Livret n°5 - Régulation de l'expression des gènes 2024-2025 PDF

UE5 BIOLOGIE MOLÉCULAIRE LIVRET N°5 REGULATION DE L’EXPRESSION DES GENES Année 2024-2025 🎥🎥 Focus Fiche 1 I. DEFINITION A. Généralités - La régulation des gènes permet l’activation ou la répression de leur expression...

UE5 BIOLOGIE MOLÉCULAIRE LIVRET N°5 REGULATION DE L’EXPRESSION DES GENES Année 2024-2025 🎥🎥 Focus Fiche 1 I. DEFINITION A. Généralités - La régulation des gènes permet l’activation ou la répression de leur expression. - Cette régulation a lieu à différents niveaux, c‘est à dire à chaque étape qui permet de passer de la molécule d‘ADN à la protéine (réplication, transcription, traduction...) - ADN identique dans toutes les cellules nucléées. - Expression des gènes est régulée en fonction du type cellulaire et de l’étape de développement : Au cours de l’embryogenèse, cette régulation permet la spécialisation de cellules contenant la même information génétique pour former les différents organes et tissus à partir d’une seule cellule souche. Au cours de la vie cellulaire, cette régulation permet l’adaptation à l’environnement et la survie cellulaire. - Une absence de régulation entraine une expression anarchique de gènes et conduit à des pathologies comme les cancers - Des modifications de l’ADN sont retrouvées lors de sa création et de son transport. - Lors de sa production, une protéine subit des modifications post-traductionnelles très variées en fonction du type cellulaire. - Toutes les protéines sont synthétisées dans le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi mais elles sont destinées à des rôles différents : Importance de l’adressage et des points de régulation. - Certains gènes dits de “ménages” ou “hoousekeeping” vont être exprimer de façon constante sans régulation. - Leur structure est généralement simple : Exemple : l’actine, protéine du cytosquelette qui est produite par toutes les cellules. - Les autres gènes sont soumis à une régulation et leur structure est généralement plus complexe : Régulation positive : présence d’activateur. Régulation négative : présence d’un répresseur. 2  B. Régulation en Cis ou en Trans 1. En Cis - Sur le même brin d’ADN que le gène en question. - Séquences de 6 à 15 nucléotides, adjacent au gène au niveau du promoteur ou dans les introns. 2. En Trans - Une protéine qui est codée sur une autre séquence d’ADN qui n’est pas celui du siège de la régulation : Exemple : gène très éloigné du gène en question qui entraîne un repliement ou gène sur un autre chromosome. - Gènes codants pour des protéines qui reconnaissent et se lient aux séquences en cis et activent ou inhibent l’expression grâce à un domaine de fixation sur l’ADN. - Ces trans-régulations ont aussi un domaine d’action et souvent un domaine d’interaction avec d’autres ligands. II. REGULATION DE L’EXPRESSION DES GENES CHEZ LES PROCARYOTES La régulation se fait majoritairement au niveau transcriptionnel. A. Au niveau transcriptionnel - Opéron : unité qui contient : Un ensemble de gènes sous le contrôle d’un promoteur unique, un seul ARNm traduit en plusieurs protéines (ARN polycistronique). Un ou plusieurs gènes régulateurs. Au niveau du promoteur un élément appelé opérateur joue un rôle central dans la régulation de la transcription chez les procaryotes. 3  1. Opéron lactose Opéron lactose - 3 gènes : lacZ : ß galactosidase = clive le lactose (galactose + glucose). o Permet à la bactérie d’utiliser ces monomères pour sa survie. Gènes de lac Y : perméase, protéine membranaire structure o Transport du lactose dans la cellule. lacA : transacétylase. o Permet l’utilisation du lactose - La bactérie synthétise ces protéines uniquement s’il y a du lactose. - 1 gène : Gène répresseur lacL : le répresseur se lie au niveau de l’opérateur pour réprimer l’expression des gènes de structure. Promoteur - Fixation de l’ARN polymérase. - Ensemble de gènes qui opèrent sous le signal d’un Opérateur même promoteur. a) 1er niveau de contrôle par le lactose - Le lactose est un inducteur : S’il est présent, la bactérie va produire des protéines pour l’utiliser. - La régulation allostérique va empêcher la répression de l’expression de ces protéines. Absence de - Répresseur actif : lactose Inhibition de l’expression lacZ. Présence de - Répresseur inactif : lactose Activation