4. F LUX DE L ’ INFORMATION GÉNÉTIQUE.S TRUCTURE ET EXPRESSION DES G È NES.
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© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
le fonctionnement des promoteurs ; il s’agit alors
d’une régulation positive. Ces deux modes de
contrôle peuvent en fait participer simultanément
à la modulation de l’expression d’un même gène.
Si, chez les Procaryotes, la régulation négative est
le système le plus largement utilisé, en revanche,
la régulation positive est la règle chez les
Eucaryotes ; cette notion sera illustrée dans le chapitre 8.
5.2.1. S YSTÈMES INDUCTIBLES
L’exemple qui a historiquement permis de
dégager ce concept est celui de l’opéron lactose,
étudié au début des années 60 par F. J ACOB et J.
M ONOD. Lorsqu’une souche de E. coli est cultivée
sur un milieu dépourvu de lactose, la β galactosidase est pratiquement absente des cellules. En présence de lactose, au contraire, le nombre de copies
d’enzyme par cellule atteint 3 000 unités : on dit
que le lactose est un inducteur, dans ce système. Il
a été vérifié que les molécules d’enzyme sont bien
néosynthétisées et que l’activité observée ne
résulte pas de la modification de molécules inactives préexistantes. L’addition de lactose au milieu
de culture augmente également la quantité de
deux autres enzymes : la H galactoside perméase,
qui permet le transport des galactosides à travers
la membrane plasmique (voir chapitre 6), et la
thiogalactoside transacétylase, dont le rôle physiologique reste peu clair. Cette induction coordonnée tient à l’organisation particulière de ces
trois gènes, qui appartiennent à un même opéron.
Il n’est pas possible de décrire ici toutes les analyses génétiques ayant permis d’élaborer le modèle
de régulation par induction, qui a été confirmé par
la biochimie et la biologie moléculaire. Deux types
majeurs de mutants ont été obtenus :
–des mutants affectant les gènes de structure des
protéines, chez lesquels la fonction est altérée :
mutant dits z
–
(pour la β galactosidase) et y
–
(pour la perméase) ;
–des mutants chez qui les enzymes sont normales
mais dont le contrôle est très perturbé : mutants
dits constitutifs, car les enzymes sont toujours
présentes dans la cellule, même en l’absence de
lactose, ou bien mutants dits hyper-réprimés,
qui ne sont plus inductibles par le lactose.
Les mutations correspondant à cette dernière
catégorie de souches ont été localisées au niveau
de deux segments d’ADN situés d’un même côté
par rapport aux deux gènes de structure z et y. On
appelle i et o ces deux segments et i
–
et o
–
les
mutants en question. L’ensemble des observations
faites sur ce modèle a conduit les auteurs à proposer l’interprétation suivante, qui constitue
l’essence du système inductible (voir figure 4.12).
•Le gène i est un gène régulateur qui commande la synthèse d’une protéine empêchant normalement, en l’absence de lactose, l’expression des
gènes de structure ; cette protéine appelée répresseur a pour propriété de se fixer sur le segment o
du chromosome, ce qui a pour effet d’empêcher
l’expression. Ce segment o, dit opérateur, fait partie de la région promotrice commune aux trois
gènes, le rôle du répresseur fixé étant d’empêcher
la fixation et/ou le passage de l’ARN polymérase
à ce niveau. L’opérateur est en grande partie transcrit et sa séquence se retrouve dans la région leader
de l’ARNm polygénique.
•Pour exercer son action régulatrice, le répresseur est amené à reconnaître et à fixer spécifiquement le lactose, ce qui a pour effet de modifier sa
conformation et de le rendre inapte à la fixation
sur le segment opérateur. Le répresseur est donc
une molécule remarquable possédant deux sites
de reconnaissance, l’un pour l’ADN et l’autre pour
le lactose, et ces deux sites interagissent puisque la
fixation du lactose sur le second modifie le premier (allostérie).
Ce modèle permet de comprendre l’origine des
phénotypes liés aux mutations o
–
et i
–
décrites plus
haut :
–une mutation o
–
altère la séquence de l’opérateur,
qui n’est plus reconnue par le répresseur normal : la transcription a lieu de façon permanente
(souche constitutive) ;
–une mutation i
–
peut conduire à une modification
de structure du répresseur qui n’est plus capable
de se fixer sur l’opérateur (qu’il y ait du lactose
ou pas), et par conséquent la transcription
devient aussi constitutive ;
–d’autres types de mutations affectent le répresseur de telle sorte que son site de fixation du lactose soit atteint, mais pas le site de fixation à
l’ADN, comme dans le cas précédent. Dans ces
conditions, le répresseur reste toujours fixé sur
l’opérateur et la souche est réprimée en permanence puisque le lactose, même présent, ne peut
agir (souches hyper-réprimées).
