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S. Bourgerie
Cours
Module L5-BH-05
Régulation de l’expression des génomes
Mercredi de 13h30 à 15h30 & Jeudi de 8h00 à 10h00(sem. 0 à 5/6)
Université d’Orléans – UFR Sciences & Centre de Biophysique Moléculaire UPR4301

Extrait du livret de l’étudiant
Code - Libellé SC-L5BH-05 – Régulation de l’Expression du Génome
Nombre de crédits 6 ECTS
Coefficient 2
Nom du Responsable Alain LEGRAND
Programme Cours : 26h - TD : 14h -TP : 15h
Mécanismes généraux de la régulation de la transcription et de la traduction chez les procaryotes.
Notions de signaux exogènes et endogènes de la régulation.
Etude détaillée de quelques systèmes de régulation chez les procaryotes : approches biologiques, physiologiques, génétiques et moléculaires.
Mécanismes de régulation chez les eucaryotes : régulation transcriptionnelle : séquences régulatrices et facteurs de transcription.
Complexes d'initiation de la transcription. Structure de la chromatine et expression génique.
Régulation post-transcriptionnelle : modifications des ARNm (coiffe, épissage, polyadénylation), durée de vie des ARNm, régulation par les petits ARN.
Régulation de l'initiation de la traduction. Régulation post-traductionnelle : modifications et durée de vie des protéines.
Contrôle des connaissances 1è session : Cours : Contrôle terminal écrit (2h) + TP : CC
2è session : Cours : Contrôle terminal écrit (2h) + TP : Contrôle Terminal
Coefficients de la note finale 1è session : a = 3 ; b = 0 ; c = 1 ; d = 0
2è session : a = 3 ; b = 0 ; c = 1 ; d = 0
Pré-requis Bases fondamentales de la biologie moléculaire
Cours
magistraux
intervenants Legrand
Bourgerie
TD TP
Mollet
Normand
Bourgerie

Nombres
d’heures
Ouvrage recommandé
Cours
magistraux
Part. 1 : 6 x 2h
de S0 à S2
Part. 2 : 6,5 x 2h
de S3 à S6
1- Lewin « Gènes VI »
TD TP
Part. 1 : 3 x 2h
S3-S4-S5
Part. 2 : 4 x 2h
S6-S7-S8-S9
3 x 5h
de S9 à S12
(13h30 à 18h30)

PLAN GENERAL
1- les stratégies de régulation
2- l’opéron lactose
3- l’opéron ara
4- l’opéron tryptophane
5- les facteurs σ alternatifs
6- les gènes des aminoacyl-ARNt synthétases
7- la réponse stringente
8- les gènes codant les protéines ribosomiques – l’opéron ermC
9- la réponse SOS
10- les riborégulateurs
11- la dégradation des ARNm
12- récapitulatif

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PLAN des COURS n°1 & n°2
1- Introduction
1.1 pourquoi y-a-t-il régulation?
1.2 niveaux de régulation
1.3 quelques définitions
1.4 notion d’opéron
2- Régulation de la transcription
2.1 stratégies de contrôle de l’initiation de la transcription
2.2 contrôles positif-négatif
2.3 rappels sur l’initiation de la transcription chez les procaryotes
3- Opéron lactose
3.1 organisation générale
3.2 phénomène d’induction - inducteur
3.3 lacZ - lacY - lacA
3.4 mutants de l’opéron
3.5 régulations
3.5.1 négative (répresseur)
3.5.1.1 expérience Pajamo
3.5.1.2 rôle du répresseur
3.5.1.3 structure du répresseur
3.5.1.4 opérateur
3.5.2 positive : répression catabolique
3.5.2.1 diauxie
3.5.2.2 AMPc
3.5.2.3 scénarios
3.5.2.4 structure-fonction CRP
3.5.2.5 opérateurs
3.6 récapitulatif

