L'expression génique, encore appelée expression génétique ou expression des gènes, désigne l'ensemble des processus biochimiques par lesquels l'information héréditaire stockée dans un gène est lue pour aboutir à la fabrication de molécules qui auront un rôle actif dans le fonctionnement cellulaire, comme les protéines ou les ARN.
Même si toutes les cellules d'un organisme partagent le même génome, certains gènes ne sont exprimés que dans certaines cellules, à certaines périodes de la vie de l'organisme ou sous certaines conditions. La régulation de l'expression génétique est donc le mécanisme fondamental permettant la différenciation cellulaire, la morphogenèse et l'adaptabilité d'un organisme vivant à son environnement. Les multiples mécanismes moléculaires épigénétiques qui permettent cette régulation interviennent à toutes les étapes du décodage de l'ADN : depuis la condensation de la chromatine, la méthylation de l'ADN, la transcription de l'ADN en ARNm, le transport et la dégradation de ce dernier, la traduction de l'ARNm en protéine jusqu'à la phase de modification post-traductionnelle de la protéine codée par ledit gène.
À l'inverse, il existe des gènes qui sont exprimés de façon à peu près identique dans toutes les cellules d'un organisme, quelles que soient les conditions, on les dénomme « gènes constitutifs » ou encore « gènes ménagers » (housekeeping genes en anglais).
On peut utiliser des gènes rapporteurs pour étudier cette régulation des gènes.
Mécanismes À l'échelle moléculaire Transcription
La transcription est le mécanisme cellulaire permettant de recopier un gène, présent sur l’ADN génomique, en molécule d’ARN. L’ADN génomique étant constitué de deux brins complémentaires antiparallèles, l’un de ces brins sera utilisé comme brin transcrit et le second comme brin codant lors de la transcription. L’ARN transcrit sera en tout point identique au brin codant à l’exception qu’il sera composé d’acide ribonucléique à la place d’acide désoxyribonucléique et que la thymine (T) sera remplacée par l’uracile (U).
La transcription se passe dans le cytoplasme chez les procaryotes et dans le noyau chez les eucaryotes. Elle débute chez les procaryotes lorsque la sous-unité σ de la polymérase reconnait la boite de Pribnow [TATAAT], se fixe sur l’ADN et recrute les autres sous-unité de la polymérase. Chez les eucaryotes, pour amorcer la transcription, un ensemble de protéines appelées facteur de transcription doit reconnaitre le promoteur du gène afin de recruter la polymérase. Lorsque les étapes d’initiation sont terminées, la polymérase va synthétiser le brin d’ARN à une vitesse d’environ 40 nucléotides par seconde chez les eucaryotes. L’élongation se poursuit jusqu’à ce que la polymérase atteigne le signal de terminaison qui diffère entre les procaryotes et les eucaryotes. Chez les procaryotes, le terminateur est composé de séquence d’ADN riche en liaisons G-C qui forme des 3 liaisons hydrogène ce qui ralentit la progression de l’ARN polymérase. D’autre part, la formation d’une boucle en épingle à cheveux entre 2 régions complémentaire de l’ARN bloque la polymérase et un facteur de terminaison libère la molécule d’ARN, qui ne requiert aucune modification pour être traduite. Chez les eucaryotes, la terminaison est assurée par un signal de polyadénylation (AAUAAA). L’ARN polymérase II ajoutera de 10 à 35 nucléotides supplémentaires après la fin du signal et des protéines associées au transcrit en croissance séparent celui-ci de la polymérase. La transcription terminée, l’ARN pré-messagé obtenu devra subir des étapes de maturation avant d’être traduit en protéine.
