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Procaryotes
RÉGULATION DE L’EXPRESSION GÉNÉTIQUE
1. L’opéron lactose
STRUCTURE DU LACTOSE
liaison β-galactosidique
β-galactosidase
galactose
glucose
lactose
CROISSANCE BACTÉRIENNE EN
PRÉSENCE DE GLUCOSE ET DE LACTOSE
log D.O.
Croissance bactérienne
Diauxie
[bactéries]
[ONP]
T (h)
[glucose]
[lactose]
T (h)
Concentration en sucres
INDUCTION ENZYMATIQUE
L'utilisation du lactose conditionne la présence
de la !-galactosidase, enzyme nécessaire
à sa dégradation. Il y a induction de l'enzyme.
Deux hypothèses sont à faire pour cette induction
• le lactose active la
!-galactosidase, déjà
présente dans le milieu sous forme inactive.
! induction biochimique
• le lactose permet la synthèse de la ! galactosidase de novo.
! induction génétique
QUELLE EST LA NATURE DE L'INDUCTION ?
Expérience A :
• culture de bactéries en milieu :
+ glucose
+ méthionine 35S
pendant 1 heure à 37°C
• transfert de ces bactéries en milieu :
+ lactose
pendant 1 heure à 37°C
! la !-galactosidase synthétisée n'est pas marquée.
Expérience B :
• culture de bactéries en milieu :
+ glucose
pendant 1 heure à 37°C
• transfert de ces bactéries en milieu :
+ lactose
+ méthionine 35S
pendant 1 heure à 37°C
! la !-galactosidase synthétisée est marquée.
Conclusion : le lactose
régule la synthèse de novo
de l'enzyme et non une
régulation allostérique
qui affecterait la conformation
d'une enzyme déjà présente.
RÉGULATION DE LA TRANSCRIPTION OU DE LA TRADUCTION
?
Expérience A :
• culture de bactéries en milieu :
+ lactose + méthionine 35S + rifampicine
(inhibiteur de la transcription)
pendant 1 heure à 37°C
! la !-galactosidase n'est pas synthétisée.
Expérience B :
• culture de bactéries en milieu :
+lactose + méthionine 35S + puromycine
(inhibiteur de la traduction)
pendant 1 heure à 37°C
! la !-galactosidase n'est pas synthétisée.
Conclusion : le lactose
régule la synthèse
de novo de l'enzyme
au niveau transcriptionnel :
l'ARN messager transcrit
est ensuite traduit
en β-galactosidase.
RÉGULATION DE LA TRANSCRIPTION OU DE LA TRADUCTION
?
Expérience A :
• culture de bactéries en milieu :
+ lactose + méthionine 35S + rifampicine
(inhibiteur de la transcription)
pendant 1 heure à 37°C
! la !-galactosidase n'est pas synthétisée.
Expérience B :
• culture de bactéries en milieu :
+lactose + méthionine 35S + puromycine
(inhibiteur de la traduction)
pendant 1 heure à 37°C
! la !-galactosidase n'est pas synthétisée.
Conclusion : le lactose
régule la synthèse
de novo de l'enzyme
au niveau transcriptionnel :
l'ARN messager transcrit
est ensuite traduit
en β-galactosidase.
L'ALLOLACTOSE EST L'INDUCTEUR
La β-galactoside transacétylase, enzyme de masse moléculaire
60 kDa transformant le lactose β,1-4 en allolactose β,1-6 par
transglycosylation
lactose β,1-4
allactose β,1-6
DIPLOIDES PARTIELS
chromosome bactérien
lacZ+
lacIO+
O+
lacZ+
lacY+
lacA+
lacI+
facteur F'
L'OPERON LACTOSE D'ESCHERICHIA COLI
L'opéron lactose d' Escherichia coli (6 237 pdb) comporte les
éléments suivants :
• 3 gènes structuraux : lacZ, lacY et lacA.
• des éléments régulateurs, p romoteur P et opérateur O, agissant
en cis.
• 1 gène régulateur, lacI, possédant son promoteur.
REGULATION DE L'OPERON LACTOSE
JACOB ET MONOD
1961
LES MUTATIONS DU RÉPRESSEUR
i- Le répresseur muté ne peut plus se
fixer sur l'opérateur fonctionnel. La
bactérie est [lacc]
i-
O+
iS
O+
is Le répresseur muté ne peut plus
interagir avec l'inducteur et
changer sa conformation (superrépresseur). La bactérie est [lac-]
LES MUTATIONS DE L’OPÉRATEUR
i+
OC Le répresseur fonctionnel ne peut
plus se fixer sur l'opérateur muté. La
bactérie est [lacc].
