Un peu d'histoire.

Avec l’étude de l’opéron lactose, François Jacob, Jacques Monod et André Lwoff ont été les premiers scientifiques à décrire un système de régulation de la transcription des gènes. Ils proposent l’existence de deux classes de gènes qu’ils différencient par leur fonction : les gènes structuraux et les gènes régulateurs. C’est à partir de ces travaux qu’est né le concept de la régulation génique. (Prix Nobel de physiologie et médecine en 1965).

(La définition des termes écrits en rouge vous est proposée à la fin de ce texte sous forme d'index)

Qu'est-ce-qu'un opéron ?

Le contrôle concerté de l'expression des gènes est essentiel pour le maintien équilibré de la croissance cellulaire. Ce contrôle permet à la cellule d'ajuster ses synthèses aux conditions environnementales. Chez la bactérie Escherichia coli, les gènes impliqués dans un processus métabolique sont souvent groupés sur le chromosome et organisés en unité de transcription appelée opéron. Le contrôle coordonné de l'expression de ces gènes est possible grâce à des protéines régulatrices. Elles régulent le taux de transcription en se liant à l'ADN au niveau de séquences spécifiques. Dans ce cas, l'ARNm est polycistronique, c’est-à-dire qu’il contient l’information nécessaire à la synthèse des différentes protéines.

Le métabolisme du lactose.

La bactérie trouve sa source de carbone dans le catabolisme des sucres. Si le glucose est la source de carbone "préférée", le lactose (qui est un β-galactoside) peut également être consommé par la bactérie et métabolisé en galactose et glucose. Les enzymes nécessaires à l’utilisation du lactose ne seront synthétisées qu’en présence de ce substrat. L'animation suivante présente la lactose perméase qui permet l'entrée dans la cellule du lactose avec un flux de protons et la β-galactosidase qui hydrolyse le lactose en hexoses qui suivent d'autres voies métaboliques.

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l'organisation de l'opéron lactose.

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Dans l’opéron lactose, on trouve les trois gènes indispensables à la dégradation du lactose. Ils codent :

• La β-galactosidase (gène lacZ). Elle hydrolyse la liaison β1-4 osidique des β-galactosides.
  
• La lactose perméase (gène lacY). Cette protéine membranaire permet l’entrée du lactose dans la cellule.
  
• La thiogalactoside transacétylase (gène lacA). Son rôle n’est pas bien connu. Elle acétyle les β-galactosides non métabolisables qui peuvent alors être éliminés hors de la cellule par diffusion à travers la membrane plasmique.

Ces trois gènes de structure sont précédés par une région responsable de la régulation de leur expression. Cette région régulatrice comprend le promoteur et l’opérateur. On trouve également en amont de l’opéron lactose, le gène régulateur (lacI) qui code une protéine régulatrice. Celle-ci agit en inhibant l'expression des gènes de l'opéron lactose par transactivation en se liant spécifiquement sur l’ADN au niveau de l’opérateur. L'expression de ce répresseur est constitutive, c'est à dire qu'il est exprimé quelque soient les conditions de croissance de la bactérie. Par contre, son affinité pour l'opérateur sera modifiée en présence de lactose.

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Régulation négative de la transcription.

En absence de lactose, le répresseur est sous sa forme active. Il va se lier spécifiquement au niveau de l’opérateur de l’opéron lactose bloquant l’accès de l’ARN polymérase au site d’initiation de la transcription.
Ainsi, il y a régulation négative de la transcription des gènes de l’opéron lactose. Les enzymes nécessaires au métabolisme du lactose ne sont pas synthétisées car inutiles en absence de lactose.

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Levée de l'inhibition de la transcription.

En présence de lactose, c’est l’allolactose, un isomère du lactose, qui va jouer le rôle d’inducteur en se liant au répresseur pour l’inactiver. Cette liaison entraine un changement conformationnel du répresseur qui perd alors son affinité pour l’opérateur.
Le site opérateur étant libéré, l’ARN polymérase peut atteindre le site d’initiation de la transcription et synthétiser l’ARN polycistronique. La production des enzymes nécessaires au métabolisme du lactose est donc dépendante de la présence du substrat.

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Répression catabolique, régulation positive.

Lorsque les bactéries, par chance, disposent en même temps de glucose et de lactose, la situation se complique !

