Contrôle de l'Expression Génique PDF

Régulation (contrôle) de l'expression des gènes Vocabulaire ----------- - [Un gène « **code **» une protéine] : contient l'information génétique pour la synthèse de celle-ci - [Un gène est **« exprimé** » ]:il y a la synthèse d'un gène pour une molécule effectrice (la protéine (molécu...

Régulation (contrôle) de l'expression des gènes Vocabulaire ----------- - [Un gène « **code **» une protéine] : contient l'information génétique pour la synthèse de celle-ci - [Un gène est **« exprimé** » ]:il y a la synthèse d'un gène pour une molécule effectrice (la protéine (molécule effectrice) codée par ce gène est présente dans la cellule) - [Un profil d'expression propre à un gène] : des gènes **communs** peuvent s'exprimer de manière **identique** dans **différents types cellulaires**, de même, un gène peut être **exprimer différemment** **selon le type** cellulaire. - [Un gène est « **activé »**] : le gène n'est pas transcrit dans un premier temps puis le devient en réponse à un signal hormonal. Contrôle/régulation de l'expression génique  ============================================ **[Définition ]:** **L'expression génique** - **Processus par lequel un gène exerce son effet sur une cellule ou sur un organisme** - **Processus par lequel une information génétique contenue dans un gène est lue et une molécule effectrice correspondante (ARN ou protéine) est produite** **Régulation de l'expression génique** - Mécanismes par lesquels on **change la quantité de molécules effectrices produites** (par exemple modification de production et/ou dégradation) ### **Conservation de l'homéostasie (ordre)** Un organisme vivant est une entité capable de préserver un équilibre intérieur dans un environnement changeant (**homéostasie**). Pour conserver cette **homéostasie** l'organisme doit pouvoir (vrai pour tout organisme) : - **Sentir** les changements de l'environnement (besoin d'un senseur) - **Réagir** et s'adapter à ces changements dans l'environnement - **Changer** l'expression des gènes en fonction des besoins ### **Les raisons pour contrôler l'expression génique** Pour les **organismes multicellulaires**, il y a 3 raisons pour **contrôler l'expression génique :** 1. Le développement d'un œuf en un organisme adulte nécessite de nombreux changements dans l'expression génique selon les différents **stades de développement** et dans les différents tissus. 2. Des **cellules différentes** ont des fonctions différentes même si elles partagent le même matériel génétique (**génome**) (ex : lymphocyte T et neurone). Elles font une **utilisation sélective** des gènes dont elles ont besoin. 3. Une même cellule peut remplir des fonctions différentes selon son **état de différenciation** (ex : lymphocytes B mature et immature) et donc changer son expression génique. Trois profils d'expression génique  ----------------------------------- - **Gènes de ménage (housekeeping) **: gènes remplissant des fonctions essentielles et devant être exprimés en permanence et dans toutes les cellules - **Gènes spécialisés **: exprimés uniquement dans certaines cellules spécifiques **(spécificité cellulaire)** et/ ou à un certain stade du développement - **Certains gènes doivent être exprimés différemment en réponse à des signaux intra- ou extracellulaires (signalhormone)** Les points de contrôle ====================== **Dans la majorité des cas, le point de contrôle principal est la synthèse de l'ARNm** par l'ARN polymérase II. **=\> transcription** Plus précisément, il s'agit de la liaison de l'ARN polymérase au **site d'initiation** sur l'ADN (promoteur). Chaque cellule contrôle le niveau d'expression de ses gènes, c'est-à-dire le nombre de copies, en fonction de son identité et de ses besoins du moment.  ### **Profil d\'expression génique ** [Déf] : **Les quantités relatives de tous les ARNs présents** à un moment donné dans un ensemble de cellules ou dans une cellule donnée Profil peut etre **influencé par les hormones** (stimulation) - Mesure quantité d'ARN dans une cellule On peut contrôler à plein d'étapes. Contrôle de la transcription (ADN ARN) ====================================== **Liaison de l'ARN polymérase II à l'ADN : point de contrôle primordial** **L'ARN polymérase II** fait face à deux difficultés : 1. [**Taille du génome énorme** ]: les gènes sont dispersés dans le génome parmi une quantité énorme de séquences non-géniques (ex : séquences répétées) - Il faut donc localiser le site d'initiation (promoteur et éléments régulateurs). 