Web 13 Fiche 13

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Web 13 Fiche 13.1
MÉCANISMES D’ACTIVATION DE LA TRANSCRIPTION PAR
L’ACTIVATEUR CRP-AMPC
C. Guterriez
La protéine Crp (Cyclic-AMP-receptor-protein), également appelée Cap (Catabolite Activator
Protein) comprend 209 acides aminés (23 kDa), et est le produit du gène crp chez la bactérie
Escherichia coli. La protéine Crp forme des homo-dimères en solution. La structure
cristallographique de ces dimères a été résolue, en présence comme en absence de l’effecteur
AMPc. Chaque monomère se divise en deux domaines. Le domaine N-terminal (acides aminés
1 à 139) est responsable de la dimérisation de Crp et de la fixation de l’AMPc, au sein d’une
poche de fixation présente sur chaque monomère. Cette fixation provoque un changement de
conformation des monomères de Crp, les rendant aptes à se fixer sur leurs cibles sur l’ADN. Le
domaine C-terminal de Crp (acides aminés 140 à 209) est responsable de la fixation à l’ADN,
grâce à un motif hélice-tour-hélice, qui permet l’interaction avec un site spécifique sur l’ADN.
Ce site de fixation est une séquence semi-palindromique de 22 paires de bases, dont la séquence
consensus est 5’-AAATGTGATCTAGATCACATTT-3’. Chaque monomère d’un dimère de
Crp-AMPc se fixe sur un demi-site de fixation, et la fixation du dimère introduit une courbure
de la molécule d’ADN d’environ 80°, conduisant l’ADN à partiellement envelopper le dimère
de Crp-AMPc.

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LES PROMOTEURS CIBLES DE CRP-AMPC
Crp-AMPc est capable d’activer la transcription au niveau d’une centaine de promoteurs chez la
bactérie E. coli. Une analyse détaillée de plusieurs de ces promoteurs a montré qu’il est possible
de les regrouper en trois classes distinctes :
Classe I
Ces promoteurs sont activés uniquement par Crp-AMPc, suite à la fixation sur un site unique
situé en amont du promoteur et sur la même face de la double hélice d’ADN que celle sur
laquelle se fixe l’ARN polymérase. En conséquence, les sites de fixation de Crp-AMPc peuvent
se retrouver centrés sur les positions -93, -83, -72 ou encore -62, par rapport au site de
démarrage de la transcription. Un des exemples les mieux décrits est le promoteur de l’opéron
lactose, au niveau duquel le site de fixation du complexe Crp-AMPc est centré sur la position -
61,5.
Classe II
Les promoteurs de cette classe sont également activés uniquement par Crp-AMPc et via la
fixation à un seul site sur l’ADN. Toutefois, ce site se trouve chevaucher l’élément -35 du
promoteur. Ainsi, dans le promoteur galP1, le mieux connu de cette classe, le site de fixation de
Crp-AMPc est centré sur la position -41,5.
Classe III
Cette classe est plus hétérogène. Elle regroupe des promoteurs au niveau desquels l’activation
met en œuvre plusieurs dimères de Crp-AMPc et/ou au moins un autre régulateur en plus de
Crp-AMPc, conduisant à des interactions plus complexes entre ces régulateurs afin d’activer le
démarrage de la transcription.
MÉCANISME DE L’ACTIVATION AU NIVEAU DES PROMOTEURS
DE CLASSE I (FIGURE F13.1-1)
Des « mutants d’activation » de crp ont pu être isolés chez E. coli. Il s’agit d’allèles mutés
produisant des variants de Crp toujours capables de fixer l’AMPc , de dimériser et de
reconnaître le site de fixation sur l’ADN, mais devenus incapables d’y activer la transcription.
Ces mutants ont mis en évidence une région d’activation, AR1 (Activating region 1) composée
des acides aminés 156 à 164 de Crp. Dans la structure des complexes ADN-Crp-AMPc, la
région AR1 se trouve à la surface des monomères de Crp, orientée vers l’extérieur des
complexes. Des expériences particulièrement élégantes ont permis de montrer que les deux
monomères de Crp-AMPc ne jouent pas un rôle symétrique dans le processus d’activation. On
disposait de mutations altérant le motif hélice-tour-hélice et changeant la spécificité de
reconnaissance de l’ADN. Ainsi, les monomères de Crp portant la séquence sauvage ou
modifiée reconnaissent des sites de fixation à l’ADN légèrement différents. Une combinatoire
de mutations des motifs hélice-tour-hélice et des altérations sur chaque demi-site sur l’ADN ont

