Le contrôle de l'expression génétique Introduction

Transcription

1 Le contrôle de l'expression génétique Introduction environnement 1 2 énotype A 1 2 Le phénotype ne dépend que de l'environnement B 1 2 génotype B A environnement 1 2 A B A B Le phénotype ne dépend que du génotype. Éventuellement chaque génotype réagit à un changement d'environnement de sorte que le phénotype reste ( homéostasie ) constant génotype B A environnement 1 2 A1 B1 A2 B2 Le phénotype dépend de l'environnement et du génotype. Autrement dit, chaque génotype réagit, éventuellement différemment, à un changement d'environnement (plasticité phénotypique). C

2 Introduction Introduction Régulation de l expression génétique et adaptation de la cellule à son environnement Comment adapter le phénotype à l environnement dans lequel il se trouve : production de descendants génétiquement différents Mais la mutation est aveugle ; on ne contrôle donc ni la variation, ni a fortiori l adaptation à l environnement, adaptation de l expression de son génotype à l environnement Il faut donc contrôler l expression génétique pour l adapter aux conditions environnementales. Chez les organismes pluri-cellulaires, la différenciation cellulaire fournit un des exemples les plus frappants de régulation de l expression génétique. Comment réguler l expression d un gène? Régulation de sa transcription ( inductibles régulation positive (systèmes ( répresseurs régulation négatives (systèmes Régulation des phénomènes post-transcriptionnels (maturation des ARN, traduction, etc).

3 Le contrôle de l'expression génétique 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.1 La notion d'opéron OPERON = ensemble de gènes sous le contrôle d'un promoteur unique, transcrits en un seul ARNm dit polycistronique qui sera ensuite traduit en plusieurs protéines. Au milieu du promoteur (portion de la séquence d'adn où se fixe l'arn polymérase) on peut trouver un opérateur. Cet opérateur est l'élément central dans la régulation de la transcription chez les procaryotes. De gauche à droite : François Jacob, Jacques Monod et André Lwoff, prix Nobel de médecine en Ce prix leur a été attribué en partie pour leur découverte du fonctionnement de l'opéron lactose.

4 Le contrôle de l'expression génétique 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.1 Opéron lactose: système inductible La transcription de la ß galactosidase est faite à la demande En absence de lactose, pas de ß galactosidase En présence de lactose, forte synthèse de ß galactosidase Le lactose est inducteur.

5 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.2 Un système inductible : l'opéron lactose 1.1 Opéron lactose: système inductible En absence de lactose Répresseur

6 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.2 Un système inductible : l'opéron lactose 1.1 Opéron lactose: système inductible En présence de lactose

7 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.2 Un système inductible : l'opéron lactose 1.1 Opéron lactose: système inductible Changement de conformation du répresseur La Liaison à l ADN: L Opéron Lactose Réprésseur Inactif RéprésseurActif Lactose La Fixation du Lactose sur le Répresseur Induit un Changement de Conformation C est une Régulation Allostérique

8 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.2 Un système inductible : l'opéron lactose 1.1 Opéron lactose: système inductible Changement de conformation du répresseur Opéron sensible au glucose Lactose et glucose présents Transp active faible Lactose présent, glucose absent Transp active forte car régulation positive et négative

9 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.3 Un système répressible : l'opéron tryptophane 1.1 Opéron tryptophane: système répressible La production des enzymes de la biosynthèse de la tryptophane peut être arrêtée En absence tryptophane, E. coli fabrique les enzymes nécessaires à sa biosynthèse. En présence tryptophane ces enzymes ne sont pas fabriqués. Le tryptophane est répresseur. Le répresseur ne peut se fixer au promoteur que s il est associé à du tryptophane. Les gènes impliqués dans la biosynthèse du tryptophane chez E. coli.

10 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.3 Un système répressible : l'opéron tryptophane 1.1 Opéron tryptophane: système répressible Changement de conformation du répresseur Répresseur Interagissant Avec l ADN Tryptophane Activation Répression

11 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.3 Un système répressible : l'opéron tryptophane 1.1 Opéron tryptophane: système répressible La production des enzymes de la biosynthèse de la tryptophane peut être arrêtée trpr ixart@univ-montp2.fr trpl trpe trpd trpc trpb trpa E1 Atténuation E2 E3 acide chorismique tryptophane

12 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.3 Un système répressible : l'opéron tryptophane 1.1 Opéron tryptophane: système répressible Rôle de l atténuateur dans la régulation de l opéron tryptophane terminateur trpl trp E tggtgg Séquence peptide leader MKAIFVLKGWWRTS

13 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1. Régulation de la transcription chez les procaryotes 1.3 Un système répressible : l'opéron tryptophane 1.1 Opéron tryptophane: système répressible Rôle de l atténuateur dans la régulation de l opéron tryptophane 4 séquences remarquables (1 à 4) Trytophane présent Tryptophane absent

14 Le contrôle de l'expression génétique 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes protéine de régulation ADN ARN polymérase facteurs généraux de transcription TATA séquence régulatrice du gène promoteur En plus des facteurs de transcription généraux, qui se fixent à la boite TATA et au reste du promoteur, la régulation de l expression d un gène eucaryote implique des facteurs d activation ou d inhibition qui peuvent agir à distance.

