôle d’échafaudage  permet au complexe de tenir ensemble Grande sous-unité : différents compartiments permettant de catalyser la formation de la liaison peptidique A la fin de la traduction les ribosomes sont désassemblés et réutilisés pour une nouvelle traduction.

6) Facteurs de la traduction 

Protéines G : rôle dans la régulation  permettent l’apport d’énergie



Les facteurs d’initiation :

-

eiF1 : reconnaît le site d’initiation, repositionne le premier met-ARNt

-

eiF2 : fixe la sous unité 40s

-

eiF4E : reconnaît la coiffe, forme un complexe avec eiF4G qui recrute le ribosome via eiF3

-

…



Les facteurs d’élongation :

-

EF-Tu / EF1A sélection de l’AA porté par l’ARNt

-

EF-Ts / EF1B : synthèse à proprement parler de la chaîne peptidique

-

EF2 / EFG (translocation du peptidyl-ARNt)

III-

Les grands principes de la traduction

A- Le code génétique : Triplet de nucléotides Le code génétique correspond à un triplet de nucléotides codant pour un nucléotide ou pour un codon STOP. -

Universel (même si le mitochondrial un peu différent)

-

Non ambigu : un triplet ne code que pour une seule chose. En revanche un aa peut être codés par différents triplets.

-

Dégénéré : 61 codons codent pour des aa et 3 codons codent pour le codon STOP. Pourtant on a seulement 20 aa différent : plusieurs codons codent pour le même aa. Par exemple la Leucine, l’arginine et la sérine sont codés par 6 codons différents.

-

Non chevauchant : utilise le principe du non-chevauchement (ou dit de lecture continue). IL y a un enchaînement de nucléotides et on ne saute jamais de nucléotides et un nucléotide appartient à un seul triplet et non à deux triplets différents.

Codon initiateur : -

Méthionine codée par AUG chez les eucaryotes

-

N-formyl méthionine chez les procaryotes (et mitochondrie)

NB : toutes les protéines humaines ne commencent pas par une méthionine car est en général clivée pendant la maturation de la protéine. Rôle : l’initiation de la transcription – utilisation à l’intérieur de l’ARNm pour réellement coder pour une méthionine. Codon terminaison : le codon STOP. -

UAA, UAG et UGA

-

Permettent de terminer la traduction

-

Doivent être en phase pour être reconnus : doivent être dans l’enchaînement des triplets de nucléotides non chevauchant à lecture continue.

Exemple : AAC AUA AGA CAC : non reconnu car le codon stop n’est pas en phase avec l’enchaînement des triplets de nucléotides CAA GAC CAG UAG GAA AGG : stop reconnu Anomalies au niveau des codons initiateurs et de terminaison qui vont altérer la synthèse des protéines : décalage du cadre de lecture qui entraîne l’apparition d’un codon stop prématuré par exemple.

Quelques exceptions : 

ADN mitochondrial des vertébrés :

-

AUA : méthionine et pas isoleucine

-

UGA : tryptophane et pas stop

-

AGA AGG : stop et pas arginine



Chez E Coli UGA correspond à une sélénocystéine (est une modification d’une cystéine)

B- Le phénomène de Wobble Intérêt que le code génétique soit dégénéré : économie d’énergie puisque plusieurs ARNt vont codés pour un même aa. 61 codons codent pour des protéines donc : Il devrait y avoir dans la nature 61 ARNt différents pour reconnaître les 61 codons Seulement 32 ARNt différents Certains ARNt sont capables de reconnaître plusieurs codons différents. Tolérance se fait au niveau de la 1ere base de l’anticodon (= dernier nucléotide du triplet) -

Si c’est une inosine : peut interagir avec A, U, C

-

Si c’est une uracyle : peut interagir avec A ou G

-

Si c’est une guanine : peut interagir avec C ou U

Les 2e et 3e positions de l’anticodon = déterminants primaires. Ils ont une interaction très spécifique. Dans tous les cas : l’acide aminé sera le même. Flexibilité seulement au niveau de la première base de l’anti-codon  correspond à la dernière base du codon. On parle d’appariements bancaux : permet une tolérance du codon qui est reconnu. Limite l’impact des mutations pathogènes en séquence codante : la substitution du dernier nucléotide d’un triplet ne changera pas forcément l’aa initialement codé. Facilite le détachement de l’ARNt.

IV-

Mécanismes moléculaires de la traduction

Plusieurs phases : 1. L'initiation -

La fixation du ribosome 40S sur l'ARNm

-

La fixation du 1er ARNt

-

La fixation du ribosome 60S 2.

