expression génétique et régulation

L'expression d'un gène (classe II) en une
protéine fonctionnelle : une activité
complexe dont le résultat est difficilement
prévisible ?
T. Arnould
Séminaire Résidentiel Interdisplinaire
Faculté des Sciences
19-21 janvier 2009
Duinse Polders Blankenberge
Plan de l’exposé
• Partie I : l’expression de gènes
* Les acteurs et mécanismes de base :
– ADN
– Transcription : les facteurs de transcription et les activateurs
– Traduction
• Partie II : la régulation de l’expression de gènes est le résultat de
nombreuses influences opposées - activation ou répression
* Nécessité de l’intégration des signaux…
– Régulation transcriptionnelle :
• Interactions au niveau du promoteur et combinatoire des facteurs
•
de transcription activateurs et cofacteurs (ADN)
Régulation épigénétique (ADN et chromatine)
– Régulation post-transcriptionnelle (ARNm)
– Régulation de la traduction (Protéines)
– Régulation post-traductionnelle (Protéines)
Le dogme central…
ADN
Les protéines fonctionnelles qui assurent la chimie
cellulaire…destination finale du voyage
Les protéines :
- représentent plus de 50 % de la
masse sèche des cellules
- interviennent dans toutes les
fonctions cellulaires
Grande variété et diversification
énorme des structures-fonctions
Structure : une classe de protéines
(fibreuses) peut comporter des
molécules très différentes
(kératines, fibrine caillot sanguin,
collagène, fibroïne de la soie, …)
Fonction : les enzymes =
catalyseurs (protéines globulaires)
Les acides aminés : briques de construction des protéines
Polymère linéaire composé d’acides
aminés (20 différents)
polymérisés dans un ordre bien
défini (= séquence)
La liaison
peptidique
La chaîne latérale (R) : détermine
les propriétés spécifiques de
chaque acide aminé
Structure - Fonction
Augmentation de la
température, ∆pH,
changements [sels],…
Qu’est-ce qu’un gène ?
• Les gènes codent pour des protéines…pas toujours !!!
• 1 à 2 % de l’ADN - chez l’homme :
– 3,6 109 paires de bases
– ± 25000 gènes mais ± 106 de protéines…(4 mécanismes : EA, PA,
MPT et “mRNA editing”)
• Domestiques : tout le temps dans toutes les cellules
• Spécifiques : tout le temps dans certaines cellules
• Régulés : à certains moments dans certaines cellules
• La Transcription du gène…
en un transcrit (ARNm) stable
Rôle du promoteur central/proximal d’un gène :
recruter l’ARN pol par l’intermédiaire de facteurs
de transcription…
Complexe d’initiation eucaryote
+1
Promoteur central
Promoteur : courte séquence
d’ADN non transcrite par l’ARN
Pol mais qui s’y lie…(fort ou faible)
La transcription de l’ADN en copies d’ARNm :
ARN polymérase II
Schéma d’une bulle de transcription
± 50 à 200 nucléotides/s
Elongation et Terminaison
Les facteurs de transcription
• Les facteurs généraux de transcription : nécessaires à
l’initiation de la synthèse de l’ARN au niveau des gènes de classe II. Ils
forment avec l’ARN pol II un complexe au niveau du site d’initiation de
la transcription et déterminent ainsi le site de démarrage de la
transcription
• Les facteurs de transcription spécifiques
: possèdent un rôle
régulateur et participent à l’induction ou à la répression. Ils sont
synthétisés ou activés d’une manière spécifique dans les cellules en
réponse à des signaux. Les séquences qu’ils reconnaissent sont
appelées les éléments de réponse.
Les promoteurs eucaryotes : complexes, spécifiques et
capables d’être liés par des facteurs de transcription
spécifiques/activateurs (± 1000) qui lient des séquences
particulières en amont. Ils contrôlent le niveau d’expression
d’un gène…à la demande…en fonction des conditions…
Modifications post-transcriptionelles de l’ARNm
Protège de la
dégradation :
stabilité de
l’ARNm
Initiation de la
traduction
Addition d’un GTP
méthylé à A ou G
La Traduction…
en une protéine conformée…
Le code génétique est à triplets
Il faut 3 nucléotides pour spécifier un acide aminé donné
Ce qui offre 43 = 64 possibilités.
Brin transcrit/modèle
ADN
Le cadre de lecture
A AUU GCC GUG C.. et non ..AAU UGC CGU GC..
