Microbiologie (Français)

chaque cellule nucléée d’un organisme multicellulaire contient des copies du même ADN. De même, toutes les cellules de deux cultures bactériennes pures inoculées à partir de la même colonie de départ contiennent le même ADN, à l’exception des changements qui résultent de mutations spontanées., Si chaque cellule d’un organisme multicellulaire a le même ADN, alors comment se fait-il que les cellules de différentes parties du corps de l’organisme présentent des caractéristiques différentes? De même, comment se fait-il que les mêmes cellules bactériennes au sein de deux cultures pures exposées à des conditions environnementales différentes puissent présenter des phénotypes différents? Dans les deux cas, chaque cellule génétiquement identique n’active pas ou n’exprime pas le même ensemble de gènes. Seul un sous-ensemble de protéines dans une cellule à un moment donné est exprimé.,

L’ADN génomique contient à la fois des gènes structuraux, qui codent des produits qui servent de structures cellulaires ou d’enzymes, et des gènes régulateurs, qui codent des produits qui régulent l’expression des gènes. L’expression d’un gène est un processus hautement régulé. Alors que la régulation de l’expression des gènes chez les organismes multicellulaires permet la différenciation cellulaire, chez les organismes unicellulaires comme les procaryotes, elle garantit principalement que les ressources d’une cellule ne sont pas gaspillées pour fabriquer des protéines dont la cellule n’a pas besoin à ce moment-là.,

L’élucidation des mécanismes contrôlant l’expression des gènes est importante pour la compréhension de la santé humaine. Les dysfonctionnements dans ce processus chez l’homme conduisent au développement du cancer et d’autres maladies. Comprendre l’interaction entre l’expression génique d’un agent pathogène et celle de son hôte humain est important pour la compréhension d’une maladie infectieuse particulière. La régulation des gènes implique un réseau complexe d’interactions au sein d’une cellule donnée entre les signaux provenant de l’environnement de la cellule, les molécules de signalisation au sein de la cellule et L’ADN de la cellule., Ces interactions conduisent à l’expression de certains gènes et à la suppression d’autres, selon les circonstances.

procaryotes et eucaryotes partagent certaines similitudes dans leurs mécanismes de régulation de l’expression des gènes; cependant, l’expression des gènes chez les eucaryotes est plus compliquée en raison de la séparation temporelle et spatiale entre les processus de transcription et de traduction., Ainsi, bien que la plupart de la régulation de l’expression génique se fasse par le contrôle transcriptionnel chez les procaryotes, la régulation de l’expression génique chez les eucaryotes se fait au niveau transcriptionnel et post-transcriptionnel (après la transcription primaire).

régulation des gènes procaryotes

chez les bactéries et les archées, les protéines structurales ayant des fonctions connexes sont généralement codées ensemble dans le génome dans un bloc appelé opéron et sont transcrites ensemble sous le contrôle d’un seul Promoteur, ce qui entraîne la formation d’une transcription polycistronique (Figure 1)., De cette façon, la régulation de la transcription de tous les gènes structuraux codant pour les enzymes qui catalysent les nombreuses étapes d’une seule voie biochimique peut être contrôlée simultanément, car elles seront toutes nécessaires en même temps, ou aucune ne sera nécessaire. Par exemple, chez E. coli, tous les gènes structuraux qui codent les enzymes nécessaires pour utiliser le lactose comme source d’énergie se trouvent les uns à côté des autres dans l’opéron lactose (ou lac) sous le contrôle d’un seul Promoteur, le promoteur lac., Les scientifiques français François Jacob (1920-2013) et Jacques Monod à L’Institut Pasteur ont été les premiers à montrer l’organisation des gènes bactériens en opérons, à travers leurs études sur l’opéron lac d’E. coli. Pour ce travail, ils ont remporté le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1965. Bien que les gènes eucaryotes ne soient pas organisés en opérons, les opérons procaryotes sont d’excellents modèles pour l’apprentissage de la régulation des gènes en général. Il existe des clusters de gènes chez les eucaryotes qui fonctionnent de manière similaire aux opérons., De nombreux principes peuvent être appliqués aux systèmes eucaryotes et contribuer à notre compréhension des changements dans l’expression des gènes chez les eucaryotes qui peuvent entraîner des changements pathologiques tels que le cancer.