2. [**ADN plutôt inaccessible** ]: il est empaqueté sous forme de chromatine ayant une structure plus ou moins condensée (hétérochromatine ; fibre de 30 nm etc.). - Besoin d'un mécanisme qui rend le début du gène accessible (co-/activateurs). Promoteur (séquence INR et TATA) ================================ **Définition **: court segment d'ADN localisé au début du gène et qui contient des éléments de séquence qui permettent la liaison de l'ARN polymérase II **Fonction **: indique à **quel endroit (position) et dans quel sens (direction)** la transcription doit commencer. Il indique donc le brin matrice (pas la même chose dépendant de quel brin) **Ses éléments **: - **Séquence TATA** - **Séquence INR** (ou l'ARN polymérase s'accroche) TATA et INR ont des **séquences consensus** (il n'y en a pas qu'une donc on indique **la plus représentative** dans les différents gènes) : - La séquence TATA est constituée de A et de T et se situe à environ 30 nucléotides en **amont** **du site d'initiation** de la transcription. Fréquence la plus fréquente = Tataaa - La séquence INR est **riche en pyrimidines (C/T)** et située au **point de démarrage** de la transcription. Ces deux éléments fonctionnent sous forme d'un **ADN bicaténaire** car une protéine qui vient se lier se lie toujours sur les 2 brins (il en va de même pour les éléments régulateurs). **L'élément régulateur :** Position : n'importe où avant pendant après dans l'intron Rôle **: accessibilité et le niveau d'expression** =\> moduler la quantité de transcription **L'ARN polymérase II (ainsi que la I et III) est incapable de reconnaître le promoteur et de s'y lier seule.** ### **Le promoteur n'est pas suffisant pour permettre la transcription** Elle a besoin des **facteurs généraux de transcription (GTF)** (groupe de protéines différents pour chaque type d'ARN polymérase). **Les facteurs généraux de transcription (GTF « general transcription factor »)** ================================================================================= **Définition **: protéines venant s'assembler **sur le promoteur** pour **former le complexe d'initiation à la transcription** (même concept pour la réplication et la traduction). **Rôle :** s'assemblent **au niveau du promoteur** pour que l'ARN polymérase puisse s'y **attacher** et commencer la transcriptionchaque ARN polymérase a ses facteurs généraux de transcription - **Permet d'appeler l'ARN polymérase** Indispensables à la transcription de tous les gènes transcrits par l'ARN polymérase II Le TFIID (une protéine) (II car pour l'ARN poly II) --------------------------------------------------- Il joue un rôle clef dans la **reconnaissance du promoteur**. Il est composé de plusieurs sous-unités protéiques, l'une, la **TBP**, reconnaît la séquence TATA et une autre la séquence INR. Étant donné que TATA et INR sont asymétriques, la liaison de TFIID détermine la **position** et **le sens** de la transcription. Le complexe d'initiation de transcription ----------------------------------------- La liaison du TFIID sur le promoteur induit l'assemblage d'un **complexe d'initiation de transcription** d'environ 100 protéines, dont l'ARN polymérase II fait partie. Il sert de point de repère à l'assemblage de ces protéines. Lorsque TBP se lie à TATA, il y a une **déformation locale de l'ADN** provoquant une torsion car TBP **se lie dans le petit sillon** de l'ADN, ce qui a pour effet d'écarter ce dernier. **L'assemblage sur le complexe** - **Peut se faire directement sur le promoteur ou il est pré assemblé**  **Fonctions des facteurs généraux de transcription (GTF)** ---------------------------------------------------------- - Nécessaires pour la transcription de tous les gènes transcrits par l'ARN polymérase II - Permettent la **liaison de l'ARN polymérase II** grâce au positionnement correct de TFIID - **Séparent les deux brins d'ADN** (hélicase) pour que la Polymérase puisse commencer la transcription par formation d'une bulle - Promeuvent le **départ de l'ARN polymérase II** et l'aide à quitter le promoteur - Permettent le couplage entre transcription et maturation des ARNm grâce à la **phosphorylation de la CTD par TFIIH** (coiffage, PolyA, épissage) Les facteurs de