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UE1 Atomes, Biomolécules, Génome
Transcription et régulation transcriptionnelle (2)
PACES 2011-2012
S. Dabernat
Régulation de l’expression génique
Le génome code pour des protéines régulatrices de l’expression des gènes.
Environ 8% des gènes codent pour ces protéines.
La région de contrôle du gène X
Médiateur
Régulation de l’expression génique
● L’expression d’un gène fait intervenir une succession d’évènements permettant
de décompacter la chromatine pour permettre l’accès aux différents facteurs de
transcription.
ADN
nucléosomes
chromatine compactée
ADN
histones
2 nm
11 nm
30 nm
11 nm
Remodelage de la chromatine et modification des nucléosomes
Complexe de remodelage
Nucléosome remodelé
Nucléosome éliminé
Nucléosome remplacé
Modification d’histone
Enzyme de modification d’histone
Chaperonne d’histone
Chaperonne d’histone
Facteurs généraux Médiateur ARN pol
Facteur d’activation
Activateur & adaptateur se lient à chromatine
Remodelage de la chromatine
Modifications covalentes des histones
Addition d'activateurs sur la région régulatrice
Assemblage du complexe de pré-initiation sur le
promoteur
Début de la transcription
Complexe de remodelage de la chromatine Enzymes de modification des histones Autres protéines activatrices F. généraux de transcription et ARN polymérases Autres protéines activatrices Réarrangement des protéines dans le complexe de pré-initiation
Modification de la chromatine nécessaires à la transcription
Remodelage de la chromatine et modification des histones
gène inactif
ADN
Ac
Ac Ac gène actif
Activation HAT
Histone acétyltransférase
Répression HDAC
Histone déacétylase
Acétylation des histones et recrutement des facteurs de transcription
transcription
Histone acétyl
transférase
Histone kinase
Histone kinase
5-méthylcytosine
N
NH2
O 1 2
3 4
5
6
cytosine
N
N
NH2
O 1 2
3 4
5
6
H3C N
groupes Me
5’ 3’
îlot CpG
5’ 3’
5’ 3’
protéines MeCP2
5’ 3’
HDAC protéines de remodelage
gène actif
gène inactif
Méthylation de l’ADN: effet répresseur
Remodelage de la chromatine: résumé
Les nucléosomes sont des structures dynamiques qui subissent des changements en fonction du besoin d’expression des gènes
Les changements dynamiques au niveau des nucléosomes dépendent de modifications d’histones (phosphorylations, acétylations) qui constituent un « code des histones » décrypté par une machinerie protéique spécialisée. Les modifications d’histones peuvent se transmettre dans un locus génomique de proche en proche. Protéines se fixant sur les
modifications spécifiques d’histones
Protéines d’échafaudage
Complexe de lecture
Modification covalente d’histone
Liaison + recrutement d’autres composantes
Complexe de modification
Expression génique modulée
Transcription et régulation transcriptionnelle
1- Gènes et expression génique: généralités
2- Les ARN polymérases
3- Initiation de la transcription et facteurs généraux de transcription
4- Régulation transcriptionnelle
Remodelage de la chromatine
Facteurs spécifiques de transcription
5-Maturation des ARNm et modifications post-transcriptionnelles
Coiffe
Polyadénylation
Epissage
6- Régulations post-transcriptionnelles
Epissage alternatif
Polyadénylation alternative
Edition
Dégradation des ARNm
Export des ARNm
Régulation de la transcription par les facteurs de transcription
● Intervention de facteurs généraux de la transcription
● Permettent une activité promotrice basale
● Activation ou inhibition par des facteurs spécifiques….
ARN pol II
TAF
TBP
TFIIE TFIIA
TFIIB
TFIIF
TFIIH
TATA box
TFIID
Les facteurs spécifiques régulateurs de la transcription
ARN pol II
TAF
TBP
TFIIE
TFIIA
TFIIB
TFIIF
TFIIH
TFIID
-
+
site enhancer
Complexe de base
Facteur répresseur
corépresseur
coactivateur
Facteur activateur
site silencer
Les facteurs spécifiques régulateurs de la transcription : action synergique
A- Contrôle par les éléments cis
1- Séquences régulatrices
2- Séquences d’insularisation
3- Initiation de la transcription
4- Séquences régulatrices d’aval
B- Contrôle par les éléments trans
C- Rôle des cofacteurs
Régulation de la transcription
1- Les séquences régulatrices
Gène A
Régulation de la transcription
séquence régulatrice
facteur transcriptionnel
● Certaines séquences régulatrices assurent une spécificité tissulaire d’expression
aux gènes qui la possèdent par recrutement de facteurs de transcription
spécifiques
Contrôle par les éléments cis
● Les séquences silencer recrutent des protéines pour inhiber l’expression d’un ou plusieurs gènes
● Les séquences enhancer recrutent des protéines pour activerl’expression d’un ou plusieurs gènes
Gène A
Stimulation de la transcription
Élément de réponse
récepteur hormonal
hormone
Certaines séquences régulatrices sont la cible de facteurs de transcription dont
la fixation est contrôlée par des stimuli intra ou extra-cellulaires
Ex. Le gène A comporte un élément de réponse à l’hormone en amont du
promoteur.
