Expression de l'information génétique

1. On apparie chaque base du brin transcrit : TAC donne AUG, CGA donne GCU, GTG donne CAC, ACC donne UGG, TTT donne AAA, ATC donne UAG. ARNm : 5'-AUGGCUCACUGGAAAUAG-3'.

2. Le brin non transcrit est complémentaire du brin transcrit : 5'-ATGGCTCACTGGAAATAG-3'. Il a la même séquence que l'ARNm, avec T à la place de U (AUGGCU... pour l'ARNm, ATGGCT... pour le brin non transcrit). Il n'est pas lu par l'ARN polymérase, mais on l'appelle brin codant parce qu'il a la même séquence que le message.

3. L'ARNm compte 18 nucléotides, soit $\frac{18}{3} = 6$ codons : AUG, GCU, CAC, UGG, AAA, UAG.

1. L'ARNm commence par AUG. Codons : AUG, GGU, AAC, CUU, GAA, UGC, UAA. Acides aminés : Met, Gly, Asn, Leu, Glu, Cys, puis stop. Polypeptide : Met - Gly - Asn - Leu - Glu - Cys (6 acides aminés).

2. L'anticodon est complémentaire du codon (écrit en face, de 3' vers 5') : AUG appelle UAC ; GGU appelle CCA ; AAC appelle UUG.

3. UAA est un codon stop : aucun ARNt n'a d'anticodon complémentaire. Le ribosome s'arrête et le polypeptide est libéré.

1. Un gène est une portion d'ADN contenant l'information pour fabriquer un polypeptide. Un codon est un triplet de nucléotides de l'ARNm qui code un acide aminé (ou un arrêt). Un anticodon est le triplet de nucléotides d'un ARNt, complémentaire d'un codon.

2. Il faut coder 20 acides aminés avec 4 nucléotides. Avec 1 nucléotide : $4^1 = 4$ possibilités ; avec 2 : $4^2 = 16$, toujours inférieur à 20 ; avec 3 : $4^3 = 64 \geq 20$. Il faut donc au moins 3 nucléotides par codon.

3. Le code est dégénéré (plusieurs codons pour un acide aminé), non ambigu (un codon, un seul acide aminé), sans chevauchement ni ponctuation, et quasi universel.

4.

1. 212 codons pour les acides aminés, plus 1 codon stop : $3 \times (212 + 1) = 639$ nucléotides.

2. Chaque nucléotide de l'ARNm est copié d'un nucléotide du brin transcrit, lui-même apparié à un nucléotide du brin non transcrit. Sans intron, la région codante du gène compte donc autant de paires de nucléotides que l'ARNm de nucléotides : 639 paires.

3. Pour $n$ acides aminés, il y a $n - 1$ liaisons : $212 - 1 = 211$.

4. Il y a un appariement par codon traduit, donc 212 (le codon stop n'est pas lu par un ARNt).

5. D'après le code, Leu a 6 codons, Ser a 6 codons et Arg a 6 codons : $6 \times 6 \times 6 = 216$ séquences possibles. Met a 1 codon, Trp a 1 codon et Lys a 2 codons : $1 \times 1 \times 2 = 2$ séquences possibles. C'est la dégénérescence du code.

1. L'uridine contient la base uracile, qui existe dans l'ARN mais pas dans l'ADN (qui contient de la thymine). La radioactivité marque donc uniquement l'ARN synthétisé.

2. Juste après le marquage, 94 % de la radioactivité est dans le noyau et 6 % dans le cytoplasme. La proportion nucléaire diminue ensuite (71 % à 30 min, 45 % à 60 min, 7 % à 240 min) alors que la proportion cytoplasmique augmente jusqu'à 93 %. Après le rinçage, le milieu ne contient plus d'uridine radioactive : la radioactivité qui apparaît dans le cytoplasme provient donc d'ARN déjà fabriqué dans le noyau. L'ARN est donc synthétisé dans le noyau (le marquage y apparaît d'abord) puis migre vers le cytoplasme, où a lieu la synthèse des protéines.

3. Dans la culture témoin, la synthèse de protéines reste constante (environ 100). Avec l'inhibiteur de l'ARN polymérase, elle diminue : 92 à 1 h, 61 à 3 h, 24 à 6 h. Sans transcription, il n'y a plus de nouvel ARNm et la synthèse des protéines chute. Elle ne tombe pas à zéro tout de suite car les ARNm déjà présents dans le cytoplasme continuent d'être traduits jusqu'à leur dégradation.

4. L'ARN messager est copié à partir de l'ADN dans le noyau, passe dans le cytoplasme et sert de modèle à la synthèse des protéines : c'est l'intermédiaire entre le gène (noyau) et la protéine (cytoplasme).

1. ARNm de N : 5'-AUGGCUCACUGGAAAUAG-3', soit AUG GCU CAC UGG AAA UAG. Polypeptide : Met - Ala - His - Trp - Lys (puis stop).

2.

3. M3 raccourcit la protéine à 3 acides aminés au lieu de 5 : elle sera très probablement non fonctionnelle. M4 modifie tous les acides aminés après l'insertion et le codon stop d'origine n'est plus lu dans le bon cadre : la protéine est très probablement non fonctionnelle. M1 est la seule qui ne change sûrement pas la protéine. M2 et M5 modifient (ou retirent) un acide aminé : l'effet dépend de l'importance de cet acide aminé pour la fonction.