transcription restent au début du gène **Le CTD de l'ARN polymérase 2 sur grande sous unité** Phosphorylé par un facteur général de transcription TF2H Explique la spécificité de la coiffe, Epissage et la polyadénylation Les éléments régulateurs  ========================= Ce sont de courts éléments d'ADN (6-20 pb), situés en **amont du promoteur (ou après le gène aussi)** (plus ou moins loin), dont la séquence est très variable et **diffère d'un gène à l'autre**. Ils sont **bicaténaires** et très souvent **palindromiques** (sugus). **Fonction : servent de sites de liaison pour des [facteurs] régulateurs** (protéines, activateurs)(Toute protéine capable de se lier spécifiquement à un élément régulateur donné d'un gène et de stimuler/diminuer la transcription démarrant au promoteur de ce gène) Les facteurs régulateurs (activateur ou inhibiteur/répresseur) ============================================================== Un facteur régulateur de transcription (protéine) **se lie spécifiquement à l'élément régulateur donné d'un gène** pour **stimuler/diminuer la transcription** démarrant au promoteur du gène en question. - **Chaque activateur est spécifique à un ou plusieurs éléments régulateurs.** Les séquences régulatrices et leurs activateurs sont très différents d'un gène à l'autre contrairement au promoteur et aux facteurs de transcription. En **cis** : séquence d'ADN qui a une action ailleurs sur la **même molecule d'ADN** - Élément régulateur sur le gène En **trans** : facteur produit **ailleurs** qui vient se fixer pour agir sur le gène (activateur sur gène) Les activateurs =============== **Composition **: 3 domaines - Domaine **d'activation** - Domaine de **dimérisation** - Domaine **de liaison à l'ADN** *NB : Un domaine est une partie de la protéine qui a une structure et une fonction propre, indépendante du reste de la protéine* 1. Le domaine de liaison à l'ADN** ** Il permet la fixation de l'activateur sur un élément régulateur donné en étant en contact avec les deux brins de l'ADN. Un activateur est **spécifique** à son élément régulateur C'est lui qui **dicte la spécificité de fonction d'un activateur en déterminant à quel élément régulateur il va se lier et ainsi quels gènes il va activer.** La **spécificité d'action** de l'activateur peut être modifiée simplement **en changeant son domaine de liaison** et donc sa capacité à reconnaître les séquences. **A l'inverse, le domaine d'activation n'a pas de spécificité pour un élément régulateur donné ou pour un gène donné.** Le domaine de dimérisation  --------------------------- C'est le site d'interaction qui conduit deux molécules d'un activateur donné à former une entité appelée dimère *(se dit d\'un composé formé par la liaison de deux molécules*), ce qui permet d'avoir une symétrie en miroir (nature palindromique). -\> **lire message en deux sens** Les activateurs se lient à l'ADN sous forme de dimère car le domaine de dimérisation **augmente la force et la spécificité de liaison** à l'ADN, en doublant les domaines de liaison et donc la surface de contact entre l'activateur et l'ADN. **Liaison faible sans et fort avec.** Le domaine d'activation  ------------------------ Il permet à l'activateur de stimuler (après liaison sur l'élément régulateur) la transcription du gène dont il **contrôle l'expression**. **Le domaine d'activation** **doit être couplé** au domaine de liaison pour que l'activateur puisse fonctionner. Le domaine de liaison seul peut se lier à élément régulateur mais ne peut pas activer la transcription. Le domaine d'activation seul ne peut pas se lier et donc pas non plus activer la transcription Contrôle de l'activité d'un activateur  --------------------------------------- Son activité peut être contrôlée par des signaux spécifiques. Les activateurs peuvent donc être inactifs même quand ils sont liés à leur élément régulateur. Voici 3 mécanismes : 1. **Import nucléaire** de certains activateursviennent **dans le noyau après un signal**  2. **Dimérisation** de certains activateurs qu'en présence d'un signal 3. **Activité** d'un activateur dépendante de la **liaison d'une hormone** ou **d'une enzyme** **La liaison des activateurs à l'ADN** -------------------------------------- L'ADN est une double hélice et les bases complémentaires se font face à l'intérieur. L'activateur, qui a la capacité de distinguer les séquences, doit **pénétrer dans les sillons de l'ADN** afin de reconnaître la séquence des paires de bases. De plus, **un élément régulateur a entre 6 et 20 paires de base** c'est-à-dire de ½ à 2 tours d'hélice et, étant donné qu'un tour d'hélice complet représente 10 paires de bases, il doit pouvoir suivre le tour d'hélice par l'intérieur pour reconnaître son site de fixation en entier ### Différence d'accessibilité du grand et petit sillon La liaison des activateurs se fait dans le **grand sillon** car il **est plus accessible et plus spacieux.