Régulation génique 3BIOS01 2023

18.1 Les bactéries s’adaptent souvent aux fluctuations de leur milieu en régulant la transcription

ch18 - Campbell 9e éd. - pp407-412

Dans le cadre de l’étude de la régulation de l’expression génique, vous répondrez par groupes de deux à toutes les questions indépendamment des réponses qui seront déjà inscrites par les autres élèves de la classe.

Dans un deuxième temps, chaque groupe définira en choisissant parmi les réponses données la réponse définitive qui restera dans le document final.

Dans un troisième temps, une fois le document imprimé, vous organiserez une discussion en classe pour renforcer les connaissances et s'assurer que les points ont bien été compris.

Questions:

Définissez le concept d’adaptabilité chez les bactéries.

Le concept d'adaptabilité est dû à la régulation des enzymes.

Lorsque le milieu dans lequel les bactéries vivent est déséquilibré (besoins insuffisants), ces dernières s'adaptent grâce à la régulation de l'expression génétique, c'est-à-dire par la synthèse d'une enzyme. Elles travaillent de manière autonome en contrôlant les enzymes soit par la régulation de l’activité enzymatique, soit par une production de ces derniers. Par conséquent, le surplus d'enzymes est stocké et de nouveau réutilisé en cas de besoin. Il s'agit donc d'un "avantage sélectif" chez les bactéries.

Expliquez pourquoi la sélection naturelle a favorisé les Bactéries qui n’expriment que les gènes dont les produits sont nécessaires à la cellule ?

Le milieu extracellulaire d'une bactérie comme E. coli est extrêmement variable. Cette bactérie a besoin d'un acide aminé appelé tryptophane pour survivre, sauf que cet acide aminé n'est pas constamment présent dans le milieu.
Les bactéries qui n'expriment pas uniquement les gènes dont les produits sont nécessaires à la cellule risquent de mourir face au manque de leur acide aminé vital. Ces bactéries synthétisent d'autres gènes non essentiels qui ne comblent pas le manque de tryptophane nécessaire à la cellule.
La bactérie dépend moins de l'hôte si elle ne synthétise que les gènes dont les produits sont nécessaires à la cellule. C'est donc un avantage qui permet de mieux survivre aux changements du milieu. Cela explique pourquoi la sélection naturelle a favorisé les bactéries qui n’expriment que les gènes dont les produits sont nécessaires à la cellule.

Quelles sont les deux voies de régulation de l’expression génique ?

Il existe deux voies :
- La voie anabolique qui signifie qu'on passe de petites molécules à de grandes molécules en utilisant de l'énergie afin de les assembler. Cela permet de synthétiser des molécules plus complexes telles les protéines.
- La voie catabolique qui signifie qu'on passe d'une grande molécule à plusieurs petites molécules plus de l'énergie. Cela permet de faire de l'énergie sous forme d'ATP en décomposant les molécules complexes.

Quelles sont les différences fondamentales entre ces deux voies de régulation ?

La régulation par voie anabolique, illustrée par des mécanismes tels que la rétro-inhibition, agit par l'accumulation de co-répresseurs, influençant ainsi la production d'enzymes dans l'organisme. En revanche, la régulation par voie catabolique agit directement sur les molécules catalysant la synthèse, interrompant leur production.

La régulation enzymatique, opérée par l'activité des enzymes, est plus directe car elle réagit à des stimulateurs chimiques, pour accélérer ou ralentir le processus enzymatique. Elle modifie ainsi l'activité des enzymes déjà présents. En contraste, la régulation par la production d'enzymes implique une synthèse en réponse aux besoins de l'organisme, dépendant donc de facteurs extérieurs. La transcription, joue un rôle majeur en régulant la quantité d'enzymes produites.

Décrivez le modèle de l’opéron.

