Les opérons
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Les bases azotées
Nucléosides et nucléotides
Structure I des acides nucléiques
Structure II de l'ADN
Structure II de l'ARN
Propriétés physicochimiques hybridation
Acides nucléiques et information génétique
Transfert d'information
BIOSYNTHESE DE L'ADN
La réplication chez les eucaryotes
La réplication chez les procaryotes
La transcription inverse
Différence entre procaryotes et eucaryotes
BIOSYNTHESE DE L'ARN
Transcription chez les eucaryotes
Transcription chez les procaryotes
ARN replicase ou ARN synthétase
BIOSYNTHESE DES PROTEINES
Traduction chez les eucaryotes
Traduction chez les procaryotes
Différences
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Définitions
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Commencons par quelques définitions :
Opéron : unité de l'expression et de la régulation des gènes bactériens,comprenant des gènes structuraux et des éléments de contrôle dans l'ADN, reconnue par des produits de gènes régulateurs.
Cis / Trans : en 1961 Jacob et Monod établissent le modèle de l'expression dans lequel ils distinguaient 2 sortes de séquences d'ADN : agissant en trans (protéines en général), agissant en cis (séquence d'ADN en général).
TRANS : tout produit d'un gène, libre de diffuser pour trouver sa cible.
CIS : séquence d'ADN qui n'est pas transformée en une autre molécule mais qui ne fonctionne exclusivement in situ sous la forme d'une séquence d'ADN ne touchant que l'ADN auquel elle est physiquement liée. Exemple : Les marqueurs de début et de fin de l'unité de transcription sont le promoteur et le terminateur, exemples de sites agissant en cis (appelés aussi opérateurs) reconnus par l'ARN polymérase agissant en trans.
Gène structural : gène codant pour une protéine structurale, une enzyme ayant des activités catalytiques et des protéines régulatrices (exemple E1 dans le complexe de la PDH Pyruvate DesHydrogénase)
Gène régulateur : gène structural qui code une protéine impliquée dans la régulation de l'expression d'autres gènes. On peut différencier les gènes structuraux des gènes régulateurs par les conséquences de leurs mutations. Une mutation dans un gène structural prive la cellule de l'enzyme codée par ce gène tandis qu'une mutation dans un gène régulateur influence l'expression de tous les gènes structuraux qu'il contrôle.
La régulation peut être :
- positive (chez les eucaryotes c'est la cas prédominant) l'interaction déclenche la transcription du gène, un facteur de transcription doit assister l'ARN pol pour l'initiation au niveau du promoteur, si il n'y a pas de facteur de transcription, le gène est inactif
- négative (exemple opéron lactose) : l'interaction empêche la transcription du gène : sans répresseur, le promoteur est reconnu par l'ARN pol et le gène est exprimé. Si il y a un répresseur (agit en trans), il va se fixer sur l'opérateur (cis) : l'ARN pol ne peut plus initier la transcription.
On retrouve la régulation positive et négative de façon équivalente chez lez procaryotes.
Des groupes de gènes structuraux sont contrôlés de façons coordonnées.
Exemple : opéron lactose : opéron inductible sous contrôle négatif.
- I : gène codant le répresseur
- P : Promoteur
- O : Opérateur
- Z : gène codant la béta-galactosidase
- Y : gène codant pour une perméase
- A : gène codant pour une transacétylase
- IPTG : IsoPropylThioGalactoside, induit l'opéron lactose mais n'est pas métabolisé.
L'opéron est induit seulement si il y présence de lactose ET ABSENCE de glucose, En fait, si on a lactose ET glucose, l'opéron n'est pas induit car la protéine CAP est inactive, car il y a peu d'AMPc. Si CAP est inactive, l'ARN pol ne peut pas s'attacher au niveau du promoteur. (Voir un peu plus loin la répression des catabolites avec la protéine CAP)
L'ARNm (Z, Y, A) à une demi-vie très courte (3 minutes) mais l'activité de la bêta GAL est plus stable. L'ARNm est polycistronique, ce qui permet la synthèse coordonnée (en rapport quantitatif constant) des 3 enzymes correspondant.
Induction : synthèse d'enzymes en réponse à l'apparition d'un produit spécifique. Ce type de régulation est très répandu chez les bactéries et à lieu également chez les eucaryotes monocellulaire (levures).