2- L'élongation -

La fixation du 2e ARNt

-

La création de la liaison peptidique

3-

La terminaison

A- Initiation Formation de plusieurs complexes 1- Dans le cytoplasme Formation d’un complexe ternaire eiF2 (eiF2 est sous forme active – lié au GTP) – met-ARNt qui s’associe avec un complexe formé de eiF1-eiF3- 40S. L’ensemble s’assemble afin de former le complexe de préinitiation : sous-unité 40 S – différents facteurs d’initiation de la traduction (eiF2 – ARNt-Met). Complexe eiF4 + autres facteurs reconnaissent la coiffe en 5’ des ARNm et active l’ARNm (consommation d’énergie sous forme d’ATP lors de cette activation). 2- Formation du complexe d’initiation de la traduction Fixation de l’ARNm sur le complexe de préinitiation  éjection des facteurs d’initiations et recrutement de le sous-unité 60S  formation du complexe d’initiation : l’initiation va pouvoir commencer. Au cours de l’initiation : reconnaissance du codon initiateur de la traduction AUG  inspection de l’ARNm de 5’ en 3’ : consommation d’énergie sous forme de GTP. 3- Les sous-unités 40S et 60S forment le ribosome 80S Qui portent ARNt-met et l’ARNm.

B- Elongation A ce moment le codon AUG se trouve avec l’arnm de transfer activé (portant la met) dans le site P du ribosome. Le ribosome a trois sites : site E, P et A.

-

Site A (pour amyno-acyl) : accueil ARNt portant les aa. Site le plus fréquemment occupé par un aminoacyl-ARNt. Il fonctionne comme accepteur lors de la formation de la liaison peptidique.

-

Site P (peptidique – protéine) : le + fréquemment occupé par le peptydil-ARNt – porte la chaîne d’aa en cours de formation (chaîne polypeptidique). Est sensible à la (..nicile), antibiotique qui a des similitudes structurales avec les aminoacyl ARNt  forme liaison peptidique avec la chaîne peptidique en cours de croissance  arrêt de la traduction.

-

Site E : site de sortie. Occupé le plus souvent par l’ARNt qui n’a plus son aa et donc qui sort du ribosome.

1- Un 2e aminoacyl-ARNt va venir se fixer sur le codon qui suit le codon AUG 2- Une liaison peptidique va être réalisée entre les 2 radicaux aminoacyl ce qui va libérer l'ARNt du 1er AA (celui qui portait la méthionine) 3- Le ribosome va migrer légèrement dans le sens de la traduction, vers l'extrémité 3' de l'ARNm 4- Un 3e aminoacyl-ARNt (correspond au 3eme codon) va venir se fixer au nouveau du site A, correspondant au codon approprié 5- Une liaison peptidique va être réalisée entre les 2 radicaux aminoacyl ce qui va libérer l'ARNt du 2e AA 6- etc... NB : plusieurs autres facteurs sont nécessaires à l'élongation. Exemple : eEF1α-GTP qui apporte l'énergie nécessaire à la formation de la liaison peptidique. Schéma de l’élongation : un ARNt dans le site P porte la chaîne polypeptidique en cours de biosynthèse  au niveau du site A vient se fixer un aminoacyl-ARNt  la peptidyltransferase transfere la chaîne polypeptidique en cours de formation par formation d’une liaison peptidique au niveau de l’ARNt  translocation du ribosome qui se décale dans le sens de la traduction  ARNt se retrouve donc au niveau du site P et le ite A sera a nouveau libre pour accueillir un nouvel ARNT liée à un aa correspondant au codon suivant.

C- La terminaison

1- Un facteur de traduction (eRF = eucaryotic Release Factor) va venir se fixer sur le codon STOP de l'ARNm 2- Ce codon STOP est l'un des 3 possibles 3- Provoque une hydrolyse de la liaison ester entre le dernier AA de la chaîne polypeptidique en cours de formation et l’ARNt sur lequel il avait été fixé 4- La protéine est libérée par son extrémité C terminale (COOH) +++

Ce mécanisme se produit le long de l’ARNm plusieurs fois. Structure en collier qui se tendent avec des ribosomes qui vont s’enchaîner sur l’ARNm. Les ribosomes vont donc fabriquer plusieurs fois la même protéine. Hydrolyse liaison ester dernier aa – chaîne polypeptidique en cours de formation

V-

Modification post traductionnelles

A- Adressage des protéines Les protéines à destinée intracellulaire ne portent pas de signal particulier et sont synthétisées par les ribosomes libres. Les protéines à destinée nucléaire doivent, une fois synthétisées dans le cytoplasme, repartir vers le noyau. Elles portent une séquence NLS (Nuclear Localisation Signal). Les protéines à destinée mitochondriale et peroxysomale portent des signaux spécifiques, ce qui les fait rejoindre leur lieu d'activité. Mitochondriales : signaux spécifiques Les protéines excrétées en dehors de la cellule : séquence-signal en N-terminal = peptide signal. La traduction commence, les aa sont ajoutés et à un moment t la partie peptide signal est synthétisée  reconnue par protéines de reconnaissance du signal  arrête traduction  transportent la protéine en cours de synthèse vers le RE reconnues par récepteurs (en bleu)  traduction reprend à travers la membrane du RE. Une fois la synthèse terminée : se retrouve à l’intérieur du RE via canaux de translocation  appareil de Golgi : modifications post-traductionnelles nécessaires à son excrétion dans le milieu extérieur, à l’acquisition de sa forme active….

