Il existe cinq principaux types d'ARN : l'ARN messager (ARNm), l'ARN ribosomal (ARNr), l'ARN de transfert (ARNt) et le microARN (miARN). 

L'ARN messager.
Le premier, l'ARNm, porte le message de l'ADN, qui contrôle toutes les activités cellulaires dans une cellule. Si une cellule nécessite la synthèse d'une certaine protéine, le gène de ce produit est activé et l'ARN messager est synthétisé dans le noyau.

La séquence de base de l'ARN est complémentaire de la séquence codante de l'ADN à partir de laquelle elle a été copiée. Cependant, dans l'ARN, la base T est absente et U est présente à la place. Si le brin d'ADN a une séquence AATTGCGC, la séquence complémentaire de l'ARN  est UUAACGCG. 

Dans le cytoplasme, l'ARNm interagit avec les ribosomes (structures à fonction catalytique, composées d'ARN et de protéines) et d'autres machines cellulaires.

L'ARNm est lu selon des séquences de trois bases appelées codons. Chaque codon code un seul acide aminé. De cette façon, l'ARNm est lu et le produit protéique est fabriqué.

L'ARN ribosomal.
L'ARN ribosomal (ARNr) est un constituant majeur des ribosomes sur lesquels l'ARNm se lie. L'ARNr assure le bon alignement de l'ARNm et des ribosomes; l'ARNr du ribosome a également une activité enzymatique (peptidyl-transférase) et catalyse la formation des liaisons peptidiques entre deux acides aminés alignés.

L'ARN de transfert.
Composé généralement de 70 à 90 nucléotides, l'ARN de transfert (ARNt) est l'un des plus petits des quatre types d'ARN. Il transporte l'acide aminé approprié jusqu'au site de synthèse des protéines. C'est l'appariement de bases entre l'ARNt et l'ARNm qui permet à l'acide aminé correct d'être inséré dans la chaîne polypeptidique. 
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Les microARN.
Les microARNs (miARNs) sont les plus petites molécules d'ARN et leur rôle implique la régulation de l'expression des gènes en interférant avec l'expression de certains messages d'ARNm. Les microARNs sont d'environ 20 à 25 nucléotides de longueur. Contrairement à l'ARN messager (ARNm), qui est utilisé comme modèle pour fabriquer des protéines, les microARNs ne codent pas pour des protéines. Leur rôle principal est de réguler l'expression de certains gènes en bloquant la traduction de l'ARNm en protéines ou en facilitant la dégradation de l'ARNm.

Les microARNs sont produits à partir de séquences spécifiques de l'ADN, transcrites sous forme de précurseurs, appelés pri-miARNs, qui sont ensuite transformés en pré-miARNs puis en microARNs matures. Une fois matures, les microARNs s'associent à un complexe appelé RISC (RNA-induced silencing complex). Ils se lient ensuite de manière spécifique à des régions complémentaires de l'ARN messager cible. Si cette complémentarité est parfaite, cela peut entraîner la dégradation de l'ARNm cible. Si la complémentarité est imparfaite, ils inhibent la traduction de l'ARNm sans le dégrader, ce qui empêche la production de la protéine.

Les microARNs régulent une grande variété de processus biologiques. Ils interviennent dans la régulation des gènes impliqués dans la croissance et le développement. Ils jouent un rôle central dans la régulation de la division cellulaire et de la mort cellulaire programmée (apoptose). Une dérégulation des microARNs peut entraîner des maladies, notamment le cancer, où certains microARNs peuvent agir comme des oncogènes (favorisant la croissance tumorale) ou comme des suppresseurs de tumeurs.

Gènes et synthèse des protéines

On donne le nom de code génétique à l'ensemble des règles qui définissent la manière dont l'information nécessaire à la synthèse des protéines est transmise par l'ADN, et partant aux règles qui définissent la traduction des séquences nucléotidiques en séquences d'acides aminés dans une protéine. 

Ce code est un "langage" qui  repose sur plusieurs "alphabets" : l'alphabet ADN (A, T, C, G), l'alphabet ARN (A, U, C, G), et  l'alphabet polypeptidique (20 acides aminés). 

Les "mots" sont composés de trois nucléotides. Les triplets de l'ARNm sont appelés codons et ceux de l'ARNt sont appelés anticodons. Chaque codon détermine la nature de l'acide aminé qui sera synthétisé. 

