Plan de séance expression des gènes : transcription

Ce plan de séance sur l'expression des gènes utilise une simulation gratuite pour rendre concret le passage de l'ADN à la protéine. Les élèves écrivent à la main l'ARNm d'un court gène, regardent l'ARN polymérase le construire base par base, puis suivent le ribosome codon par codon jusqu'à un stop. Ils modifient ensuite des bases isolées et voient quelles mutations comptent. Vous trouverez les objectifs d'apprentissage, la préparation, les prédictions, un déroulé pas à pas avec les séquences que les élèves doivent voir, un jeu de cinq questions pour le lien de la classe, un prolongement sur la régulation et des idées de différenciation. Chaque codon et chaque acide aminé ci-dessous a été vérifié avec le modèle même de la simulation.

La séance en un coup d'œil

• Niveau : grades 9–12 aux États-Unis (14–18 ans), soit du lycée.
• Durée : une séance de 60 minutes, ou deux séances de 40 minutes avec le prolongement.
• Prérequis : la structure de l'ADN et l'appariement des bases (A–T, G–C) ; le fait que les protéines sont des chaînes d'acides aminés.
• Organisation : binômes sur ordinateurs portables ou tablettes, ou classe entière avec un seul projecteur. Les lignes de séquences se lisent mieux sur un écran large.
• Simulation : Transcription, traduction et mutations ponctuelles. Prolongement : Expression des gènes – transcription, traduction et régulation.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de la séance, les élèves savent :

1. Écrire l'ARNm fabriqué à partir d'un brin matrice, avec U à la place de T.
2. Utiliser le tableau du code génétique pour traduire un ARNm du codon initiateur jusqu'à un codon stop.
3. Expliquer les rôles de l'ARN polymérase, du ribosome et de l'ARNt.
4. Classer une mutation ponctuelle comme silencieuse, faux-sens, non-sens ou décalage du cadre de lecture, et expliquer son effet sur la protéine.
5. (Prolongement) Décrire comment les facteurs de transcription activent ou éteignent un gène.

Ce que fait la simulation

Le gène par défaut est un brin matrice de 18 bases, lu 3'→5' : TAC AAA GGC TTA CCG ACT. L'écran affiche quatre lignes : le brin matrice, le brin complémentaire, l'ARNm (5'→3') et le polypeptide. Le tableau complet du code génétique se trouve en dessous, et le codon en cours de lecture s'illumine.

Avec Lecture auto activée (réglage par défaut), la simulation avance d'un pas toutes les 0,45 seconde : 18 pas de transcription, puis 6 pas de traduction, soit environ 11 secondes en tout. Désactivez la lecture auto et utilisez Étape suivante pour aller à votre rythme. L'affichage commente chaque pas :

• « Prêt : le gène compte 18 nucléotides (6 codons) »
• « Transcription : nucléotide 1/18 — matrice T → ARNm A »
• « Traduction : codon 1/6 — AUG → Met (initiation) »

Pendant la traduction, l'image montre le ribosome sur l'ARNm et l'anticodon de l'ARNt, par exemple « anticodon 3'-UAC-5' » pour AUG. Le résultat est Met–Phe–Pro–Asn–Gly, puis le codon stop UGA : « terminé : 5 acides aminés ».

Mutations : cliquer sur une base du brin matrice la substitue. Chaque clic passe à la base suivante, dans l'ordre A, T, G, C, en sautant la base d'origine. Une ligne supplémentaire, « Original (sans mutation) », apparaît pour comparaison, les acides aminés modifiés sont surlignés et une ligne en dessous nomme le type de mutation. Les insertions et délétions se règlent dans le panneau des valeurs de départ sous la simulation : Mutation, Position de la mutation sur le brin matrice et Nucléotide substitué / inséré.

Deux détails du modèle sont utiles à connaître :

• La traduction commence au premier AUG n'importe où dans l'ARNm. Si une mutation détruit le codon initiateur, le ribosome trouve l'AUG suivant, même hors cadre.
• Au codon stop, l'image affiche tout de même une case d'anticodon. Dans une cellule, aucun ARNt ne lit un codon stop ; c'est un facteur de terminaison qui met fin à la traduction. Une bonne correction à faire repérer aux élèves forts.

Matériel et préparation avant le cours

Matériel : un appareil par binôme (ou un projecteur), un tableau du code génétique imprimé pour l'étape à la main, et les tableaux de relevé ci-dessous.

