vignette|Schéma simplifié du dogme central de la biologie moléculaire. Certaines séquences d'ADN subissent une transcription afin de générer un ARN messager primaire. Cet ARNm subit différentes transformations, notamment l'épissage, par lequel les introns sont enlevés, pour générer un transcrit mature. Finalement, les ribosomes traduisent la séquence codante en protéine. La séquence codante est indiquée en vert.|454x454px
La séquence codante d'un gène, également appelée région codante ou CDS (pour l'anglais coding DNA sequence), est la partie de l'ADN ou de l'ARN du gène, composée des exons, qui est traduite en protéine. Elle ne représente donc qu'une partie du gène duquel elle provient, de même que de l'acide ribonucléique messager (ARNm) dans laquelle elle est inscrite.
Dans l'ADN, une séquence codante commence par le codon d'initiation de la traduction (codon-start) ATG et finit par un codon de terminaison (codon-stop) TAA, TAG ou TGA. Dans l'ARN l'uracile U remplace la thymine T : codon-start AUG et codon-stop UAA, UAG ou UGA. La séquence codante dans l'ARN messager (ARNm) commence avec les régions non traduites, qui font partie des exons. La CDS est la partie d'ARNm transcrit qui est traduite en protéine par un ribosome.
Les exons peuvent être utilisés de différentes façons de manière à influencer les produits de gènes qui en résultent. Ils peuvent, par exemple, être inclus de manière variable dans les ARNm matures afin de produire ultimement des protéines différentes, processus que l’on nomme l’épissage alternatif. Des exons provenant de différents gènes peuvent également être assemblés de manière différentielle afin de former un nouvel exon recombinant par le processus de brassage d’exons. Puis, les exons peuvent également être dupliqués afin que les domaines correspondants soient présents en plus grand nombre dans la protéine résultante. Enfin, la séquence codante peut aussi subir un processus nommé l’édition de l’ARN, par lequel un ARNm subit des modifications (addition, retrait ou remplacement) au niveau de certains nucléotides afin de compléter sa maturation et se préparer pour la traduction. Ces processus constituent une liste non exhaustive de moyens pour un organisme de limiter son fardeau génétique.
En raison de leur nature codante, ces séquences codantes jouent un rôle particulièrement important dans biologie évolutive du développement, discipline dans laquelle ces séquences, leur évolution et les conséquences de leurs mutations sont étudiées en profondeur.
Duplication des exons La duplication d’exons en tandem survient lorsqu’un exon subit une duplication dont le produit s’insère de manière adjacente à l’exon d’origine dans le gène. Ce genre de duplication s’avère utile dans un contexte où un exon code un domaine spécifique qui confère un avantage fonctionnel lorsqu’il est présent en plusieurs copies dans la protéine. Un tel exemple d’utilisation de la duplication d’exons en tandem est retrouvé notamment chez le collagène.
L'exemple du collagène Le collagène est une protéine de la matrice extracellulaire formé d’une triple hélice d’acides aminés. Les variétés fibrillaires du collagène possèdent une séquence d’environ 1000 acides aminés et se divise en 42 exons, dont la plupart sont composés de 54 paires de bases ou bien d’un multiple de 54. Ainsi, le modèle de Yamada et al. (1980) suggère que l’exon original du collagène était constitué de 54 paires de base et que cet exon a subi plusieurs duplications afin de former une forme ancestrale du collagène. Les produits de ces différentes duplications ont par la suite divergé afin de produire les différentes structures présentes dans le collagène actuel. Il est à noter que certaines duplications au sein du collagène peuvent également avoir des effets délétères. Par exemple, une duplication d’une portion de 45 paires de bases dans l’exon 48 induit l’ajout de 15 acides aminés dans la protéine finale. Cette mutation induit une forme de dysplasie spondylo-épiphysaire congénitale, une condition qui affecte la croissance des os.
Modèles d'acquisition de nouvelles fonctions protéiques par duplication d'exon Il est possible qu’un exon s’étant dupliqué puisse permettre la création de nouvelles variantes de protéines. Différents modèles tentent d’expliquer comment ces duplications d’exons peuvent agir sur la capacité des protéines à acquérir de nouvelles fonctions. Ces modèles sont inspirés directement de ceux qui expliquent comment les nouvelles fonctions sont acquises à partir d’évènements de duplication de gènes. Parmi ces modèles, celui d’Ohno (1970) suggère qu’une des copies du gène dupliqué devient fonctionnellement redondant et donc à l’abri des contraintes de sélectivité, susceptible aux mutations et donc à l’élimination, sauf si une mutation aurait un effet bénéfique, auquel cas la mutation pourrait conférer une nouvelle fonction au gène. Un autre modèle, celui de Lynch (2000), suggère que les deux copies originales seraient indispensables, puisque les fonctions du gène original deviendraient partagées par les deux copies à la suite de mutations affectant les fonctions dans l’une ou l’autre des copies. Enfin, celui de Hughes (1994) stipule qu’une paire de gènes dupliqués peut se spécialiser et améliorer différentes fonctions du gène ancestral par sélection positive.