Le code génétique est dit redondant ou dégénéré, car les 4³ = 64 codons possibles dans l'ARNm ne spécifient que 20 acides aminés, un acide aminé donné peut être codé par plus d'un triplet, et il y a en outre trois codons dits codons non-sens ou codons-stop, qui servent seulement à signaler la fin d'une chaîne polypeptidique.

Presque toutes les espèces vivantes de la planète utilisent le même code génétique.
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Si l'on poursuit la métaphore grammaticale, on dira que le code génétique mène à la construction de "phrases" : ce sont les gènes. Les gènes sont de petits segments d'ADN qui contiennent une séquence définie de nucléotides contenant toute l'information nécessaire pour fabriquer l'ARNm par un processus nommé transcription. L'ARNm est ensuite utilisé pour synthétiser les protéines par le processus de traduction.

La transcription.
Transcription procaryote.
Chez les procaryotes, la synthèse d'ARNm est initiée au niveau d'une séquence promotrice sur la matrice d'ADN comprenant deux séquences qui recrutent l'ARN-polymérase. La polymérase procaryote consiste en une enzyme centrale de quatre sous-unités protéiques et une protéine sigma qui aide uniquement à l'initiation. L'élongation (allongement) synthétise l'ARNm dans la direction 5 'à 3' à un taux de 40 nucléotides par seconde. La terminaison libère l'ARNm et se produit soit par interaction de la protéine rhô, soit par la formation d'une bribe d'ARNm.

Transcription eucaryote.
La transcription chez les eucaryotes implique l'un des trois types de polymérases, selon le gène transcrit. L'ARN-polymérase II transcrit tous les gènes codant pour les protéines, tandis que l'ARN-polymérase I transcrit les gènes ARNr, et l'ARN polymérase-III transcrit l'ARN, l'ARNt et les petits gènes d'ARN nucléaire. L'initiation de la transcription chez les eucaryotes implique la liaison de plusieurs facteurs de transcription à des séquences promotrices complexes qui sont généralement situées en amont du gène copié. L'ARNm est synthétisé dans la direction 5 'à 3', et le complexe FACT ( = facilitates chromatin transcription) se déplace et réassemble les nucléosomes au fur et à mesure que la polymérase passe. Alors que les ARN-polymérases I et III terminent la transcription par des méthodes dépendant des protéines ou de l'ARN en épingle à cheveux, l'ARN-polymérase II transcrit 1000 nucléotides ou plus au-delà de la matrice du gène et clive l'excès pendant le traitement pré-ARNm.

Traitement de l'ARN chez les eucaryotes.
Les pré-ARNm eucaryotes sont modifiés avec une coiffe 5' en méthylguanosine et une queue poly-A. Ces structures protègent l'ARNm mature de la dégradation et aident à l'exporter du noyau. Les pré-ARNm subissent également un épissage, dans lequel les introns sont retirés et les exons sont reconnectés avec une précision d'un seul nucléotide. 

Seuls les ARNm finis qui ont subi un coiffage 5', une polyadénylation 3' et un épissage intron sont exportés du noyau vers le cytoplasme. Les pré-ARNr et les pré-ARN peuvent être traités par clivage intramoléculaire, épissage, méthylation et conversion chimique des nucléotides. L'édition d'ARN est également effectuée, mais rarement, pour insérer des bases manquantes après la synthèse d'un ARNm.

La traduction
Les acteurs de la traduction en protéine comprennent la matrice d'ARNm, les ribosomes, les ARNt et diverses enzymes. Cette traduction s'effectue par les ribosomes, sur la base de la séquence nucléotidique de l'ARNm, en utilisant des triplets nucléotidiques (codons), qui sont traduits en acides aminés. 

Chaque triplet de nucléotides de l'ARN messager indique l'acide aminé à incorporer dans la chaîne polypeptidique qui se forme. La longueur de la protéine synthétisée sera donc proportionnelle à la longueur de l'ARNm mature.

L'ARNm entier est traduit par étapes, codon après codon. Lorsqu'un codon non-sens est rencontré, un facteur de libération se lie et dissocie les composants et libère la nouvelle protéine. Le pliage de la protéine se produit pendant et après la traduction.

Les  trois étapes principales de la traduction sont : l'initiation, l'élongation et la terminaison. 

L'initiation ou démarrage.
La traduction commence au codon ou triplet d'initiation. Chez les eucaryotes, c'est généralement AUG, codant pour la méthionine; chez les procaryotes, il peut aussi s'agir des triplets GUG (Val) et UUG (Leu) bien que moins efficacement. La petite sous-unité ribosomique se forme sur la matrice d'ARNm soit au niveau de la séquence de Shine-Dalgarno (procaryotes) soit à l'extrémité 5' (eucaryotes). 