la Figure 1. Chez les procaryotes, les gènes structuraux de fonction apparentée sont souvent organisés ensemble sur le génome et transcrits ensemble sous le contrôle d’un seul Promoteur. La région réglementaire de l’operon comprend à la fois le promoteur et l’exploitant. Si un répresseur se lie à l’opérateur, les gènes structurels ne seront pas transcrits., Alternativement, les activateurs peuvent se lier à la région régulatrice, améliorant la transcription.

chaque opéron comprend des séquences D’ADN qui influencent sa propre transcription; celles-ci sont situées dans une région appelée région régulatrice. La région régulatrice comprend le promoteur et la région entourant le promoteur, auxquels des facteurs de transcription, des protéines codées par des gènes régulateurs, peuvent se lier. Les facteurs de Transcription influencent la liaison de L’ARN polymérase au promoteur et permettent sa progression pour transcrire les gènes structurels., Un répresseur est un facteur de transcription qui supprime la transcription d’un gène en réponse à un stimulus externe en se liant à une séquence D’ADN dans la région régulatrice appelée opérateur, qui est située entre le site de liaison de L’ARN polymérase du promoteur et le site de début de transcription du premier gène structurel. La liaison au répresseur bloque physiquement L’ARN polymérase de la transcription des gènes structuraux., Inversement, un activateur est un facteur de transcription qui augmente la transcription d’un gène en réponse à un stimulus externe en facilitant la liaison de L’ARN polymérase au promoteur. Un inducteur, un troisième type de molécule régulatrice, est une petite molécule qui active ou réprime la transcription en interagissant avec un répresseur ou un activateur.

chez les procaryotes, il existe des exemples d’opérons dont les produits géniques sont requis de manière assez cohérente et dont l’expression n’est donc pas réglementée., De tels opérons sont exprimés de manière constitutive, ce qui signifie qu’ils sont transcrits et traduits en continu pour fournir à la cellule des niveaux intermédiaires constants des produits protéiques. De tels gènes codent des enzymes impliquées dans les fonctions d’entretien nécessaires à la maintenance cellulaire, y compris la réplication, la réparation et l’expression de l’ADN, ainsi que des enzymes impliquées dans le métabolisme central. En revanche, il existe d’autres opérons procaryotiques qui ne sont exprimés qu’en cas de besoin et sont régulés par des répresseurs, des activateurs et des inducteurs.,

régulation par répression

Les opérons Procaryotiques sont généralement contrôlés par la liaison des répresseurs aux régions opératrices, empêchant ainsi la transcription des gènes structuraux. De tels opérons sont classés comme opérons répressibles ou opérons inductibles. Les opérons répressibles, comme l’opéron tryptophane (trp), contiennent généralement des gènes codant pour les enzymes nécessaires à une voie biosynthétique., Tant que le produit de la voie, comme le tryptophane, continue d’être requis par la cellule, un opéron répressible continuera à être exprimé. Cependant, lorsque le produit de la voie biosynthétique commence à s’accumuler dans la cellule, supprimant la nécessité pour la cellule de continuer à en faire plus, l’expression de l’opéron est réprimée. Inversement, les opérons inductibles, comme l’opéron lac d’E. coli, contiennent souvent des gènes codant des enzymes dans une voie impliquée dans le métabolisme d’un substrat spécifique comme le lactose., Ces enzymes ne sont nécessaires que lorsque ce substrat est disponible, de sorte que l’expression des opérons n’est généralement induite qu’en présence du substrat.