DIPLOIDE PARTIEL I- O +Z+ … // I+ O+ Z+
facteur F'
chromosome bactérien
• l'allèle I+ est dominant sur l'allèle I• ces bactéries sont de phénotype [lac+ inductible].
DIPLOIDE PARTIEL Is O+ Z+ … // I+ O+ Z+
chromosome bactérien
facteur F'
• l'allèle Is est dominant sur l'allèle I+
• ces bactéries sont de phénotype [lacnon-inductible].
DIPLOIDE PARTIEL I+ Oc Z+ … // I+ O+ Z+
• l'allèle Oc est dominant sur l'allèle O+
• ces bactéries sont de phénotype [lac+
constitutif].
EMPREINTE DE
L’OPÉRATEUR
SUR L'ADN
3'
se
ns
d
e
mi
gr
at
io
n
G
G
A
T
C
A
5'
INITIATION DE LA TRANSCRIPTION
boîte -35
boîte -10
1er nucléotide transcrit
5'
ADN
3'
TTGAC A
TATAAT
AAC TGT
ATATTA
N
-35
-10
+1
3'
brin non transcrit
5'
brin transcrit
sens de transcription
~ 40 nucléotides
~ 20 nucléotides
~ 60 nucléotides
L'ARN polymérase recouvre 60 nucléotides environ sur l'ADN
INITIATION DE LA TRANSCRIPTION
Promoteur (ADN couvert par l'ARN polymérase)
Séquences non consensus du promoteur
ARN messager
Moitiés symétriques de l'opérateur
Opérateur (ADN couvert par le répresseur)
• Le promoteur faible occupe la position –48 à +12
• L'opérateur occupe la position –5 à +21
Ces deux séquences se recouvrent donc partiellement.
GLUCOSE ET TAUX INTRACELLULAIRE D'AMPc
PROTÉINE CAP, AMPc ET
TRANSCRIPTION DE L’OPÉRON LAC
La protéine CAP est un dimère
de sous-unités identiques
(22,5 kDa chacune) : chaque
sous-unité possède un site
de liaison à l'ADN et un site
de liaison pour l'AMPc. Le
dimère seul ne peut se lier
à l'ADN, mais dès qu'une
molécule d'AMPc est fixée
sur l'une des sous-unités,
le changement conformationnel
résultant permet la fixation du
dimère CAP sur l'ADN.
REGION CONTRÔLANT DE L'OPERON LACTOSE
Fin du gène
du répresseur
Site CAP
Promoteur
ARN
messager
Séquences consensus du site CAP
Moitiés symétriques de l'opérateur
Sites de mutations
empêchant la protéine CAP
de se fixer à l'ADN
Séquences
non consensus
du promoteur
Opérateur
Le site CAP occupe la position –72 à -49
Le promoteur faible occupe la position –48 à +12
L'opérateur occupe la position –5 à +21
Début du
gène
β-gal
CAP-AMPc ACTIVE L'OPERON LACTOSE
CAP
AMPc
Les séquences en -10 et -35 étant différentes des
séquences consensus des promoteurs forts, la protéine
CAP intervient en incurvant l’ADN pour augmenter le
niveau de fixation de l'ARN polymérase sur ce
promoteur.
LE GLUCOSE RÉPRIME L’OPÉRON LACTOSE
(si absence de lactose…)
Le glucose en abaissant le taux intracellulaire d’AMPC inactive la
protéine CAP et réprime la transcription de l’opéron lactose en absence
ou présence de lactose.
ACTIVATION TOTALE DE L’OPÉRON LACTOSE :
PRÉSENCE DE LACTOSE ET ABSENCE DE GLUCOSE
QU’EST-CE QU’UN OPÉRON ?
Un opéron est une unité régulée d'expression des
gènes dans laquelle on trouve un ensemble de
gènes structuraux, sous le contrôle d'un système
régulateur unique (ATTENTION…).
Les gènes structuraux sont transcrits à partir
d'une région "opérateur-promoteur" commune,
sous la f orme d'un ARN messager unique, appelé
ARNm polycistronique, qui sera traduit en
protéines différentes.
Cet opéron est contrôlé par une protéine de
régulation (répresseur ou activateur) codée par un
gène de régulation spécifique.
CONTRÔLE NÉGATIF
Répresseur
CONTRÔLE POSITIF
Activateur
Lactose
Répression
catabolique
Tryptophane
Rhamnose
RÉGULATION DE L’EXPRESSION GÉNÉTIQUE
2. Régulation de la synthèse de tryptophane
L’OPÉRON TRYPTOPHANE
β-galactosidase
galactose
glucose
lactose
en absence de trp
en présence de trp
répresseur
inactif
répresseur actif
Changements conformationnels du répresseur
CONTRÔLE NÉGATIF
DE L’OPÉRON
TRYPTOPHANE
L'opéron tryptophane est
sous un contrôle négatif
par un répresseur,
dimère de sous-unités
(PM 12 kDa), synthétisé
sous forme inactive.