Dans le système qu'on a l'habitude de voir, l'ADN est transcrit en ARNm qui est ensuite traduit en protéine. Cependant, ce modèle là n'est pas le seul. En effet, la copie de l'ADN n'est pas machinale. Celle-ci peut être bloquée par une protéine, appelée "répresseur", qui peut réguler la copie. Cette protéine est synthétisée par un gène spécifique, nommé gène "régulateur". Le répresseur est une molécule dite allostérique car elle possède deux états opposés. En premier temps, il va se fixer à l'ADN et bloquer l'activité de certains gènes. Mais, en présence d'un composé donné, il peut alors changer et se détacher. L'ADN peut donc être transcrit en ARNm qui, lui, va donner les protéines nécessaires.

Définissez les termes suivants :

opérateur:

Un opérateur est un segment d'ADN qui peut se lier à une protéine régulatrice et permettre la régulation de la transcription de l'ADN. La liaison de la protéine régulatrice à l'opérateur est souvent modulée par un signal externe. Cette dernière peut moduler l'expression des gènes en aval. C'est pourquoi l'opérateur est une partie de l'opéron.

La liaison de cette protéine à l'opérateur peut réguler la production du produit du gène ainsi contrôlée de deux façons différentes:

- Soit elle permet d'actionner la production du gêne contrôlée. On parle alors d'activateur;

- Soit elle permet de ralentir ou d'arrêter la production du gêne contrôlée. On parle alors de répresseur.

Il existe aussi des opérateurs traductionnels qui sont présents sur une séquence d'ARN. Par conséquent, les opérateurs permettent la régulation de la transcription au niveau de l'ARNm.

répresseur:

Le répresseur est une protéine qui va inactiver l'opéron. Il va se lier à l'opérateur empêchant l'alliage entre de l'ARN polymérase au promoteur, de ce fait la transcription des gènes ne sera plus possible.
Le "répresseur" est une protéine qui peut, selon les besoins, bloquer ou non la copie de l'ADN. Ce gène est lui-même synthétisé a l'aide d'un autre gène, lui appelé régulateur.
Le rôle d'un répresseur est de se lier a l'opérateur pour bloquer la liaison de l'ARN polymérase au promoteur. En faisant ca, le répresseur va empêcher la transcription du gène (et donc il n'y aura pas d'ARNm).

inducteur:

L'inducteur est une molécule de petite taille très spécifique qui peut venir activer ou inactiver le répresseur.

activateur:

Un activateur est une protéine régulatrice allostérique. Elle interagit avec une petite molécule organique et se lie à l'ADN, stimulant ainsi la transcription d'un gène. Par exemple, lorsque l'AMPc se lie avec la protéine régulatrice CAP (catabolite activator protein), l'état de la protéine devient actif, il y a donc une activation allostérique, qui dans ce cas augmente l'affinité de l'ARN polymérase pour le promoteur. Cette fixation de la protéine CAP au promoteur augmente et stimule directement l'expression génique. On peut parler alors de mécanisme de régulation positive.

molécule allostérique:

Une molécule allostérique régule l'activité des protéines, en particulier des enzymes. Les molécules se lient à une région spécifique de la protéine. Cette liaison peut causer un changement dans la forme de la protéine ce qui peut causer deux effets :

- soit il y a une activation allostérique, la protéine devient plus rapide et peut effectuer sa fonction plus rapidement;
- ou alors il y a une inhibition allostérique, qui a l'effet inverse, ça la rend moins efficace ou incapable de catalyser la réaction chimique.

Une protéine allostérique peut comporter deux états différents ; elle peut être active ou inactive. C'est une protéine régulatrice, qui régule majoritairement des enzymes. La protéine allostérique, inactive, est peu ou pas du tout apte à catalyser la réaction chimique. On dit que c'est une inhibition allostérique. Cependant, elle peut être au contraire bien plus efficace, lorsqu'elle est active. -> Activation allostérique.

Cela est dû à cause d'une région spécifique de la protéine qui, étant liée par des molécules, modifie la forme de la protéine. Cette modification de forme a comme conséquence soit une inhibition allostérique, soit une activation allostérique.

Quelles sont les différences entre un opéron répressible et un opéron inductible ?