L’opéron trp: un opéron répressible

E. coli peut synthétiser le tryptophane à l’aide d’enzymes codées par cinq gènes structuraux situés l’un à côté de l’autre dans l’opéron trp (Figure 2). Lorsque le tryptophane environnemental est faible, l’opéron est activé. Cela signifie que la transcription est initiée, que les gènes sont exprimés et que le tryptophane est synthétisé., Toutefois, si le tryptophane est présent dans l’environnement, l’opéron trp est éteint. La Transcription ne se produit pas et le tryptophane n’est pas synthétisé.

lorsque le tryptophane n’est pas présent dans la cellule, le répresseur par lui-même ne se lie pas à l’opérateur; par conséquent, l’opéron est actif et le tryptophane est synthétisé. Cependant, lorsque le tryptophane s’accumule dans la cellule, deux molécules de tryptophane se lient à la molécule de répresseur trp, qui change de forme, lui permettant de se lier à l’opérateur trp., Cette liaison de la forme active du répresseur trp à l’opérateur bloque L’ARN polymérase de transcrire les gènes structuraux, arrêtant l’expression de l’opéron. Ainsi, le produit réel de la voie de biosynthèse contrôlé par l’opéron régule l’expression de l’opéron.

la Figure 2. Les cinq gènes structurels nécessaires à la synthèse du tryptophane chez E. coli sont situés les uns à côté des autres dans l’opéron trp. Lorsque le tryptophane est absent, la protéine répressive ne se lie pas à l’opérateur et les gènes sont transcrits., Lorsque le tryptophane est abondant, le tryptophane lie la protéine répressive à la séquence opérateur. Cela empêche physiquement L’ARN polymérase de transcrire les gènes de biosynthèse du tryptophane.

L’Opéron lac: Un Inductible Opéron

L’opéron lactose est un exemple d’un inductible opéron qui est également soumis à l’activation en l’absence de glucose (Figure 3)., L’opéron lac code trois gènes structurels nécessaires pour acquérir et traiter le lactose disaccharidique de l’environnement, le décomposant en sucres simples glucose et galactose. Pour que l’opéron lac soit exprimé, le lactose doit être présent. Cela a du sens pour la cellule car il serait énergétiquement inutile de créer les enzymes pour traiter le lactose si le lactose n’était pas disponible.

en l’absence de lactose, le répresseur lac est lié à la région opératrice de l’opéron lac, empêchant physiquement L’ARN polymérase de transcrire les gènes structuraux., Cependant, lorsque le lactose est présent, le lactose à l’intérieur de la cellule est converti en allolactose. L’Allolactose Sert de molécule inductrice, se liant au répresseur et changeant sa forme de sorte qu’il ne soit plus capable de se lier à l’ADN de l’opérateur. L’élimination du répresseur en présence de lactose permet à L’ARN polymérase de se déplacer à travers la région opératrice et de commencer la transcription des gènes Structuraux Du lac.

la Figure 3. Les trois gènes structuraux nécessaires à la dégradation du lactose chez E. coli sont situés l’un à côté de l’autre dans l’opéron lac., Lorsque le lactose est absent, la protéine répresseur se lie à l’opérateur, bloquant physiquement L’ARN polymérase de transcrire les gènes Structuraux Du lac. Lorsque le lactose est disponible, une molécule de lactose lie la protéine répressive, empêchant le répresseur de se lier à la séquence opérateur, et les gènes sont transcrits.

L’opéron lac: Activation par la protéine activatrice de Catabolite

Figure 4. Lorsqu’il est cultivé en présence de deux substrats, E. coli utilise le substrat préféré (dans ce cas, le glucose) jusqu’à épuisement., Ensuite, les enzymes nécessaires au métabolisme du second substrat sont exprimées et la croissance reprend, bien qu’à un rythme plus lent.