15 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes Promoteur proximal et distal Séquences transcrites

16 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes activateurs Enhancer/silencer répresseur Coactivateurs Facteurs de transcription communs Nécessité d éléments cis-régulateurs et trans-régulateurs

17 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes Enhancer Insulator Frontière «Insulator» permettant que l effet des enhancers/silencers Ne se répercute pas sur le gène suivant Chez les vertébrés tous les «insulators» connus sont actifs translocation par liaison d une protéine CTCF («CCCTC binding factor»), protéine à 11 doigts de zinc

18 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes

19 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes Acétylation des histones Remodelage chromatine Elément de réponse aux glucocorticoïdes

20 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes récepteur à une hormone en l'absence de cette hormone Gène 1 Gène 2 En présence de l'hormone, le récepteur se fixe aux séquences de régulation et active simultanément la transcription des deux gènes. + Gène 1 + Gène 2

21 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes Facteurs de transcription Domaine boucle-hélice-boucle : homodimères ou hétérodimères pouvant se lier à l ADN Domaine hélice-tour-hélice : fixation à l intérieur du sillon d ADN par des ponts hydrogène Glissières à leucine : les résidus leucine permettent une confrontation De deux chaînes protéiques par des ponts hydrophobes Domaines en «doigt de zinc» comme les récepteurs des glucocorticoïdes Grande conservation des facteurs de transcription entre Espèces Motifs de liaison à l ADN remarquablement conservés Au cours de l évolution

22 2.1 Les séquences de régulation des eucaryotes 2.1 Séquences de régulation des eucaryotes Récepteurs hormonaux

23 Les différentes formes de compaction de l'adn chez les eucaryotes courte région de la double hélice d'adn 2nm chromatine en forme de collier fibre de chromatine de 30nm, avec des nucléosomes empilés partie de chromosome sous une forme allongée 11nm 30nm 300nm partie condensée du chromosome 700nm chromosome mitotique entier 1400nm Il est facile d'imaginer que lorsque l'adn est sous sa forme la plus condensée, les protéines nécessaires à la transcription ne vont pas pouvoir y accéder. On condensant/décondensant leur ADN, les eucaryotes peuvent donc réguler la transcription de leurs gènes.

24 Le nucléosome Noyau du nucléosome = Octamère d histones H2A, H2B, H3, H4 en 2 Exemplaires ADN enroulé en 2 tours D hélice autour du noyau Longueur : 146 pb Entre 2 noyaux adjacents, 8 à 100 pb d ADN Histone H1 externe relie Les nucléosomes Adjacents et l ADN À la façon de perles sur un collier

25 Le filament de chromatine de 30 nm

26 Chromosomes polyténiques et chromosomes en écouvillon ARN ADN bande sombre Chromosome polyténique de diptère Chez le chironome, chaque chromosome comprend 1024 (2 10 ) molécules d ADN. Les bandes sombres correspondent à un état fortement condensé. Les «puffs» caractérisent au contraire un état décondensé. puff AD N ARN Chromosome en écouvillon Ils sont présents au stade diplotène, dans les ovocytes de la plupart des métazoaires.

27 Chromosomes en écouvillon

28 Les puffs des chromosomes polyténiques sont des zones de transcription Condensation et décondensation des puffs pendant le développement larvaire d une drosophile. Dans les glandes salivaires de ces larves, chaque puff du chromosome 3, représenté ici, n est actif que pendant une courte période. Grâce à des techniques de marquage, on a pu montrer que ces puffs étaient le lieu d une intense synthèse d ARN.

29 L expression génétique dans une cellule peut être affectée par des facteurs extracellulaires Ces cycles de condensation et dé-condensation des chromosomes polyténiques de drosophile sont provoqués par une hormone stéroïdienne : l ecdysone. Cette hormone contrôle la progression des différents stades de développement des larves. Elle détermine notamment le début des mues.