Comment distinguer le contrôle positif et négatif
Les gènes sous contrôle négatif sont exprimés sauf si une protéine répresseur empêche leur expression. Le répresseur peut avoir besoin d'un corépresseur (cas de l'opéron tryptophane). Une protéine répresseur peut se fixer à l'ADN pour empêcher l'ARNpol d'initier la transcription ou bien se lier à l'ARNm pour empêcher le ribosome d'initier la traduction.
L'expression des gènes sous contrôle positif n'est possible qu'en présence d'une protéine régulatrice active. L'activateur peut avoir besoin d'un inducteur pour être actif (cas de Oxy R).
Les opérons inductibles fonctionnent seulement en présence de l'inducteur
Les opérons répressibles fonctionnent seulement en absence de corépresseur
Contrôle négatif : le répresseur inactive la transcription (exemple :opéron lactose, protéine CI sur OD1.
Contrôle positif : l'activateur active la transcription (exemple :CAP-AMPc dans l'opéron lactose, protéine CI stimule l'association de l'ARNpol sur OD3)
Opéron inductible : avec inducteur : activation de la transcription
Opéron répressible : avec corépresseur : inhibition de la transcription
Autorégulation : ni inducteur, ni corépresseur, c'est la protéine elle même qui agit.
La répression des catabolites fait intervenir une régulation positive au niveau du promoteur. Lorsque le glucose est indisponible comme source d'énergie, il est utilisé de préférence aux autres sucres. Ce choix est fait en empêchant l'expression de plusieurs opérons dont les opérons lactose, galactose et arabinose. Cet effet s'appelle la répression des catabolites :
Peu de glucose => beaucoup d'AMPc => AMPc-CAP active => liaison à l'ADN => transcription: utilisation des autres sucres
beaucoup de glucose => peu d'AMPc => CAP inactive => pas de transcription => utilisation du glucose
CAP : protéine activatrice des catabolites : facteur de contrôle positif, CAP interrompt les voies métaboliques alternatives lorsqu'elles sont rendues superflues par un apport de glucose. Le site de liaison de CAP peut être à l'intérieur du promoteur, adjacent ou en amont. CAP agit à la fois sur l'ARNpol et sur l'ADN.
On observe une activation seulement lorsque l'éloignement du point de départ correspond à un nombre entier de tours de doubles hélice. Ceci suggère que CAP doit être fixé du même côté de l'ADN que l'ARNpol; la formation du complexe CAP-ADN (promoteur) donne un coude (>90°).
Des conditions de croissance défavorables déclenchent la réponse stringente.
Lorsque les bactéries se retrouvent dans des conditions de croissance très diminuées, dans lesquelles l'apport d'acides aminés est insuffisant pour assurer une synthèse protéique normale, elles court-circuitent un grand nombre de leurs activités : c'est la réponse stringente.
- La synthèse d'ARNr et ARNt est réduite de 10 à 20 fois, l'ARNm est réduit de 2/3
- La vitesse de dégradation des protéines est augmentée.
La réponse stringente entraîne l'accumulation de 2 nucléotides inhabituels :
- ppGpp : 2 phosphates en 3' et 2 en 5'
- pppGpp : 3 phosphates en 3' et 2 en 5'
On les appelles (p)ppGpp.
Il y a une corrélation inverse entre la concentration en (p)ppGpp et la vitesse de croissance des bactéries. C'est la présence d'un ARNt non chargé dans le site A du ribosome qui déclenche l'ensemble des réactions. Cet ARNt bloque la progression du ribosome, ce qui déclenche une réaction stérile.
Les mutations rel (mutants relâchés) suppriment la réponse stringente. Le site de mutation relâchée le plus courant se trouve dans le gène relA qui code pour une protéine appelée facteur stringent.
Les ribosomes extraits des bactéries stringentes peuvent synthétiser ppGpp et pppGpp in vitro, si le site A est occupé par un ARNt non chargé qui répond spécifiquement au codon. Les ribosomes extraits des mutants relâchés ne peuvent exécuter cette réaction, sauf si l'on ajoute le facteur stringent.
1, 2, 3 représentent l'importance des réactions dans l'ordre décroissant.
Le ppGpp est un effecteur qui contrôle plusieurs réactions, dont l'inhibition de la transcription, principalement à 2 niveaux :
- L'initiation de la transcription est spécifiquement inhibée au niveau des promoteurs des opérons codant les ARNr.
- La phase d'élongation de la transcription de la plupart des matrices est diminuée par ppGpp. Ceci résulte de l'augmentation des pauses de l'ARNpol.