Préparation (10 minutes, une seule fois) :

1. Ouvrez la simulation. Les valeurs par défaut sont le gène ci-dessus, aucune mutation et lecture auto activée.
2. Désactivez Défilement automatique pas à pas dans les valeurs de départ, pour que le gène attende à « Prêt » au lieu de se dérouler dès l'ouverture de la page. Cliquez ensuite sur Partager et créez un lien pour chaque classe, par exemple « Biologie · Groupe 5 ». Le lien enregistre ces valeurs de départ.
3. Créez un second lien nommé « Gène non-sens » et réglez Brin matrice du gène sur TACAAAGGCATACCGACT (l'étape 6 l'utilise).
4. Facultatif : dans l'onglet Questions, saisissez le jeu de questions ci-dessous et associez-le au premier lien.
5. Publiez les liens, ou ouvrez le premier en mode Présenter et affichez le QR code.

Déroulé de la séance

1. Accroche et prédictions (7 minutes)

Demandez : « Toutes vos cellules contiennent le même ADN. Pourtant, une cellule musculaire et une cellule de peau fabriquent des protéines différentes. D'où vient réellement la protéine ? » Recueillez quelques réponses. Les élèves s'engagent ensuite sur deux prédictions, sur papier ou sur le lien :

• P1. « Quel codon d'ARNm est fabriqué à partir du triplet matrice TAC ? TAC / ATG / AUG / UAC »
• P2. « Une base d'un gène est remplacée par une autre. La protéine change-t-elle toujours ? »

Attendez-vous à ATG (oubli de l'uracile) ou à UAC (copie au lieu d'un appariement) pour P1, et à « oui, toujours » pour P2. Ne corrigez personne pour l'instant.

2. Transcription à la main, puis à la machine (10 minutes)

Les binômes écrivent l'ARNm du brin matrice par défaut avant d'appuyer sur quoi que ce soit. Ils parcourent ensuite la transcription avec Étape suivante, en vérifiant chaque base :

Matrice (3'→5')	TAC	AAA	GGC	TTA	CCG	ACT
ARNm (5'→3')	AUG	UUU	CCG	AAU	GGC	UGA

Demandez : « L'ARNm correspond presque exactement à l'un des deux brins d'ADN. Lequel, et quelle est la différence ? » Il correspond au brin complémentaire, avec U à la place de T. Vérifiez P1 maintenant.

3. Traduction et tableau du code (8 minutes)

Continuez pas à pas. Pour chaque codon, les élèves trouvent l'acide aminé dans le tableau du code et écrivent l'anticodon que l'ARNt doit porter :

Codon	AUG	UUU	CCG	AAU	GGC	UGA
Acide aminé	Met (initiation)	Phe	Pro	Asn	Gly	stop
Anticodon (3'→5')	UAC	AAA	GGC	UUA	CCG	aucun

Demandez : « Six codons, mais seulement cinq acides aminés. Pourquoi ? » Le dernier codon est un signal d'arrêt et ne code aucun acide aminé.

4. Substitutions : une enquête de classe (15 minutes)

Chaque binôme reçoit trois positions du brin matrice (1–18). Pour chaque position, ils cliquent sur la base une, deux et trois fois, et notent à chaque fois le polypeptide et le type de mutation. Rassemblez les résultats au tableau. Voici quelques exemples que les élèves trouveront :

Changement	Codon d'ARNm	Polypeptide	Type affiché
Position 5 : A → T	UUU → UAU	Met–Tyr–Pro–Asn–Gly	faux-sens
Position 5 : A → G	UUU → UCU	Met–Ser–Pro–Asn–Gly	faux-sens
Position 9 : C → A	CCG → CCU	Met–Phe–Pro–Asn–Gly	silencieuse
Position 1 : T → A	AUG → UUG	Met–Ala (à partir d'un AUG ultérieur)	codon initiateur perdu

Sur l'ensemble des 54 substitutions possibles dans ce gène, la simulation donne 36 faux-sens (dont 8 transforment le codon stop en acide aminé), 9 silencieuses et 9 changements du codon initiateur. Aucune n'est non-sens : aucun changement isolé ne transforme un codon antérieur en UAA, UAG ou UGA. Huit des neuf silencieuses se situent aux positions 6, 9, 12 et 15, la troisième base d'un codon. Demandez : « Pourquoi la troisième base ? » Le code est dégénéré : de nombreux acides aminés ont plusieurs codons qui ne diffèrent que par la dernière base. Vérifiez P2.