** De ce fait, il n'y a pas de torsion engendrée sur l'ADN et les activateurs ont ainsi des contacts avec les deux brins. La deuxième raison qui fait que la liaison des activateurs s'effectue dans le grand sillon est **la discrimination plus facile entre paires de bases (plus facile de reconnaitre les bases qu'on cherche)** **Dans le grand sillon, les points de contact (x4) sont asymétriques (alors que dans le petit (x3) ils sont symétriques**meilleure reconnaissance des bases sur le grand sillon Les couleurs : orange blanc orange dans petit sillon (peut pas remarquer différence entre A et T.) **Les points de contact **: Accepteur de liaisons H, donneur de liaison H, méthyle, hydrogène. Les protéines forment des **liaisons** **hydrogènes** et **ioniques** ainsi que des **interactions** **hydrophobes** avec les bases. Les 4 bases ne se distinguent que dans le grand sillon. Les activateurs peuvent mieux distinguer entre les différents éléments régulateurs en se liant dans le grand sillon de l'ADN. #### **Exception ** Le facteur de transcription TBP fait sa liaison dans le petit sillon, elle doit aplatir l'hélice d'ADN pour voir les paires de bases de TATA ce qui engendre **des torsions et des tensions**. Certains activateurs se lient à l'ADN préférentiellement sous forme de monomère ------------------------------------------------------------------------------- Dimère aussi avec **d'autres protéines ou facteurs de tanscriptions** Ils ont 2 domaines différents qui interagissent avec l'ADN. Ils existent **sous forme de dimère.** L'activateur a plusieurs domaines différents, il peut **faire des monomères** au lieu de dimère et ça marche aussi. Mode d'action des activateurs ============================= Domaine d'activation / Coactivateurs ------------------------------------ L'activation de la transcription par l'activateur peut **être directe** via leur **domaine d'activation** ou **indirect** à l'aide d'un **co-activateur**. **Co-activateur** : facteur initiant la transcription en se liant au domaine d'activation de l'activateur Ils favorisent la machinerie de la transcription et rendent l'ADN du promoteur plus accessible. **Un co-activateur est recruté** vers les séquences régulatrices des gènes par le biais d'une interaction spécifique avec leur activateur qui est donc lié à cet élément régulateur. Assemblage du complexe d'initiation de transcription  ===================================================== Rendent l'ADN du promoteur plus accessible  ------------------------------------------- Les activateurs / coactivateurs **modifient** les nucléosomes et la **structure** de la **chromatine** en la déstructurant. Ceci facilite donc l'assemblage du complexe d'initiation de transcription **sur le** **promoteur**. Pour ce faire, soit : - Les coactivateurs recrutent des **histones acétylases** qui viennent sur le promoteur du gène et **acétylent les extrémités** des histones (rendre l'ADN plus accessible) : **épigénétique** - Certains activateurs recrutent des **complexes enzymatiques** qui utilisent l'énergie de l'ATP pour **remodeler la chromatine** en déplaçant les nucléosomes. =\> ADN accessible *NB : méthyl (pour condenser) / acétyl (pour décondenser)*  **L'épigénétique** ------------------ **Définition** : étude des mécanismes **modifiant de manière réversible, transmissible** (lors des divisions cellulaires) et **adaptative** l'expression des gènes **sans en changer la séquence d'ADN** Les modifications chimiques des histones : - **Modulent la transcription** après la division cellulaire - **Certaines modifications sont conservées toute la vie** - Peuvent changer en fonction d'**une influence extérieure** (mode de vie...) **Recrutement de la machinerie de transcription** ------------------------------------------------- Les facteurs de transcription (activateurs et