30 Transcription et remaniements de la chromatine Compaction La partie NH2 terminale des histones H3 et H4 n est pas Compactée et donc accessible

31 Une partie de la régulation de la transcription se fait par remaniement de la chromatine. Ces remaniements sont déterminés en partie par des modifications de la queue des histones. Exemple des histones H3 :

32 Transcription et remaniements de la chromatine

33 Transcription et remaniements de la chromatine

34 L inactivation du chromosome X des mammifères Les mâles ne possèdent qu un X alors que les femelles en possèdent deux. Cette différence est compensée par l inactivation, chez les femelles, d un chromosome X entier. chromosome X actif Caractéristiques du chromosome inactivé : il est entouré d un ARN non-traduit, l ARN XIST il possède un variant spécifique de l histone H2A les histones H3 et H4 sont hypo-acétylées les histones H3 sont méthylées ( ci-après L ADN lui-même est méthylé (voir chromosome X inactif

35 L inactivation du chromosome X des mammifères L inactivation a lieu après quelques divisions cellulaires et l X inactivé est choisi de façon aléatoire. L organisme est donc une mosaïque où le X maternel est exprimé dans certaines lignées alors que le X paternel l est dans d autres.

36 L inactivation du chromosome X des mammifères Avner et Heard 2001 Nat. Rev. Genet. 2:59-67 Xist donne le signal d inactivation du chromosome X TsiX contrôle probablement l expression de Xist en cis Xce intervient dans le choix du X à inactiver

37 L inactivation du chromosome X des mammifères Avner et Heard 2001 Nat. Rev. Genet. 2:59-67

38 L inactivation du chromosome X des mammifères Corpuscule chromatinien de Barr Appliquée contre face interne de L enveloppe nucléaire

39 2.1 Compaction de l'adn et régulation de la transcription protéines de régulation Méthylation des GC et condensation chez les vertébrés facteurs généraux de transcription certaines protéines de régulation font défaut méthylation de l'adn fixation de protéines qui reconnaissent les C méthylés transcr. transcr. inactivée en partie Chez les vertébrés les C des motifs CpG peuvent être méthylés. Ces motifs CpG méthylés sont reconnus par des protéines qui enclenchent la condensation de l ADN, empêchant ainsi la transcription du gène. recrutement de protéine de remodelage de la chromatine et d'histone-désacétylases Le profil de méthylation d une cellule est transmis au cours des divisions cellulaires. transcr. totalement inactivée

40 Les patrons de méthylation peuvent être transmis lors des divisions cellulaires CH 3 ACGTATCGT TGCATAGCA CH 3 CH 3 ACGTATCGT TGCATAGCA réplication ACGTATCGT TGCATAGCA C non reconnu par les méthylases C reconnu par les méthylases CH 3 méthylation CH 3 CH 3 ACGTATCGT TGCATAGCA CH 3 ACGTATCGT TGCATAGCA CH 3

41 Effet de position des gènes le long des chromosomes Chez la levure, le gène ADE2 en position normale est exprimé dans toutes les cellules. S'il est déplacé vers le télomère du chromosome, il n'est plus exprimé. Cette inactivation entraîne l'accumulation d'un pigment rouge dans les cellules. télomère ADE2 télomère ADE2 On pense que ADE2 est inactivé lorsqu'on le place près du télomère parce que cette région du chromosome est fortement condensée.

42 Le contrôle de l'expression génétique 3. Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3.1 Régulation du transport des ARNm Un exemple de régulation par la protéine virale Rev Le virus du sida (VIH) est un rétrovirus : c est un virus à ARN qui, une fois dans la cellule, rétro-transcrit son ARN pour qu il puisse s insérer dans le génome de la cellule. Pour pouvoir sortir de la cellule, il doit faire sortir du noyau son ARN complet, introns compris. seul l ARN épissé sort du noyau. Il est traduit en Rev La protéine Rev se fixe sur un intron du transcrit primaire. L ARN total peu alors sortir du noyau.

43 3. La régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3. Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3.2 Le contrôle de la maturation des ARNm 3.2 Contrôle maturation des ARNm Nature Genetics 30, (2002) doi: /ng A genomic view of alternative splicing Barmak Modrek & Christopher Lee A- Inclusion ou exclusion d un exon, par utilisation d un site 5 ou 3 différent B- Utilisation d un site différent pour l initiation ou la terminaison due à un décalage de phase ou à l addition/suppression d un codon stop C- Maturation différentielle de l ARN par substitution d un domaine transmembranaire par un autre Nature Genetics 30, (2002) A genomic view of alternative splicing Barmak Modrek & Christopher Lee

44 3. La régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3. Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3.2 Le contrôle de la maturation des ARNm 3.2 Contrôle maturation des ARNm Le contrôle de l épissage alternatif L épissage alternatif permet, à partir d un même transcrit primaire, de produire des protéines différentes. Il peut être soumis à un contrôle positif ou négatif. Un des exemples les mieux compris de contrôle de l épissage alternatif est celui impliqué dans le déterminisme du sexe chez la drosophile