5. Décalages du cadre de lecture (7 minutes)

Dans le panneau des valeurs de départ, les binômes règlent Mutation sur Insertion d'une paire de nucléotides, position 5, base G. Ils essaient ensuite Délétion d'une paire de nucléotides à la position 5 :

Mutation	Codons d'ARNm lus	Polypeptide
Aucune	AUG UUU CCG AAU GGC UGA	Met–Phe–Pro–Asn–Gly
Insertion de G après la position 5	AUG UUC UCC GAA UGG CUG	Met–Phe–Ser–Glu–Trp–Leu
Délétion de la position 5	AUG UUC CGA AUG GCU	Met–Phe–Arg–Met–Ala

Chaque codon après le changement est lu dans un nouveau cadre, et dans les deux cas le ribosome ne rencontre jamais de codon stop avant la fin du gène. Demandez : « Laquelle vous semble la plus nocive, une substitution ou une insertion ? Pourquoi ? »

6. Une mutation non-sens (5 minutes)

Ouvrez le lien « Gène non-sens ». Un codon diffère du gène par défaut : la protéine est donc Met–Phe–Pro–Tyr–Gly. Les binômes cliquent trois fois sur la position 12 :

• Une fois (A → T) : le codon UAU devient UAA, un stop. La chaîne n'est plus que Met–Phe–Pro : une mutation non-sens.
• Deux fois (A → G) : UAC, toujours Tyr. Silencieuse.
• Trois fois (A → C) : UAG, un autre stop. De nouveau non-sens.

Une seule base, trois issues.

7. Bilan de sortie (5 minutes)

Utilisez les questions 3 à 5 du jeu ci-dessous. Ouvrez ensuite Voir les réponses et montrez côte à côte les colonnes Prédiction et Après pour P1 et P2. Le guide de l'évaluation formative explique comment utiliser ces colonnes pour préparer le cours suivant.

Jeu de questions pour cette séance

Saisissez-les dans l'onglet Questions de la simulation. Consignes pour les élèves suggérées : « Utilisez Étape suivante pour avancer base par base. Appuyez sur Réinitialiser avant chaque nouveau test. Cliquez sur une base du brin matrice pour la modifier. »

1. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation

• Question : « Quel codon d'ARNm est fabriqué à partir du triplet matrice TAC ? »
• Options : TAC / ATG / AUG (correcte) / UAC
• Explication : « L'ARN polymérase apparie chaque base de la matrice avec sa partenaire : T avec A, A avec U, C avec G. L'ARN utilise l'uracile (U) à la place de la thymine (T). TAC donne donc AUG, le codon initiateur de la méthionine. »

2. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation

• Question : « Une base d'un gène est remplacée par une autre. La protéine change-t-elle toujours ? »
• Options : Oui, toujours / Non, la protéine reste parfois la même (correcte) / Non, une seule base n'a jamais d'importance / Seulement si la nouvelle base est A
• Explication : « Le code génétique est dégénéré : plusieurs codons codent le même acide aminé. Dans le gène par défaut, remplacer CCG par CCU donne toujours de la proline, une mutation silencieuse. D'autres changements isolés échangent un acide aminé (faux-sens) ou créent un stop (non-sens). »

3. Nombre · Après la simulation

• Question : « Lancez le gène par défaut jusqu'au bout. Combien d'acides aminés le polypeptide terminé compte-t-il ? »
• Réponse : 5, marge d'erreur ± 0
• Explication : « L'ARNm compte six codons : AUG UUU CCG AAU GGC UGA. Les cinq premiers codent Met, Phe, Pro, Asn et Gly. UGA est un codon stop, qui termine la chaîne sans ajouter d'acide aminé. »

4. Choix multiple · Après la simulation

• Question : « Cliquez une fois sur la position 9 du brin matrice, pour que C devienne A. De quel type de mutation s'agit-il ? »
• Options : silencieuse (correcte) / faux-sens / non-sens / décalage du cadre de lecture
• Explication : « Le codon passe de CCG à CCU. Les deux codent la proline : le polypeptide reste donc Met–Phe–Pro–Asn–Gly. Un changement qui laisse la protéine inchangée est une mutation silencieuse. »

5. Réponse courte · Après la simulation

• Question : « Pourquoi l'insertion d'une base près du début d'un gène modifie-t-elle en général davantage la protéine que la substitution d'une base ? »
• Réponses acceptées (facultatif) : laissez vide et lisez les réponses vous-même.
• Réponse modèle : « Le ribosome lit l'ARNm par groupes de trois, sans interruption. Une base supplémentaire décale le cadre de lecture : tous les codons suivants changent, et un codon stop peut disparaître ou apparaître trop tôt. Une substitution ne change au plus qu'un codon. »

Les questions 1 et 2 sont les prédictions, reposées après la simulation. Pour des conseils sur la formulation de questions comme celles-ci, voir rédiger de bonnes questions pour les laboratoires virtuels.

