Le génome est un cahier de recettes à partir duquel les cellules mitonnent les protéines. Chaque gène est l'une de ces recettes. La biosynthèse d'unr protéine est un processus qui comporte deux phases, une phase qui se déroule dans le noyau, l'autre à l'extérieur.

La première phase est la phase de transcription de l'ADN du gène considéré en ARN. La seconde celle de biosynthèse proprement dite de la protéine en suivant la nomenclature inscrite dans le code génétique (aussi appelée phase de traduction). Cette phase est complétée par un processus de modification post-traductionnelle grâce auquel la protéine acquiert sa fonctionnalité définitive.

L'ensemble de ces deux phases contribue à ce que l'on appelle l'expression du gène. Cette expression n'est pas automatique. Elle peut être activée ou réprimée du fait de la présence de séquences d'ADN non codant à proximité du gène.

Transcription et épissage

Les gènes constituent la partie codante de l'ADN. Ils spécifient la composition de protéines sous la forme d'une liste d'acides aminés.

Remarque : il existe 22 acides aminés protéinogènes. 20 d’entre eux sont directement associés à un ou plusieurs codons (il y a redondance du code) tandis que 2 sont appelés indirectement par une séquence particulière de codons. Parmi ces 22, seuls 21 sont utilisés par les cellules eucaryotes. Le 22ème n’est utilisé que par les organismes méthanogènes..

L’expression d’un gène passe par la transcription du code qui définit celui-ci sous la forme d’une molécule d’ARN pré-messager. Cette transcription est réalisée par une enzyme, l’ARN polymérase qui écarte les brins de la molécule d’ADN et synthétise l’ARN pré-messager en miroir de l’un des brins à partir de nucléotides disponibles dans le nucléoplasme (liquide contenu dans le noyau). La transcription nécessite la présence en amont du gène d'une courte séquence de nucléotides, appelée promoteur, sur laquelle se fixe l'ARN polymérase.

Cette molécule d’ARN subit ensuite un processus d'épissage catalysé par un ensemble de complexes ribonucléoprotéiques appelé splicéosome. L'épissage se traduit par l'élimination de courts segments appelés introns. Les segments restants, les exons, sont raccordés entre eux. La molécule résultante est appelée ARN messager (ARNm). Cette molécule est ensuite envoyée à l’extérieur du noyau au travers d’un pore.

Note : se reporter aux posts sur les gènes et sur les codons pour en savoir plus sur le code génétique.

Synthèse des protéines et ribosomes

La synthèse des protéines se fait à la surface des ribosomes. Les ribosomes sont des ribonucléoprotéines, c’est-à-dire des complexes composés d’ARNr (ARN ribosomique) et de protéines situées sur le réticulum endoplasmique l'extérieur du noyau. Ces ribonucléoprotéines permettent de décoder les ARN messager qui viennent se fixer sur eux et de synthétiser les protéines correspondantes à partir d’acides aminés protéinogènes.

La synthèse de ces protéines se fait grâce à des ARNt (ARN de transfert) qui apportent au ribosome les acides aminés nécessaires sous forme d’aminoacyl ARNt. Il existe autant de familles d’ARNt que de types d’acides aminés (un même acide aminé pouvant être appelé par plusieurs codons différents, on parle de famille d'ARNt isoaccepteur). Ces ARNt se distinguent les uns des autres par une séquence d’acides nucléiques appelée anticodon qui est le miroir du codon caractérisant l’acide aminé porté par l’ARNt. Ainsi au codon UAG correspond l’anticodon AUC. C’est la présence de cet anticodon qui permettra l’ARNt de s’arrimer au ribosome lorsque celui-ci aura besoin de l’acide aminé qu’il porte dans son processus de synthèse de la protéine à partir de l’ARNm.

Une fois que l’acide aminé a été transféré au polypeptide en cours de synthèse, l’ARNt est libéré. Comment est-il rechargé en acide aminé ? L’opération se fait par le biais d’une enzyme, l’aminoacyl ARNt synthétase (il existe également autant de types d'aminoacyl ARNt synthétase que d'acides aminés). Dans un premier temps, l’enzyme catalyse la formation d’un aminoacyl adénylate à partir d’ATP et d’un acide aminé :

Nota : un acyle est un radical obtenu à partir d’un acide gras privé dont la fonction carboxyle est privée de son groupe hydroxyle (formule générique R-C(=O)-). Un aminoacyl est donc un acide aminé privé du groupe hydroxyle de sa fonction acide.

