REGULATION DE L EXPRESSION DES GENES

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1 REGULATION DE L EXPRESSION DES GENES 1. Circuits fondamentaux de contrôle Ce sont des circuits de contrôle permettant d ajuster les synthèses protéiques en fonction des besoins. Pour cela, les cellules sont capables de reconnaître les conditions de l environnement et de répondre à leurs besoins. Elles sont capables d activer ou de réprimer chaque gène ou groupe de gènes en fonction des conditions et des besoins. 2. Régulation des gènes chez les procaryotes 2.1. Le système Lac et la répression catabolique L étude de la cinétique de l induction de la galactosidase (enzyme qui dégrade le lactose en glucose et galactose) chez E. coli est basée sur les constatations suivantes : Culture dans un milieu contenant : Glucose Lactose Glucose et lactose Constatations Croissance de la colonie Pause (diauxie) puis croissance Croissance de la colonie Interprétation : a. Définition et structure de l opéron Chez les bactéries, les gènes qui possèdent l information nécessaire à l assemblage des enzymes d une même voie métabolique sont généralement regroupés sur le chromosome, en un complexe opérationnel appelé opéron. Ces gènes sont contrôlés d une manière coordonnée par un même promoteur. L ARNm obtenu est dit polycistronique puisqu il est traduit en plusieurs polypeptides distincts L opéron lactose est formé de : Gènes de structure : comprenant les gènes lacz codant la β-galactosidase, lacy codant la β-galactosides perméase (entrée du lactose dans la cellule) et laca codant une thiogalactosides acétyltransférase (transformation du lactose en excès). Gène régulateur: LacI codant le répresseur ou protéine LacI Séquences de contrôle: représentant des sites de fixation des régulateurs, le répresseur LacI. Cette séquence située juste en amont des gènes de structure constitue l opérateur. Le promoteur, site de liaison de l ARN polymérase, comporte également une séquence de fixation d une protéine de liaison à l AMPc appelée CAP (Catabolite gene Activator Protein) qui joue un rôle d activateur (Figure 1). 1

2 b. Fonctionnement : Figure 1 : Structure de l opéron lac - En absence de lactose, le répresseur LacI empêche la progression de l ARN polymérase et bloque l expression de l opéron, on dit qu il y a répression. En présence du lactose, l allolactose (isomère du lactose), se fixe sur la protéine LacI et la rend inactive, la répression ne peut se faire, l ARN polymérase transcrit les gènes. LacI exerce un contrôle négatif sur l expression des gènes de l opéron Lac (répression catabolique) et le lactose est dit inducteur (Figure 2). Figure 2 : Régulation de l opéron Lac par le lactose - En présence de glucose et lactose, la bactérie utilise préférentiellement le glucose. En présence de ce substrat, la concentration en AMPc cytosolique est faible et la CAP est inactive. Au fur et à mesure que le glucose est utilisé, la concentration en AMPc augmente et active la CAP. Le complexe CAP-AMPC se fixe sur le site de contrôle est active l expression des gènes de l opéron Lac. L AMPc-CAP exerce donc un contrôle positif sur l expression des gènes de l opéron Lac. En fonction du contenu en substrats du milieu, la bactérie module l expression des gènes tels que résumé sur le tableau I. 2

3 Tableau I : Récapitulatif de la régulation de l expression des gènes de l opéron lac Lactose LacI Glc CAP Opéron - Actif + réprimé + Inactif - Active Déréprimé et activé + Inactif + Inactive Déréprimé et non activé 2.2. Le système Trp et atténuation a. Structure de l opéron L opéron tryptophane est formé de : Gènes de structure : comprenant les gènes TrpEDCBA codant pour plusieurs enzymes de la voie de biosynthèse du tryptophane. Gène régulateur: TrpR codant pour un apo-répresseur. Séquences de contrôle: représentant le site de fixation du répresseur au niveau de la région en amont des gènes de structure ou opérateur (Figure 3). b. Fonctionnement : Figure 3 : Structure de l opéron Trp La biosynthèse du tryptophane est régulée à différents niveaux : -Activation/répression de la transcription : En absence de Trp, la transcription des 5 gènes se produit. Le répresseur seul ou apo-répresseur est inactif. En présence de l acide aminé, le complexe Trp-répresseur devient actif et bloque la progression de l ARN polymérase. Il s agit d une régulation négative et le Trp est un co-répresseur (Figure 4). 3

4 Figure 4 : Régulation négative par le Trp sur sa propre biosynthèse. -Atténuation de la transcription: effet de la traduction sur la transcription : La transcription est également contrôlée par atténuation par traduction d un oligopeptide. Ce processus permet d avoir un état plus réprimé que celui obtenu avec le premier mécanisme. Ce mécanisme est possible en raison de la présence, en amont des gènes de structure (entre l opérateur et ces gènes) d une séquence contenant, entre autres 2 codons Trp successifs, codant pour un peptide leader. Le ribosome s arrête au niveau de ces codons et permet un choix de tige : boucle 3-4 constituant une boucle de signal de terminaison en présence de Trp, dans ce cas le peptide leader est complet car présence de l ARNt Trp ; ou boucle 2-3 ou antiterminator lorsque il y a absence de Trp, le ribosome ne progresse pas et le peptide leader est incomplètement synthétisé (Figure 5). Figure 5 : Régulation par atténuation de la biosynthèse du Trp 4

5 2. Régulation des gènes chez les eucaryotes Le contrôle de l expression des gènes chez les eucaryotes est plus complexe en raison du génome plus diversifié, des degrés de différenciation et de la multitude de signaux. La régulation peut s exercer à différents niveaux : -Mécanismes de contrôle au niveau de la transcription : choix du gène à transcrire et nombre de fois - Mécanismes de contrôle de la maturation des ARN pré-messagers et leur durée de vie - Mécanismes de contrôle au niveau de la traduction en protéines. Comme chez les procaryotes, la transcription différentielle est le mécanisme le plus important qui permet aux cellules de déterminer quelles protéines seront synthétisées. Pour cela, il existe plusieurs facteurs protéiques de transcription (FT) et protéines de régulation (facteurs «Trans») qui présentent des domaines particuliers de liaison à l ADN ( structure en doigt de zinc, hélice-boucle-hélice, fermeture éclair à leucine..) qui reconnaissent des séquences spécifiques ou séquences «Cis» de l ADN (Tableau II et Figure 6). Leurs interactions permettent de moduler l expression des gènes. Tableau II : Quelques exemples de facteurs de régulation de la transcription et séquences d ADN spécifiques Cis Localisation Trans TATAAAA -25 TFIID (TBF et prot) TFIID CCAAT -100 C/EBP GGGCGG -100, -200 sp1 Figure 6 : Interaction facteurs Trans et séquences spécifiques d ADN eucaryotes Le contrôle de la transcription des gènes, chez les eucaryotes implique également le degré de compaction de l ADN et les réactions d acétylation-désacétylation, méthylationdémétylation. La compaction et l addition des groupements méthyle en C5 des cytosines au niveau des îlots CG des régions régulatrices rend l ADN «silencieux». 5