La régulation des gènes et un peu plus
Maude Pupin
Chez les bactéries
Quelques rappels L’opéron lactose chez E.coli L’opéron tryptophane chez E.coli
Description des bactéries
Individus unicellulaires Génome simple Milieu extérieur très variable
Besoin de s’adapter rapidement Alternance de croissance rapide et ralentie
Régulation des gènes pour Exploiter au mieux les molécules disponibles Synthétiser les molécules manquantes Economiser ses ressources
TranscriptionTraductionDégradation ARNmActivation protéineDégradation protéine
Synthèse des protéines
1
2
3
4
5
Structure d’un opéron simple
Traduction
Transcription
ARNm
CDSPromoteur
+1Terminateur
Opérateur
CDS CDS
RBSRBS RBS
ADN
protéines
Opérateur : contrôle de la transcription Promoteur : fixation de l’ARN polymérase +1 : début de la transcription RBS : fixation du ribosome CDS : séquence codant pour une protéine Terminateur : fin de la transcription
Chez les bactéries
Quelques rappels L’opéron lactose chez E.coli L’opéron tryptophane chez E.coli
Besoin d’un sucre dans le milieu de culture Répression catabolique
Le glucose est le sucre consommé en priorité Blocage des autres voies cataboliques des sucres par
l’intermédiaire du 2nd messager AMPc glucose AMPc
Observations phénotypiques : + glucose : croissance de la colonie
+ lactose : pause puis croissance
+ glucose et lactose : d’abord consommation du glucose puis consommation du lactose
Contexte biologique
Gènes de l’opéron : β-galactosidase (lacZ) : lactose glucose + galactose Perméase (lacY) : entrée du lactose dans la cellule Acétylase (lacA)
Opérateur : Site de fixation du répresseur LacI (gène situé juste en
amont de l’opéron)
Site de fixation de l’activateur CAP (Catabolite gene Activator Protein)
Structure de l’opéron lactose
Fonctionnement de l’opéron lactose, sans glucose
Avec lactose : dérépression (lactose = inducteur)
lacI lacZ lacY lacAPlac
lacI lacZ lacY lacAPlac
Sans lactose : répression
Avec glucose : répression catabolique
Fonctionnement de l’opéron lactose, avec glucose
lacI lacZ lacY lacAPlac
Consommation du glucose : activation par AMPc
RécapitulatifLactose LacI Glucose CAP Opéron
- actif réprimé
+ inactif + inactifdéréprimé,non activé
+ inactif - actifdéréprimé et
activé
Induction par le métabolite initial Régulation négative
LacI : répresseur lactose : inducteur
Régulation positive CAP : apo-activateur AMPc : co-activateur
Chez les bactéries
Quelques rappels L’opéron lactose chez E.coli L’opéron tryptophane chez E.coli
Contexte biologique
Le tryptophane est un acide aminé Produit à partir de l’acide chorismique Nécessaire à la synthèse des protéines Peu fréquent dans les protéines Besoin d’une régulation fine
Régulation à différents niveaux Activation/répresion de la transcription Atténuation de la transcription Inhibition du produit final (feedbak négatif)
Fonctionnement de l’opéron tryptophane
trpR
trpL trpE trpD trpC trpB trpA
acide chorismique
tryptophane
E1 E2 E3Atténuation
Fonctionnement de l’atténuation
trpL
1 2 3 4
terminateur
trpE
tggtgg
pas trp blocage ribosome pas terminaison transcription
12
3
trp progression ribosome terminaison transcription
4
1
Récapitulatif
Répression par le métabolite terminal TrpR : apo-répresseur Tryptophane : co-répresseur
Atténuation Diminution de la transcription par arrêt prématuré Action de la traduction sur la transcription
« Feedback » négatif (action rapide) Inhibition de l’enzyme 1 par le tryptophane
Autorégulation négative TrpR bloque sa propre transcription en absence de trp
Chez les eucaryotes
Quelques rappels Voie transduction par l ’AMPc chez S. Cerevisiae
Description des eucaryotes
Variété de formes Unicellulaires : les levures Pluricellulaires : animaux, végétaux
Compartiments cellulaires (ADN dans noyau) Génome complexe Milieu extérieur stable (pluricellulaires) Régulation des gènes pour
Différentiation cellulaire Réponse aux sollicitations de l’organisme
Différents niveaux de contrôle de la transcription
Accessibilité de l ’ADN Etat plus ou moins condensé de l ’ADN Bloque la fixation de la machinerie de transcription
Méthylation de la cytosine (paires CG) Bloque la transcription Transmission aux cellules filles Change selon le type cellulaire
Eléments cis- et trans- régulateurs cis-régulateur : motifs présents sur l ’ADN trans-régulateurs : facteurs de transcription se fixant sur
les éléments cis-régulateurs.
Grande diversité des éléments cis-régulateurs
Diversité de forme ????????????????? Taille : 6 - 15 nucléotides Structure : un ou deux (dyade) mots reconnus Conservation : motif inexact
Diversité de position En amont du gène(plus ou moins grande distance) Dans la séquence codante Dans les introns (ADN non présent dans l’ARNm final)
Diversité d’action Reconnu par un facteur de transcription Reconnu par des agonistes ou antagonistes
Transduction du signal
Transmission d’un message extra-cellulaire vers les facteurs de transcription
Messages : Hormones Stimuli extérieurs (lumière, chaleur, nutriments, ...) Interactions directes entre cellules
Récepteurs Membranaires : pas d’entrée du message, transmission
à l’aide d’une suite de réactions Nucléaires : entrée du message, activation du récepteur
qui est un facteur de transcription
Les principales molécules impliquées
Enzymes actives / inactives Kinases : ajoutent un Pi à d’autres protéines
Phosphatases : enlèvent un Pi à d’autres protéines
Seconds messagers Petites molécules (AMPc, Ca2+, ...) Convergence de plusieurs voies de transduction Variation de leur concentration -> variation de la
réponse
Cas de l ’AMPc Adénylate cyclase : ATP -> AMPc Phosphodiestérase : AMPc -> AMP
Chez les eucaryotes
Quelques rappels Voie transduction par l’AMPc chez S. Cerevisiae
Schéma de la banque KEGG
Voie de l’AMPc chez S. cerevisiae
Cdc25Ras1,2+GDP
Ras1,2 + GTP
Cyr1
Sra1
Tpk2
Ime1ATP
AMPc
Ira1,2
Pde1,2
sporulation
Récapitulatif
Beaucoup de nutriments : croissance Carence en nutriments : sporulation
Stimuli -> activation d’une protéine Transmission de l’information
Activation / inactivation de protéines
Synthèse ou dégradation d’AMPc Modulation de l’activité d’un facteur de
transcription
Conclusion
Les cellules sont capables d’intégrer de nombreuses informations. Abondance ou carence d’une molécule Présence simultanée de molécules équivalentes
Les régulations passent par diverses molécules Protéines Seconds messagers Métabolites
Mise en place de diverses stratégies Régulation positive / négative
Succession de réactions pour connecter des voies