L'excision et l'épissage des ARN pré-messagers

Chez les eucaryotes, l'ARN synthétisé à partir d'un gène n'est pas encore l'ARN messager qui sera traduit : des régions entières en sont retirées avant qu'il ne quitte le noyau. Ce tri n'est pas toujours opéré de la même façon sur un même ARN pré-messager, et un seul gène peut alors être à l'origine de plusieurs protéines différentes. Après le mécanisme lui-même, trois exemples précisent ce qui commande le choix des régions conservées. Le premier montre un choix qui dépend du type de cellule, le deuxième un choix qui dépend d'une condition du milieu, le troisième montre jusqu'où cette diversification peut aller.

1Le mécanisme : d'un ARN pré-messager à un ARN messager

Un gène et l'ARN messager qui en provient n'ont pas la même longueur. Que devient la partie manquante ?

La transcription d'un gène produit une molécule d'ARN qui a la longueur du gène transcrit : c'est l'ARN pré-messager. Cette molécule n'est pas exportée telle quelle vers le cytoplasme. Elle perd des régions entières, les introns, tandis que les régions conservées, les exons, sont liées les unes aux autres. L'élimination des introns porte le nom d'excision, et la liaison des exons entre eux celui d'épissage. La molécule qui en résulte est l'ARN messager, seule forme exportée vers le cytoplasme et seule forme traduite.

L'écart de longueur entre les deux molécules n'a rien de marginal. Le gène DMD, qui code la dystrophine et qui est le plus long du génome humain, s'étend sur 2,4 millions de paires de nucléotides et comporte 79 exons ; l'ARN messager qui en provient compte environ 14 000 nucléotides. Plus de 99 % de ce qui a été transcrit est donc éliminé avant la traduction.

Comment on l'a su

En 1977, deux équipes hybrident l'ARN messager d'un adénovirus avec le brin d'ADN qui lui correspond, puis observent la molécule obtenue au microscope électronique. Si le gène et son ARN messager avaient la même longueur, l'appariement serait continu sur toute la longueur. Or l'ADN forme des boucles : des régions du gène ne trouvent aucune correspondance dans l'ARN messager et se replient en excès. Le gène n'est donc pas d'un seul tenant, et l'ARN messager n'en reprend qu'une partie.

Cette observation vaudra à P. Sharp et R. Roberts le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1993.

Reste à savoir où l'ARN est coupé. Les bornes d'un intron sont marquées dans la séquence elle-même : dans la très grande majorité des cas, un intron commence par les nucléotides GU et se termine par les nucléotides AG. Ces deux repères, associés à d'autres signaux portés par l'intron et par les exons voisins, délimitent la région à retirer.

L'ordre réel des choses. La figure présente la transcription, l'excision-épissage et la sortie du noyau comme trois moments successifs, ce qui les rend lisibles. Sur la molécule réelle, ils se recouvrent. L'épissage des premiers introns est engagé alors que l'ARN polymérase transcrit encore les derniers exons, et il s'achève, pour une partie des introns, après que la molécule s'est détachée du gène, pendant qu'elle se déplace dans le noyau. Le franchissement du pore nucléaire est en revanche subordonné à l'achèvement de l'épissage : un transcrit dont il reste un intron est activement retenu dans le noyau, ce qui empêche la traduction d'une protéine incomplète.

Étape 1 sur 7

un exon, conservé dans l'ARN messager un intron, éliminé lors de l'excision l'ADN du gène Les longueurs des exons et des introns sont, sur cette figure seulement, dans un rapport comparable à celui d'un gène humain ordinaire.

2Un même gène, deux hormones : la calcitonine et le CGRP

Si les régions conservées ne sont pas les mêmes d'une cellule à l'autre, que devient la protéine obtenue ?

Le gène CALCA, porté par le chromosome 11 de l'espèce humaine, comporte six exons. Il est transcrit dans deux catégories de cellules sans rapport l'une avec l'autre, les cellules C de la thyroïde, disséminées entre les follicules thyroïdiens, et certains neurones, en particulier ceux des ganglions rachidiens. Dans les deux cas la transcription porte sur le même gène et produit le même ARN pré-messager. Ce sont les régions conservées qui diffèrent.

Dans une cellule C, l'ARN messager obtenu contient les exons 1, 2, 3 et 4 ; la molécule se termine à l'exon 4 et les exons 5 et 6 n'y figurent pas. La protéine traduite est un précurseur, dont la maturation libère la calcitonine, peptide de 32 acides aminés qui abaisse la calcémie en freinant la résorption du tissu osseux. Dans un neurone, l'exon 4 est éliminé au même titre que les introns : l'exon 3 est lié à l'exon 5 et la molécule se poursuit jusqu'à l'exon 6. Le précurseur traduit libère cette fois le CGRP, peptide de 37 acides aminés, l'un des vasodilatateurs les plus puissants connus, dont le blocage constitue aujourd'hui un traitement de fond de la migraine.

