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 gèneLes 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