Ile - Ala - Val
Asn - Cys - Arg
Les ribosomes
• Complexes d’ARN
ribosomiques (ARNr :
principales unités
catalytiques) et de
protéines ribosomiques
(rôle structural)
– ribozyme
Structure atomique : 0,24 nm
• Sites :
–
–
–
E (exit)
P (peptidyl)
A (aminoacyl)
La traduction
La série de codons alignés sur l’ARNm est « interprétée » par une série de
molécules d’ARN de transfert (ARNt). Les différents ARNt fixent chacun un
acide aminé pour l’acheminer vers les ribosomes. Cette réaction est catalysée
par différentes aminoacyl-ARNt synthétases qui sont des enzymes
d’activation. Chaque ARNt traduit un certain codon de l’ARNm en l’acide
aminé correspondant.
ARNt
Initiation de la traduction des transcrits en protéines…
(Holick et al., Nature Molecular Biol Rev, 2005)
* Poly A : 20-200 A
(stabilité - traduction)
L’élongation de la traduction
Les acides aminés sont ajoutés un à un selon un cycle de trois phases :
- reconnaissance du codon par l’ARNt correspondant (2 GTP)
- formation de la liaison peptidique
- translocation : le ribosome passe au codon suivant, l’ARNt portant la
protéine en croissance passe du site A au site P et l’ARNt vide passe au site E
avant de quitter le ribosome (1 GTP).
La terminaison de la traduction
Quand le ribosome arrive au codon stop (UAG, UAA ou UGA pour lesquels il
n’existe pas d’ARNt), un facteur de terminaison se lie, ajoute une molécule de
H2O au dernier acide aminé pour hydrolyser la liaison protéine-ARNt et la
protéine est libérée.
L’ARNm et les deux sous-unités du ribosome se dissocient ensuite.
Transcription et traduction : résumé
• Partie II :
• Quelques exemples de régulations dont la
combinatoire est complexe et rend difficile le
pronostic du résultat de l’expression d’un gène
donné…
• Les nombreux niveaux soumis à de très
nombreuses régulations donnent parfois des
surprises sur le résultat attendu…
Intégration : des voies de signalisation cellulaires conduisent à
activer les facteurs de transcription
Série d’événements séquentiels….
…la bonne protéine…
…à la bonne place…
…au bon moment…
…en bonne quantité…
L929
L929 (mtDNAd)
N
N
N
N
Parmi les mécanismes d’activation des facteurs
de transcription : le clivage protéolytique
contrôlé ou partiel (Cholestérol-SREBPs)
QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
Bengoechea-Alonso and Ericsson, 2007
La phosphorylation d’un facteur de transcription : l’origine de
son activation ou de son inactivation (changement de
localisation, répulsion avec l’ADN,…)
Modifications post-traductionnelles d’un facteur de
transcription : p53 (Olsson, et al., 2007, Cell Death and Differentiation)
QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
Domain-structure of human p53. The p53 protein consists of six major domains: TAD1 and 2;
amino-acid residues 1ﾐ43 and 44ﾐ60; the PRD, residues 40ﾐ92; the DBD, residues 100ﾐ300,
the 4D, residues 307ﾐ355, and the CTD, residues 356ﾐ393). NLS, nuclear localization signal;
NES, nuclear export signal. Post-translational modifications are depicted in the individual
domains of p53: P (phosphorylation), Ac (acetylation), Ub (ubiquitination), M (methylation),
and SU (sumoylation)
L’activité transactivatrice (et autre) est fonction de l’intégration de
ces signaux…une combinatoire difficile à prédire…
L’activité des facteurs de transcription contrôlée en amont
par les voies de signalisation…
QuickTime™ et un
décompresseur
sont requis pour visionner cette image.
Expression de
gènes
Un promoteur : contient de nombreux sites de liaisons
pour de multiples facteurs de transcription
- -
-
+
+
- -
++
YY1
YY1 Sp1 YY1SREBP Sp1 YY1
YY1TATA
LDLr
CCAT/ACAT
-122
-118
-100
-75
-65
-49
-26
-23
• Affinités de liaison différentes
• Compétitions (sites reconnus par 2 ou plusieurs
•
•
facteurs de transcription)
Coopération (SREBP + Sp1 : renforcement)
Antagonisme : YY-1, effet répresseur
– Saturation biphasique des sites…(1 site + et 1 site pour un même facteur de transcription)
Les facteurs de transcription activés (monomériques
ou homo-/hétéro-multimériques recrutent des
cofacteurs (co-activateurs ou co-répresseurs…)
Une difficulté de prédiction : l’interférence des voies
de signalisation conduisant à des signaux
contradictoires…
Regulation par “squelching”
Domaines de transactivation d’un
FT est en interaction avec des coactivateurs/co-répresseurs (faible
abondance).
