410 trOiSiÈMe partie La génétique
Dans ce processus, le tryptophane joue le rôle de corépresseur. Un corépresseur est une petite molécule qui agit
conjointement avec un répresseur protéique pour désactiver
un opéron. Lorsque la concentration de tryptophane augmente, un nombre croissant de molécules de cette substance
se lie aux molécules de répresseur de trp ; l’une de celles-ci
peut alors se fixer à l’opérateur trp et inactiver la production
des enzymes de la voie du tryptophane. Lorsque la concentration de tryptophane diminue, la transcription des gènes
de l’opéron reprend. L’opéron trp est un exemple qui montre
comment l’expression génique peut répondre aux fluctuations des milieux interne et externe de la cellule.
Les opérons répressibles et inductibles :
deux types de régulation génique négative
L’opéron trp est un opéron répressible, parce qu’il est habituellement actif (en état de transcrire), mais il peut être inhibé
(répression) à tout moment par la liaison allostérique d’une
petite molécule spécifique (dans le cas présent, le tryptophane) et d’une protéine régulatrice. À l’inverse, un opéron
inductible est habituellement inactif, mais il peut être stimulé
(induction) par l’interaction entre une petite molécule spécifique et une protéine régulatrice. L’exemple classique d’un
opéron inductible est l’opéron lac (lac pour lactose), qui a été
le sujet des recherches innovatrices de Jacob et Monod.
La bactérie E. coli dispose du disaccharide nommé lactose
(sucre du lait) dans le côlon de son hôte humain lorsqu’il
boit du lait. Le métabolisme du lactose commence par l’hydrolyse de ce disaccharide en deux composantes, le glucose et le
galactose (des monosaccharides). L’enzyme qui catalyse cette
réaction est appelée b -galactosidase. Quand une bactérie
E. coli vit dans un milieu dépourvu de lactose, il n’y a que
quelques molécules de cette enzyme. Cependant, si l’on
ajoute du lactose dans le milieu nutritif de la bactérie, il suffit
de 15 minutes environ pour que le nombre de molécules de
b -galactosidase soit multiplié par mille.
Le gène de la b -galactosidase fait partie de l’opéron lac,
qui comprend également deux autres gènes codant pour des
enzymes intervenant dans l’utilisation du lactose. L’ensemble
de cette unité de transcription est régulé par un opérateur et
un promoteur principaux. Le gène régulateur lacI, situé à
l’extérieur de l’opéron, code pour un répresseur allostérique
capable d’inactiver l’opéron lac en se liant à l’opérateur.
Jusqu’ici, ce mécanisme ressemble beaucoup à celui de la
régulation de l’opéron trp. Il y a néanmoins une différence
importante. Souvenez-vous que le répresseur de trp est par
nature inactif et qu’il a besoin du tryptophane comme corépresseur pour se lier à l’opérateur. À l’inverse, le répresseur de
lac est par nature actif : il se lie à l’opérateur et inactive l’opéron lac. Ici, le répresseur peut être inactivé par une petite
molécule spécifique appelée inducteur.
Pour ce qui est de l’opéron lac, l’inducteur est l’allolactose, un isomère du lactose. Il est formé en petite quantité à
partir du lactose qui pénètre dans la cellule. En l’absence de
lactose (et donc d’allolactose), le répresseur de lac adopte sa
conforma tion active, et les gènes de l’opéron lac ne sont pas
transcrits (figure 18.4a). Si l’on ajoute du lactose dans le
milieu de la cellule, l’allolactose se lie au répresseur de lac et
modifie sa confor mation ; le répresseur est désormais incapable
de s’associer à l’opérateur. Sans la liaison avec le répresseur,
l’opéron lac est transcrit en ARNm pour la synthèse des
en zymes qui métabolisent le lactose (figure 18.4b).
Dans le contexte de la régulation génique, on qualifie d’inductibles les enzymes de la voie du lactose, parce que leur
synthèse est stimulée (induite) par la présence d’un stimulus
chimique (dans ce cas, l’allolactose). Quant aux enzymes de
la synthèse du tryptophane, elles sont dites répressibles. Les
enzymes répressibles interviennent généralement dans les
voies anaboliques, c’est-à-dire dans la synthèse de produits
essentiels à partir de substrats de départ (précurseurs). En
arrêtant de produire ces substances lorsqu’elles sont présentes
en quantité suffisante, la bactérie peut consacrer les précurseurs organiques et son énergie à d’autres fonctions. Quant
aux enzymes inductibles, elles interviennent habituellement
dans les voies cataboliques, qui assurent la dégradation des
nutriments en des molécules plus simples. La bactérie produit les enzymes appropriées à la dégradation d’un nutriment
seulement lorsque celui-ci est disponible. Elle évite ainsi de
gaspiller de l’énergie et des précurseurs pour fabriquer des
protéines inutiles.
