L'expression génique est la synthèse d'une chaîne polypeptidique d'une protéine fonctionnelle basée sur l'information codée par un gène particulier. La quantité de synthèse d'une protéine particulière peut être régulée par la régulation de l'expression génique. L'expression différentielle des gènes peut être obtenue au cours des différentes étapes de la synthèse protéique. Cependant, la régulation de l'expression des gènes est différente dans les gènes eucaryotes et procaryotes. L'opéron lac est un groupe de gènes responsables du métabolisme du lactose d'E.coli. La régulation de l'expression de l'opéron lac est réalisée en réponse aux taux de lactose et de glucose dans le milieu. La régulation de l'opéron lac est utilisée comme le principal exemple de régulation des gènes procaryotes dans les études d'introduction à la biologie moléculaire et cellulaire.

Domaines clés couverts

1. Qu'est-ce que la régulation de l'expression génique - Définition, régulation de l'expression génique 2. Qu'est-ce que le lac Opéron - Définition, structure, fonction des produits génétiques 3. Comment est réglementé le lac Opéron – Lac répresseur, CAP

Termes clés: protéine activatrice de catabolite (CAP), E. coli, expression génique, glucose, lac opéron, répresseur lac, métabolisme du lactose

Qu'est-ce que la régulation de l'expression génique

La régulation de l'expression des gènes fait référence à un large éventail de mécanismes utilisés par la cellule pour augmenter ou diminuer la production d'un produit génique particulier (une protéine ou un ARN). Elle est réalisée au cours de diverses étapes de la synthèse des protéines comme décrit ci-dessous.

1. Niveau de réplication – Les mutations qui surviennent lors de la réplication de l'ADN peuvent entraîner des altérations de l'expression des gènes.
2. Niveau transcriptionnel – La transcription d'un gène particulier peut être contrôlée par des répresseurs et des activateurs.
3. Niveau post-transcriptionnel - L'expression des gènes peut être obtenue lors des modifications post-transcriptionnelles telles que l'épissage de l'ARN.
4. Niveau de traduction – La traduction d'une molécule d'ARNm peut être contrôlée par divers processus tels que la voie d'interférence ARN.
5. Niveau post-traductionnel – La synthèse d'une protéine peut être régulée au niveau post-traductionnel en contrôlant les modifications post-traductionnelles.

Cependant, la régulation de l'expression des gènes chez les procaryotes est principalement réalisée lors de l'initiation de la transcription. Il implique les activateurs qui régulent positivement l'expression des gènes et les répresseurs qui régulent négativement l'expression des gènes. La régulation de l'expression génique à différentes étapes de la synthèse protéique est illustrée à la figure 1.

Figure 1: Régulation de l'expression génique

Qu'est-ce que le lac Opéron

L'opéron lac fait référence à un groupe de gènes responsables du métabolisme du lactose d'E. coli. Par conséquent, l'opéron lac est une unité fonctionnelle du génome d'E. coli. Tous les gènes de l'opéron lac sont contrôlés par un seul promoteur. Par conséquent, tous les gènes de l'opéron sont transcrits ensemble. Les produits géniques sont les protéines responsables du transport du lactose dans le cytosol de la cellule et de la digestion du lactose en glucose. Le glucose est utilisé dans la respiration cellulaire pour produire de l'énergie sous forme d'ATP. L'opéron lac peut également être présent dans de nombreuses autres bactéries entériques. La structure de l'opéron lac est illustrée à la figure 2.

Figure 2: Lac Opéron

L'opéron lac est composé de trois gènes contrôlés par un seul promoteur. Ces gènes sont lacZ, de dentelle, et la CA. Ces gènes sont codés pour les trois enzymes impliquées dans le métabolisme du lactose, respectivement appelées bêta-galactosidase, bêta-galactoside perméase et bêta-galactoside transacétylase. La bêta-galactosidase est impliquée dans la décomposition du lactose en glucose et galactose. La bêta-galactoside perméase est intégrée dans la membrane cellulaire, permettant le transport du lactose dans le cytosol. La bêta-galactoside transacétylase est impliquée dans le transfert d'un groupe acétyle de l'acétyl Co-A au bêta-galactoside. La transcription de l'opéron lac produit une molécule d'ARNm polycistronique qui produit les trois produits géniques à partir d'une seule molécule d'ARNm. Généralement, les produits des gènes lacZ et lacY sont suffisants pour le catabolisme du lactose.

En plus de ces trois gènes, l'opéron lac est composé d'un certain nombre de régions de régulation auquel diverses protéines peuvent se lier pour contrôler la transcription. Les séquences régulatrices clés de l'opéron lac sont le promoteur, l'opérateur et le site de liaison de la protéine activatrice de catabolite (CAP). Les promoteur sert de site de liaison pour l'ARN polymérase, l'enzyme responsable de la transcription des gènes. Les opérateur sert de site régulateur négatif auquel le répresseur lac se lie. Les Site de liaison CAP sert de site régulateur positif auquel la PAC se lie.

