La transcription est la copie d'un segment d'ADN en ARN : c'est la première étape de l'expression des gènes et le principal point de contrôle de cette expression. Ce chapitre suit le processus de l'initiation à la terminaison, chez les procaryotes puis les eucaryotes, et détaille la maturation de l'ARN pré-messager. Les questions d'examen portent surtout sur les séquences consensus, les trois ARN polymérases eucaryotes et l'épissage.
1. Généralités et unité de transcription
Seules certaines portions de l'ADN, les gènes, sont transcrites, et pour un gène donné un seul des deux brins est copié : le brin matrice (ou brin transcrit, brin non codant), lu de 3' vers 5'. L'ARN synthétisé, de polarité 5'→3', a donc la même séquence que le brin non transcrit (dit brin codant ou brin sens), à ceci près que l'uracile remplace la thymine. On appelle unité de transcription la portion d'ADN copiée en une seule molécule d'ARN. Elle est monocistronique chez les eucaryotes — un ARNm, une chaîne polypeptidique — et souvent polycistronique chez les procaryotes, un même ARNm portant plusieurs cistrons traduits en autant de protéines.
La réaction est catalysée par une ARN polymérase ADN-dépendante, qui nécessite la matrice d'ADN, les quatre ribonucléoside triphosphates et des ions Mg2+. Contrairement aux ADN polymérases, elle n'a pas besoin d'amorce : elle initie seule la chaîne, dont le premier nucléotide en 5' est habituellement une purine. En contrepartie, elle est dépourvue d'activité de relecture, ce qui rend la transcription moins fidèle que la réplication — conséquence sans gravité, puisque les transcrits sont nombreux et transitoires.
2. La transcription chez les procaryotes
Les bactéries ne possèdent qu'une seule ARN polymérase pour tous les types d'ARN. L'enzyme complète (holoenzyme) associe un cœur catalytique multimérique et un facteur sigma (σ) qui lui confère la capacité de reconnaître les promoteurs. Le promoteur est la région située en amont du site d'initiation ; il contient deux séquences consensus : la boîte de Pribnow ou TATA box, riche en T et A, en position -10, et la séquence TTGACA en position -35. Une fois l'ARN polymérase fixée et le complexe ouvert formé, le facteur σ se détache et l'élongation commence.
La terminaison emprunte deux voies. La terminaison Rho-indépendante repose sur une séquence transcrite riche en G-C capable de former une structure secondaire en épingle à cheveux, suivie d'une série d'uraciles : l'épingle bloque la progression de l'enzyme et les appariements A-U, faibles, laissent l'ARN se détacher. La terminaison Rho-dépendante fait intervenir la protéine Rho, une hélicase ARN-ADN ATP-dépendante, qui remonte le transcrit et dissocie le complexe d'élongation. Chez les bactéries, transcription et traduction ont lieu dans le même compartiment et sont souvent couplées : les ribosomes se fixent sur l'ARNm en cours de synthèse.
3. La transcription chez les eucaryotes : trois polymérases
Les eucaryotes disposent de trois ARN polymérases nucléaires aux rôles distincts. L'ARN polymérase I, nucléolaire, transcrit les grands ARN ribosomiques (28S, 18S et 5,8S) ; l'ARN polymérase II transcrit tous les ARN messagers ainsi que la plupart des petits ARN nucléaires ; l'ARN polymérase III transcrit les ARN de transfert et l'ARNr 5S. Elles se distinguent par leur sensibilité à l'α-amanitine, toxine de l'amanite phalloïde : la polymérase II y est très sensible, la III modérément, la I insensible — un classique de QCM.
Aucune de ces enzymes ne reconnaît seule son promoteur : l'initiation exige des facteurs généraux de transcription (TFIIA, TFIIB, TFIID…). Pour la polymérase II, le promoteur proximal comporte souvent une boîte TATA située une trentaine de nucléotides en amont du site d'initiation, reconnue par la protéine TBP du complexe TFIID, ainsi que des éléments comme la boîte CAAT et la boîte GC. À distance agissent des séquences régulatrices, activatrices (enhancers) ou inhibitrices (silencers), sur lesquelles se fixent des facteurs spécifiques de tissu : c'est ce dispositif qui rend possible la transcription différentielle des gènes selon le type cellulaire et le stade de développement.