Si les cellules étudiées expriment le récepteur de l’hormone, la transcription du
gène A est activée quand l’hormone interagit avec le récepteur fixé sur le gène.
1- Les séquences régulatrices
Contrôle par les éléments cis
Gène A Gène B hétérochromatine
Domaine de chromatine activement transcrit
Insulateur Barrière
enhancer
x
Le gène A est isolé de l’influence régulatrice des gènes voisins
Contrôle par les éléments cis
2- Les séquences d’insularisation compartimentation du génome en domaines de régulation
discontinus
3- Initiation de la transcription : utilisation de promoteurs alternatifs
TATA TATA
P2 P1
ATG
1 2 A C B
Modèle du gène de l’amylase
1 2 A
C B 1 2
A
Foie
Parotide
Parotide, foie, rein, cerveau
x 30
x 1
x 1
x 0,3
Contrôle par les éléments cis
C B 1 2
C B 1 2
Gène
ARNm
ARNm
ARNm
ARNm
4- Les séquences régulatrices d’aval
Séquences ARE (AU-rich REgion)
• région 3’ non traduite de l’ARNm
• favorisent la dégradation des ARNm par les nucléases (exosome)
• présentes dans les ARN codant des protéines à demi-vie courte
(proto-oncogènes, cytokines…)
Séquences stabilisatrices
• séquence CRE (C-rich REgion) de l’ARNm a-globine
• protège l’ARNm de la dégradation
Des facteurs protéiques régulateurs modulent l’action des séquences stabilisatrices ou déstabilisatrices
Contrôle par les éléments cis
Régulation de la transcription
A- Contrôle par les éléments cis B- Contrôle par les éléments trans
• initiation de la transcription facteurs ubiquitaires facteurs spécifiques
• facteurs transrégulateurs: relation structure/fonction
• contrôle par les répresseurs C- Rôle des cofacteurs
Médiateur
Complexe basal de transcription
ARNpol II + Facteurs généraux de transcription + Médiateur
Facteurs de transcription et initiation de la transcription
Contrôle des gènes ubiquitaires
ARN pol II TBP
TFIIB
TATA GC
SP1
Facteur de transcription ubiquitaire • reconnaît la boîte GC • augmente l’efficacité de transcription
Contrôle par les éléments trans
Médiateur
Facteurs de transcription et initiation de la transcription
Une combinatoire de facteurs module la transcription
Promoteur du gène de l’albumine (synthétisée par le foie):
C/EBP : facteur de transcription ubiquitaire reconnaît la boîte CAAT augmente
l’efficacité de transcription en présence de HNF1 (facteur de transcription
spécifique des hépatocytes).
sous le contrôle de HNF3 : facteur inhibiteur de la transcription
ARN pol II TBP
TFIIB
TATA CAAT
CEBP HNF1
GGTTAATNA/CTTA/CA/CCA
TG/ATTTTG
Contrôle par les éléments trans
Régulation de la transcription
A- Contrôle par les éléments cis B- Contrôle par les éléments trans
• initiation de la transcription facteurs ubiquitaires facteurs spécifiques
• facteurs transrégulateurs: relation structure/fonction
• contrôle par les répresseurs C- Rôle des cofacteurs
ARN pol II
Les facteurs spécifiques transrégulateurs: relation structure fonction
TBP
TFIIB
SP1
Élément de réponse
Facteur De transcription
ER
Domaine de liaison
(interaction ADN/protéine)
Domaine transactivateur
(interaction protéine/protéine)
Les facteurs de transcription spécifiques ont des caractéristiques structurales communes
Contrôle par les éléments trans
Structure des facteurs transrégulateurs Caractéristiques communes
Domaine de fixation à l’ADN : 4 motifs structuraux
- hélice tour-hélice - doigt de zinc
- glissière à leucine
- hélice-boucle-hélice
Domaine de transactivation : 3 motifs structuraux
- domaine riche en glutamine
- domaine riche en proline
- hélice a-acide
Domaine de fixation du ligand
(ex: récepteurs nucléaires)
Contrôle par les éléments trans
Glissière à leucine ou leucine Zipper
leucine
Glissière (fermeture
‘éclair’)
● 2 hélices a riches en leucine interagissent par des liaisons hydrophobes
● une région riche en charges + interagit avec les groupes PO4 de l’ADN
structure dimérique en pince
Domaines de fixation à l’ADN: glissière à leucine
Structure hélice boucle hélice ou HLH
● Structure dimérique ● le domaine basique permet la liaison à l’ADN ● 2 hélices a sont séparées par une boucle ● les interactions hydrophobes entre hélices a stabilisent le dimère
Domaines de fixation à l’ADN: structure hélice boucle hélice
Domaine basique
boucle
hélice
Oligomérisation des facteurs trans-régulateurs
● Facteurs trans peuvent s’assembler en homo ou hétérodimères
● Combinatoire de reconnaissance des séquences ADN.
