Acides nucléiques
ADN : transcription

Principes généraux de la transcription

La transcription constitue la première étape de l’expression des gènes et correspond à la synthèse d’une molécule d’ARN à partir d’une séquence d’ADN matrice par une ARN polymérase.

Chez les eucaryotes, ce processus dépend étroitement de l’organisation de la chromatine, de l’accessibilité de l’ADN et de l’architecture nucléaire (organisation spatiale de la transcription).

1. La transcription permet la synthèse de molécules d’ARN à partir de l’information génétique portée par l’ADN.

Chez les eucaryotes, ce processus intervient principalement dans le noyau et repose sur l’activité de plusieurs ARN polymérases spécialisées capables de reconnaître des catégories distinctes de gènes.

2. La transcription constitue la première étape de l’expression génique et précède les mécanismes :

• de maturation,
• de surveillance,
• d’export nucléaire,
• et dans le cas des ARN messager (ARNm), de traduction.

3. La synthèse de l’ARN s’effectue dans le sens 5′ ➞ 3′ par addition séquentielle de ribonucléotides complémentaires du brin matrice d’ADN.

• Le brin matrice ou brin transcrit est le brin d’ADN utilisé comme modèle par l’ARN polymérase.
• Le brin codant correspond au second brin dont la séquence est identique à celle de l’ARN synthétisé à l’exception du remplacement de la thymine (T) par l’uracile (U).

4. Chez les eucaryotes, la transcription est étroitement dépendante de :

• l’état structural de la chromatine,
• de l’accessibilité des promoteurs,
• du recrutement des facteurs généraux ( initiation) et spécifiques de transcription ( régulation),
• de l’organisation tridimensionnelle du génome au sein du noyau (organisation spatiale de la transcription).

5. Les ARN produits par transcription comprennent notamment :

• les ARN messager (ARNm) codant les protéines,
• les ARN ribosomiques (ARNr) impliqués dans la structure et l’activité du ribosome,
• les ARN de transfert (ARNt) impliqués dans la traduction,
• les ARN non codants régulateurs ou structuraux tels que les snARN (small nuclear RNA), snoARN (small nucleolar RNA), microARN (miRNA), ARN longs non codants (lncRNA) ou ARN circulaires (circRNA).

ARN polymérases eucaryotes

Chez les eucaryotes, la transcription nucléaire repose principalement sur trois ARN polymérases possédant des propriétés structurales et fonctionnelles distinctes.

• Les ARN polymérases nucléaires sont de grands complexes multiprotéiques constitués de 12 à 17 sous-unités selon l'enzyme, les deux plus grandes sous-unités forment le centre catalytique (Specific Features of RNA Polymerases I and III: Structure and Assembly 2021).
• Elles partagent une organisation structurale commune et un mécanisme catalytique conservé, mais se distinguent par les types de gènes qu'elles transcrivent, les facteurs de transcription qui les recrutent et les mécanismes qui régulent leur activité.

1. L’ARN polymérase I (Pol I) assure principalement la transcription des gènes ribosomiques (ADNr) produisant le précurseur 47S des ARN ribosomaux 18S, 5.8S et 28S.

a. Cette transcription se déroule dans le nucléole au niveau des répétitions d’ADNr organisées en régions organisatrices nucléolaires (NOR, régions organisatrices nucléolaires)

b. L’activité de la Pol I dépend de plusieurs facteurs de transcription impliqués dans l’expression des gènes d’ADNr et la synthèse des ARN ribosomaux (facteurs de transcription de l’ARN polymérase I).

2. L’ARN polymérase II (Pol II) assure la transcription des gènes codant les protéines ainsi que d’une grande diversité d’ARN non codants et constitue l’ARN polymérase centrale de la régulation transcriptionnelle et de l’expression génique ( structure de l'ARN polymérase II).

a. Elle synthétise notamment :

• les pré-ARNm,
• de nombreux snARN (small nuclear RNA),
• certains snoARN (small nucleolar RNA),
• les pri-miRNA (primary microRNA),
• une grande partie des ARN longs non codants (lncRNA).

b. L’activité transcriptionnelle de la Pol II est étroitement couplée à de nombreux mécanismes de régulation de l’expression génique impliquant l’état de la chromatine, les facteurs de transcription, les interactions enhancer-promoteur ainsi que les processus de maturation co-transcriptionnelle des pré-ARNm.