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Introduction Pourquoi y-a-t-il régulation de l’expression des gènes ?
Pour répondre aux conditions changeantes
de l’environnement immédiat
Sept mécanismes susceptibles de modifier la concentration à l’équilibre d’une protéine ;
Sites possibles de régulation :
1- synthèse du transcrit primaire
2- maturation post-transcriptionnelle de l’ARNm
3- dégradation de l’ARNm
4- synthèse protéique
5- modifications post-traductionnelles
6- ciblage et transport des protéines
7- dégradation des protéines

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1
2 3
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5
7
6

Principalement, 3 niveaux de régulation de l’expression des gènes chez les procaryotes :
1- transcription : phase d’initiation (le plus souvent)
; phase de terminaison
2- maturation : stabilité du transcrit;
3- traduction : en général aux étapes d’initiation et de terminaison

Quelques définitions
Les séquences codant des produits agissant en trans
Les séquences agissant en cis
Un locus agit en cis sur un autre locus s’il est sur la même molécule d’ADN ;
L’opérateur est un élément d’activation en cis car il fonctionne uniquement
s’il est fixé sur le gène dont il contrôle l’expression.
Un locus agit en trans s’il peut contrôler un autre locus, même à partir d’une molécule
d’ADN différente.
Le gène du répresseur du lactose (lacI) agit en trans car il peut réguler l’expression
de l’opéron lactose même s’il est enlevé du génome d’E. coli et placé sur un plasmide.
*
élément régulateur en cis : site pour une protéine de liaison à l’ADN, situé en amont du gène régulé.
élément agissant en trans : protéine elle-même, qui diffuse dans la cellule depuis
son site de synthèse jusqu’à son site de liaison sur l’ADN.
9

Quelques définitions (2)
Gène structural
gène qui code une protéine (ou un ARN)
Gène régulateur
gène structural qui code une protéine impliquée dans la régulation de l’expression d’autres gènes.
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Quelques définitions (3)
OPERON
Gènes structuraux organisés en groupes contenant des gènes codant des protéines
dont les fonctions sont apparentées
(gènes co-transcrits pour former une molécule d’ARN polycistronique)
À côté de ces gènes, on retrouve :
- des séquences adjacentes requises
pour la transcription (promoteurs, opérateurs)
- des séquences impliquées dans la régulation.
*
Exemple : Les gènes des enzymes successives
d’une voie métabolique

Quelques définitions (4)
REGULON
réseau d’opérons fonctionnant avec un régulateur commun
Exemples de régulons :
opérons codant pour les enzymes du métabolisme glucidique;
le système des gènes de choc thermique qui répondent au changement de température;
les gènes qui sont induits (chez E. coli) en réponse à des agents
endommageant l’ADN (appartenant à la réponse SOS).

Qu’est-ce-que la REGULATION ?
Deux classes de mécanismes de régulation :
1- mécanismes opportunistes :
2- mécanismes généraux :
Deux modes de régulation de l’expression d’un gène cible par une molécule régulatrice :
1- d’une façon positive c’est à dire que l’interaction déclenche la transcription du gène
2- d’une façon négative : l’interaction empêche la transcription du gène

Quelques rappels sur l’initiation de la transcription chez les procaryotes
« Idées fortes »
l’ARN polymérase copie en ARN un brin du duplex d’ADN
une unité de transcription est une séquence d’ADN transcrite en un ARN unique,
qui débute au niveau du promoteur et se termine au terminateur
la transcription a lieu dans une « bulle », à l’intérieur de laquelle l’ARN est synthétisé par appariement des bases
avec un brin d’ADN de la région transitoirement déroulée
au fur et à mesure de la progression de la bulle, le duplex d’ADN se reforme après son passage.
l’ARN polymérase catalyse la formation d’une liaison phosphodiester qui résulte d’une attaque du groupement 3’-OH
du dernier nucléotide de la chaîne sur le groupement 5-triphosphate du nucléotide entrant, ce qui s’accompagne
d’une libération de pyrophosphate
la transcription comprend 4 étapes qui impliquent différents types d’interactions entre l’ARN polymérase et l’ADN :
1- reconnaissance de la matrice
2- initiation
3- élongation
4- terminaison
le facteur σ contrôle la liaison à l’ADN de l’ARN polymérase.
la reconnaissance du promoteur dépend de séquences consensus.
il existe deux modes principaux de terminaison.
*