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alors permis de construire des « hétérodimères orientés » dans lesquels une altération de la
région AR1 était présente soit sur le monomère le plus amont, soit sur celui fixé du côté aval.
Ces expériences ont établi que seul le monomère situé en aval doit porter une région AR1
intacte pour que l’activation ait lieu.
L’activation des promoteurs de classe I nécessite par ailleurs la présence de la région C-
terminale, CTD ( C-terminal domain) sur au moins l’une des deux sous-unités  de l’ARN
polymérase. De plus il a été possible d’isoler des « mutants d’activation » produisant des sous-
unités modifiées de l’ARN polymérase dans lesquels les complexes Crp-AMPc ne sont plus
capables d’activer la transcription au promoteur lac. Ces mutations changent spécifiquement des
acides aminés de la région CTD.
L’activation au niveau des promoteurs de classe I s’explique alors parce que la fixation de
Crp-AMPc apporte une interface de contact avec l’ARN polymérase, augmentant l’affinité de
cette dernière avec les régions promotrices dans les complexes ternaires ADN, Crp-AMPc et
ARN polymérase. La présence d’une région non structurée et particulièrement flexible entre les
domaines N- et C-terminaux des sous-unités  permet à ces dernières une souplesse suffisante
pour interagir avec les régions AR1 des monomères avals de Crp sur des sites centrés en -93, -
83, -72 ou bien -62.
Figure F13.1-1. Mécanisme de l’activation de la transcription par Crp-AMPc au niveau des
promoteurs de classe I (A) ou II (B).

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MÉCANISME DE L’ACTIVATION AU NIVEAU DES PROMOTEURS
DE CLASSE II
Les promoteurs de la classe II activés par Crp-AMPc ont un élément -35 éloigné du consensus
et ils présentent un site de fixation des complexes Crp-AMPc chevauchant avec cette région.
Des études génétiques et biochimiques du même type que celles décrites pour les promoteurs de
classe I ont établi que deux sites à la surface de la protéine Crp sont nécessaires pour
l’activation. Comme pour les promoteurs de classe I, le site AR1 est impliqué. Toutefois, c’est
le site présent sur le monomère situé le plus en amont qui est mis en jeu. Ce site, en
interagissant avec le domaine CTD d’au moins une des sous-unités , permet d’améliorer la
fixation de l’ARN polymérase. D’autre part, un second site, AR2, constitué des acides aminés
19 à 21 et 101, est lui aussi nécessaire pour l’activation des promoteurs de classe II. Des
mutations modifiant les acides aminés de ce site affectent l’activation des promoteurs de classe
II, mais pas celle des promoteurs de classe I. Le site AR2 du monomère situé le plus en aval sur
le site de fixation de Crp-AMPc est en interaction avec le domaine NTD d’une sous-unité  au
moins. Cette seconde interaction semble agir sur une étape du démarrage de la transcription
postérieure à la fixation de l’ARN polymérase, lors de l’isomérisation des complexes fermés en
complexes ouverts.
MÉCANISME DE L’ACTIVATION AU NIVEAU DES PROMOTEURS
DE CLASSE III
Parmi les promoteurs de classe III activés par Crp-AMPc, on distingue plusieurs sous-classes.
Certains portent plusieurs sites de fixation des dimères de Crp-AMPc. Ils présentent un
fonctionnement synergique de ces dimères, avec par exemple l’addition de deux dimères fixés
en positions -93 et -62 agissant chacun par le mécanisme décrit pour les promoteurs de classe I.
On peut également observer des dimères fixés en des sites à -83 et -42, pour lesquels le plus
amont fonctionne par un mécanisme de type I alors que le plus en aval utilise un mécanisme de
type II. Pour ces promoteurs, il semble donc que l’addition de plusieurs sites de fixation
aboutisse à une addition des effets sur chacun de ces sites.
Une seconde sous-classe comprend des promoteurs sur lesquels Crp-AMPc agit en
collaboration avec d’autres régulateurs. Ici également, on observe une synergie entre Crp-
AMPc, agissant via un mécanisme de type I ou II selon la position de son site de fixation, et un
second régulateur. Ce dernier peut stimuler soit la fixation de l’ARN polymérase soit les étapes
d’isomérisation des complexes fermés, selon des mécanismes qui lui sont propres et via des
contacts régulateur-ARN polymérase spécifiques et différents de ceux mis en œuvre par Crp-
AMPc. Une particularité notable de l’activation à ces promoteurs est que Crp-AMPc ne contacte
pas le second régulateur, et que la synergie découle d’interactions avec les sous-unités de l’ARN
polymérase.
Enfin, une dernière sous-classe comprend des promoteurs sur lesquels l’action de Crp-AMPc
ne passe pas par une interaction avec l’ARN polymérase. C'est le cas pour le promoteur de
l’opéron malEFG. L’activateur MalT peut occuper deux types de sites différents, sur lesquels
MalT est capable ou pas de stimuler la transcription. En absence de Crp-AMPc, MalT occupe
les sites non-activateurs. Le rôle de Crp-AMPc, en se fixant sur son site en amont du promoteur

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est alors de repositionner l’activateur MalT sur les sites activant la transcription. Sur de tels
promoteurs, les régions d’activation AR1 ou AR2 ne sont pas mises en jeu, et seule la fixation
des dimères de Crp-AMPc est importante pour l’activation.
Bibliographie
Busby S. & Ebright R. 1999. Transcription Activation by Catabolite Activator Protein (CAP). J.
Mol. Biol. 293:199-213
Lawson C. Swigon D., Murakami K.S., Darst S.A., Berlman H.M., Ebright R.H.l. 2004.
Catabolite Activator Protein: DNA Binding and Transcription Activation. Curr. Opin.
Structural Biol. 14 h :10-20