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Ecole doctorale – Evry 2004
Modélisation déterministe
Modélisation déterministe
de réseaux de gènes :
de réseaux de gènes :
Le répresseur
Le répresseur λ
λ du bactériophage
du bactériophage λ
λ
Mestivier Denis
Équipe « modélisation en biologie intégrative »
Institut Jacques Monod - CNRS, Universités Paris 6&7,
2 place Jussieu, 75251 Paris Cedex 05
mestivier
mestivier@
@ijm
ijm.jussieu.
.jussieu.fr
fr
Plan de la présentation
Poser les bases de biologie moléculaire
nécessaires
Montrer sur un exemple la stratégie de
modélisation déterministe
Illustrer que même un réseau simple peut
conduire à des résultats surprenants dès que
l’on prend en compte les interactions et
leurs dynamiques.
Bases de
biologie moléculaire
Pr. Silar, Université Paris 7
http://….
Tout organisme est constitué de
cellules
1665 : premières cellules décrites par Robert Hooke 1665
1839 : théorie actuelle (Mathias-Jacob Schleiden et Théodore
Schwann)
Toute cellule naît d'une cellule
Ceci implique que l'information présente dans un organisme
n'apparaît pas spontanément
Elle est produite à partir d'une information préexistante.
Elle doit donc être dupliquée avant d'être transmise.
Les analyses biologiques du début du siècle ont conduit à
distinguer deux grands types de cellules, suivant leur constitution
et leur mode de reproduction.
Les cellules procaryotes
On les regroupe sous le terme générique de
Bactéries (2 grands groupes : eubactéries et
archaebactéries)
Les cellules eucaryotes
Le matériel génétique est
dans séparé du cytoplasme
– Noyau
• Organisation
cellulaire complexe
Organismes :
– Levure
– …
– mammifères
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Les virus
Contrairement aux procaryotes et eucaryotes, ils
sont incapables de diviser seuls leur information
génétique
Structure simple :
Sac (capside) contenant l’information génétique
Parasites obligatoires :
Destruction de l’hôte
Insertion/vie dans l’hôte
capside
Matériel génétique
queue
Stockée sur une molécule chimique : ADN
4 bases : A, C , T , G
Règle appariement
A T et C G
double hélice
homme = 3 milliard pdb
bactériophage λ = 48502 pdb
Nature de l'information génétique
TTA CAGA A T AG
TTA CAGA A T AG
TT AC T CA TT AG
Le gène
séquence sur l'ADN qui code pour une
information (ex: protéine)
homme = entre 18000 et 50000 gènes
bactériophage (virus) = ~ 40 gènes
Protéines
constituants très importants pour la cellule :
Composant structural :
Récépteurs membranaires
fonctionnement de la cellule :
Voies métaboliques (ex: enzymes)
machinerie de synthèse de l’ADN
Molécule composée d'unités de base : les acides
aminés ( n= 20)
message génétique :
(alphabet à 4 lettres) alphabet protéique (20 lettres)
Des gènes aux protéines
1/ transcription
gène protéine : nécessite intermédiaire
ARN message (ARNm)
ADN ARNm : transcription
Grâce aux règles dappariement
A—U, C—G
– ARNpolymérase
Des gènes aux protéines
2/ traduction
ARNm protéine : traduction
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Transcription / ARN polymérase
l'ARNpol reconnait des sites spécifiques en
amont du gène : les promoteurs
Entre le promoteur et le début du gène, on peut
trouver des sites de régulation : les opérateurs.
(auto)-régulation +/-
Les protéines peuvent réprimer/activer des
régions du gène
un gène est sous la dépendance d'un promoteur
une protéine est synthétisée par un gène
GENE
ARNm
PROTEINE
Transcription/ARNpol (Promoteur)
Traduction
activation/répression (opérateurs)
ADN
λ : un virus, organisme modèle
(bactériophage)
Bactérie Escherichia Coli
Organisme unicellulaire
découvert par Théodor Escherich en 1885
hôte normal de la flore intestine chez l’homme :
croît sans causer de maladie
fabrique aussi la vitamine K
indispensable pour l'homme
certaines souches toxiques (O157:H7)
Escherichia Coli
génome de 4500 kpb
courte (2 à 3 µm x 0.7 µm)
agent d'infections
intestinales et extra-intestinales
bactériophage lambda
virus parasite de E. Coli
ADN : 48502 pdb
en début d'infection :
– Lytique
– Lysogénique
notion de décision :
mécanisme moléculaire
2 gènes / 2 promoteurs
3 opérateurs
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Devenirs de lambda lors de
l'infection d'une bactérie
LYSE
LYSOGENIE
La phase lytique
le virus utilise la machinerie cellulaire :
se dupliquer
lyser la paroi bactérienne
libérer dans le milieu extérieur les virus fils
Cette phase :
Dure environ 45 min
relargue ~ 100 virus.
La bactérie est détruite
Phase lysogénique
le virus s'intègre dans le génome de la bactérie
dupliqué lors de la division bactérienne.
la bactérie lysogène bloque les autres virus qui
viendraient à l'infecter
phénomènes d'échappement :
Ex: UV
Passage en lytique
p = 10-4 à 10-5
Points fondamentaux à retenir
Lorsqu'un virus infecte une bactérie, il a deux
devenirs possibles : lytique ou lysogénique
Suivant le milieu, un choix est privilégié.
Cette décision est sous le contrôle :
d’une petite région du génome d'une centaine
de paires de bases (par rapport au 48 502 pb)
2 gènes et 2 promoteurs
Cette région de régulation : switch génétique
Génome du bactériophage
Gènes regroupés par
ensembles fonctionnels
Zone de décision
(zone de switch)
Région de régulation
CI CRO
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Le Switch
Chacune des deux protéines CI et CRO va
inhiber la synthèse de l'autre et augmenter
sa propre synthèse.
Selon les conditions de culture, une des
deux protéines va prendre le dessus sur
l'autre (en termes de concentration).
Alors on entrera dans un cycle lytique ou
lysogénique.
Le switch : synthèse
Le combat CI/CRO se déroule au niveau de
l'opérateur Or :
Or comporte trois parties distinctes : Or1, Or2 et Or3
Les protéines CI et CRO (dimères) ont des
affinités inverses pour les trois parties du site :
CI a une affinité croissante pour Or3 < Or2 < Or1
CRO a une affinité croissante pour Or1 < Or2 < Or3.
Le switch : synthèse
Si CI se fixe le premier sur Or1 :
il gène la fixation de la RNA-pol. sur le
promoteur (Pr) de la transcription de CRO
augmente sa propre transcription à partir du
promoteur Prm.
Cela facilite aussi la fixation d'un deuxième
dimère sur Or2 : amplification du processus.
Le processus inverse se produit pour CRO.
Diagramme du réseau de gènes
Problème biologique ?
lysogénie
lyse
[CI]
faible
fort
La quantité importante est [CI]
Quelles valeurs de [CI] au cours du temps (lyse/lysogénie)
Quelles valeurs de [CI] au cours du temps (lyse/lysogénie)
en fonction de son tau de dégradation ?
en fonction de son tau de dégradation ?
Systèmes déterministes
Relation entre réactions
(bio)chimiques et équations
différentielles
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