Ce que deviennent les six exons du gène CALCA selon la cellule
	Cellule C de la thyroïde	Neurone
Exons conservés	1 - 2 - 3 - 4	1 - 2 - 3 - 5 - 6
Sort de l'exon 4	conservé	éliminé
Peptide libéré	calcitonine	CGRP
Longueur du peptide	32 acides aminés	37 acides aminés
Effet	abaisse la calcémie	dilate les vaisseaux

Une précision sur le mécanisme. Le choix ne porte pas uniquement sur l'épissage. Le site où la transcription se termine et où l'ARN reçoit sa terminaison n'est pas le même dans les deux cellules : il se situe après l'exon 4 dans une cellule C, après l'exon 6 dans un neurone. Les deux décisions, celle de la terminaison et celle de l'épissage, sont prises ensemble sur la même molécule.

Étape 1 sur 7

un exon conservé dans les deux cellules un exon dont le sort change d'une cellule à l'autre un intron le peptide libéré

3La température commande l'épissage : le gène FLM de l'arabette

Le type de cellule n'est pas le seul déterminant. Comment une condition du milieu peut-elle, à elle seule, déplacer le choix des exons ?

L'arabette des dames, Arabidopsis thaliana, fleurit d'autant plus tôt que la température à laquelle elle est cultivée est élevée. Des plantes de même génotype, semées le même jour, fleurissent nettement plus tôt à 27 °C qu'à 16 °C. Ce n'est pas ici un tissu qui diffère d'un cas à l'autre : ce sont les mêmes cellules du même méristème, dans deux milieux différents.

Le gène FLM, pour FLOWERING LOCUS M, code un répresseur de la floraison. Son ARN pré-messager n'est pas épissé d'une seule manière : deux formes sont majoritaires et se distinguent par un seul exon. La forme nommée FLM-bêta conserve l'exon 2 et code le répresseur ; celui-ci s'associe à une seconde protéine, SVP, et le complexe formé se fixe sur l'ADN pour empêcher l'expression des gènes qui déclenchent la floraison. La forme nommée FLM-delta conserve l'exon 3 à la place de l'exon 2 et ne code pas de répresseur fonctionnel.

Quand la température s'élève, la proportion des ARN messagers conservant l'exon 2 diminue au profit de formes qui ne codent pas le répresseur, dont FLM-delta ; plusieurs de ces formes sont par ailleurs dégradées rapidement. La quantité de répresseur FLM-bêta disponible chute donc, les gènes de la floraison cessent d'être réprimés, et la plante fleurit plus tôt. Le génotype n'a pas changé, le type cellulaire non plus : une variable physique du milieu suffit à déplacer le résultat de l'épissage.

Ce qui est établi et ce qui est discuté. La diminution de FLM-bêta lorsque la température s'élève, et l'avancée de la floraison qui en résulte, sont établies. Le rôle propre de FLM-delta l'est moins : le modèle proposé en 2013 lui attribue une action opposée à celle de FLM-bêta, la protéine FLM-delta s'associant à SVP pour former un complexe incapable de se fixer sur l'ADN. Des travaux publiés en 2016 attribuent au contraire l'essentiel de l'effet à la seule diminution de FLM-bêta, les autres formes n'étant que des produits dégradés. La figure s'en tient à ce que les deux modèles partagent.

Un lien avec la phénologie. Ce mécanisme est l'un de ceux par lesquels une plante ajuste sa date de floraison à la température de la saison. Il rend compte, à l'échelle moléculaire, de l'avancée des dates de floraison enregistrée dans les relevés phénologiques à mesure que les températures printanières s'élèvent.

Étape 1 sur 6

un exon conservé dans les deux cas l'exon 2 ou l'exon 3, dont le choix dépend de la température un intron la protéine obtenue

4Un seul gène, 38 016 protéines : le gène Dscam de la drosophile

Jusqu'où l'épissage peut-il diversifier les protéines issues d'un seul gène ?

Chez la drosophile, le gène Dscam1 compte vingt-quatre positions d'exons. Quatre d'entre elles ne sont pas occupées par un exon unique, mais par une série d'exons interchangeables placés les uns à la suite des autres dans le gène : la quatrième position dispose de 12 exons possibles, la sixième de 48, la neuvième de 33 et la dix-septième de 2. L'épissage n'en retient qu'un seul par série, tous les autres étant éliminés avec les introns. Ces exons sont dits mutuellement exclusifs.

Chaque ARN messager porte donc une combinaison de quatre exons, un par série. Le nombre de combinaisons possibles est le produit du nombre d'exons de chaque série :

12 × 48 × 33 × 2 = 38 016 ARN messagers différents à partir d'un seul gène

Le génome de la drosophile compte environ 14 000 gènes. Ce seul gène peut donc être à l'origine de près de trois fois plus de protéines différentes que le génome entier ne compte de gènes. Le nombre de gènes d'un organisme ne fixe donc pas le nombre de protéines qu'il peut produire.

À quoi sert cette diversité

La protéine Dscam1 est un récepteur porté par la membrane des neurones. Deux prolongements qui portent la même combinaison se reconnaissent et se repoussent. Chaque neurone n'exprimant qu'un petit ensemble de combinaisons, différent d'un neurone à l'autre, les ramifications d'un même neurone s'évitent les unes les autres et se répartissent dans l'espace, alors que les ramifications de neurones voisins, porteuses de combinaisons différentes, peuvent se croiser sans se repousser. La combinaison retenue lors de l'épissage tient donc lieu de marqueur d'identité pour le neurone qui la porte.

Étape 1 sur 6

un exon présent dans tous les ARN messagers un exon retenu dans sa série un exon de la série qui n'a pas été retenu, éliminé