L'ARN polymérase ne possède pas d’activité exonucléase lui permettant de corriger les erreurs qui surviennent. De plus, l’ARN polymérase n’a pas besoin d’une amorce comme point de départ pour commencer à polymériser l’ARN. Chez les eucaryotes, il existe trois types d’ARN polymérase : l’ARN polymérase I qui est responsable de la synthèse de l’ARN ribosomique, l’ARN polymérase II qui transcrit l’ADN en ARN pré-messager et l’ARN polymérase III responsable de la production des ARN courts comme les ARN de transferts, les petits ARN nucléaires et l’ARN ribosomique 5S. Contrairement aux eucaryotes, les procaryotes possèdent un seul type d’ARN polymérase permettant la synthèse de tous les types d’ARN.
La production de la copie d’ARN à partir de l’ADN est effectuée par l’ARN polymérase, qui ajoute les nucléotides d’ARN l’un après l’autre, en utilisant le brin transcrit comme modèle, en respectant l’appariement entre les bases azotées (la guanine avec la cytosine et l’adénine avec la thymine ou l’uracile). Tout comme l’ADN polymérase, l’ARN polymérase lit le brin transcrit de l’extrémité 3' à l’extrémité 5' et synthétise le brin d’ARN de l’extrémité 5' à l’extrémité 3'. L'ARN est d'abord modifié à son extrémité 5', afin d'y ajouter une coiffe méthylguanosine. Cette coiffe a plusieurs rôles, mais on retiendra surtout qu'elle empêche l'action de ribonucléase sur celui-ci, en plus de faciliter son export vers le cytoplasme et le recrutement de ribosomes. Ensuite, il est modifié à son extrémité 3', où une queue poly-A (adénine) y est ajoutée, afin qu'elle aussi puisse faciliter l'export de l'ARN en dehors du noyau.
Le produit final obtenu après toutes ces opérations est l'ARN messager, ou ARNm.
La traduction Une fois l'ARN messager mature, il est exporté en dehors du noyau, afin de recruter les ribosomes et procéder à la traduction. thumb|La table des codons. Chaque codon code un seul acide aminé, mais plusieurs codons peuvent coder le même acide aminé. Le code génétique est donc redondant. En effet, il existe 4 types de bases azotées : A, T (ou U dans l'ARN), G et C. Les nucléotides sont donc lus par groupes de 3, les codons. Chaque codon code un acide aminé, ou permet d'initier ou stopper la traduction.
Une fois que le ribosome est venu s'installer sur le brin d'ARNm, il va parcourir celui-ci jusqu'à trouver le premier codon AUG qui permet de démarrer la traduction. Le ribosome va ensuite lire chaque codon, qui se traduira par la production d'un acide aminé. On obtient ainsi la production d'une chaîne d'acides aminés, autrement dit d'une protéine. La traduction prend fin lorsque le ribosome rencontre un codon stop.
Ainsi, à la fin de ce processus, nous obtenons un produit fonctionnel du gène : une protéine.
Les cascades de gènes Comme nous venons de le mentionner, le but de la traduction est de produire le produit final fonctionnel d'un gène. Ce produit, une protéine, peut dans certains cas être un facteur de transcription servant à transcrire un autre gène. Une fois transcrit, ce gène peut lui aussi produire le même genre de produit pour aller transcrire un autre gène et ainsi de suite, jusqu'à transcrire un gène qui produira une protéine final ayant un autre butComparative studies of gene expression and the evolution of gene regulation, Irene Gallego Romero, Ilya Ruvinsky, Yoav Gilad. On parle dans ce cas de cascade de gènes.
À plus grande échelle Les allèles Le locus d'un gène ne change pas d'une personne à l'autre. Cependant, chez une même personne, il peut exister deux versions différentes d'un même gène sur le même chromosome, autrement dit, une version différente sur chaque chromatide. Cela s'appelle un allèle. L'allèle est donc une version du gène, et il peut en exister plusieurs. Ainsi, le gène étant un caractère héréditaire, chacun des parents peut nous avoir transmis des allèles différents pour un même gène - l'hétérozygotie, ou alors le même allèle - l'homozygotie.