B- Modification post-traductionnelles Les protéines doivent être "maturées" après leur traduction pour être totalement actives, ce qui implique : -

La mise en place de la conformation

-

Repliement

-

Ponts disulfures

-

Coupure du peptide signal (une fois adressée la protéine n’en a plus besoin)

-

Coupure d’un segment de la protéine pour la rendre active (parfois)

-

Glycosylation, Phosphorylation (+++) …

1- Conformation Très tôt les protéines, au moment de leur synthèse vont être prise en charge par des protéines chaperonnes : les aident à obtenir la bonne structure 3D. Famille HSP : la plus importante. Des fois elles font le repliement de la protéine et ensuite ne partent pas, restent fixées sur protéines : masquent certains motifs tel que NLS : car pour R cytoplasmiques des corticoïdes. Sont dans cytoplasmes liés à leur protéine chaperonne qui masque le NLS. Quand R fixe ligand  protéine chaperonne se détache  démasque le NLS  R transloqué noyau  modification transcription des gènes.

2- Ponts disulfures Les radicaux thiols des Cystéines peuvent établir des liaisons covalentes selon la formule : R1-S-H + H-S-R2 → R1-S-S-R2 +2H. Cette liaison peut être établie spontanément lors de la synthèse de la protéine lorsque les conditions REDOX et de conformation sont favorables. C'est une oxydation qui est stable en milieu physiologique mais qui peut être réduite (détruite) avec certaines molécules (on en utilise en laboratoire). Stable en conditions physiologiques. Détruits par certaines molécules. Le 2-mercaptoéthanol permet de rompre les S-S : permet l’extraction des ARN. Empêche l’activité de certaines protéines, ici c’est l’activité des RNAses que l’on veut stopper. Utilisé aussi pour casser les ponts disulfures formés par la kératine, constituant principal du cheveu, lors des permanentes. Exemple de modification post traductionnelle : l’insuline -

Hormone de régulation du glucose dans le sang

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La structure de l'ARNm mature indique 4 parties pour la protéine : - Séquence-signal (pour l’adressage dans le RE) - Peptide B - Peptide C - Peptide A

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Seuls les peptides B et A sont retrouvés dans l'hormone active (dans le sang)

La pré-pro-insuline subit une maturation qui comprends : le clivage de la séquence signal  formation de 3 ponts disulfures pour participer à la conformation de la protéine  clivage peptide C. La maturation des protéines est donc une étape clé pour leur donner leur structure et fonctionnalité.

VI-

Mécanismes de régulation cotraductionnelle de l’expression génique

No-Go Decay (NGD) : élimination des ARNm qui n’ont pas de codon d’initiation (décrit sur la levure)

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Non-Stop Decay (NSD) : élimination des ARNm qui n’ont pas de codon stop (levure)

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Non-sens Mediated Decay (NMD) : élimination des ARNm qui portent un codon stop prématuré

Ces mécanismes de régulation permettent l’élimination des ARNm anormaux : mutation dans la séquence génétique.

Chez les eucaryotes, la plupart du temps le codon STOP est situé dans le dernier exon. Pathologies : substitution qui transforme codon en codon STOP – insertion/délétion qui entraîne l’apparition d’un codon STOP prématuré – autres mécanismes. Lors de l’épissage, un complexe protéique (les EJC exon-exon junction complex) est laissé à proximité de chaque site d’épissage sur l’ARNm. Ces complexes enlevés lors de la traduction par le premier ribosome qui traduit la protéine. Ce ribosome permet la détection d’un codon STOP prématuré et le déclenchement du système NMD s’il reste des complexes EJC sur l’ARNm alors que lui a atteint le codon STOP. Le complexe NMD provoque la dégradation des ARNm anormaux. Il existe des mécanismes d’échappement au complexe NMD : si un codon STOP est présent autour des 50-55 nucléotides qui entourent une jonction exon-exon, le codon STOP prématuré n’est pas forcément détecté  échappement à ce système  synthèse d’une protéine tronquée. Si un ARNm est reconnu comme défectueux pas le système NMD pas de synthèse de protéines à partir de lui !!!!!!!!!!!!!!!!! Exemple de l’anémie liée au gène qui code la beta-globine : présence de mutations  codons stop prématurés. Les patients hétérozygote...