ADN
Homodimère A/A
Ex. dimères de leucine zipper
Homodimère B/B
Hétérodimère A/B
séquence palindromique AGGTCAxxxTGACCT
H2N COOH A/B C D E F
Liaison à l’ADN
Domaine d’activation (1) Domaine d’activation (2) :
dimérisation/liaison des ligands
Les récepteurs nucléaires sont des facteurs de transcription
X X X X X
A/B E/F
C
ligand/hormone
ADN
Structure des facteurs transrégulateurs : résumé
récepteur
complexe hormone récepteur
Hormone
Hormone
récepteur
HRE Hormone Response Element
Noyau
membrane cellulaire
ARN pol II
Mécanisme d’action des hormones à récepteur nucléaire
L’activité de certains facteurs de transcription peut être modulée
L’activation ou la répression d’un gène est
commandée par des relais intracellulaires de
l’action de molécules de signalisation
Exemple:
La voie de signalisation des récepteurs membranaires utilisant
l’AMPc comme second messager intracellulaire et la
phosphorylation du facteur CREB
Contrôle par les éléments trans
La phosphorylation modifie l’activité du facteur CREB (leucine zipper)
CREB : CRE binding protein
PKA: proteine kinase A
CRE : cAMP responsive element CBP: coactivateur
ligand
récepteur
ATP
noyau
membrane cellulaire
CBP
AMPc
CREB inactif
PKA active
CREB actif
ATP ADP P P
P P
adénylate cyclase
PKA inactive
CRE TGACGTCA
Quelques voies d’activation de protéines régulatrices de gènes
Synthèse protéique
Liaison ligand
Modification covalente
Addition d’une sous-unité
Inactif
Actif
Inactif
Actif
Démasquage Stimulation de translocation nucléaire
Libération de la membrane plasmique
I- Régulation de la transcription
A- Contrôle par les éléments cis
B- Contrôle par les éléments trans • initiation de la transcription
facteurs ubiquitaires
facteurs spécifiques
• facteurs transrégulateurs
• contrôle par les répresseurs
C- Rôle des cofacteurs
2. Inhibition par masquage du domaine d’interaction de l’activateur.
1. Compétition pour la liaison à l’ADN
Contrôle par les répresseurs: mécanisme
Site de liaison activateur
Site de liaison répresseur
répresseur activateur Domaine d’activation
Site de liaison activateur
Site de liaison répresseur
3. répression directe: Interaction directe avec les facteurs de transcription
Site de liaison activateur Site de liaison
répresseur
Contrôle par les répresseurs: mécanisme
4. répression indirecte par remodelage de la chromatine
Contrôle par les répresseurs: mécanisme
Recrutement de protéines de remodelage de la chromatine
Recrutement d’histone déacétylases
des séquences stimulatrices (2) et inhibitrices (4) de la transcription des sites de fixation pour des facteurs transcriptionnels - ubiquitaires facteurs généraux de transcription (boîte TATA) facteur C/EBP (boîte CAAT) - spécifiques du tissu érythroïde facteur GATA-1 (séquence GATA) facteur NF-E2 Le LCR (locus control region) est une zone de chromatine ouverte
e Gg Ag yb d b 5’ 3’ HS4
HS3 HS2
HS1
LCR
silencer
enhancer
HS5
NF-E2 GATA-1
Facteurs de transcription spécifiques: résumé
Transcription et régulation transcriptionnelle
1- Gènes et expression génique: généralités
2- Les ARN polymérases
3- Initiation de la transcription et facteurs généraux de transcription
4- Régulation transcriptionnelle
Remodelage de la chromatine
Facteurs spécifiques de transcription
5-Maturation des ARNm et modifications post-transcriptionnelles
Coiffe
Polyadénylation
Epissage
6- Régulations post-transcriptionnelles
Epissage alternatif
Polyadénylation alternative
Edition
Dégradation des ARNm
Export des ARNm
Maturation de l’ARNm
ADN Pré-ARNm ARNm mature
Transcription Maturation
ARNm primaire
● ARNm = ARN codant pour une protéine ● Environ 20 000 à 25 000 gènes codants des protéines ● Exons représentent <2% du génome ● Taille très variable. Appelés aussi ARNnh (nucléaires hétérogènes)
● Mécanisme d’amplification: 1 ARNm traduit en de multiples exemplaires de la
protéine
● Subit des remaniements co- et post-transcriptionnels, variables selon les ARNm Coiffe à l’extrémité 5’ Polyadénylation à l’extrémité 3’ Epissage (élimination des introns) Edition (changement de séquence nucléotidique).