La régulation de l’opéron trp et de l’opéron lac met en jeu
la régulation génique négative, parce que les opérons sont
inactivés par les répresseurs protéiques dont la conforma tion
est active. Ce processus est facile à comprendre dans le cas
de l’opéron trp, mais il est peut-être moins clair dans le cas de
l’opéron lac. En effet, l’allolactose entraîne la synthèse des
enzymes non pas en agissant directement sur le génome,
mais en relâchant l’emprise du répresseur sur l’opéron.
Cependant, on ne parle de régulation génique positive que
lorsqu’une protéine régulatrice déclenche la transcription
en interagissant directement avec le génome. Examinons un
exemple de régulation génique positive qui fait intervenir
encore une fois l’opéron lac.
La régulation génique positive
Lorsque le glucose et le lactose sont tous les deux présents
dans son milieu, E. coli consomme en priorité du glucose. Les
enzymes de dégradation du glucose dans la glycolyse (voir la
figure 9.9, p. 190) sont toujours présentes. En fait, la bactérie
utilise le lactose comme source énergétique seulement quand
il est pré sent et qu’il y a peu de glucose, et c’est seulement
à ce moment qu’elle synthétise des quantités appréciables
d’en zymes de dégradation du lactose.
Comment E. coli perçoit-il la concentration de glucose et
relaie-t-il cette information au génome ? Là encore, le mécanisme en question repose sur l’interaction entre une protéine
régulatrice allostérique et une petite molécule organique,
dans le cas présent l’adénosine monophosphate cyclique, ou
AMP cyclique (AMPc) ; sa concentration augmente lorsque
le glucose est présent en toute petite quantité (voir la structure
de l’AMPc à la figure 11.11, p. 244). La protéine régulatrice,
appelée protéine activatrice du catabolisme ou protéine CAP
(pour catabolite activator protein), est un activateur, une
protéine qui se lie à l’ADN et stimule la transcription d’un
gène. Lorsque l’AMPc se lie à cette protéine régulatrice CAP,
elle retrouve sa conformation active et peut se fixer à son
tour à un site spécifique situé en amont du promoteur
lac (figure 18.5a). La fixation augmente l’affinité de l’ARN
Dans ce processus, le tryptophane joue le rôle de corépresseur. Un corépresseur est une petite molécule qui agit
conjointement avec un répresseur protéique pour désactiver
un opéron. Lorsque la concentration de tryptophane augmente, un nombre croissant de molécules de cette substance
se lie aux molécules de répresseur de trp ; l’une de celles-ci
peut alors se fixer à l’opérateur trp et inactiver la production
des enzymes de la voie du tryptophane. Lorsque la concentration de tryptophane diminue, la transcription des gènes
de l’opéron reprend. L’opéron trp est un exemple qui montre
comment l’expression génique peut répondre aux fluctuations des milieux interne et externe de la cellule.
Les opérons répressibles et inductibles :
deux types de régulation génique négative
L’opéron trp est un opéron répressible, parce qu’il est habituellement actif (en état de transcrire), mais il peut être inhibé
(répression) à tout moment par la liaison allostérique d’une
petite molécule spécifique (dans le cas présent, le tryptophane) et d’une protéine régulatrice. À l’inverse, un opéron
inductible est habituellement inactif, mais il peut être stimulé
(induction) par l’interaction entre une petite molécule spécifique et une protéine régulatrice. L’exemple classique d’un
opéron inductible est l’opéron lac (lac pour lactose), qui a été
le sujet des recherches innovatrices de Jacob et Monod.
La bactérie E. coli dispose du disaccharide nommé lactose
(sucre du lait) dans le côlon de son hôte humain lorsqu’il
boit du lait. Le métabolisme du lactose commence par l’hydrolyse de ce disaccharide en deux composantes, le glucose et le
galactose (des monosaccharides). L’enzyme qui catalyse cette
réaction est appelée b -galactosidase. Quand une bactérie
E. coli vit dans un milieu dépourvu de lactose, il n’y a que
quelques molécules de cette enzyme. Cependant, si l’on
ajoute du lactose dans le milieu nutritif de la bactérie, il suffit
de 15 minutes environ pour que le nombre de molécules de
b -galactosidase soit multiplié par mille.
Le gène de la b -galactosidase fait partie de l’opéron lac,
qui comprend également deux autres gènes codant pour des
enzymes intervenant dans l’utilisation du lactose. L’ensemble
de cette unité de transcription est régulé par un opérateur et
un promoteur principaux. Le gène régulateur lacI, situé à
l’extérieur de l’opéron, code pour un répresseur allostérique
capable d’inactiver l’opéron lac en se liant à l’opérateur.