3. L’ARN polymérase III (Pol III) assure principalement la transcription de petits ARN structuraux et fonctionnels.

a. Elle synthétise notamment :

• les ARN de transfert (ARNt),
• l’ARNr 5S,
• certains petits RN impliqués dans la maturation des ARN.

b. Les gènes transcrits par la Pol III possèdent souvent des promoteurs internes localisés à l’intérieur même des régions transcrites.

Remarque : la transcription du génome mitochondrial est assurée par une ARN polymérase spécifique, l'ARN polymérase mitochondriale (POLRMT).

Contrairement aux ARN polymérases nucléaires Pol I, Pol II et Pol III, qui sont des complexes multiprotéiques, POLRMT est une enzyme constituée d'une seule sous-unité, apparentée aux ARN polymérases des bactériophages T3 et T7.

Principes généraux de la transcription

1. La transcription comprend plusieurs étapes fonctionnellement coordonnées :

a. l’initiation transcriptionnelle, incluant :

• la reconnaissance du promoteur,
• l'assemblage du complexe de pré-initiation transcriptionnelle (PIC),
• l'ouverture locale de l’ADN,
• au démarrage de la synthèse du pré-ARNm, généralement marqué par plusieurs cycles de transcription abortive avant l’établissement d’une élongation productive.

b. l’élongation transcriptionnelle, conduisant à la synthèse du transcrit primaire,

c. la terminaison transcriptionnelle et la libération du transcrit.

2. Chez les eucaryotes, la transcription des gènes codant les protéines est fortement couplée aux mécanismes de maturation co-transcriptionnelle des pré-ARNm.

a. Ces mécanismes comprennent notamment :

• le coiffage de l’extrémité 5′,
• l’épissage des introns,
• la maturation de l’extrémité 3′ et la polyadénylation.

b. Ces processus sont coordonnés en grande partie par le domaine CTD (C-terminal domain) de l’ARN polymérase II, qui sert de plateforme de recrutement dynamique pour de nombreux complexes de maturation des ARN.

Organisation spatiale de la transcription

1. La transcription nucléaire n’est pas distribuée uniformément dans le noyau mais organisée en domaines fonctionnels associés à la chromatine active et à l’architecture tridimensionnelle du génome.

a. L’ARN polymérase I est principalement concentrée dans le nucléole au niveau des régions organisatrices nucléolaires (NOR) portées chez l’Homme par les chromosomes acrocentriques 13, 14, 15, 21 et 22.

b. L'ARN polymérase II est distribuée dans le nucléoplasme, avec des enrichissements transitoires au niveau des loci transcriptionnellement actifs, regroupements dynamiques enrichis en ARN polymérase II, facteurs de transcription, coactivateurs et pré-ARNm non finalisé.

Ces regroupements sont parfois désignés sous les termes de transcription factories, hubs transcriptionnels ou condensats transcriptionnels, bien qu’ils ne correspondent pas nécessairement à des organites nucléaires stables morphologiquement individualisés.

c. L'ARN polymérase III nucléoplasmique est associée à des gènes dispersés dans le génome, notamment ceux codant les ARN de transfert (ARNt) et l’ARNr 5S.

2. L’organisation spatiale de la transcription dépend étroitement :

• des territoires chromosomiques,
• des domaines TAD (Topologically Associating Domains),
• des compartiments chromatinien A et B,
• des interactions entre enhancers et promoteurs,
• de l’état de compaction de la chromatine.

3. Contrairement aux speckles, PML bodies ou nuclear stress bodies, les regroupements transcriptionnels enrichis en ARN polymérases ne constituent pas des corps nucléaires stables possédant une architecture autonome clairement délimitée car ils :

• dépendent étroitement de l’activité transcriptionnelle et de la dynamique de la chromatine,
• correspondent principalement à des concentrations locales transitoires de complexes transcriptionnels,
• ne possèdent pas de composant structural central équivalent à la protéine PML des PML bodies ou ou aux ARN architecturaux impliqués dans l’organisation de certains corps nucléaires spécialisés comme les paraspeckles ou les nucléoles.

Mécanisme de la transcription