45 3. La régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3. Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3.2 Le contrôle de la maturation des ARNm 3.2 Contrôle maturation des ARNm Epissage alternatif et déterminisme du sexe chez la drosophile (1) Le développement mâle est la voie par défaut. Il amène à la synthèse de dsx, protéine qui inactive les gènes de la différenciation femelle. Le développement femelle implique un répresseur, Sxl, qui bloque un site d épissage et un activateur, tra, qui au contraire induit l épissage d un intron. Activation promoteur tardif Pm Activation promoteur précoce Pe

46 3. La régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3. Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3.2 Le contrôle de la maturation des ARNm 3.2 Contrôle maturation des ARNm Epissage alternatif et déterminisme du sexe chez la drosophile (2)

47 3. La régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3. Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3.2 Le contrôle de la maturation des ARNm 3.2 Contrôle maturation des ARNm Chez les eucaryotes, demi-vie de l ARNm, dans le cytosol, de 30mn à 10 heures. Les ARNm les moins stables sont des protéines de régulation dont la concentration doit pouvoir s adapter rapidement à un changement environnemental. La dégradation des ARNm implique généralement un raccourcissement de la queue poly A par des endonucléases, type DAN (enzyme de dé-adénylation). La dégradation rapide (voie B) peut être facilement contrôlée. Une protéine peut par exemple se fixer au site d action des endonucléases et ralentir ainsi la dégradation de l ARNm. Possibilité de dégradation d ARNm spécifiques par le biais des petits ARN interférents par l intermédiaire de l enzyme DICER et le complexe RISC.

48 3. La régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3. Régulation post-transcriptionnelle chez les eucaryotes 3.3 Le contrôle de la traduction 3.3 Contrôle de la traduction Régulation de la détection des AUG (leaky ( scanning La traduction est initiée lorsque la petite sous-unité du ribosome, en coulissant le long de l'arnm, rencontre un codon AUG. En fait d'autres facteurs sont importants dans cette détection: les codons au voisinage de l'aug, des facteurs généraux d'initiation de la traduction (ex. elf) qui facilite la détection de l'aug. Si les codons au voisinage de l'aug ne permettent pas bien sa détection et si en plus les facteurs d'initiations sont en faible concentration, la petite sous unité du ribosome va rater l'aug... et s'arrêter au suivant. Le ribosome ne traduira plus la même protéine! AUG AUG [elf] élevée [elf] faible

49 Conclusion Conclusion Quelques exceptions où la régulation de l expression passe par une modification du patrimoine génétique le plus connu est celui de la recombinaison intra-chromosomique dans les lymphocytes. Elle explique en partie l énorme diversité d anticorps qui peut être produite par ces cellules.

50 Le contrôle de l'expression génétique Conclusion Quelques exceptions où la régulation de l expression passe par une modification du patrimoine génétique chez l ascaris, certains fragments de chromosome sont perdus pendant le développement de l animal. Il ne sont en fait conservés que dans la lignée germinale. élimination de l hétérochromatine des extrémités des chromosomes dans les cellules somatiques maintien de ces extrémités dans les cellules de la lignée germinale Exemples : Parascaris, 88% d ADN éliminé Ascaris, 25% d ADN éliminé

51 Le contrôle de l'expression génétique Conclusion Quelques exceptions où la régulation de l expression passe par une modification du patrimoine génétique chez le xénope, des gènes codant pour des ARNr sont amplifiés dans les ovocytes pendant la vitellogénèse. Il deviennent de petits fragments d ADN circulaires et de petits nucléoles s organisent autour d elles. Unité de transcription Espaceur (non transcrit) 18 S 5,8 S 28 S

52 Le contrôle de l'expression génétique Conclusion Gènes soumis à l empreinte parentale Répression stable tout au long de la vie d un individu d un allèle de certains gènes selon son origine parentale résulte de modifications épigénétiques appelées marques d empreinte apposées dans les gamètes ces modifications sont spécifiques de certaines séquences régulant l expression des gènes : - élements de contrôle de l empreinte ou centres d empreintes Boîte d empreinte Gène subissant l empreinte Non méthylé Méthylé

53 Le contrôle de l'expression génétique Conclusion Importance du contrôle de l expression chez les métazoaires Le contrôle de l expression génétique est fondamental pour les métazoaires : il permet la régulation, par voie hormonale entre autres, de l activité des cellules, il permet aussi la différenciation cellulaire : des cellules qui ont le même patrimoine génétique modifient leur mode de fonctionnement pour accomplir des tâches spécifiques. Ces deux points expliquent peut être le grand nombre de gènes impliqués dans la régulation chez les eucaryotes Mais attention! l adaptation à un environnement fluctuant est fondamentale chez les bactéries. la communication entre cellules existe aussi chez les bactéries ( sensing (quorum