présentation biologique du phage lambda

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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 d’appariement
– 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