Un opéron répressible est un opéron qui est habituellement actif, il peut donc transcrire les gènes. Cependant, il peut être inhibé (répression), à tout moment, lorsqu'une petite molécule spécifique se lie par une liaison allostérique à une protéine régulatrice.
Un opéron inductible est habituellement inactif, mais il peut être stimulé (induction) grâce à l'interaction entre une petite molécule spécifique et une protéine régulatrice.

Quelles sont les différences entre une régulation génique négative et une régulation génique positive ?

La régulation génique positive a pour but d'activer la transcription de l'ADN. Les activateurs comme le AMPc font partie de cette régulation.
La régulation génique négative empêche l'étape de la transcription d'ADN. La régulation positive elle, active cette étape.

Comment la bactérie régule l’expression de l’opéron lac quand le glucose et le lactose sont rares ?

Lorsque le lactose est rare, le gène régulateur, lacI, code pour un répresseur actif qui empêche la transcription de l'opéron lac, en empêchant la transcription du lacY, du lacZ et du lacA. Le répresseur laisse uniquement la transcription de l'opéron lac lorsqu'un inducteur, l'allolactose, empêche le répresseur de jouer son rôle.
Lorsque le glucose est rare, une petite molécule organique, l'AMP cyclique (AMPC) va voir sa concentration augmenter. Celle-ci va se lier à un activateur, la protéine CAP, et ces deux vont se lier sur un site qui se trouve sur le promoteur lac. Cette fixation va donc assurer la cohésion entre l'ARN polymérase et le promoteur, ce qui va augmenter la vitesse de transcription et l'expression génique. La bactérie adapte donc son métabolisme lors de l'absence du glucose.

Comment la bactérie adapte-t-elle son métabolisme lorsque le milieu contient du lactose et peu de glucose ?

Lorsqu'il y a peu de glucose, un allolactose vient se fixer au répresseur afin de le désactiver. Ceci va permettre à l'opéron de s'activer et de donc transcrire les trois enzymes inductibles. Une grande quantité d'AMPc s'attache à la protéine CAP, ce qui l'active. Cette dernière se lie à l'ARN polymérase afin de venir produire beaucoup d'ARNm, stimulant l'expression génique, qui vont elles mêmes synthétiser les enzymes lac.

Comment la bactérie adapte-t-elle son métabolisme lorsque le milieu contient du lactose et du glucose ?

Pour des raisons d'efficacités, la bactérie consomme en priorité le glucose même si le lactose est présent. Elle va produire moins d'AMPc et la protéine CAP ne s'activera pas. De ce fait, l'ARN polymérase, n'étant pas liée à la protéine CAP, sera moins susceptible de s'attacher au promoteur. Donc il y a moins d'ARNm produits, ce qui synthétisera moins d'enzymes.

Émettez une hypothèse concernant la raison, pour la bactérie, de privilégier le glucose au lactose ?

Pour de simples questions d'économie d'énergie, la bactérie E.coli va privilégier le glucose au lactose. Cette bactérie a la capacité de produire du glucose à partir du lactose (par l'hydrolyse du lactose en deux composants : le glucose et le galactose grâce à l'enzyme β-galactosidase ). Mais s'il y a une présence suffisante de glucose dans le milieu extracellulaire, il n'y a plus de besoin de catalyser du glucose (réaction demandant une dépense d'énergie). C'est pourquoi la bactérie privilégie le glucose au lactose.

Quel est l’intérêt pour la bactérie de réguler plus de 100 gènes avec la protéine CAP ?

La bactérie produit facilement du glucose grâce à des enzymes qui la catalysent et de ce fait dans un milieu riche en glucose, la protéine CAP se retrouve inactive. Toutefois, la cellule peut également survivre sans glucose en synthétisant d'autres composés (exemple : lactose) grâce à cette protéine. La bactérie optimise donc son gain d'énergie avec l'appui de la protéine CAP. Cette dernière favorise la production de divers composés utiles à sa survie et elle peut favoriser et/ ou empêcher la production de certains composés selon le milieu dans lequel elle se trouve.

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