Pose de la coiffe à l’extrémité 5’ de l’ARNm
● Pose de la coiffe ou « cap » à l’extrémité 5’ uniquement des ARNm ● GMP méthylé en position N7 de la guanine
● Se met en place au début de la transcription (<30 nucléotides)
● Mécanisme en trois étapes:
ARN triphosphatase
Methyltransferase
Guanylyltransferase
Elimination d’un groupement phosphate
Ajout d’un GMP
Ajout d’un méthyle à la guanosine
Pose de la coiffe à l’extrémité 5’ de l’ARNm
● Rôles de la coiffe:
- Protection de l’extrémité 5’ de la dégradation
(phosphatases, nucléases)
- Initiation de la traduction (reconnu par eIF4).
- Liaison à dans les « CAP binding complex »
● Processus qui élimine des nucléotides (introns) d’un pré-ARNm pour ne laisser que des nucléotides codants (exons) ; concerne 75% des gènes ● Quelques ARN autres que pré-ARNm sont épissés ● Chaque épissage enlève 1 intron par 2 réactions de trans-estérifications ● Complexe d'épissage (spliceosome) >50 protéines et 5 ARN et ATP ● Mécanisme très précis et très adaptable à différents pré-ARNm (introns : de 10 à 100000 nucléotides) ● Contrôlé en grande partie par des ARNsn <200 nucl. U1, U2, U4, U5, U6 (+ >7 prot chaque) ●« Gaspillage » apparent de synthèse contrebalancé par nombre de protéines possibles accru
Epissage des pré-ARNm
Protéines d’épissage
Sites consensus d’épissage des pré-ARNm
Pré-ARNm
ARNm
Élimination de l’intron
Séquences nécessaires à l’épissage
● Sites consensus d’épissage à la jonction exon-intron
● Introns du transcrit primaire commencent par GU: site donneur d’épissage
Séquence AGGU(A/G)AGU
● Introns du transcrit primaire se terminent par AG: site accepteur d’épissage
Séquence (Py)nAGG
● Le site de branchement comprend environ 7 nucléotides (environ -20 nucléotides): AMP.
Site donneur
Site de branchement
Site accepteur
Epissage : schéma général
1ère trans-estérification
2ère trans-estérification
Boucle intronique excisée Eliminée par des nucléases
Exons épissés
lasso
Small nuclear RNA, snRNP (snurps) et spliceosome
● Epissage a lieu dans le noyau
● Complexe de grande taille: le spliceosome
- 150 protéines
- 5 small nuclear RNA ou snRNA (U1, U2, U4, U5, U6) de petite taille (100 à 300 nt)
- snRNA associés aux protéines dans des petites particules ribonucléiques ou snRNP
● SR protéines: riches en sérine et arginine. Se lient sur les pré-ARNm et guident les snRNP
vers les bordures intron-exon.
Epissage: mécanisme détaillé (1) à titre informatif
Fixation de snRNP U1 sur site donneur.
Fixation de BBP (branch point binding
protein) et U2AF (U2 auxiliary factor) sur
point de branchement.
snRNP U2 déplace BBP et U2AF.
Nécessite de l’énergie (hydrolyse ATP).
Epissage: mécanisme détaillé (2) à titre informatif
U4 et U6 sont appariés.
Réarrangement d’ARN pour la 1ère
réaction de trans-estérification
snRNP « triple » U4/U6●U5 interviennent.
Epissage: mécanisme détaillé (3) à titre informatif
Réarrangements ARN/ARN dans le spliceosome.
Départ de U1 et U4.
U6 remplace U1 au site donneur. Formation du site actif pour la 2ème réaction de trans-estérification
lasso
Séquence intronique excisée sous la forme d’un lasso.
Epissage des deux exons
Auto-épissage à titre informatif
Type 1
Type 2
ARNm précurseur Etat intermédiaire Excision de l’intron Ligation des exons
Propriétés auto-catalytiques de certains ARN. Auto-épissage.
lasso
Pose de la queue poly(A) en 3’
● Spécifique des ARNm via ARN pol II (sauf ARNm codant les histones)
● La queue poly(A) augmente l’efficacité de la traduction et la stabilité des ARNm
● Reconnaissance d’ un signal de poly-adénylation sur le pré-ARNm (5’ AAUAAA 3’)
● Facteurs CsTF (cleavage stimulating factor) et CPSF (Cleavage and
polyadenylation specificity factor) cheminent avec ARN pol II: fixation au CTD
(carboxy terminal domain) phosphorylée
ARN polymérase Signal polyA et de
clivage sur l’ADN