de l’expression lacZ. 4  b) 2nd niveau de contrôle de l’opéron lactose par la présence de glucose - La protéine CAP (Catabolite Activator Protein) associée à l’AMPc se fixe sur le promoteur pour activer l’expression des gènes de structure. - Le glucose module la réaction suivante par inhibition de l’enzyme. Absence de - Augmentation de l’AMPc : glucose Activation de l’expression lacZ. Présence de - Diminution de l’AMPc : glucose Inhibition de l’expression lacZ. 5  2. Opéron tryptophane Opéron tryptophane - 5 gènes de structure : Tryptophane synthétase trpE trpD Gènes de trpC structure trpB trpA - Ils vont contribuer à la synthèse du tryptophane. - Le répresseur trpR : Le répresseur se lie au niveau de l’opérateur pour inhiber Gène répresseur l’expression des gènes de structure. Rétrocontrôle de trpR. Promoteur - Fixation de l’ARN polymérase. Opérateur - Ensemble de gènes qui opèrent sous le signal d’un même promoteur. Séquence leader - Permet une régulation fine trpL a) 1er niveau de régulation par le répresseur Présence de - Répresseur actif. tryptophane - Inhibition de l’expression de TRP synthétase. Absence de - Répresseur inactif. tryptophane - Activation de l’expression de la TRP synthétase. b) 2nd niveau de régulation par l’atténuation - La séquence leader (riche en codon tryptophane) contient 4 régions palindromiques qui sont complémentaires et qui peuvent potentiellement former des épingles à cheveux / hairpin / loop 2 à 2 soit : 1/2. 2/3 : La boucle permet la continuation de la transcription. 3/4 : Création d’une terminaison, impossibilité de continuer. - Lors de la transcription ces séquences sont transcrites en ARN et l’ARN polymérase est suivi de près par le ribosome qui traduit le brin ARN au cours de la synthèse : Actions quasiment simultanées. 6 - La formation des boucles dépend de la vitesse du ribosome sur le brin ARN en cours de synthèse : La vitesse de l’ARN polymérase pour faire la transcription de l’ARN va rester continue. En revanche, la vitesse du ribosome qui va suivre va être dépendante de la concentration de tryptophane dans le milieu. - Sur la première partie de la séquence leader il y a deux codons trp. - Les deux codons trp seront rapidement lus : Le ribosome continuera à suivre de près l’ARN polymérase et le Excès de segment 3 va former une boucle avec le segment 4. tryptophane Cette boucle 3/4 va entraîner la terminaison de la traduction. L’ARN et le peptide ainsi formé vont être rapidement détruits. - Le ribosome va être retardé pour recruter les ARNt trp alors que l’ARN polymérase continue la transcription : Concentration Le segment 2 vient alors former une boucle avec le segment 3. basse en Le segment 3 n’est alors plus disponible pour former la boucle 3/4 tryptophane de terminaison : o La traduction de l’ARN va se poursuivre o Synthèse de la trp synthétase. c) Autres atténuateurs - Ce système est retrouvé dans plusieurs opérons notamment ceux de la synthèse des acides aminés Phe, His, Leu, Thr, Ile et Val. - L’opérons His est régulé par atténuation uniquement, le peptide leader contient 7 histidines consécutives. 7  B. Au niveau traductionnel - Peu utilisée chez les procaryotes - Exemple : régulation de la synthèse de protéines ribosomales dont les gènes sont organisés en opérons : Inhibition de la traduction en cas d’excès de protéines ribosomales. III. REGULATION DE L’EXPRESSION DES GENES DE LA CELLULE EUCARYOTE A. Régulation de la structure de la chromatine 1. État de la chromatine - Dans les cellules eucaryotes l’ADN est localisé dans un compartiment spécialisé le noyau sous forme de chromatine. - Le nucléosome : Unité de base de la chromatine. Composé d’ADN et d’histones : o Enroulement de l’ADN autour d’un octamère d’histones. Premier niveau de compaction de l’ADN dans le noyau. Répétition de nucléosome : nucléofilaments o Niveaux d’organisation le plus compact est le chromosome = niveau de condensation le plus élevé. - Forme relâchée, transcriptionnellement active accessible aux Euchromatine polymérases. - État très condensé, transcriptionnellement inactive. Hétérochromatine constitutive : portion ADN qui vont rester dans cet état très compacté. Contient peu de gènes, des séquences répétées à proximité des centromères et des Hétérochromatine télomères. On pense que ces séquences sont utiles à la régulation de l’expression des gènes. Hétérochromatine facultative : portion ADN qui peut devenir accessible. Contient des régions codantes qui ne seront pas transcrites tant que la chromatine est dans cet état structural. 