les Bactéries ont généralement la capacité à utiliser une variété de substrats comme sources de carbone. Cependant, comme le glucose est généralement préférable à d’autres substrats, les bactéries ont des mécanismes pour s’assurer que d’autres substrats ne sont utilisés que lorsque le glucose a été épuisé. De plus, les bactéries ont des mécanismes pour s’assurer que les gènes codant des enzymes pour l’utilisation de substrats alternatifs ne sont exprimés que lorsque le substrat alternatif est disponible., Dans les années 1940, Jacques Monod a été le premier à démontrer la préférence pour certains substrats par rapport à d’autres à travers ses études sur la croissance d’E. coli lorsqu’il est cultivé en présence de deux substrats différents simultanément. De telles études ont généré des courbes de croissance diauxiques, comme celle illustrée à la Figure 4. Bien que le glucose de substrat préféré soit utilisé en premier, E. coli se développe rapidement et les enzymes pour le métabolisme du lactose sont absentes. Cependant, une fois les niveaux de glucose épuisés, les taux de croissance ralentissent, induisant l’expression des enzymes nécessaires au métabolisme du second substrat, le lactose., Remarquez comment le taux de croissance dans le lactose est plus lent, comme indiqué par la pente inférieure de la courbe de croissance.

la capacité de passer de l’utilisation du glucose à un autre substrat comme le lactose est une conséquence de l’activité d’une enzyme appelée Enzyme IIA (EIIA). Lorsque les niveaux de glucose baissent, les cellules produisent moins D’ATP à partir du catabolisme (voir catabolisme des glucides), et L’EIIA devient phosphorylée., L’EIIA phosphorylée active l’adénylyl cyclase, une enzyme qui convertit une partie de l’ATP restant en AMP cyclique (AMPc), un dérivé cyclique de L’AMP et une molécule de signalisation importante impliquée dans le métabolisme du glucose et de l’énergie chez E. coli. En conséquence, les niveaux de cAMP commencent à augmenter dans la cellule (Figure 5).

la Figure 5. Lorsque les niveaux D’ATP diminuent en raison de l’épuisement du glucose, une partie de L’ATP restant est convertie en AMPc par l’adénylyl cyclase. Ainsi, les niveaux accrus d’AMPc signalent une déplétion du glucose.,

L’opéron lac joue également un rôle dans cette passer de l’utilisation de glucose à l’aide de lactose. Lorsque le glucose est rare, l’AMPc accumulée causée par une activité accrue de l’adénylyl cyclase se lie à la protéine activatrice de catabolite (CAP), également connue sous le nom de protéine réceptrice de l’AMPc (CRP). Le complexe se lie à la région promotrice de l’opéron lac (Figure 6). Dans les régions régulatrices de ces opérons, un site de liaison de CAP est situé en amont du site de liaison de L’ARN polymérase dans le promoteur., La liaison du complexe CAP-cAMP à ce site augmente la capacité de liaison de L’ARN polymérase à la région promotrice pour initier la transcription des gènes structuraux. Ainsi, dans le cas de l’opéron lac, pour que la transcription se produise, le lactose doit être présent (élimination de la protéine répressive lac) et les niveaux de glucose doivent être épuisés (permettant la liaison d’une protéine activatrice). Lorsque les niveaux de glucose sont élevés, il y a répression catabolite des opérons codant des enzymes pour le métabolisme des substrats alternatifs., En raison de faibles niveaux d’AMPc dans ces conditions, il y a une quantité insuffisante du complexe CAP-AMPc pour activer la transcription de ces opérons. Voir le tableau 1 pour un résumé de la réglementation de l’opéron lac.

la Figure 6. (a) en présence d’AMPc, CAP se lie aux promoteurs d’opérons, comme l’opéron lac, qui codent des gènes pour des enzymes pour l’utilisation de substrats alternatifs. (b) Pour que l’opéron lac soit exprimé, il doit y avoir activation par cAMP-CAP ainsi que Retrait du répresseur lac de l’opérateur.,

réponses globales des procaryotes

chez les procaryotes, il existe également plusieurs niveaux supérieurs de régulation génétique qui ont la capacité de contrôler la transcription de nombreux opérons apparentés simultanément en réponse à un signal environnemental., Un groupe d’opérons tous contrôlés simultanément est appelé régulon.