Une fois attachée à l'ARNm, cette sous-unité se déplace vers l'extrémité 3' du messager jusqu'à trouver le codon d'initiation. Un ARNt arrive avec l'anticodon UAC (Met), puis la sous-unité ribosomique principale arrive et, à partir de ce moment, la formation de liaisons peptidiques pourra se produite entre des acides aminés séquentiels spécifiés par la matrice d'ARNm selon le code génétique. Les ARNt chargés pénètrent dans le site ribosomal A (Aminoacyl) et leurs acides aminés se lient avec l'acide aminé au site P (Peptidyl). 

L'élongation.
L'élongation est le processus de synthèse de la protéine proprement dit. Cette synthèse s'effectue à partir de la lecture par la petite sous-unité du ribosome de la succession des codons de l'ARNm. Codon après codon, les acides aminés sont formés et ajoutés à la chaîne déjà constituée (polymérisation). 

À chaque étape, le même scénario se reproduit : le ribosome lit un nouveau codon de l'ARNm exposé sur le site libre A. Un ARNt, disposant à une extrémité de l'anticodon complémentaire vient s'apparier au codon. L'acide aminé que cet ARNt porte à son autre extrémité se lie à l'acide aminé apporté par l'ARNt précédent et qui est lui-même attaché à l'acide aminé ou aux acides aminés déjà liés entre eux lors des cycles précédents. Cette jonction (une liaison peptidique) s'effectue grâce à une enzyme présente sur la grande sous-unité du ribosome. L'ARNt peut maintenant se détacher pour laisser libre le site et permettre la lecture du codon suivant et son appariement avec l'anticodon apportée par un autre ARNt, etc. Ainsi, de proche en proche, la séquence d'acides aminés grandit-elle jusqu'à l'apparition d'un signal d'arrêt.
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La terminaison.
Le processus se termine  lorsque le site A du ribosome est au-dessus d'un codon de terminaison (l'un des trois triplets qui ne codent pour aucun acide aminé : UAA, UAG  et UGA). Les protéines appelées facteurs de terminaison qui se trouvent au site A entrent en scène, et la chaîne protéique formée est libérée; tous les éléments qui ont contribué au processus sont séparés. 

Les protéines primaires se replient pour atteindre des structures secondaires, tertiaires ou quaternaires et acquièrent une fonctionnalité biologique.

L'expression des gènes.
À quelques exceptions près - les globules rouges qui ne contiennent pas d'ADN dans leur état mature et certaines cellules du système immunitaire qui réorganisent leur ADN en produisant des anticorps -, chaque cellule du corps contient le même ADN. En général, cependant, les gènes qui déterminent par exemple si un individu a les yeux verts, les cheveux bruns, et à quelle vitesse il métabolise les aliments sont les mêmes dans les cellules de ses yeux et de son foie, même si ces organes fonctionnent très différemment. Si chaque cellule a le même ADN, comment se fait-il que les cellules ou les organes soient différents? Pourquoi les cellules de l'oeil diffèrent-elles si radicalement des cellules du foie?

Alors que chaque cellule partage le même génome et la même séquence d'ADN, chaque cellule n'exprime pas le même ensemble de gènes. Chaque type de cellule a besoin d'un ensemble différent de protéines pour remplir sa fonction. Donc, seul un petit sous-ensemble de protéines est exprimé dans une cellule. Pour que les protéines s'expriment, l'ADN doit être transcrit en ARN et l'ARN doit être traduit en protéine. Dans un type de cellule donné, tous les gènes codés dans l'ADN ne sont pas transcrits en ARN ou traduits en protéines car des cellules spécifiques de notre corps ont des fonctions spécifiques. Les protéines spécialisées qui composent l'oeil (iris, cristallin et cornée) ne sont exprimées que dans l'oeil, tandis que les protéines spécialisées du coeur (cellules du stimulateur cardiaque, muscle cardiaque et valves) ne sont exprimées que dans le coeur. À un moment donné, seul un sous-ensemble de tous les gènes codés par notre ADN sont exprimés et traduits en protéines. L'expression de gènes spécifiques est un processus hautement régulé avec de nombreux niveaux et  étapes de contrôle. Cette complexité garantit une bonne expression du gène dans la cellule appropriée au bon moment.