Comment est réglementé le lac Opéron

La régulation de l'expression des gènes dans les gènes procaryotes se fait au moyen de opérons inductibles dans lequel différents types de protéines se lient, activant ou réprimant la transcription de l'opéron en fonction des besoins de la cellule. L'opéron Lac est un opéron inductible. Il permet l'utilisation du lactose, un disaccharide, dans la production d'énergie en le convertissant en glucose qui peut être facilement utilisé dans la respiration cellulaire, lorsque le glucose n'est pas disponible pour la cellule. L'opéron lac est régulé dans les états « désactiver » et « activer » en fonction de la présence de glucose dans la cellule. Le répresseur lac est responsable du mode « désactivation » de l'opéron lac tandis que CAP est responsable du mode « activation » de l'opéron lac.

Lac Répresseur

Le répresseur lac fait référence à un capteur de lactose, qui bloque la transcription de l'opéron lac en présence de glucose. L'utilisation du glucose dans la respiration cellulaire nécessite moins d'étapes dans la production d'énergie par rapport au lactose. Par conséquent, lorsque le glucose est disponible dans la cellule, il est facilement décomposé dans les voies cellulaires pour produire de l'énergie. De plus, lorsque le glucose est utilisé dans la respiration, l'utilisation du lactose à cette fin doit être évitée afin d'atteindre l'efficacité maximale de la respiration cellulaire. Dans cette situation, le blocage de la transcription de l'opéron lac est réalisé par la liaison du répresseur lac à la région opérateur de l'opéron lac. Généralement, la région d'opérateur chevauche la région de promoteur. Par conséquent, lorsque le répresseur lac se lie à la région opérateur, l'ARN polymérase est incapable de se lier à la région promotrice car la région promotrice complète n'est pas disponible. Lorsque le glucose est facilement disponible dans la cellule et que le lactose n'est pas disponible, le répresseur lac se lie étroitement à la région de l'opérateur, inhibant la transcription de l'opéron lac. La régulation de l'opéron lac est illustrée à la figure 3.

Figure 3: Régulation du lac Opéron

Protéine activatrice de catabolite (CAP)

La protéine CAP fait référence à un répresseur du glucose qui active la transcription de l'opéron lac. Lorsque la cellule manque de glucose et que le lactose est facilement disponible à l'intérieur du cytosol, le répresseur lac perd sa capacité à se lier à l'ADN. Par conséquent, il flotte hors de la région opérateur, rendant la région promoteur disponible pour la liaison à l'ARN polymérase. Lorsque le lactose est disponible, certaines molécules sont transformées en allolactose, un petit isomère du lactose. La liaison de l'allolactose au répresseur lac provoque son détachement de la région opératrice. Par conséquent, l'allolactose sert d'inducteur, déclenchant l'expression de l'opéron lac. De plus, l'opéron lac est également considéré comme un opéron inductible.

Cependant, l'ARN polymérase seule est incapable de se lier parfaitement à la région promotrice. Par conséquent, CAP aide à la liaison étroite de l'ARN polymérase au promoteur. Il se lie au site de liaison CAP en amont du promoteur. La liaison du CAP à l'ADN est régulée par une petite molécule connue sous le nom de AMP cyclique (AMPc). L'AMPc sert de signal de faim produit par E. coli en l'absence de glucose. La liaison de l'AMPc au CAP modifie la conformation du CAP, permettant la liaison du CAP au site de liaison CAP de l'opéron lac. Cependant, l'AMPc est présent dans la cellule lorsque les taux de glucose sont très bas à l'intérieur de la cellule. Par conséquent, l'activation de l'opéron lac ne peut être obtenue que lorsque le glucose n'est pas disponible pour la cellule. En conclusion, l'activation de l'opéron lac peut être réalisée lorsque le glucose n'est pas disponible et que le lactose est disponible à l'intérieur de la cellule. Lorsque le glucose ainsi que le lactose sont absents dans la cellule, le répresseur lac reste lié à l'opéron lac, empêchant la transcription de l'opéron.

Glucose	Lactose	Mécanisme	Régulation
Absent	Présent	CAP se lie au site de liaison CAP	Expression de l'opéron lac
Présent	Absent	le répresseur lac se lie à la région de l'opérateur	Suppression de l'opéron lac

Conclusion

L'opéron lac est un opéron inductible où les protéines requises par le métabolisme du lactose sont présentes dans des amas de gènes. Par conséquent, la transcription de l'opéron lac produit une molécule d'ARNm polycistronique capable de synthétiser de multiples produits géniques. L'opéron lac n'est exprimé qu'en l'absence de glucose et en présence de lactose à l'intérieur de la cellule pour la respiration cellulaire. Le répresseur lac se lie à la région opérateur de l'opéron lac lorsque le glucose est facilement disponible et que le lactose n'est pas disponible. Le CAP se lie à l'opérateur de l'opéron lac, facilitant la transcription lorsque le glucose n'est pas disponible et que le lactose est facilement disponible. Par conséquent, la cellule devient capable d'utiliser le lactose dans la respiration cellulaire pour produire de l'énergie.

Image de courtoisie:

1. «Contrôle de l'expression génique» par ArneLH - Travail personnel (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia 2. «Lac opéron1» (domaine public) via Commons Wikimedia 3. «Lac opéron» (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia

Référence:

1. « Réglementation des gènes procaryotes ». Lumen / Biologie sans limites, disponible ici. 2. "L'opéron lac." Khan Academy, disponible ici. 3. "Lac Operon: Régulation de l'expression des gènes chez les procaryotes." Biologie, Cours Byjus, 21 novembre 2017, disponible ici.