Promoteurs bactériens : organisation
ARN polymérase
*
Schematic representation of the major form of E. coli RNA polymerase bound to DNA.
β’ 155613
β 150618
σ 70263
α 36512
ω 10105

*
ARN polymérase : organisation - structure

Transcription chez les procaryotes
*
Initiation Elongation Terminaison

(de Mooney et al. 1998)
fixation de σ
au cœur de l’enzyme
reconnaissance
du promoteur

1. Un organisme unicellulaire, avec un temps de génération très court, doit pouvoir
répondre rapidement à des changements de son environnement.
2. Les demi-vies de la plupart des ARNm sont courtes (de l’ordre de quelques
minutes).
3. La transcription et la traduction sont couplées et se réalisent dans le même
compartiment cellulaire.
Ces constatations impliquent que la régulation génique doit prendre effet tôt,
et il est effectivement constaté que le point de contrôle majeur
est l’initiation de la transcription.

Stratégies de contrôle de l’initiation de la transcription (chez les bactéries)
2 modes distincts de contrôle de l’initiation de la transcription
1- un contrôle constitutif qui dépend de la structure du promoteur
2- un contrôle de régulation qui est sous la dépendance de protéines régulatrices
CONTRÔLE CONSTITUTIF
niveau de base de l’initiation de la transcription déterminé par la structure
du promoteur.
variabilité dans la séquence consensus du promoteur : modification de
l’efficacité du promoteur

Comment la séquence du promoteur affecte l’initiation?
3 hypothèses :
1- de la séquence de la boîte -35 dépend la reconnaissance par la sous-unité
σ et donc le taux de fixation de l’ARN polymérase
2- la transition du promoteur fermé au promoteur ouvert dépend de la boîte à -10
3- la fréquence des initiations avortées (c’est à dire celles qui se terminent de manière
prématurée) pourrait dépendre de la séquence au niveau du nucléotide +1 ou immédiatement en aval.
Conséquences de ces variations de séquences
Promoteurs FORTS – FAIBLES : les plus efficaces induisent 1000 fois plus d’initiation productives que les plus faibles
TAUX de BASE : pour un gène donné niveau de transcription pré-programmé par la séquence de son promoteur

Autres types de régulation de l’initiation de la transcription
CONTRÔLE de REGULATION
Principe de base de la régulation de la transcription :
(déduit de l’étude de l’opéron lactose)
La liaison d’une protéine spécifique à un site donné de l’ADN
influence l’ensemble des évènements composant l’assemblage du complexe d’initiation
et\ou l’initiation d’une synthèse productive d’ARN par l’ARN polymérase.

INDUCTION
En vert : gène régulateur
En bleu : gène structural
*
LORSQUE LE CONTRÔLE DE LA TRANSCRIPTION EST NEGATIF :
Répresseur : protéine qui empêche l’expression d’un gène.
Opérateur : site cible de la protéine répresseur.
Lorsque la protéine répresseur se fixe à l’opérateur, l’ARN polymérase polymérase
ne peut plus initier la transcription ce qui empêche l’expression l’expression
du gène.
répresseur
inducteur
REPRIME INDUIT
répresseur inactif
Cas du répresseur
lac avec l’IPTG p.e.