Prolongement : activer et éteindre des gènes

La première simulation montre comment un gène est lu. La seconde montre comment une cellule décide de le lire ou non. Sur son écran Expression, un fragment d'ADN porte trois gènes. Les élèves font glisser des molécules depuis une boîte à outils et suivent des indications à chaque étape :

1. Faites glisser un facteur de transcription positif sur le contour en pointillés correspondant dans la région régulatrice du gène.
2. Faites glisser l'ARN polymérase sur le promoteur. L'ARNm s'allonge et quitte l'ADN.
3. Faites glisser un ribosome sur l'extrémité 5' de l'ARNm. Le polypeptide s'allonge et se replie en protéine.
4. Faites glisser la protéine dans la boîte de collecte. Récupérer une protéine de chacun des trois gènes termine l'écran.

Chaque gène a sa propre règle. Le gène 1 a besoin du facteur A. Le gène 2 a besoin du facteur B, et son facteur négatif B⁻ bloque l'ARN polymérase. Le gène 3 a besoin à la fois de C1 et de C2. Demandez : « Pourquoi le gène 3 a-t-il besoin de deux facteurs ? » Cela permet à la cellule de n'activer le gène que si deux conditions sont réunies. Les élèves constatent aussi qu'un même ARNm peut être traduit de nombreuses fois, et que l'enzyme de dégradation le supprime.

Pour les plus grands, l'écran Plusieurs cellules fait fonctionner le même gène dans jusqu'à 90 cellules. Les quantités de protéines diffèrent d'une cellule à l'autre parce que les événements moléculaires sont aléatoires, mais l'affichage donne la moyenne attendue. Avec les réglages par défaut, il indique E[P] = 182 protéines. Doubler la vitesse de dégradation des protéines, de 0,05 à 0,10 par minute, la divise par deux : 90,9. Les nombres cellule par cellule changent à chaque exécution : demandez donc la tendance, pas des valeurs exactes.

Différenciation

Soutien :

• Donnez une ligne d'ARNm à moitié remplie et un tableau du code en gros caractères.
• N'utilisez que les étapes 2 à 4 et les substitutions aux positions 5 et 9.
• Donnez des débuts de phrases : « Le codon est passé de … à …, donc l'acide aminé… »

Approfondissement :

• Expliquer pourquoi changer la position 1 donne Met–Ala au lieu d'une version raccourcie de la protéine d'origine.
• Modifier le codon stop (position 16, A → T donne AGA au lieu de UGA). La simulation appelle cela un faux-sens, mais la chaîne se prolonge maintenant jusqu'à la fin du gène. Les biologistes parlent de mutation de perte de codon stop. Pourquoi peut-elle être nocive ?
• Concevoir un brin matrice de 12 bases qui code Met–Trp–Lys puis stop. Le saisir dans Brin matrice du gène pour vérifier.

Élèves allophones : la simulation existe en six langues. Créez un second lien dans la langue de l'élève pour que les libellés lui soient familiers pendant que la discussion se déroule en français.

Correspondance avec les référentiels

Cette séance correspond à la norme américaine NGSS HS-LS1-1 : construire une explication fondée sur des preuves sur la façon dont la structure de l'ADN détermine la structure des protéines. Les activités sur les mutations soutiennent HS-LS3-2, sur la variation génétique héréditaire issue des mutations. Elle s'accorde avec le thème de la synthèse des protéines du GCSE Biology (programme britannique) et avec les unités sur l'expression des gènes de la biologie AP et IB.

Pour d'autres activités de biologie, voir idées de séances de biologie interactives. Pour les routines de classe, voir utiliser les simulations interactives en classe. Si vos élèves travaillent mieux dans un cycle guidé, le guide du plan de séance 5E montre comment envelopper cette activité dans des phases Engager, Explorer et Expliquer.

Questions fréquentes

Pourquoi la matrice commence-t-elle par TAC et non par ATG ?

La simulation montre le brin matrice, lu 3'→5'. TAC s'apparie avec AUG sur l'ARNm. Le brin complémentaire, ATG, a la même séquence que l'ARNm, avec T à la place de U.

Puis-je utiliser mon propre gène ?

Oui. Saisissez n'importe quelle séquence de A, T, G et C, de 6 à 60 bases, dans Brin matrice du gène dans les valeurs de départ, et enregistrez-la sur un lien. Commencez-la par TAC pour que la traduction débute au premier codon.

Pourquoi n'y a-t-il aucune mutation non-sens dans le gène par défaut ?

Aucun des cinq codons avant UGA n'est à une base d'un codon stop : aucune substitution isolée ne peut donc interrompre la chaîne trop tôt. Utilisez le second lien de l'étape 6, où la position 12 crée UAA ou UAG.