Le répresseur de l’opéron lactose est inactivé par l’allolactose, le site opérateur de l’opéron est donc libre et les gènes pourraient être transcrits. Or, tant que du glucose est présent, la bactérie va le métaboliser préférentiellement : elle n'a donc pas besoin des enzymes nécessaires au métabolisme du lactose. Ceci implique l'existence d'un autre mécanisme de régulation que l'on appelle la répression catabolique. Ce n'est que lorsque la concentration en glucose diminue que le métabolisme du lactose devient nécessaire. Un signal de carence alimentaire est alors déclenché sous forme d’une augmentation du taux d’AMPc. Cet AMPc forme un complexe avec la protéine CAP (pour Catabolite gene Activator Protein, ou CRP pour cAMP Receptor Protein). Ce complexe se lie à l’ADN en amont du site de fixation de l’ARN polymérase. L’interaction du complexe CAP-AMPc va agir comme un inducteur et augmenter l’affinité de l’ARN polymérase pour le promoteur de l’opéron. Cette régulation positive peut permettre d'augmenter d’un facteur 50 la transcription de l'opéron lactose. On comprend alors qu'en présence de glucose, il n'y a pas de complexes CAP-AMPc disponibles : le niveau de transcription de l'opéron lactose est donc très faible.

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Conclusion

L'induction de l'opéron lactose nécessite deux conditions, il faut que le lactose soit présent et que le glucose soit absent. La transcription de l’opéron lactose est donc sous le contrôle de deux protéines régulatrices :

• le répresseur lacI qui se fixe au niveau de l’opérateur en absence de lactose et bloque l’ARN polymérase. C'est une régulation négative,

• la protéine CAP (ou CRP) qui, sous forme d’un complexe avec l’AMPc, se lie à l’ADN et permet d'augmenter l'affinité de l'ARN polymérase pour le promoteur. C'est une régulation positive.
  

Index.

Allolactose : β-D-galactopyranosyl-(1-6)-β-D-glucopyranose

AMPc : Adénosine 5’monophosphate cyclique, c’est un second messager intracellulaire qui est formé par l’adénylate cyclase.

ARNm polycistronique : chez les procaryotes, les ARN peuvent contenir l’information nécessaire pour former plusieurs protéines différentes.

β-galactosidase : enzyme qui permet d’hydrolyser le lactose en galactose et en glucose (elle est codée par le gène lacZ).

CAP (ou CRP) : « Catabolite gene Activator Protein », ou CRP pour «cAMP Receptor Protein». Cette protéine contrôle l’initiation de la transcription des gènes du catabolisme qui va permettre d'utiliser d’autres molécules nutritives quand le glucose est absent.

CAP-AMPc : complexe formé après l’interaction de la protéine CAP (ou CRP) avec l’AMPc.

Inducteur : molécule signal qui en se liant à une protéine régulatrice induit une augmentation de l’expression d’un gène donné.

lac A : gène de l’opéron lactose qui code pour la thiogalactoside transacétylase.

lac I : gène en amont de l’opéron lactose qui code pour le répresseur.

lac Y : gène de l’opéron lactose qui code pour la lactose perméase.

lac Z : gène de l’opéron lactose qui code pour la β-galactosidase.

Lactose : β-D-galactopyranosyl-(1-4)-β-D-glucopyranose.

Lactose perméase : protéine membranaire qui permet l’entrée du lactose dans la bactérie (elle est codée par le gène lacY).

Opérateur : une région de l’ADN sur laquelle se fixe un répresseur pour contrôler l’expression d’un gène ou d’un groupe de gènes.

Opéron : unité d’expression génétique qui comprend un ou plusieurs gènes et des séquences régulatrices (promoteur et opérateur) qui régule leur transcription.

Promoteur : une région d’ADN en amont du site d'initiation de la transcription sur laquelle l’ARN polymérase peut se lier.

Protéines régulatrices : ces protéines interviennent dans le contrôle de l’expression des gènes en se fixant sur des régions particulières de l’ADN. Elles peuvent ainsi activer ou réprimer de façon spécifique la transcription des gènes. L’action de ces protéines est réversible. On parle également de facteurs de transcription.

Répresseur : protéine qui se lie sur une séquence régulatrice ou sur l’opérateur d’un gène, bloquant sa transcription.

Thiogalactoside transacétylase : cette protéine est codée par le gène lacA, son rôle physiologique n’est pas bien connu. Elle acétyle les galactosides non métabolisés par la β-galactosidase, cette acétylation permet ainsi la difusion de ces sucres à travers la membrane plasmique et leur élimation hors de la cellule.

Vous pouvez également trouver sur les sites suivants des compléments d'informations.

http://www.almaz.com/nobel

Site anglophone qui regroupe les archives des prix Nobel depuis l'origine du prix.

http://www.dnaftb.org/dnaftb/33/concept/index.html

Site américain qui présente avec des animations et des documents filmés les recherches de F. Jacob et J. Monod sur l'opéron lactose.

 

AUTEURS :

Pour l'opéron lactose :

Isabelle Borde, laboratoire de Biologie et Mutimédia, 12 Rue Cuvier 75252 Paris Cedex 05

Dominique Boucher, laboratoire de Biochimie cellulaire, C.N.R.S. UMR 7098, Bâtiment C, 9 Quai Saint Bernard 75252 Paris Cedex 05.

Pour la relecture : l'équipe B.Média

Pour Flash et les petits trucs : Gilles Furelaud

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