Chez les procaryotes, comme Escherichia coli, l’expression génique est un processus hautement adaptable qui permet aux cellules de réagir rapidement aux changements de leur environnement.
Cette régulation s’effectue principalement au niveau de la transcription et repose sur des systèmes simples mais efficaces, comme les opérons.
1. Principes généraux de la régulation génique
1.1 Pourquoi réguler l’expression des gènes ?
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Économie d’énergie : produire une protéine seulement lorsqu’elle est nécessaire.
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Adaptation : répondre rapidement aux changements de nutriments, de température ou d’autres conditions environnementales.
1.2 Niveaux de régulation chez les procaryotes
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Régulation transcriptionnelle : contrôle du démarrage de la transcription.
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Régulation post-transcriptionnelle : stabilité de l’ARNm, efficacité de la traduction.
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Régulation post-traductionnelle : modification de l’activité de la protéine produite.
2. L’opéron : unité de régulation chez les procaryotes
2.1 Définition
Un opéron est un ensemble de gènes adjacents transcrits en un même ARNm et régulés par un même promoteur et des séquences régulatrices.
2.2 Organisation d’un opéron typique
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Promoteur : site où se fixe l’ARN polymérase.
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Opérateur : site où se fixe un répresseur ou un activateur.
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Gènes structuraux : codent pour les protéines fonctionnelles.
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Gène régulateur : situé à distance, code pour une protéine régulatrice (répresseur ou activateur).
3. Exemple 1 : L’opéron lactose (lac) – régulation inductible
3.1 Fonction
Permet la dégradation du lactose lorsque le glucose est absent et que le lactose est présent.
3.2 Mécanisme
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En absence de lactose :
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Le répresseur LacI se fixe sur l’opérateur, empêchant la transcription.
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En présence de lactose :
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Le lactose (ou allolactose) se lie au répresseur, qui se détache de l’opérateur.
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L’ARN polymérase peut transcrire les gènes lacZ, lacY et lacA.
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Régulation positive par CAP-AMPc lorsque le glucose est absent (augmentation de l’expression).
4. Exemple 2 : L’opéron tryptophane (trp) – régulation répressible
4.1 Fonction
Permet la synthèse de tryptophane lorsque cet acide aminé est absent.
4.2 Mécanisme
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En absence de tryptophane :
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Le répresseur trpR est inactif, la transcription des gènes de biosynthèse du tryptophane se poursuit.
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En présence de tryptophane :
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Le tryptophane agit comme corépresseur, activant trpR qui se fixe sur l’opérateur et bloque la transcription.
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5. Autres mécanismes de régulation chez les procaryotes
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Atténuation : mécanisme basé sur la formation de structures secondaires dans l’ARNm (ex. opéron trp).
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Régulation par ARN non codants : petits ARN régulateurs qui se lient à l’ARNm pour inhiber ou activer sa traduction.
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Systèmes de détection à deux composants : capteurs membranaires qui détectent un signal externe et modifient l’expression des gènes en réponse.
Conclusion
La régulation de l’expression génique chez les procaryotes repose sur des systèmes simples mais extrêmement efficaces, comme les opérons. Ces mécanismes permettent aux bactéries de s’adapter rapidement aux changements environnementaux, assurant leur survie et leur compétitivité. L’étude de ces systèmes a été cruciale pour comprendre la régulation génique dans tous les organismes et reste un pilier de la biologie moléculaire.
Références
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Jacob, F., Monod, J. (1961). Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. Journal of Molecular Biology.
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Alberts, B. et al. (2015). Molecular Biology of the Cell. Garland Science.
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Lodish, H. et al. (2021). Molecular Cell Biology. W. H. Freeman.