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© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
le fonctionnement des promoteurs ; il s’agit alors
d’une régulation positive. Ces deux modes de
contrôle peuvent en fait participer simultanément
à la modulation de l’expression d’un même gène.
Si, chez les Procaryotes, la régulation négative est
le système le plus largement utilisé, en revanche,
la régulation positive est la règle chez les
Eucaryotes ; cette notion sera illustrée dans le chapitre 8.
5.2.1. S YSTÈMES INDUCTIBLES
L’exemple qui a historiquement permis de
dégager ce concept est celui de l’opéron lactose,
étudié au début des années 60 par F. J ACOB et J.
M ONOD. Lorsqu’une souche de E. coli est cultivée
sur un milieu dépourvu de lactose, la β galactosidase est pratiquement absente des cellules. En présence de lactose, au contraire, le nombre de copies
d’enzyme par cellule atteint 3 000 unités : on dit
que le lactose est un inducteur, dans ce système. Il
a été vérifié que les molécules d’enzyme sont bien
néosynthétisées et que l’activité observée ne
résulte pas de la modification de molécules inactives préexistantes. L’addition de lactose au milieu
de culture augmente également la quantité de
deux autres enzymes : la H galactoside perméase,
qui permet le transport des galactosides à travers
la membrane plasmique (voir chapitre 6), et la
thiogalactoside transacétylase, dont le rôle physiologique reste peu clair. Cette induction coordonnée tient à l’organisation particulière de ces
trois gènes, qui appartiennent à un même opéron.
Il n’est pas possible de décrire ici toutes les analyses génétiques ayant permis d’élaborer le modèle
de régulation par induction, qui a été confirmé par
la biochimie et la biologie moléculaire. Deux types
majeurs de mutants ont été obtenus :
–des mutants affectant les gènes de structure des
protéines, chez lesquels la fonction est altérée :
mutant dits z
–
(pour la β galactosidase) et y
–
(pour la perméase) ;
–des mutants chez qui les enzymes sont normales
mais dont le contrôle est très perturbé : mutants
dits constitutifs, car les enzymes sont toujours
présentes dans la cellule, même en l’absence de
lactose, ou bien mutants dits hyper-réprimés,
qui ne sont plus inductibles par le lactose.
Les mutations correspondant à cette dernière
catégorie de souches ont été localisées au niveau
de deux segments d’ADN situés d’un même côté
par rapport aux deux gènes de structure z et y. On
appelle i et o ces deux segments et i
–
et o
–
les
mutants en question. L’ensemble des observations
faites sur ce modèle a conduit les auteurs à proposer l’interprétation suivante, qui constitue
l’essence du système inductible (voir figure 4.12).
•Le gène i est un gène régulateur qui commande la synthèse d’une protéine empêchant normalement, en l’absence de lactose, l’expression des
gènes de structure ; cette protéine appelée répresseur a pour propriété de se fixer sur le segment o
du chromosome, ce qui a pour effet d’empêcher
l’expression. Ce segment o, dit opérateur, fait partie de la région promotrice commune aux trois
gènes, le rôle du répresseur fixé étant d’empêcher
la fixation et/ou le passage de l’ARN polymérase
à ce niveau. L’opérateur est en grande partie transcrit et sa séquence se retrouve dans la région leader
de l’ARNm polygénique.
•Pour exercer son action régulatrice, le répresseur est amené à reconnaître et à fixer spécifiquement le lactose, ce qui a pour effet de modifier sa
conformation et de le rendre inapte à la fixation
sur le segment opérateur. Le répresseur est donc
une molécule remarquable possédant deux sites
de reconnaissance, l’un pour l’ADN et l’autre pour
le lactose, et ces deux sites interagissent puisque la
fixation du lactose sur le second modifie le premier (allostérie).
Ce modèle permet de comprendre l’origine des
phénotypes liés aux mutations o
–
et i
–
décrites plus
haut :
–une mutation o
–
altère la séquence de l’opérateur,
qui n’est plus reconnue par le répresseur normal : la transcription a lieu de façon permanente
(souche constitutive) ;
–une mutation i
–
peut conduire à une modification
de structure du répresseur qui n’est plus capable
de se fixer sur l’opérateur (qu’il y ait du lactose
ou pas), et par conséquent la transcription
devient aussi constitutive ;
–d’autres types de mutations affectent le répresseur de telle sorte que son site de fixation du lactose soit atteint, mais pas le site de fixation à
l’ADN, comme dans le cas précédent. Dans ces
conditions, le répresseur reste toujours fixé sur
l’opérateur et la souche est réprimée en permanence puisque le lactose, même présent, ne peut
agir (souches hyper-réprimées).