L'inducteur est le
tryptophane.
L’ATTÉNUATION
L'atténuation est une terminaison prématurée d e
la transcription.
L'atténuation est provoquée par un terminateur
facultatif qui est situé au début de l'unité de
transcription de l'opéron et que l'on appelle
atténuateur.
STRUCTURE DE L’ATTÉNUATEUR
Terminaison
Antiterminaison
codons trp
codon
"start"
codon stop
Séquence codante
du peptide leader
codon
"start"
de l'ARNm
trpE
L'atténuateur de l'opéron tryptophane est une séquence nucléotidique
ARN de 162 bases, située à l'extrémité 5' de l'ARNm
polycistronique. Cette séquence est donc synthétisée à p artir
du promoteur de l'opéron trp avant la séquence codante du
gène trpE.
Elle comprend une séquence codante, comprise entre les
nucléotides 27 à 68 (codon d'initiation AUG à codon stop UGA)
permettant la synthèse d'un peptide de 14 acides aminés de
longueur : dont deux codons tryptophane (en positions 10 et 11,
c'est-à-dire quasiment à la fin de la séquence codante).
L’ARNm LEADER TRP
5
'
peptide
leader
séquence 1
séquence 2
séquence 3
140
séquence 4
162
séquence de pause
séquence trpE
4 séquences nucléotidiques (notées 1, 2 , 3 et 4) sont des séquences
palindromiques qui peu vent conduire à l a formation de structures ARN
"en épingles à cheveux"
CERTAINES STRUCTURES EN ÉPINGLES À
CHEVEUX SONT DES TERMINATEURS
Terminateur rho-indépendant :
Structures en "épingle à cheveux"
Terminateur rho-dépendant :
Epingle 2/3 :
antiterminateur
Epingle 3/4 :
terminateur
PRÉREQUIS DE L’ATTÉNUATION
L'atténuation repose sur le fait que transcription et traduction sont simultanées
chez les bactéries. Dans tous les cas, la transcription de l'ARNm tryptophane
démarre. L'ARNm trytophane en cours de synthèse est traduit.
C'est la position du ribosome en cours de traduction qui va déterminer la suite
des évènements :
- atténuation et arrêt de la transcription
- poursuite de la transcription
Le ribosome pourra avoir deux positions sur l'ARNm et selon ces positions,
il pourra y avoir formation de deux types de structures en épingle à cheveux
différentes :
- position A : formation d'une boucle 2/3
 boucle d'antiterminaison
- position B : formation d'une boucle 3/4
 boucle de terminaison
C'est la vitesse de traduction du peptide leader qui déterminera la position du
ribosome sur l'ARNm tryptophane.
PRINCIPE DE L’ATTÉNUATION
En absence de TRP:
-freinage par absence d’ARNt-TRP
-épingle à cheveux 2/3
-il y a synthèse de l’ARNm
ARN
polymérase
En présence de [trp] moyenne:
- pas de freinage
-épingle à cheveux 3/4
-terminaison de la transcription
ARN
polymérase
terminateur rho-indépendant
RÉGULATION DE LA SYNTHÈSE DU TRP
3 Niveaux de régulation :
- Rétroinhibition de la voie de synthèse
- Répression de l’opéron par un répresseur fixant
le tryptophane comme corépresseur
- Atténuation : transcription abortive de l’opéron
Question :
Dans quelles conditions de concentration de
tryptophane interviennent ces différents processus ?
RÉGULATION DE L’EXPRESSION GÉNÉTIQUE
3. Autres mécanismes de régulation de
L’expression génétique…
L'ARN POLYMERASE BACTERIENNE
β'
Échange de sous unité σ
α
3'
β
α
5'
brin transcrit
σ
~ 60 nucléotides
intérieur du complexe
3'
5'
sites d'interaction avec l'ADN
brin transcrit
site catalytique
L'ARN polymérase bactérienne ou holoenzyme (500 kDa) !2""'#:
• sous-unité ! (x2) : interactions avec les protéines régulatrices
• sous-unité " : formation des liaisons phosphodiesters
• sous-unité "' : liaison au brin d'ADN matrice
• sous-unité # : reconnaissance du promoteur
NIVEAUX DE CONTRÔLES DES GÈNES
Chez les bactéries, le contrôle des gènes
s'exerce essentiellement à 3 niveaux :
• l'initiation de la transcription
• la terminaison de la transcription
• la stabilité des ARN messagers
Dans quelques cas il existe une régulation de la
traduction des ARNm
(Chez les eucaryotes, il existe des niveaux
supplémentaires affectant la maturation des
ARN messagers et la traduction en protéines).