Régulation génique 3BIOS02 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 chez les bactéries se base sur la régulation métabolique qui leur permet de s'adapter à leur milieu. Cette régulation repose sur la sensibilité d'un grand nombre d'enzymes qui répondent à de nombreux stimulus chimiques qui accroissent ou réduisent l'activité métabolique en fonction du milieu.
Les bactéries qui vivent dans un milieu très variable doivent s'adapter aux différents changements dus aux fluctuations (variations successives) du milieu de vie. Lorsqu'un composé est soudainement absent ou en faible quantité dans le milieu, les bactéries vont devoir s'adapter afin de synthétiser ce composé à partir d'un autre. L'adaptabilité chez les bactéries est leur capacité à réguler leur expression génétique selon leur milieu, afin d'utiliser leur énergie efficacement.

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

- les cellules peuvent agir sur l'activité des enzymes déjà présentes . C'est un mode de régulation immédiat qui rend un grand nombre d'enzymes sensibles à un stimulus chimique qui renforcent ou réduisent l'activité catalytique grace à la rétroihibition - La deuxième voie est plus lente, a long terme, car elle régule l'expression de l'ARN messager d'une enzyme catalytique à la synthèse, selon la présence d'un composé. Lorsqu'un composé est présent en quantité suffisante, la cellule va réguler l'expression des gènes qui codent pour les enzymes de celui-ci. C'est-à-dire qu'elle va arrêter ou diminuer la production des enzymes de ce composé.

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

La cellule arrive à se réguler automatiquement grâce aux enzymes sensibles aux stimulus chimiques dans la solution environnante.La rétro-inhibition est lorsque la cellule mets fin à sa propre synthèse en inhibant l'activité de l'enzyme. La cellule peut s'adapter aux fluctuations (présence ou non de l'acide aminé dans le milieu) de l'approvisionnement d'une substance dont elle a besoin. Les fluctuation de l'état métabolique de la cellule active et inactivent de nombreux gènes. Le modèle de l'opéron est un mécanisme fondamentale de ce mode de régulation de l'expression génétique. Les fluctuations de l'état métabolique de la cellule activent et inactivent de nombreux gènes. Les cellules peuvent adapter le niveau de production de certaines enzymes, réguler l'expression des gènes qui codent pour ces enzymes. La régulation de la production des enzymes s'exerce au niveau de la transcription, lors de la synthèse de l'ARNm qui codent pour ces enzymes.
La première des deux voies, la rétro-inhibition, demande moins d'énergie que la seconde car la cellule se régule toute seule selon la quantité d'acide aminé. La seconde voie, mode de l'opéron, nécessite une activation ou inactivation de certains gènes. De plus, la première voie de régulation est immédiate alors que la deuxième demande plus de temps (c'est une réaction à plus long terme).

Décrivez le modèle de l’opéron.

Le modèle de l'opéron est un ensemble de gènes qui sont regroupés sur un chromosome et qui sont commandés par un promoteur commun. Ils forment une unité de transcription. Les différents gènes qui appartiennent à la même unité de transcription sont traduits à partir d'un unique ARN messager qui code pour ces différents gènes. Ceux-ci sont nécessaires, par exemple, à la production des enzymes de la voie du tryptophane

Définissez les termes suivants :

opérateur:

L'opérateur est un segment d'ADN situé à l'intérieur du promoteur ou entre celui-ci et les gènes codants. Le promoteur pouvoir contrôler l'accès des ARN polymérase aux gènes. L'opérateur fonctionne comme un interrupteur qui commande tous les gènes qui ont des fonctions connexes (proches) et qui appartiennent à la même unité de transcription.
L'activaton de l'opérateur peut être bloquée par une molécule appelée répresseur.

répresseur:

Protéine qui inactive les opérons en empêchant les ARN polymérases de se lier au promoteur. Le répresseur permet ainsi d'arrêter la transcription des gènes.
Chaque répresseur est spécifique à un certain opéron. Un répresseur spécifique n'a donc pas d'effet sur les autres opérons du génome.

régulateur:

Le régulateur est un gène exprimé continuellement mais lentement afin qu'il y ait toujours des molécules de répresseur. Il a son propre promoteur et ne fait pas partie de l'opéron.

inducteur:

Les inducteurs servent à déclencher l'expression d'un gène spécifique. Le gène est exprimé parce qu’un inducteur se lie au répresseur. Cette liaison empêche le répresseur de se lier à l'opérateur. L'inducteur est une petite molécule spécifique qui inactive le répresseur. C'est-à-dire que le répresseur de lac qui est de nature active se lie à l'opérateur et inactive l'opéron. Ceci empêche donc l'ARN polymérase de poursuivre sa synthèse.

activateur:

Un activateur est une protéine de régulation positive, appelée protéine activatrice du catabolisme (CAP), qui se lie à une partie de l'ADN, l'indicateur, et l'active afin de stimuler la transcription d'un gène. En se fixant au promoteur d'un opéron, la présence de l'ADN polymérase sur ce dernier est favorisée, augmentant ainsi l'utilisation d'un gène. Lorsque l'indicateur est absent, le gène est lu à la fréquence habituelle.

molécule allostérique:

Une molécule allostérique est une molécule qui a pour but de modifier la forme de la protéine et donc sa fonction. Cette modification de la fonction est due à l'augmentation ou à la diminution de l'activité enzymatique. L'allostérie est la capacité que possède une enzyme pour se transformer quand sa structure spatiale est soumise à une modification par une molécule organique située dans une zone différente de celle de l'enzyme.