Pour qu'une cellule fonctionne correctement, les protéines nécessaires doivent être synthétisées au bon moment et au bon endroit. Toutes les cellules contrôlent ou régulent la synthèse des protéines à partir des informations codées dans leur ADN. Le processus d'activation d'un gène pour produire de l'ARN et des protéines est appelé expression génique. Que ce soit dans un organisme unicellulaire simple ou dans un organisme multicellulaire complexe, chaque cellule contrôle quand et comment ses gènes sont exprimés. Pour que cela se produise, il doit y avoir des mécanismes chimiques internes qui contrôlent quand un gène est exprimé pour produire de l'ARN et des protéines, quelle quantité de protéines est produite et quand il est temps d'arrêter de produire cette protéine parce qu'elle n'est plus nécessaire.

La régulation de l'expression des gènes  demanderait une quantité importante d'énergie si un un organisme devait exprimer chaque gène à tout moment. Il est donc plus économe en énergie de n'activer les gènes que lorsqu'ils sont nécessaires. De plus, l'expression d'un sous-ensemble de gènes dans chaque cellule permet d'économiser de l'espace car l'ADN doit être déroulé de sa structure étroitement enroulée pour transcrire et traduire l'ADN. Les cellules devraient être énormes si chaque protéine était constamment exprimée dans chaque cellule.

Le contrôle de l'expression des gènes est extrêmement complexe. Les dysfonctionnements de ce processus sont préjudiciables à la cellule et peuvent conduire au développement de nombreuses maladies, y compris à celui du cancer.

L'ARN interférent et l'intérférence par ARN.
On parle d'ARN interférent non pas comme un type particulier d'ARN, mais pour désigner un ARN qui intervient, en interférant avec un ARN messager, dans un processus de régulation génique qui se produit dans les cellules eucaryotes. Cette interférence est un mécanisme cellulaire sophistiqué que les cellules utilisent pour "éteindre" ou "silencier" des gènes spécifiques. Il s'agit d'une sorte de système de censure moléculaire très précis dans la cellule.

L'ARN double brin (dsARN).
L'interférence par ARN est déclenchée par la présence d'ARN double brin (dsARN) dans la cellule. Normalement, l'ARN dans nos cellules est simple brin (ARN messager, ARN ribosomique, etc.). L'ARN double brin est un signal inhabituel pour la cellule et peut provenir de différentes sources :

• ARN viral. - De nombreux virus utilisent l'ARN double brin comme matériel génétique ou le produisent pendant leur cycle de réplication. L'interférence par ARN est donc une défense naturelle contre les virus.

• ARN endogène. - Les cellules peuvent également produire des ARN double brin endogènes à partir de régions répétées du génome ou de la transcription de gènes spécifiques. Ces ARN endogènes sont impliqués dans la régulation normale de l'expression des gènes.

• ARN introduit artificiellement. - En laboratoire, les scientifiques peuvent introduire des ARN double brin synthétiques dans les cellules pour déclencher l'interférence de manière contrôlée et étudier la fonction des gènes.

Les siARN sont ensuite chargés dans un complexe protéique appelé RISC (RNA-induced silencing complex). L'une des deux brins du siARN (le "brin guide") est conservée et incorporée dans RISC, tandis que l'autre brin ("brin passager") est généralement dégradée. Une protéine clé de RISC est Argonaute (Ago), qui possède une activité "slicer" (couteau moléculaire) dans certains cas.

Le brin guide du siARN au sein de RISC guide le complexe vers les molécules d'ARN messager (ARNm) qui ont une séquence complémentaire à ce brin guide. L'ARNm est la molécule qui porte l'information génétique du gène à partir du noyau vers les ribosomes, où les protéines sont synthétisées.

Une fois que RISC a trouvé un ARNm cible, il peut induire le silencieux génique de deux manières principales :

• Dégradation de l'ARNm. - Si la complémentarité entre le siARN et l'ARNm est parfaite ou presque parfaite, la protéine Ago de RISC peut couper (cliver) l'ARNm cible. L'ARNm coupé est alors rapidement dégradé par les enzymes cellulaires. Résultat : l'ARNm n'est plus disponible pour la traduction en protéine, et l'expression du gène correspondant est réduite ou complètement supprimée.

• Répréssion de la traduction. - Si la complémentarité est moins parfaite (comme souvent avec les miARN), RISC peut se lier à l'ARNm cible et bloquer physiquement la traduction de l'ARNm en protéine par les ribosomes. Dans ce cas, l'ARNm n'est pas dégradé immédiatement, mais sa capacité à produire des protéines est inhibée.