1. HbA : ARNm 5'-ACU CCU GAG GAG AAG-3', polypeptide Thr - Pro - Glu - Glu - Lys. HbS : ARNm 5'-ACU CCU GUG GAG AAG-3', polypeptide Thr - Pro - Val - Glu - Lys. La seule différence est au codon 6 : Glu dans HbA, Val dans HbS.

2. Dans le brin transcrit, CTC devient CAC : T remplacé par A. Sur le brin codant, GAG devient GTG. C'est une substitution d'un seul nucléotide, de type faux-sens : un acide aminé est changé (Glu devient Val).

3. La valine est hydrophobe et sans charge, alors que l'acide glutamique est chargé. Ce changement modifie les propriétés de surface de la chaîne : les molécules d'HbS peuvent s'associer entre elles quand l'oxygène manque et former des fibres, ce qui n'arrive pas avec l'HbA. Un seul acide aminé suffit donc à changer la fonction de la protéine.

4. Chez les individus HbA//HbS, 38 % de l'hémoglobine est de type S : les deux allèles sont exprimés (les deux types d'hémoglobine sont fabriqués). Le phénotype clinique est pourtant souvent normal car l'HbA présente suffit : au niveau de l'organisme, HbS se comporte comme un allèle récessif. Chez HbS//HbS, il n'y a presque que de l'HbS (91 %), les globules rouges se déforment (96 %) et la maladie apparaît.

5. Allèle HbS (substitution A en T au codon 6) → ARNm GUG au lieu de GAG → chaîne bêta avec Val au lieu de Glu → hémoglobine S, qui forme des fibres à faible teneur en oxygène → globules rouges en faucille, fragiles et qui bloquent les petits vaisseaux → anémie et crises douloureuses chez l'organisme HbS//HbS.

1. Avec 4 nucléotides, il y a $4^1 = 4$ codons de 1 nucléotide et $4^2 = 16$ codons de 2 nucléotides, ce qui est inférieur aux 20 acides aminés à coder. Avec 3 nucléotides, $4^3 = 64 \geq 20$ : les codons ont donc au moins 3 nucléotides.

2. D'après la question 1, les codons ont au moins 3 nucléotides ; on admet qu'ils en ont exactement 3 (la question 3 montre que c'est cohérent avec les résultats). L'ARN UUUU... est alors lu UUU UUU UUU : UUU code Phe. De même, AAA code Lys et CCC code Pro.

3. Pour UCUCUC... : un ribosome qui lit par triplets lit UCU CUC UCU CUC, soit deux triplets différents qui alternent : on obtient deux acides aminés alternés. Si les codons avaient 2 ou 4 nucléotides (un nombre pair), on lirait toujours le même codon (UC UC UC... ou UCUC UCUC...) et on n'obtiendrait qu'un seul acide aminé. L'alternance observée exige donc un nombre impair de nucléotides par codon, et d'après la question 1 le plus petit possible est 3 : elle est compatible avec des codons de 3 nucléotides. D'après le document 2 : UCU code Ser, CUC code Leu ; UGU code Cys, GUG code Val. Ces résultats sont cohérents avec le document 1 (Ser et Leu ; Cys et Val).

4. Plusieurs codons différents (UCU, UCC, UCA) codent le même acide aminé (Ser) : le code est dégénéré (ou redondant). Le fait que chaque trinucléotide ne retienne qu'un ARNt porteur d'un seul acide aminé illustre aussi son caractère non ambigu.

5. Il y a 64 codons, dont 3 codons stop : 61 codons codent 20 acides aminés, soit $\frac{61}{20} \approx 3{,}05$ codons par acide aminé en moyenne. Il y a donc bien en moyenne plusieurs codons par acide aminé : le code est dégénéré. Cette redondance rend certaines substitutions silencieuses.

1. Les deux séquences ne diffèrent qu'au troisième triplet : CTT dans N, ATT dans m. Le C est remplacé par un A : c'est une substitution d'un seul nucléotide.

2. Allèle N : ARNm 5'-AUG CCU GAA AAG UGG CAC-3', polypeptide Met - Pro - Glu - Lys - Trp - His. Allèle m : ARNm 5'-AUG CCU UAA AAG UGG CAC-3' ; le codon GAA devient UAA, un codon stop. Le polypeptide ne compte que 2 acides aminés : Met - Pro. C'est une mutation non-sens.

3. Avec l'allèle m, la traduction s'arrête très tôt : le polypeptide est trop court pour se replier en une enzyme active (activité de 1 %, donc quasi nulle). Sans enzyme active, la phénylalanine n'est plus transformée en tyrosine et s'accumule dans le sang (1 400 µmol/L contre 60 chez les sains).

4. Les individus N//m possèdent un allèle N fonctionnel qui produit l'enzyme : leur activité est de 48 %, suffisante pour maintenir la phénylalanine à un niveau presque normal (75 µmol/L). L'allèle m est donc récessif.

5. Comme la phénylalanine vient de l'alimentation, un régime pauvre en phénylalanine, mis en place dès la naissance, limite son accumulation et protège le cerveau en développement. D'où l'intérêt de dépister la maladie chez le nouveau-né.

6. Les parents N//m produisent des gamètes N et m, en proportions égales :

La probabilité d'avoir un enfant m//m est donc $\frac{1}{2} \times \frac{1}{2} = \frac{1}{4}$.