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

Un opéron est un groupe de gènes contigus qui se trouve chez les procaryotes sur un chromosome et qui régule lui même l'expression de ses gènes pour la transcription. Il en existe deux types : Le répressible et l'inductible.

L'opéron répressible est actif, c'est à dire qu'il est apte à faire la transcription. Il peut aussi être inhibé par un répresseur lorsqu'il est activé par une liaison allostérique d'une petite molécule, empêchant la transcription de se faire.

A l'inverse l'opéron inductible est inhibé par un répresseur empêchant la plus grande partie du temps la transcription. Elle se produit lorsque ce répresseur est inactivé par sa combinaison avec une petite molécule spécifique, un inducteur.

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

La régulation génique est un processus permettant le contrôle des gènes de l'ADN des cellules. Selon les besoins certains gènes sont activés et d'autres ne le sont pas, permettant ou non la transcription.
Lors de la régulation génique positive, un activateur (protéine régulatrice) se lie à l'ADN et permet la transcription de se faire. Lorsque la liaison d'ARN polymérase avec le promoteur est favorisée, l'expression génique positive est stimulée.
Lors de la régulation génique négative, un répresseur actif se lie à l'ADN et désactive l'opéron du gène, empêchant la transcription.

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

En absence de lactose, le gène régulateur lacI va produire une protéine qui est le répresseur, qui sera actif et qui va désactiver l'opéron en se liant à l'opérateur.
Comme l'opérateur est désactivé, la transcription de lacZ et lacY n'aura pas lieu.
Le métabolisme du lactose commence par l'hydrolyse en deux composantes: le glucose et le galactose. Une enzyme, le b-galactosidase, vient catalyser la réaction.
Quand il y a peu de lactose, il n'y a que quelques molécules de cette enzyme.
Par contre, si on ajoute du lactose, il suffit de 15 minutes pour que le nombre d'enzymes, catalyseurs, soit multiplié par mille. Ceci constitue la régulation dans les grandes lignes.
Il y a trois gènes dans l'opéron lac à prendre en compte:

• lacZ qui code pour la B-galactosidase
  
• lacY qui code pour la perméase, une protéine, qui va assurer le transport du lactose à l'intérieur de la cellule
  
• lacA qui code pour le transacétylase(fonction inconnue).

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

E. coli ne consomme plus en priorité le glucose et va consommer désormais du lactose qui lui sert de source énergétique. Pour permettre ce processus, les bactéries synthétisent des enzymes de voie métabolique de dégradation du lactose (la β-galactosidase), le sucre du lait, en grande quantité. Ces dernières coupent le lactose en glucose et en galactose qui sont deux sucres directement assimilables par les bactéries. Ce processus est enclenché de cette manière: Quand le milieu contient peu ou ne contient plus de glucose, de l'AMPc (AMP cyclique), une petite molécule organique, augmente en concentration et interagit avec une protéine activatrice du catabolisme (CAP), ce qui permet à cette dernière de retrouver sa conformation active et donc lui permet de s'attacher à un site spécifique en amont du promoteur nommé "lac". Cette attache permet de favoriser la liaison de l'ARN polymérase au promoteur et favorise donc la transcription. Le processus ira donc plus vite.

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

Lorsque il y a du glucose et du lactose dans le milieu, la bactérie va privilégier la consommation du glucose pour des raisons d'efficacité, par exemple, avoir une meilleure croissance métabolique en fonction de son environnement, dont les enzymes de dégradation du glucose vont être toujours présentes; et ensuite la consommation du lactose. Lorsque la concentration de glucose est plus grande que celle de lactose, l'AMPc se fait rare, donc la protéine régulatrice CAP, un activateur qui se lie à l'ADN et stimule la transcription d'un gène, devient inactive ce qui fait que l'ARN polymérase se lie moins efficacement au promoteur, en ralentissant la transcription de l'opéron.

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

La bactérie contient toujours en elle les enzymes de dégradation du glucose, ce qui n'est pas le cas pour les enzymes de dégradation du lactose (la β-galactosidase) que la bactérie doit synthétiser pour permettre ce processus.

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

L'intérêt pour la bactérie de réguler plus de 100 gènes avec la protéine CAP est s'adapter plus rapidement aux changements environnementaux. La capacité à cataboliser d'autres composés, tels que la lactose permet à la cellule d’optimiser sa croissance en l'absence de glucose. Cette régulation par la protéine de CAP favorise l’efficacité métabolique chez les bactéries en fonction des conditions.

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