L'autorégulation peut avoir lieu pendant la traduction
La fonction de répresseur est assurée par une protéine qui se fixe à une région cible de l'ARNm, pour empêcher les ribosomes de reconnaître la région d'initiation. La forme la plus commune de cette interaction se passe entre la protéine régulatrice et la séquence contenant le codon d'initiation AUG, empêchant par conséquent le ribosome de s'y fixer.
Il existe une autre forme de contrôle traductionnel, lorsque la traduction d'un cistron nécessite des changements de structure secondaire qui dépendent de la traduction du cistron précédent. Dans cet exemple le déplacement du ribosome "libère" un codon d'initiation qui fait partie d'une épingle à cheveux.
Les gènes codant les protéines ribosomales, les facteurs de synthèse protéique et les sous unités de l'ARNpol sont entremêlés et organisés en un petit nombre d'opérons environ la moitié des gènes codant pour des protéines r se trouvent dans 4 opérons proches les uns des autres. Chaque opéron contient un mélange de fonctions. L'accumulation de la protéine inhibe sa synthèse et celle d'autres produits. L'effet s'exerce souvent au niveau de la traduction de l'ARNm polycistronique. Chacun des régulateurs est une protéine r qui se fixe directement à l'ARNr. Son action sur la traduction résulte de sa capacité à se fixer également sur son propre ARNm.
Ce mode de régulation remplit 2 objectifs :
- La concentration des protéines r correspond aux conditions de croissance de la cellule.
- Les autres protéines codées par ces opérons sont synthétisées à leur propre vitesse, indépendant de la traduction des protéines r.
Exemple : protéine P32 du gène 32 du phage T4
Lorsque la fonction de la protéine (P32) est supprimée (mutation non-sens), celle-ci est synthétisée en quantité plus importante.
La constante d'équilibre est 100 fois plus grande pour l'ADN simple brin que pour l'ARNm de P32. L'autorégulation est un type de contrôle courant parmi les protéines incorporées dans des assemblages macromoléculaires. La particule assemblée complète peut ne pas convenir comme régulateur en raison de sa taille trop grande (exemple : tubuline associées aux microtubules), de sa concentration trop élevée ou bien de sa localisation s'il faut ou non poursuivre la synthèse des composants de la particule. La production de l'ARNm de tubuline est contrôlée par la réserve de tubuline libre. La tubuline emprisonnée dans l'assemblage macromoléculaire des microtubules ne joue aucun rôle dans la régulation mais la concentration des précurseurs libres détermine si d'autres monomères seront synthétisés ou non. La tubuline se fixe soit à l'ARNm soit au polypeptide naissant mais dans les 2 cas l'ARNm est dégradé. Les opérons inductibles et répressibles sont régulés par un contrôle extrinsèque (avec inducteur ou corépresseur) mais l'autorégulation est un système intrinsèque : le paramètre critique est la concentration de la protéine elle-même.
Des structures secondaires alternatives contrôlent l'atténuation
Exemple : Tryptophane (valable aussi pour l'histidine, leucine, phénylalanine)
La traduction de la région de tête (leader) doit avoir lieu en même temps que l'ARNpol s'approche du terminateur. La synchronisation se fait grâce à un site qui provoque l'arrêt de l'ARNpol. L'ARNpol reste immobile jusqu'à ce qu'un ribosome traduise le peptide de tête. La polymérase est alors libérée et se déplace jusqu'au site d'atténuation. Lorsque la concentration en acides aminés (donc celle de l'aminoacyltRNA) correspondant à l'opéron est faible, les ribosomes parcourant le RNA leader marquent une pause au niveau des codons de cet acide aminé. La partie libre du RNA leader, située entre le premier ribosome et la RNApol ne peut alors adopter que l'une des 2 conformations possibles, en l'occurrence, une structure qui n'empêche pas la transcription et l'expression des gènes structuraux de l'opéron de se poursuivre. En revanche, lorsque la concentration en acide aminé augmente, les ribosomes ne s'arrêtent pas et l'ARN adopte une structure de terminaison. La transcription s'arrête à l'extrémité de la séquence leader.
Des petites molécules d'ARN peuvent réguler la traduction
Les régulateurs agissant en trans ne sont pas que des protéines, on peut aussi avoir des ARN. La cible de l'ARN régulateur est une séquence d'acide nucléique simple brin. Il y a 2 mécanismes d'action pour les ARN régulateurs:
- La formation du duplex emprisonne un site spécifique
- La formation d'une région double brin dans une partie de la molécule cible modifie la conformation d'une autre région.