2. Modifications des histones - Petites protéines basiques très conservées au cours de l’évolution les extrémités N- terminales riches en résidus basiques : lysine et arginine. Cibles de nombreuses modifications post-traductionnelles : o Signaux qui modifient l’accessibilité de l’ADN. - Les modifications des histones par des protéines déterminent la structure de la chromatine : Acétylation : histones acétyl-transférase (HAT), désacétylation (HDAC) : très courant. 8  Ubiquitination, méthylation, phosphorylation… 3. Facteurs de remodelage de la chromatine - Ces facteurs entraînent des changements conformationnels au niveau du nucléosome pour permettent où empêcher l’accès à la chromatine. - Nécessitent de l’énergie sous forme d’ATP. 4. Structure de l’ADN 3 formes d’ADN ADN-A - Double hélice à droite. - Double hélice à droite. ADN-B - ADN majoritaire. - Double hélice à gauche. ADN-Z - Forme transitoire de l’ADN-B. - La transformation de l’ADN-B en ADN-Z se fait lors de la transcription des gènes : L’ADN polymérase induit un super-enroulement négatif en amont et un super- enroulement positif en aval du site de transcription : (image de l’ouverture d’un ressort) Formation d’ADN-Z pour absorber les contraintes structurales. - En fin de transcription, la topoisomérase permet le passage de l’ADN-Z en ADN-B. 5. Méthylation de l’ADN - 5 à 10% des cytosines sont méthylées. - DNA-méthyltransférase : les DNMT. - La méthylation diminue la transcription. - La méthylation participe à l’inactivation du chromosome X chez les femmes. En effet chez les femmes il y a 2 chromosomes X ce qui entraine un surdosage par rapport aux hommes, pour ”pallier ce problème“ l’organisme va de manière aléatoire entrainer une inactivation du chromosome X paternel ou maternel. Domaine de régulation XIC méthylé : gène Xist (gène inhibiteur) non transcrit : o Chromosome X actif. 9  Domaine de régulation XIC non méthylé : gène Xist (gène inhibiteur) transcrit : o Chromosome X inactif. - Certains gènes ne sont jamais inactivés sur les 2 chromosomes : exemple gène de l’hémophile donc jamais de femme hémophilique. - La plupart des gènes sont exprimés par un seul des 2 chromosomes. Chez une femme en règle générale la moitié des cellules ont une inactivation du chromosome paternel et l’autre moitié maternelle (50%-50%) - Ex 1 : le cycle de l’Urée a lieu dans le foie et est permis par un gène porté sur le chromosome X. Chez une fille pressentant une mutation de ce gène sur un chromosome : Soit il y a une inactivation du chromosome portant la mutation = pas de pathologie (cycle fonctionne parfaitement). Soit il y a une inactivation du chromosome ne portant pas la mutation, il ne reste que le gène muté = pathologie (déficience du cycle de l’urée) - Ex 2 : Si une maladie multisytémique c’est à dire atteignant plusieurs organes : Il est rare que le chromosome portant le variant soit exprimés dans tous les organes donc les femmes auront un problème au cœur, ou au poumon... - Méthylation et pathologies : Cancers. Lupus. Dystrophie musculaire. Anomalies du développement. Ces différents mécanismes font parti de : l'Epigénétique = ensemble des phénomènes qui entrainent des modifications de l’expression des gènes mais qui ne change pas la séquence génétique. B. Au niveau transcriptionnel et post-transcriptionnel 1. Régulation transcriptionnelle - Régulation majeure de l’expression des gènes chez les eucaryotes. - La transcription est un processus complexe nécessitant : Une coordination des modifications des histones et de la chromatine. L’ouverture de l’ADN double brin : o Accessibilité des séquences spécifiques : liaison de protéines spécifiques. Facteurs de transcriptions (FT) activateurs/répresseurs : o Un domaine de liaison qui se fixe sur un motif spécifique de quelques paires de base. o Un domaine effecteur. o Des domaines de liaison à d’autres protéines. 10 - Gènes eucaryotes constitués : Régions codantes : les exons. Régions non codantes : les introns. Promoteur qui précède la région codante et qui est constitué de séquences spécifiques permettant l’initiation de la transcription : o CCAAT-boxes o TATA-boxes : 20 à 30 bases en amont du site d’invitation de la transcription. 