4. La maturation de l'ARN pré-messager
Chez les eucaryotes, le produit direct de la transcription est un ARN pré-messager (transcrit primaire) qui doit être maturé dans le noyau avant d'être exporté. Trois modifications se succèdent. L'ajout d'une coiffe (capping) intervient très tôt, dès que le transcrit atteint une vingtaine à une trentaine de nucléotides : une 7-méthylguanosine est fixée sur le premier nucléotide par une liaison phosphodiester particulière 5'-5'. Puis, après clivage en aval d'un signal de polyadénylation, une queue poly-A de l'ordre de 50 à 250 adénines est ajoutée en 3' par la poly-A polymérase. Coiffe et queue poly-A protègent l'ARNm des exonucléases, favorisent son export et son initiation de traduction. Les ARNm codant les histones font exception : ils ne sont pas polyadénylés.
La troisième modification est l'épissage : les séquences non codantes, les introns, sont excisées et les exons sont réunis bout à bout. La réaction est catalysée par le spliceosome, complexe de petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP), qui reconnaît les sites d'épissage : la plupart des introns commencent par GU et finissent par AG (règle GU-AG), et un point de branchement interne permet la formation d'un intermédiaire en lasso. L'épissage alternatif, qui combine différemment les exons d'un même transcrit, permet à un seul gène de coder plusieurs protéines et explique en partie l'écart entre le nombre de gènes et la diversité protéique.
Excision des introns et raboutage des exons d'un ARN pré-messager par le spliceosome, produisant un ARN messager mature exportable vers le cytoplasme.
5. Comparer procaryotes et eucaryotes
Chez les procaryotes, la transcription se déroule dans le cytoplasme, l'ARNm est directement traduisible, souvent polycistronique, sans coiffe ni queue poly-A ni introns, et sa demi-vie se compte en minutes. Chez les eucaryotes, la transcription est nucléaire et séparée dans l'espace et le temps de la traduction cytoplasmique : le transcrit doit être maturé puis exporté par les pores nucléaires. Cette séparation crée des niveaux de régulation supplémentaires — choix du site d'épissage, stabilité de l'ARNm, export contrôlé — absents chez les bactéries.
| Critère | Procaryotes | Eucaryotes |
|---|---|---|
| Lieu | Cytoplasme | Noyau |
| ARN polymérases | Une seule (+ facteur σ) | Trois (I, II, III) |
| Promoteur | -10 (TATA/Pribnow) et -35 (TTGACA) | Boîte TATA ≈ -30, CAAT, GC, enhancers |
| ARNm | Souvent polycistronique | Toujours monocistronique |
| Maturation | Quasi absente | Coiffe, queue poly-A, épissage |
| Couplage traduction | Oui, simultané | Non, séparé |
Transcription : procaryotes et eucaryotes
- Un seul brin est transcrit : le brin matrice, lu 3'→5' ; l'ARN produit a la séquence du brin non transcrit avec U au lieu de T.
- L'ARN polymérase n'a pas besoin d'amorce et ne relit pas ; elle exige la matrice, les NTP et le Mg²⁺.
- Procaryotes : une ARN polymérase, facteur σ, promoteur -10 (TATAAT) et -35 (TTGACA).
- Terminaison Rho-indépendante (épingle à cheveux riche en G-C + poly-U) ou Rho-dépendante (hélicase ATP-dépendante).
- Eucaryotes : pol I → ARNr 28S/18S/5,8S, pol II → ARNm (sensible à l'α-amanitine), pol III → ARNt et ARNr 5S.
- Maturation : coiffe 7-méthylguanosine en 5' (liaison 5'-5'), queue poly-A de 50 à 250 A en 3', épissage GU-AG par le spliceosome.
Les sujets marocains demandent régulièrement un tableau comparatif transcription procaryote / eucaryote, la description des séquences consensus du promoteur bactérien avec leurs positions, ou un schéma de maturation de l'ARNm. Piège classique : la confusion des dénominations « brin codant » et « brin matrice » — précise toujours ta convention avant de répondre. Autre erreur fréquente : dire que la coiffe est ajoutée après la fin de la transcription, alors qu'elle est co-transcriptionnelle. Retiens enfin le couple α-amanitine / ARN polymérase II, très prisé en QCM.