Plusieurs domaines de
transactivation de différents FT
compètent pour ces molécules…
“Squelching” : modification de la
transcription d’un gène donné suite
à la séquestration de molécules en
quantités limitantes (coactivateurs/co-répresseurs) par
d’autres FT activés au niveau
d’autres promoteurs…
Cahill et al., Febs Letters, 1994
Les cofacteurs (co-activateurs ou co-répresseurs) directs ou
indirects possèdent souvent, respectivement, une activité Histone
Acetyl-Transferase (HAT) ou Histone Deacetylase (HDAC)
L’accessibilité des acteurs à l’ADN : mécanismes
épigénétiques
Variations héritables dans
l’expression génique après
division cellulaire
(mitose/méiose) qui ne
sont pas provoquées par
des changements dans la
séquence de l’ADN…
Mécanismes :
Méthylation de l’ADN et
modifications posttraductionnelles des
histones…
Impact : remodeler la
chromatine en domaines
euchromatine, ou
hétérochromatine
constitutive ou
facultative…
Localisation des modifications épigénétiques sur les
queues des histones : un code difficile…une même
modification peut avoir des effets opposés selon
l’histone touchée…
QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
Euchromatine versus Hétérochromatine…qu’est-ce qui
change ?
QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
Enzymes de modifications : une balance subtile entre des
activités opposées…
QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
Impact global et simplifié des régulations épigénétiques sur
la transcription : acétylation et méthylation (ADN/Histones)
Chromatine non condensée "beads on a
string" + PRC : condensation et
aggrégation en « clumps »
A = H4 Acétylation
M = H3 K9 Méthylation
M= DNA Méthylation
Modifications de la chromatine : un mécanisme à la
base de la différenciation cellulaire
Modifications épigénétiques dans les cancers…
Régulation post-transcriptionnelle de l’expression par
des miRNA (microRNA)
PRIX NOBEL
Médecine/Physiologie
2006 : Caractérisation de
l’effet RNAi chez
Caenorhabditis elegans
Fire A., Mello C. (1998)
Nature 391 p 806
* ARN double-brin de ~22 bp généré à partir
d’un transcript endogène de 60-80 nt (premiRNA) avec une structure hairpin.
=> La voie des miRNA est un mécanisme utilisé
par la cellule pour réguler l’expression génique
au niveau post-transcriptionnel.
Chez l’homme : ± 1000
Base de données miRNA:
http://microrna.sanger.ac.uk/
La phosphorylation du facteur eIF2α bloque la traduction
(Holick, Nature Molecular Biol Rev, 2005)
+ Aconitase
Les modifications post-traductionnelles changent l’abondance, l’état
fonctionnel, la localisation d’une protéine…et la nature de ses partenaires
(Mann and Jensen, Nature Biotech 2003)
Phosphorylation
pTyr
pSer,pThr
Réversible,
Activation/Inactivation
Modulation interactions
Signalisation
Glycosylation
N-linked
O-linked
Protéines sécrétées/intra
Interactions cellules-cellules
Signalisation O-GlcNAc
Régulation activité enzymes
Ubiquitination
Lys
Signal de dégradation protéasome
Stabilité protéique
Formation ponts disulfures
-S-SIntra-Intermoléculaires
Stabilité protéique
Acylation
Farnesylation
Myristoylation
Palmitoylation
Localisation cellulaire
Médiateur interactions protéiques
Signalisation
Acétylation
Histones,…
Modulation interactions
Protéines-DNA
Stabilité des protéines
Sulfatation
Tyr
Modulation interactions protéines
Récepteur-ligand
Protéines
Méthylation
DNA/Histones
Régulation expression de gènes
Hydroxylation
Proline
Stabilité
Interactions protéines
Nitrosylation
Tyr
Module les interactions,
la localisation et la stabilité…
L’abondance d’une protéine : un équilibre entre
synthèse et dégradation…(“turn over” et “steady state”)
Core 20S : 28 sous unités α7,β7, β7, α7
chymotrypsin-like, trypsin-like, and peptidylglutamyl
peptide hydrolysing (PGPH)
Conclusions…
• I. Malgré la complexité…chaque cellule de notre
corps exprime des dizaines, des centaines, voir
des milliers de gènes à chaque instant…et ce,
en nombreuses copies de protéines
fonctionnelles
• II. Pour les techniques d’étude et les pronostics
: attention à utiliser une méthode qui rende le
mieux compte de la protéine fonctionnelle et
attention aux prédictions non validées sur base
de résultats obtenus pour des événements très
précoces…(activation d’un facteur de
transcription, abondance relative d’un
transcrit,…).
Pour une vision dynamique de certains
mécanismes et processus mentionnés…
• http://www.youtube.com/watch?v=41_Ne5
mS2ls&feature=related
• Merci de votre attention…