Alarmones

lors de la détection d’un stress imminent, les procaryotes modifient l’expression d’une grande variété d’opérons pour répondre en coordination. Ils le font par la production d’alarmones, qui sont de petits dérivés nucléotidiques intracellulaires. Les Alarmones modifient les gènes qui sont exprimés et stimulent l’expression de gènes spécifiques de réponse au stress. L’utilisation d’alarmones pour modifier l’expression des gènes en réponse au stress semble être importante chez les bactéries pathogènes., En rencontrant des mécanismes de défense d’hôte et d’autres conditions dures pendant l’infection, beaucoup d’opérons codant des gènes de virulence sont upregulated en réponse à la signalisation d’alarmone. La connaissance de ces réponses est la clé pour être en mesure de comprendre pleinement le processus d’infection de nombreux agents pathogènes et pour le développement de thérapies pour contrer ce processus.,

facteurs σ alternatifs

étant donné que la sous-unité σ De L’ARN polymérase bactérienne confère une spécificité quant aux promoteurs à transcrire, la modification du facteur σ utilisé est une autre façon pour les bactéries de changer rapidement et globalement les régulons qui sont transcrits à un moment donné. Le facteur σ reconnaît des séquences dans un promoteur bactérien, de sorte que différents facteurs σ reconnaîtront chacun des séquences de promoteur légèrement différentes., De cette façon, lorsque la cellule détecte des conditions environnementales spécifiques, elle peut réagir en modifiant le facteur σ qu’elle exprime, en dégradant l’ancien et en produisant un nouveau pour transcrire les opérons codant des gènes dont les produits seront utiles dans la nouvelle condition environnementale. Par exemple, chez les bactéries sporulantes des genres Bacillus et Clostridium (qui comprennent de nombreux agents pathogènes), un groupe de facteurs σ contrôle l’expression des nombreux gènes nécessaires à la sporulation en réponse aux signaux stimulant la sporulation.,

autres méthodes de régulation chez les bactéries: atténuation et Riboswitches

bien que la plupart de l’expression des gènes soit régulée au niveau de l’initiation de la transcription chez les procaryotes, il existe également des mécanismes permettant de contrôler simultanément l’achèvement de la transcription et de la traduction., Depuis leur découverte, il a été démontré que ces mécanismes contrôlent l’achèvement de la transcription et de la traduction de nombreux opérons procaryotes. Parce que ces mécanismes relient directement la régulation de la transcription et de la traduction, ils sont spécifiques aux procaryotes, car ces processus sont physiquement séparés chez les eucaryotes.

l’un de ces systèmes de régulation est l’atténuation, par laquelle des structures souches-boucles secondaires formées à l’intérieur de l’extrémité 5’ d’un ARNm en cours de transcription déterminent si la transcription pour compléter la synthèse de cet ARNm se produira et si cet ARNm sera utilisé pour la traduction., Au-delà du mécanisme de répression transcriptionnelle déjà discuté, l’atténuation contrôle également l’expression de l’opéron trp chez E. coli (Figure 7). La région régulatrice de l’opéron trp contient une séquence leader appelée trpL entre l’opérateur et le premier gène structurel, qui a quatre tronçons D’ARN qui peuvent s’apparier les uns avec les autres dans différentes combinaisons. Lorsqu’une boucle-tige terminatrice se forme, la transcription se termine, libérant L’ARN polymérase de l’ARNm., Cependant, lorsqu’une boucle de tige antiterminatrice se forme, cela empêche la formation de la boucle de tige terminatrice, de sorte que L’ARN polymérase peut transcrire les gènes structurels.

la Figure 7. Cliquez pour afficher une image plus grande. Lorsque le tryptophane est abondant, la traduction du peptide de tête court codé par trpL se poursuit, la boucle de terminaison entre les régions 3 et 4 se forme et la transcription se termine., Lorsque les niveaux de tryptophane sont épuisés, la traduction du peptide de tête court stalle à la Région 1, permettant aux régions 2 et 3 de former une boucle antiterminatrice, et L’ARN polymérase peut transcrire les gènes structuraux de l’opéron trp.