possiblement coactivateurs) **recrutent des composants du complexe d'initiation de transcription** ce qui facilite son assemblage sur le promoteur. Ce mécanisme s'effectue notamment grâce au fait que le **domaine d'activation (en haut)** de certains activateurs et coactivateurs interagisse directement avec certains **composants** du **complexe** **d'initiation de transcription**. Cette **interaction de recrutement direct** implique **qu'il y ait un contact physique entre l'activateur**, attaché à son élément régulateur, et le complexe d'initiation de transcription situé sur le promoteur. Pour ce faire, l'ADN **forme une boucle**. La diversité de l'expression génique  ===================================== La plupart des gènes montrent un **profil d'expression unique.** Ils peuvent être exprimés : - À des moments différents dans le développement - À des niveaux différents (nombre d'ARNm) - Dans des cellules différentes - En réponse à des signaux spécifiques Régulation de la transcription ------------------------------ **Un activateur contrôle plusieurs gènes** si ceux-ci ont le même élément régulateur. [Avantage] : l'expression des gènes d'un même activateur peut être contrôlée de manière coordonnée en réponse à un même signal. [Inconvénient] : les gènes sous le contrôle du même activateur ne peuvent pas être exprimés séparément. **Solution : le principe du Mastermind :** une combinaison de plusieurs activateurs. **Enhancers (amplificateurs) ** ------------------------------- Il y a une **combinaison d'activateurs spécifique à chaque gène**. Les activateurs qui contrôlent l'expression d'un gène forment un **comité de protéines régulatrices**. [Déf] : Les enhancers ou amplificateurs sont des **segments d'ADN** regroupant plusieurs **éléments régulateurs** reconnus et dont la nature représente une **alliance d'activateurs**. Le enhancer contient plusieurs éléments régulateurs reconnus par une combinaison d'activateurs différents. **Ils fonctionnent en cis et le facteur peut avoir un effet en trans !** - Ce processus permet des combinaisons **infinies**. [Ex] : ceci permet la spécificité cellulaire  chaque protéine aura ses propres facteurs régulateurs et enhancer donc une diff production de protéines dépendant de la cellule Contrôle combinatoire ===================== Façon dont les **groupes d'activateurs** travaillent ensemble pour contrôler l'expression du gène (selon les enhancers) - Il permet un grand nombre de profil d'expression avec nombre limité d'activateurs. - Il permet l'intégration de plusieurs informations (Déf : spécificité d'une cellule, signal inducteur, stade de développement selon chaque cellule, etc.) - Permet la **diversité et spécificité cellulaire** et tissulaire - Le gène est exprimé dans la bonne cellule, au bon moment et à un taux **adéquat** Fonctionnement d'un contrôle combinatoire ----------------------------------------- - **Tous les éléments** **régulateurs** doivent être occupés pour stimuler efficacement la transcription. - Un seul activateur ou un jeu **incomplet ne doit pas être capable** de stimuler la transcription de manière optimale. - **Seul un jeu complet** d'activateurs doit pouvoir stimuler efficacement la transcription ### Notion de synergie d'activation** ** Phénomène par lequel l'effet des deux activateurs est bien plus grand que la somme des effets de chaque activateur pris séparément. Régulation post-transcriptionnelle (épissage alternatif) ======================================================== Points de contrôle ------------------ Chacune de ces étapes peut être contrôlée et donc se réaliser ou non selon la nature de la cellule, le stade du développement, etc. **Surtout la stabilité de l'ARNm et la maturation du transcrit (épissage)** Épissage alternatif  -------------------- **Principe :** une fois transcrit, l'ARNm primaire (transcrit primaire) peut être épissé de manière différente pour produire des ARNm mature distincts et ainsi donner des protéines différentes. Avoir tous les exons ou quelques uns =\> fabriquer des produits différents - Cela permet donc **d\'augmenter la diversité** à partir des mêmes informations  Chaque type de cellule a son profil d'épissage. [Ex] : les muscles lisses et les fibroblastes sont produits à partir du même gène. Par un phénomène d'épissage alternatif, on aura donc une transcription différente (des ARNm matures