L'homozygotie et l'hétérozygotie sont deux conditions qui jouent un grand rôle dans l'expression des gènes. Pourquoi ? Parce qu'il existe ce qu'on appelle le phénomène de dominance de l'allèle.
Lorsqu'un individu est hétérozygote, et donc qu'il possède deux versions différentes d'un même gène, et qu'un seul de ces allèles est exprimé, on dit de cet allèle qu'il est dominant. À l'inverse, on dit de l'allèle non exprimé qu'il est récessif. Ainsi, un allèle dominant n'a besoin d'être présent qu'en un seul exemplaire pour être exprimé, tandis que l'individu doit être homozygote pour l'allèle récessif afin qu'il s'exprime.
Cependant, il existe d'autres concepts que la simple dominance.
Pour la suite des concepts, nous croisons deux parents homozygotes, respectivement pour l'allèle dominant produisant un phénotype spécifique et l'autre pour l'allèle récessif, produisant un phénotype différent. thumb|Un exemple de dominance incomplète Il existe ce qu'on appelle la dominance incomplète. Lors de cette situation, la génération hétérozygote obtenue à partir de ce croisement présente un phénotype intermédiaire. Ce n'est ni le phénotype dominant, ni le phénotype récessif, mais plutôt un phénotype entre les deux. thumb|Ici nous pouvons voir un exemple de co-dominance Il y a aussi ce que l'on appelle la co-dominance. Dans cette situation, la génération fille obtenue exprime les deux phénotypes, plutôt qu'un phénotype intermédiaire. L'exemple par excellence est celui du groupe sanguin d'un individu. Dans ce cas il existe 3 allèles : A, B et o. Les allèles A et B sont des allèles dominants, car dans le cas d'hétérozygotes A/o ou B/o, seul l'allèle A ou B est exprimé. Cependant, pour des hétérozygotes A/B, les deux allèles seront exprimés, il n'y aucune dominance sur l'autre.
Les changements survenant dans l'expression des gènes
Les mutations ponctuelles thumb|Nous observons sur cette image des globules rouges normaux, et les globules rouges mutants Lors de la traduction, les nucléotides sont lus par groupe de trois, permettant la synthèse d'un acide aminé correspondant. Cependant il est possible que le brin matrice d'ADN ait été endommagé avant la transcription. Il existe quatre types de mutations ponctuelles : transition, transversion, insertion et délétion. La transversion et la transition consistent au remplacement d'un nucléotide par un autre. Ce genre de mutation peut ne rien changer, comme avoir un impact important sur le corps. En effet, le code génétique étant redondant, il existe plusieurs combinaisons possibles pour un même acide aminé. Ainsi, la mutation survenue peut mener à la synthèse du même acide aminé de départ. En revanche, dans le cas contraire, l'acide aminé synthétisé peut être différent, altérant de cette façon la protéine produite. C'est le cas par exemple dans le cas de la drépanocytose. La chaîne alpha de l'hémoglobine est normale, tandis la chaîne bêta est modifiée en une position : l'acide aminé valine est remplacé par la glutamine. Le résultat est que le globule rouge est déformé, prenant une forme de faucille allongée, pouvant mener à de graves problèmes vasculaires.
En ce qui concerne les insertions et les délétions, ce sont des mutations entraînant de graves modifications dans la structure de la protéine finale, dans la mesure où le cadre de lecture est complètement décalé.
L'épissage alternatif Lors de la maturation des ARNm, on passe par l'étape de l'épissage. Durant cette étape, une fois que les introns ont été clivés, les exons sont recollés ensemble, mais leur ordre peut être altéré. On parle alors d’épissage alternatif. Grâce à cela, un seul gène peut permettre la synthèse de plusieurs protéines différentes.
Hétérotopie, hétérotypie, hétérochronie thumb|Nous remarquons ici que le gène responsable du développement des pattes est exprimé à la place des antennes