L’AMP est l’adénosine monophosphate et le pyrophosphate l’anion O₃P-O-PO₃^4- résultant de l’hydrolyse de l’ATP. L’adénylate est l’ion associé à l’AMP (aussi appelé acide adénylique). L’aminoacyl adénylate reste accroché à l’enzyme qui catalyse ensuite la formation d’aminoacyl ARNt et libère l’acide adénylique :

Ainsi rechargé, l’aminoacyl ARNt est à nouveau disponible pour transférer l’acide aminé qu’il transporte à un ribosome (ou plutôt à un polypeptide en cours de synthèse) si son anticodon est requis par celui-ci.

Le repliement des protéines, qui joue un rôle essentiel dans leur fonctionnalité, débute dès la phase de synthèse. Il est "aidé" par des protéines chaperons qui masquent les surfaces hydrophobes des édifices formés lors du repliement et interdisent ainsi certaines configurations. Certaines de ces protéines interviennent également pour stabiliser l'édifice en cas de stress environnemental. C'est ce qui leur a valu leur nom (HSP : heat shock protein).

Modification post-traductionnelle

Les protéines une fois générées subissent un processus de modification post-traductionnelle réalisé, la plupart du temps, dans l'appareil de Golgi. L'appareil de Golgi est un organite des cellules eucaryotes situé entre le réticulum endoplasmique et la membrane cellulaire. Il assure plusieurs fonctions dont les plus importantes sont :

• La modification post-traductionnelle des protéines produites au sein du réticulum endoplasmique (par glycosylation, phosphorylation, sulfatation, ajout d'acides gras...).
• La régulation de l'exocytose, c'est à dire le transport vers l'extérieur de la cellule de vésicules enrobant des protéines ou des complexes de protéines comme les immunoglobulines, qui associent des chaînes protéiques dites lourdes et des chaînes dites légères. 

Les modifications post-traductionnelles sont des transformations chimiques des protéines sous l'action d'enzymes spécifiques, transformations chimiques qui ont un impact direct sur leur fonction. Ces modifications peuvent être très diverses : acétylation, alkylation (et en particulier méthylation), glycosylation, hydroxylation, sulfatation, phosphorylation... A un niveau supérieur, les modifications post-traductionnelles peuvent se traduire par l'ajout de groupes peptidiques complets (ubiquitination par exemple) ou par la création de complexes par l'intermédiaire de ponts disulfures.

Nota : on appelle glycoprotéines les protéines associées à des polysaccharides par glycosylation. Les lipoprotéines sont des protéines associées à des acides gras. Les lipoprotéines sont connues du grand public au travers de l’analyse du LDL et du HDL (low density et high density lipoprotein). LDL et HDL sont deux composantes du cholestérol.

Expression des gènes et épigénétique

L'expression d'un gène (sa traduction en protéine) n'est pas automatique. Elle dépend tour d'abord de son accessibilité dans la chromatine. Seuls les gènes situés dans l’euchromatine, c'est à dire à l'écart des nucléosomes, ces nœuds denses autour desquels s'enroule la molécule d'ADN, sont correctement exprimés. L'expression dépend également de l'état des histones, des protéines qui participent à la compaction des molécules d'ADN. La présence d'enzymes appelées histones acétylases par exemple provoquent l'acétylation des histones, ce qui a pour effet de faciliter l'expression des gènes à proximité. A l'inverse, les histones désacétylases, capables de désacétyler les histones, jouent un rôle répresseur. D'autres enzymes modulent l'accessibilité des gènes et donc leur expression. C'est le cas de l'histone méthyltransférase qui ajoute un groupement méthyle qui a un rôle répresseur. La phosphorylation a le même effet. La DNA méthyl-transférase (DNMT) agit quant à elle directement par méthylation de l'ADN, ce qui empêche l'expression du gène ainsi marqué.

Nota : la chromatine est une structure composée d'ADN, d'ARN et de protéines, histones et non histones (souvent des enzymes), au sein de laquelle les molécules d'ADN sont compactées.

L'action de ces enzymes est fortement dépendante de l'environnement. Elle est encore mal comprise et fait l'objet de nombreuses recherches. C'est le domaine de l'épigénétique.

D'autres facteurs jouent sur l'expression des gènes. Nous avons vu plus haut que la présence d'une séquence de nucléotides appelée promoteur est indispensable à la transcription de l'ADN en ARN. Il existe d'autres types de séquences d'ADN, dites régulatrices, qui peuvent jouer le rôle d'amplificateur ou de répresseur de l'expression des gènes. La présence de ces séquences a d'ailleurs un impact sur la structure des histones à proximité du gène, ou du groupe de gènes, qu'elles régulent. Elles attirent en effet des enzymes facilitant l'acétylation ou la désacétylation de celles-ci... Les travaux précurseurs de François Jacob et Jacques Monod sur l'activation et l'inhibition de l'opéron lactose (le groupe de gènes qui contrôle l'assimilation du lactose) ont ouvert tout un champ de recherche dans ce domaine. Ils leur ont valu le Prix Nobel en 1965.