Jusqu’ici, ce mécanisme ressemble beaucoup à celui de la
régulation de l’opéron trp. Il y a néanmoins une différence
importante. Souvenez-vous que le répresseur de trp est par
nature inactif et qu’il a besoin du tryptophane comme corépresseur pour se lier à l’opérateur. À l’inverse, le répresseur de
lac est par nature actif : il se lie à l’opérateur et inactive l’opéron lac. Ici, le répresseur peut être inactivé par une petite
molécule spécifique appelée inducteur.
Pour ce qui est de l’opéron lac, l’inducteur est l’allolactose, un isomère du lactose. Il est formé en petite quantité à
partir du lactose qui pénètre dans la cellule. En l’absence de
lactose (et donc d’allolactose), le répresseur de lac adopte sa
conforma tion active, et les gènes de l’opéron lac ne sont pas
transcrits (figure 18.4a). Si l’on ajoute du lactose dans le
milieu de la cellule, l’allolactose se lie au répresseur de lac et
modifie sa confor mation ; le répresseur est désormais incapable
de s’associer à l’opérateur. Sans la liaison avec le répresseur,
l’opéron lac est transcrit en ARNm pour la synthèse des
en zymes qui métabolisent le lactose (figure 18.4b).
Dans le contexte de la régulation génique, on qualifie d’inductibles les enzymes de la voie du lactose, parce que leur
synthèse est stimulée (induite) par la présence d’un stimulus
chimique (dans ce cas, l’allolactose). Quant aux enzymes de
la synthèse du tryptophane, elles sont dites répressibles. Les
enzymes répressibles interviennent généralement dans les
voies anaboliques, c’est-à-dire dans la synthèse de produits
essentiels à partir de substrats de départ (précurseurs). En
arrêtant de produire ces substances lorsqu’elles sont présentes
en quantité suffisante, la bactérie peut consacrer les précurseurs organiques et son énergie à d’autres fonctions. Quant
aux enzymes inductibles, elles interviennent habituellement
dans les voies cataboliques, qui assurent la dégradation des
nutriments en des molécules plus simples. La bactérie produit les enzymes appropriées à la dégradation d’un nutriment
seulement lorsque celui-ci est disponible. Elle évite ainsi de
gaspiller de l’énergie et des précurseurs pour fabriquer des
protéines inutiles.
La régulation de l’opéron trp et de l’opéron lac met en jeu
la régulation génique négative, parce que les opérons sont
inactivés par les répresseurs protéiques dont la conforma tion
est active. Ce processus est facile à comprendre dans le cas
de l’opéron trp, mais il est peut-être moins clair dans le cas de
l’opéron lac. En effet, l’allolactose entraîne la synthèse des
enzymes non pas en agissant directement sur le génome,
mais en relâchant l’emprise du répresseur sur l’opéron.
Cependant, on ne parle de régulation génique positive que
lorsqu’une protéine régulatrice déclenche la transcription
en interagissant directement avec le génome. Examinons un
exemple de régulation génique positive qui fait intervenir
encore une fois l’opéron lac.
La régulation génique positive
Lorsque le glucose et le lactose sont tous les deux présents
dans son milieu, E. coli consomme en priorité du glucose. Les
enzymes de dégradation du glucose dans la glycolyse (voir la
figure 9.9, p. 190) sont toujours présentes. En fait, la bactérie
utilise le lactose comme source énergétique seulement quand
il est pré sent et qu’il y a peu de glucose, et c’est seulement
à ce moment qu’elle synthétise des quantités appréciables
d’en zymes de dégradation du lactose.
Comment E. coli perçoit-il la concentration de glucose et
relaie-t-il cette information au génome ? Là encore, le mécanisme en question repose sur l’interaction entre une protéine
régulatrice allostérique et une petite molécule organique,
dans le cas présent l’adénosine monophosphate cyclique, ou
AMP cyclique (AMPc) ; sa concentration augmente lorsque
le glucose est présent en toute petite quantité (voir la structure
de l’AMPc à la figure 11.11, p. 244). La protéine régulatrice,
appelée protéine activatrice du catabolisme ou protéine CAP
(pour catabolite activator protein), est un activateur, une
protéine qui se lie à l’ADN et stimule la transcription d’un
gène. Lorsque l’AMPc se lie à cette protéine régulatrice CAP,
elle retrouve sa conformation active et peut se fixer à son
tour à un site spécifique situé en amont du promoteur
lac (figure 18.5a). La fixation augmente l’affinité de l’ARN