diff) Ou dans les neurones créent des corps cellulaires ou des axones. - Des cellules différentes ou des lieux différents Qu'est ce qui décide quel épissage a lieu ? - **Des protéines** qui se fixent sur le transcrit primaire Ces dernières peuvent rendre **accessible ou bloquer** les sites consensus d'introns spécifiques Ces protéines régulatrices peuvent être exprimés que **dans un type cellulaire donné ou en réponse à un signal donné** dans un type cellulaire donné. ### **Régulation de l'épissage alternatif ** Deux modes de régulation possibles : 1. **Répresseur **: peut se lier au signal d'épissage à l'extrémité 3' d'un intron. Cela **empêche l'excision de l'intron** et donc l'épissage se fait en utilisant l'extrémité 3' de l'intron suivant. L'exon entre ces deux introns ne sera donc pas inclus dans l'ARNm. **Avec : Se fixe et cache le site d'épissage du 2** **Sans : 2 va avec** 2. **Activateur** : le site d'épissage à l'extrémité 3' d'un intron peut n'être fonctionnel que lors de la présence d'une **protéine activatrice afin d'inclure l'exon qui le suit.** 3. **Sans activateur =\> pas. 2 et avec activateur : 2 vient** **Dégradation des ARNm** **La queue et la coiffe servent de protection donc doivent être enlevées.** **Il y a 3 types de protéine capable : CCR4, PARN et PAN2.** 1. **Les CCR4-Not enlèvent la queue par activité exonucléase. (déadenylation)** 2. **La queue est enlevée, la coiffe est fragilisée et peut etre enlevée par DCP1-2** 3. **Extrémité 3' dégradée par l'exosome et XRN1 dégrade l'ARN de 5' en 3'.** **Comment est-ce que CCR4-Not est recruté ?** - **Par des attaches sur les 3' non** **traduites dont l'expression est régulée selon les besoins de la cellule** **Attaches :** 1. **Une protéine qui se lie à l'ARN (RNA binding protein, RBP)** 2. **Le complexe des RISC-microARNs** 3. **Selon la sequence qui en train d'être lue par le ribosome =\> peut recruter CCR4-NOT** **Si le ARNt met trop de temps à arriver, le site A est toujours vide et que E est vide.** **Si la traduction est longue, le CCR4not vient.** **PABP (Poly(A) Binding Protein)** - **Favorise la traduction avec l'initiation en étant liée à la coiffe !** - **CCR4-Not arrive et va commencer à deadenyler =\> donc pendant** - **Deux extrémités prêtes à la dégradation** **Il s'associe aux facteurs de traduction et ainsi formant un complexe d'initiation de la traduction lié à la coiffe ce qui va favoriser la traduction.** **On peut commencer à casser avec XRN** **Dégrader meme si encore couvert de ribosomes donc pendant traduction.** **CCR4 peut aussi bloquer en intéragissant avec des facteurs qui vont détruire le complexe d'initiation.** **L'ARNm est lu et CCR4-Not peut détruire le complexe d'initiation de la traduction.** **[La régulation des gènes par les microARNs]** **[Dans le cytoplasme] :** - **Liaison au complexe CCR4-Not** **[Dans le noyau ]** - **Le complexe RISC-miARN dirige des complexes de remodelage de la chromatine sur certains gènes, affectant la transcription** **Lien dans la traduction et la transcription** **La régulation de la disponibilité des miARNs** **Certain lncARNs (long RNA) peuvent limiter l'action des miARNs en servant d'éponge (fixant eux-mêmes les miARNs) et rendant les miARNs** **du coup moins disponibles pour lier les ARN** **messagers régulateur régulé** **=\> inhibant role sur CCR4-NOT** **Le régulateur est régulé !** [Exemple : ARNm pour le récepteur à la transferrine ] La région 3' non traduite/non-codante de cet ARNm a une structure en épingle à cheveux qui peut être reconnue par une protéine régulatrice lors d**'une carence en fer**. Elle s'y accroche et rend l'ARNm plus stable en le protégeant contre la dégradation par une exonucléase de l'ARNm. Le taux de synthèse du récepteur est ainsi augmenté jusqu'au rétablissement de la concentration intracellulaire en fer. **Mais lorsque le fer est abondant,** celui-ci se lie à la protéine régulatrice ce qui induit un changement dans la conformation de cette dernière et elle ne peut plus le lier à l'ARNm. Il devient alors instable car il n'est plus protégé contre la dégradation de l'exonucléase. Le taux de synthèse du récepteur diminue ce qui réduit le taux de fer. Régulation génique et médecine ============================== - Régulation génique et maladies : de nombreuses maladies résultent de défauts dans la régulation de l'expression génique