2. Régulation post-transcriptionnelle - Épissage alternatif : modifications post-transcriptionnelles avant la traduction, un gène peut coder plusieurs protéines. - Importante source de diversité des protéines fonctionnelles (structures et fonctions différentes). Epissage - Exclusion des introns. Epissage - Inclusion ou exclusion différentielle de régions de pré- alternatif ARNm. - Chez l’homme, 40 à 60% des gènes subissent un épissage alternatif. RNA Editing : Modification de la séquence nucléotidique de l’ARN. Le gène Apo-B code une protéine qui permet la circulation des lipides dans l’organisme (les lipides sont hydrophobes et donc entouré d’une apoprotéine pour circuler) Si pas de changement de l’ARNm la transcription s’arrête au codon stop UAA -> Apo-B100 contient 100 acides aminés, synthétisé au niveau du foie Si ARNm subit une modification : le C est transformé en A, il y a apparition d’un codon stop prématuré -> ApoB-48 produit par l’intestin. Du a la modification de ARNm nous avons 2 protéines différentes. Une modification post- transcriptionnelle de l’ARN messager peut entraîner la formation de protéines différentes et spécifiques à des cellules. 11  La stabilité de l’ARNm - Durée de vie très courte : quelques minutes : Procaryotes Dégradation due à l’accessibilité aux nucléases. - Durée de vie plus longue : quelques heures : Protection des deux extrémités : Eucaryotes o La coiffe empêche la fixation des exonucléases 5’3’. o La queue poly-A. - Deux voies de dégradations : voies majeures des ARNm et voie de dégradation d’ARNm avec une terminaison précoce (codon stop prématuré). - Ici en 5’ la coiffe et en 3’ la queue poly-A. a) Voie majeure de dégradation de l’ARNm - Le decapping permet l’accès des exonucléases 5’ 3’ qui dégradent l’ARN. Intervention d’un complexe protéique contenant les protéines Dcp1/Dcp2. - La déadénylation plusieurs exonucléases 3’ 5’ dégradent la queue poly-A. b) ARE - Éléments AU-riches sont des courtes séquences composées de plusieurs pentamètres AUUUA présents en 3’UTR retrouvés dans de nombreux ARNm : - Les ARE recrutent les facteurs protéiques qui permet : Dégradation ou stabilisation de l’ARNm. c) Dégradation spécifique d’ARNm comportant un codon stop prématuré - Non-sens Mediated Decay. - Dégradation d’un ARN non-sens résultant d’une mutation. - Cette voie de dégradation cible les mRNA qui contiennent un codon STOP prématuré et met en jeu une voie métabolique spécifique. d) ARN courts non-codants = ARNnc - Rôle dans la régulation de l’expression des gènes ARNnc endogènes : microARN ou miARN ou ARNnc - Chez l’homme : >>30% des gènes sont régulés par des miRNA. 12  Complémentarité parfaite avec la - Inhibition de la transcription ou entraine la séquence de l’ARNm cible dégradation de l’ARN messager cible. Complémentarité imparfaite avec la - Pas de dégradation de l’ARN messager cible séquence de l’ARNm cible mais inhibition de la traduction. e) Système de régulation de l’expression des gènes du métabolisme du fer : IRE/IRP - Le fer fait partie de l’hémoglobine, il permet le transport de l’oxygène dans les globules rouges. - L’ensemble du métabolisme du fer doit être régulé de façon fine afin que toutes les cellules soient correctement oxygénées. - Les gènes qui entrent dans le métabolisme du fer ont pour caractéristique au niveau de leur ARN msg, une séquence IRE (Iron Responsive Element) : Retrouvée soit en 5’ soit en 3’. En forme d’épingle à cheveux. - Liaison aux protéines IRP 1 et 2 (Iron Regulatory Protein). - Inhibition de la traduction : IRE fixe IRP1 et IRP2 (Iron Regulatory Protein). Exemple de gènes : - L-Ferritine, H-Ferritine : Indispensable pour le stockage du fer. - ALAS2 : intervient dans le métabolisme de l’hème, produit hémoglobine 5’ UTR - Ferroportine : transporte le fer. - Aconitase. - HIF. Ces gènes permettent l’utilisation du fer ! Donc utilisé que s’il y a du fer  Inhibition de ces gènes en absence de fer.  Activation de ces gènes en présence de fer. - Stabilisation des ARNm, favoriser la traduction. Exemple de gènes : - Transferrine. - DMT1 : transporteur du fer au niveau de l’intestin. 