Les ARN anti-sens sont utilisés dans plusieurs situations comme régulateurs des cellules bactériennes :
- Masquer le site de liaison et empêcher l'initiation de la synthèse protéique
- Déstabiliser l'ARNm, le double brin sera la cible d'une endonucléase
- simuler un terminateur, provoquer une terminaison prématurée de la transcription.
Les gènes antisens sont construit en inversant l'orientation d'un gène par rapport à son promoteur : c'est donc le brin "anti-sens" qui est transcrit.
Régulation par clivage de l'ARNm
Exemple : phage T7 (valable aussi pour T3), ici le clivage permet la traduction.
La transcription de la région précoce est initiée au niveau d'un groupe de 3 promoteurs et se poursuit jusqu'à un terminateur. Cette région contient 6 gènes. L'enzyme ARNase III clive le transcrit pour libérer 5 ARNm (4 moncistronique et 1 leur)
Exemple : phage lambda, ici le clivage empêche la traduction.
Dans les 2 cas (T7 et lambda) le mécanisme de régulation de l'expression de l'ARNm est la conséquence du clivage sur la structure secondaire de l'ARN.
Des clivages sont nécessaires pour libérer les ARNr eucaryotes et procaryotes.
Les 7 opérons codant pour l'ARNr d'E.Coli s'appellent rrnA et rrnG. Ils contiennent tous 3 ARNr dans l'ordre 16 S, 23 S et 5 S. Tous les opérons rrn ont 2 promoteurs : P1 (promoteur principal) et P2. Entre 16 S et 23 S on a une séquence codant un ARNt pour 4 opérons rrn et 2 ARNt pour les 3 autres opérons rrn. On trouve 1 ou 2 ARNt après l'ARNr 5 S.
L'ARNase III clive les 2 brins de la tige en duplex produisant simultanément les extrémités 5' et 3' de p16 et p23 (précurseurs de 16 S et de 23 S). Contrairement à T7 et lambda, la coupure par l'ARNase III ne permet pas de séparer 2 bris mais un seul (soit 23 S, soit 16 S).
Représentation schématique du taux d'expression d'un gène en réponse à des signaux régulateurs spécifiques tels qu'une hormone :
La commutation génétique du bactériophage lambda sert de modèle pour les interactions ADN-Protéine chez les eucaryotes.
La commutation est l'induction par des agents nuisibles à l'ADN (exemple : UV). Elle permet de passer de la voie lysogène (prophage) à la voie lytique (virus).
Grossièrement, on peut décrire l'ADN du phage lambda ainsi :
La décision entre la transcription de l'un ou l'autre est un exemple de commutation moléculaire :
- Quand le gène du répresseur s'exprime, le gène de la protéine Cro reste silencieux,
- Quand le gène de la protéine Cro s'exprime, le gène du répresseur reste silencieux.
En plus détaillé, on obtient :
On a :
- Soit un dimère de protéine Cro sur OD 3 (voie lytique)
- Soit un dimère de protéine C I sur OD 1 et un dimère sur OD 2 (voir lysogène).
En aucun cas on a les deux en même temps. La fixation d'un dimère CI sur OD 1 favorise d'un facteur 10 la fixation d'un dimère C I sur OD 2.
Protéine répresseur C I (voie de la lysogénie):
- Domaine Nt se lie à l'ADN opérateur : OD1 de préférence
- Domaine Ct permet la dimérisation.
Le dimère est capable de se lier à l'ADN opérateur plus fortement que le monomère. La liaison avec OD 1 favorise d'un facteur 10 la liaison d'un autre dimère sur OD2.
La liaison de Ci sur OD 1 :
- Bloque la liaison de l'ARN pol au promoteur droit, ceci empêche la voie lytique.
- stimule la liaison de l'ARN pol au promoteur gauche, ceci empêche la voie lysogène.
Si CI est en excès, il se lie à OD 3 ce qui permet d'inhiber sa propre synthèse et donc de limiter l'excès de CI. Protéine Cro (voie lytique) : 1 seul domaine avec des sites qui favorisent la dimérisation et d'autres favorisent l'association du dimère à l'opérateur.
La protéine Cro se lie plus fortement à l'opérateur sous forme dimérique.
Si la protéine Cro est en excès elle se lie à OD2 puis à OD1, comme précédemment pour CI ceci limite les excès, mais contrairement à CI, Cro ne favorise pas la liaison d'un autre dimère sur OD2.
Mécanisme de la commutation : ACTION IRREVERSIBLE :
Vous en voulez encore ?