Ce dernier modèle s’applique particulièrement bien à la duplication d’exons puisque, étant donné la petite taille des exons alternatifs, leur divergence peut engendrer des changements progressifs au niveau de la fonction de la protéine. De plus, il est à noter que les modèles respectifs d’Ohno et de Lynch s’appliquent bien aux duplications de gènes puisqu’un gène dupliqué, au lendemain de sa duplication, est ainsi exprimé de manière plus importante (c’est-à-dire qu’il est transcrit et traduit 2 fois plus), ce qui a comme effet de relaxer les pressions de sélection qui limiteraient les mutations néfastes. Cependant, dans un contexte de duplication d’exons, la protéine affectée ne sera pas exprimée en plus grande quantité : elle aura simplement une plus grande taille, grâce à l’ajout de domaines correspondant aux exons dupliqués. Ainsi, la diminution des pressions de sélection sur les parties dupliquées ne s’applique pas aux exons comme elle s’appliquerait aux gènes : on assistera plutôt à une sélection stabilisatrice des deux exons. Les modèles respectifs d’Ohno et de Lynch ne s’appliquent donc pas dans un contexte de duplication d’exons.
Duplications et épissage alternatif vignette|Épissage alternatif d'un gène.|gauche La conséquence directe de la contribution de nouvelles fonctions protéiques par duplication d’exons est de permettre un plus grand nombre de possibilités combinatoires lors de l’épissage alternatif. En effet, ce phénomène a comme effet d’élargir la banque d’exons servant de modules lors de l’épissage alternatif. Il est donc raisonnable de supposer que la duplication des exons ait joué un rôle important dans l’évolution de l’épissage alternatif. Il a d’ailleurs été démontré que, chez l'humain, 9 % des cas d’épissage alternatif prennent leur origine dans une duplication d’exons. De plus, cette estimation est conservatrice dans la mesure où les exons alternatifs, habituellement de petite taille, pourraient avoir divergé si fortement qu’on ne peut plus démontrer leur apparentement, bien qu’ils pourraient très bien provenir du même exon de départ.
Édition de l'ARN L’édition de l’ARN constitue une autre propriété malléable des séquences codantes dans le génome. Le phénomène d’édition fait référence aux mécanismes de modification de la séquence nucléotidique du transcrit d’ARN. Différents exemples d’édition, de même que leurs effets, ont été bien documentés dans une grande variété d’organismes, tel que présenté dans le travail de synthèse de Simpson et Emeson (1996).
Kinétoplastes vignette|295x295px|Trypanosoma cruzi, agent responsable de la maladie de Chagas, est un kinétoplastidé dont les ARN mitochondriaux subissent l'édition de leur ARN par insertion et délétion d'uridines. L’exemple prototypique d’édition de l’ARN dans les séquences codantes est le processus d’insertion et de délétion d’uridines dans le génome mitochondrial (le kinétoplaste) des kinétoplastidés. L’édition se déroule sur la séquence des transcrits des maxi-cercles du génome mitochondrial. Elle implique habituellement l’addition d’uridines, mais également leur délétion occasionnellement. Elle peut se faire à l’échelle d’un gène entier, ou bien de quelques sites dans une partie restreinte d’un gène. Ses rôles sont multiples : corriger les décalages dans les cadres de lecture, produire des codons d’initiation de la traduction et ainsi produire des transcrits matures et traductibles à partir d’un maxi-cercle tout à fait méconnaissable. L’information génétique induisant le processus d’édition est contenu dans de courtes séquences d’ADN complémentaires aux séquences de ces maxi-cercles, que l’on nomme les ARN guide ou ARNg. Ces ARNg, qui prennent leur origine soit dans les maxi-cercles ou dans les mini-cercles, contiennent des uridines à répétition à leur extrémité 3’, et peuvent s’ancrer sur la séquence à éditer. Grâce à la polarité 3’ vers 5’ du mécanisme d’édition, une version éditée plus en aval servira de site d’ancrage à un ARNg plus en amont. La correction du brin se fait au moyen de l’appariement des bases.
Génome mitochondrial de Physarum vignette|Physarum polycephalum, un myxomycète qui corrige son cadre de lecture au moyen de l'édition de son ARN, par ajout de cytidines.|193x193px|gauche Les génomes mitochondriaux présentent un second exemple d’édition de l‘ARN dans leur région codante, cette fois chez l’organisme eucaryote unicellulaire du genre Physarum. Chez Physarum polycephalum, des cytidines individuelles sont insérées au travers de l’ARN afin de décaler d’une position le cadre de lecture ouvert à chaque insertion, ce qui fait apparaître les codons d’arrêt de la traduction nécessaires à sa traduction adéquate. Au travers des transcrits mitochondriaux de 60kb, ces insertions surviennent 54 fois : le transcrit résultant de ces 54 insertions se trouve dans le cadre de lecture approprié pour la traduction. L’édition observée dans le génome mitochondrial de Physarum polycephalum diffère du phénomène observé chez les kinétoplastidés de différentes façons. Notamment, chez Physarum ce sont des cytidines qui sont insérées plutôt que des uridines. De plus, l’addition de nucléotides se fait un nucléotide à la fois, et à un intervalle plus régulier que chez les kinétoplastidés : il en résulte des insertions qui sont distribuées plus également au travers de la séquence à éditer.
Apolipoprotéine B chez les mammifères