La régulation des gènes et un peu plus

1. La régulation des gènes et un peu plus Maude Pupin

2. Chez les bactéries Quelques rappels L’opéron lactose chez E.coli L’opéron tryptophane chez E.coli

3. 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

4. Synthèse des protéines • Transcription • Traduction • Dégradation ARNm • Activation protéine • Dégradation protéine 1 3 2 4 5

5. Opérateur Terminateur +1 CDS CDS CDS Promoteur RBS RBS RBS ADN Transcription ARNm Traduction protéines Structure d’un opéron simple • 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

6. Chez les bactéries Quelques rappels L’opéron lactose chez E.coli L’opéron tryptophane chez E.coli

7. Contexte biologique • 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

8. Structure de l’opéron lactose • 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)

9. Plac Plac lacI lacI lacZ lacZ lacY lacY lacA lacA Fonctionnement de l’opéron lactose, sans glucose Sans lactose : répression Avec lactose : dérépression (lactose = inducteur)

10. Plac lacI lacZ lacY lacA Fonctionnement de l’opéron lactose, avec glucose Consommation du glucose : activation par AMPc Avec glucose : répression catabolique

11. Récapitulatif • Induction par le métabolite initial • Régulation négative • LacI : répresseur • lactose : inducteur • Régulation positive • CAP : apo-activateur • AMPc : co-activateur

12. Chez les bactéries Quelques rappels L’opéron lactose chez E.coli L’opéron tryptophane chez E.coli

13. 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)

14. trpR trpE trpD trpC trpB trpA trpL E1 E2 E3 tryptophane Fonctionnement de l’opéron tryptophane Atténuation acide chorismique

15. terminateur trpL trpE 1 2 3 4 4 tggtgg 1 3 1 2 trp  progression ribosome  terminaison transcription Fonctionnement de l’atténuation pas trp  blocage ribosome  pas terminaison transcription

16. 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

17. Chez les eucaryotes Quelques rappels Voie transduction par l ’AMPc chez S. Cerevisiae

18. 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

19. 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.

20. 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

21. 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

22. 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

23. Chez les eucaryotes Quelques rappels Voie transduction par l’AMPc chez S. Cerevisiae

24. Schéma de la banque KEGG

25. sporulation Ras1,2 + GTP AMPc Voie de l’AMPc chez S. cerevisiae Cdc25 Ras1,2+GDP Ira1,2 Cyr1 ATP Ime1 Sra1 Pde1,2 Tpk2

26. 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

27. 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