un mécanisme connexe de régulation simultanée de la transcription et de la traduction chez les procaryotes est l’utilisation d’un riboswitch, une petite région d’ARN non codant située à l’extrémité 5’ de certaines molécules d’ARNm procaryotes (Figure 8). Un riboswitch peut se lier à une petite molécule intracellulaire pour stabiliser certaines structures secondaires de la molécule d’ARNm., La liaison de la petite molécule détermine quelle structure tige-boucle se forme, influençant ainsi l’achèvement de la synthèse de l’ARNm et de la synthèse des protéines.

la Figure 8. Cliquez pour voir une image plus grande. Les Riboswitches présents dans les molécules d’ARNm procaryotes peuvent se lier à de petites molécules intracellulaires, stabilisant certaines structures D’ARN, influençant soit l’achèvement de la synthèse de la molécule d’ARNm elle-même (à gauche), soit la protéine fabriquée à l’aide de cet ARNm (à droite).,

autres facteurs affectant l’Expression des gènes chez les procaryotes et les eucaryotes

bien que notre discussion sur le contrôle transcriptionnel ait utilisé les opérons procaryotes comme exemples, le contrôle transcriptionnel eucaryote est similaire à bien des égards. Comme chez les procaryotes, la transcription eucaryote peut être contrôlée par la liaison de facteurs de transcription, y compris les répresseurs et les activateurs., Fait intéressant, la transcription eucaryote peut être influencée par la liaison des protéines à des régions de L’ADN, appelées enhancers, plutôt éloignées du gène, grâce à un bouclage de L’ADN facilité entre l’enhancer et le promoteur (Figure 9). Dans l’ensemble, la régulation de la transcription est un moyen très efficace de contrôler l’expression des gènes chez les procaryotes et les eucaryotes. Cependant, le contrôle de l’expression des gènes chez les eucaryotes en réponse aux stress environnementaux et cellulaires peut être accompli de manière supplémentaire sans la liaison des facteurs de transcription aux régions régulatrices.,

la Figure 9. Chez les eucaryotes, un activateur est une séquence D’ADN qui favorise la transcription. Chaque activateur est composé de courtes séquences D’ADN appelées éléments de contrôle distaux. Les activateurs liés aux éléments de contrôle distaux interagissent avec les protéines médiatrices et les facteurs de transcription. Deux gènes différents peuvent avoir le même promoteur mais des éléments de contrôle distaux différents, permettant l’expression différentielle des gènes.,

contrôle au niveau de l’ADN

chez les eucaryotes, les molécules D’ADN ou les histones associées peuvent être modifiées chimiquement de manière à influencer la transcription; c’est ce qu’on appelle la régulation épigénétique. Il a été démontré que la méthylation de certains nucléotides de cytosine dans l’ADN en réponse à des facteurs environnementaux influence l’utilisation de cet ADN pour la transcription, la méthylation de l’ADN étant généralement corrélée à une diminution de l’expression des gènes., De plus, en réponse à des facteurs environnementaux, les protéines histones pour l’emballage de l’ADN peuvent également être modifiées chimiquement de multiples manières, y compris l’acétylation et la désacétylation, influençant l’état d’emballage de l’ADN et affectant ainsi la disponibilité de L’ADN faiblement enroulé pour la transcription. Ces modifications chimiques peuvent parfois être maintenues par de multiples cycles de division cellulaire, rendant au moins certaines de ces modifications épigénétiques héritables.

pensez-y

1. quelles sont les deux façons dont les bactéries peuvent influencer la transcription de plusieurs opérons différents simultanément en réponse à une condition environnementale particulière?
2. La figure suivante est tirée des travaux originaux de Monod sur la croissance diauxique montrant la croissance d’E. coli en présence simultanée de xylose et de glucose comme seules sources de carbone. Expliquer ce qui se passe aux points A à D en ce qui concerne la source de carbone utilisée pour la croissance, et expliquer si l’opéron xylose–use est exprimé (et pourquoi)., Notez que l’expression des enzymes nécessaires pour le xylose utilisation est réglementée de manière similaire à l’expression des enzymes nécessaires pour utiliser le lactose.