3’UTR Protéine dont j’ai besoin en absence de fer puisqu’elles interviennent dans son recrutement. Ces gènes permettent l’augmentation de la production/mobilisation du fer dans l’organisme 13  (1) Cluster fer soufre Exemple de l’aconitase : : - Le fer s’associe au soufre dans la mitochondrie : Cluster Fe/S. - Les clusters sortent de la mitochondrie et vont Présence de fer dans le cytoplasme par des transporteurs. dans la - La protéine IRP1 se lie aux clusters Fe/S. mitochondrie - Formation de l’aconitase : protéine à activités enzymatique. - L’IRP2 est dégradé quand il y a trop de fer. 14  - L’IRP1 est libre et se fixe sur l’IRE des ARNm. - Selon sa position sur l’ARNm elle régule ou réprime l’activité. Absence de fer - En 5’ la fixation de l’IRP sur IRE stop la synthèse dans la de la protéine. mitochondrie - En 3’ le fixation de l’IRP permet de stabiliser ARNm et assure la traduction et la formation de la protéine. - Effet contraire et complémentaire. Pathologie : l’ataxie de Friedreich = incapacité à coordonner les mouvements (atteinte du cervelet) du a une anomalie d’une protéine : la frataxine qui a un rôle dans la synthèse des protéines fer/souffre mitochondrial 3. Au niveau traductionnel et post-traductionnel a) Régulation traductionnelle - Régulation à plusieurs niveaux pour permettre des changements rapides des concentrations cellulaires des protéines produites à partir des ARNm : Initiation. Élongation. Terminaison. Recyclage du ribosome. - La régulation est majoritairement à l’étape d’initiation. - Chez les eucaryotes, le complexe de pré-initiation (PIC) se fixe à la sous unité 40s chargée d’un ARNt-Met : Si fixation au niveau de la partie non codante 5’ (5’UTR) de l’ARNm, o Le codon d’initiation AUG codant pour une Met est identifié par un mécanisme de scanning par la petite sous unité du ribosome (traduction cap-dépendante). - L’ARNm est activé pour fixer le complexe PIC par des facteurs d’initiation (eukaryotic initiation factors-elF) qui reconnaissent les extrémités 3’ et 5’. (1) MTOR C'est une protéine qui va être incluse dans 2 complexes MTORc1 et 2 MTORc1 agit comme censeur de l’état nutritionnel de la cellule : Il inhibe ou active les gènes selon l’état nutritionnel. - L’inactivation des elF permet de réduire la traduction de la plupart des ARNm en cas de restriction nutritionnelle (mTOR) : (2) IRES - Quelques rares ARNm contienne des éléments IRES (international ribosome entre sites) et peuvent se passer du mécanisme de scanning et de certains eLF pour recruter directement la sous unité 40s au niveau de la zone d’initiation. 15  - Équilibre entre la traduction cap-dépendante et IRES-dépendante. - Dans certains cancers : Augmentation de la traduction cap-dépendante : Diminution de la traduction IRES- dépendante. b) Modifications co-post traductionnelles Dès la sortie du ribosome les chaine d’acides aminés linéaires vont prendre une forme spécifique : leur structure tridimensionnelle. - Programme majeur : Programme de contrôle qualitatif et quantitatif des protéines. Plusieurs sites concernés. Plusieurs modifications au niveau de l’appareil de Golgi, d’abord la partie cis (le plus proche du noyau) puis au niveau de la partie trans (plus éloigné du noyau) : clivage, glycosylation, acylation, phosphorylation, ubiquitination… Contrôle qualité. Plusieurs enzymes spécialisées espèces et tissu-spécifiques : il existe des enzymes spécifiques de l’Homo-Sapiens-Sapiens Selon le lieu final de la protéine elle aura un signal spécifique qui permet son adressage pour qu’elle puisse exercer sa fonction. + de 60% des protéines humaines sont des glycoprotéines car ils subissent une fixation de chaine polysaccharidiques sur des sites spécifiques : N-glycosylation sur une Asparagine spécifique (pas n’importe laquelle) La plupart des protéines humaines vont être clivé au niveau de la première méthionine en 5’ (modification post traductionnelle). Ex : adressage Les protéines ribosomales subissent une glycosylation avec un mannose en bout de chaine qui va être phosphorylé en mannose 6 phosphate. Des récepteurs spécifiques au niveau du trans golgi qui vont reconnaitre les mannose 6phosphate vont envoyer des signaux permettant l’adressage de la protéine ribosomale au ribosome. - Ces modifications modulent : Propriétés physico-chimiques L’activité. Repliement et conformation. Immunogénicité. Stabilité/Dégradation. Distribution. 16