REPRESSION
*
CONTRÔLE NEGATIF DE LA TRANSCRIPTION
Répresseur inactif
INDUIT
corépresseur
répresseur actif
REPRIME

*
LORSQUE LE CONTRÔLE DE LA TRANSCRIPTION EST POSITIF :
Un facteur de transcription doit assister l’ARN polymérase pour l’initiation
au niveau du promoteur.
INDUCTION
activateur inactif
inducteur
REPRIME INDUIT
activateur actif
Cas de la CRP associée au l’AMPc

*
REPRESSION
CONTRÔLE POSITIF DE LA TRANSCRIPTION
activateur actif
INDUIT
corépresseur
REPRIME
activateur inactif

En résumé
Contrôle négatif : le répresseur inactive la transcription
Contrôle positif : l'activateur active la transcription
Opéron inductible : avec inducteur : activation de la transcription
Opéron répressible : avec corépresseur : inhibition de la transcription
Exemples de régulateurs positifs :
métabolisme de l’arabinose – AraC
métabolisme du maltose – MalT
métabolismes carbonés (opérons gal, lac… ) – CRP
Exemples de régulateurs négatifs :
AraC
GalR

L’opéron lactose (chez E. coli)
un exemple d’opéron inductible négativement régulé
lactose : disaccharide pouvant être utilisé comme source de carbone unique pour la croissance d’E. coli.

1040 pb
L’opéron lac : organisation
3510 pb 780 pb 825 pb
3 gènes structuraux: z, y & a
- codant pour les enzymes impliquées dans le métabolisme du lactose
- sont exprimés continuellement à faible taux
- sont induits environ 1000 fois quand le lactose est présent
- sont modulés par le taux de glucose du milieu
*
laci : un gène adjacent n’appartenant pas à l’opéron, codant pour le répresseur lac

Opéron lactose : quelques détails d’organisation
fonction répresseur β-galactosidase perméase transacétylase
polypep
tide
360
38000
protéine Tétramère
152000
1021
116000
Tétramère
500000
260
30000
Protéine
membranaire
30000
275
30000
Dimère
60000
aa
D
a
D
a

Expériences de Jacob et Monod : élucidation du fonctionnement de l’opéron lac
(1 er article : 1960)
François Jacob et Jacques Monod ont pu déduire l’organisation et le fonctionnement de
l’opéron lactose en étudiant une série de mutations affectant la synthèse de la β-galactosidase
et de la lactose perméase. Les mutations étaient introduites soit dans le chromosome
bactérien, soit sur un facteur F plasmidien reproduisant l’opéron.
Les gènes de structure lac sont contigus
sur le chromosome d’E. coli.
Ces gènes sont associés à des éléments de contrôle.
Jacques Monod
Prix Nobel de Physiologie
& Médecine, 1965 (avec André
Lwoff)

*
Lactose Glucose
Lactose Glucose-6P glycolyse
Galactose
Glucose
Galactose-1P Glucose-1P
Croissance d’E. coli sur un mélange de glucose et lactose

*
Les enzymes du métabolisme du lactose sont inductibles
Cinétique d’induction de
l’activité β-galactosidase chez E. coli
(d’après Cohn, M. J. Bacteriol. (1957) 21, 156)

HO
*
OH
OH
Les inducteurs de l’opéron lac
• Lactose, (substrate de l’opéron), converti en son isomère (par transglycosylation),
l’allolactose.
• Allolactose, inducteur naturel (ou inducteur physiologique, isomère du lactose).
• inducteur gratuit : induit l’opéron mais pas métabolisé.
Par exemple : isopropylthiogalactoside (IPTG)
O
OH
O
HO
lactose
HO
OH
OH
OH
O
O
OH
OH
S
OH
C
H
CH 3
CH 3
HO
OH
OH
O
OH
HO
HO
O
allolactose
IPTG ou isopropylthiogalactoside
O
OH
OH

*
lacZ
code l’enzyme β-galactosidase dont la forme active est un tétramère d’environ 500kDa
Réaction catalysée : coupe les β-galactosides et libère les sucres qui les constituent
Exemple : le lactose est hydrolysé en glucose et galactose
Equation de la réaction catalysée par la β-galactosidase

organisation de l’opéron lac
lacY
code la β-galactoside perméase, une protéine de 30kDa liée à la membrane
(protéine transmembranaire); elle transporte les β-galactosides dans la cellule
La lactose perméase :
- utilise le gradient de protons à travers la membrane de la cellule bactérienne
pour co-transporter H + et le lactose (le gradient de protons résulte du métabolisme oxydatif)
- présente 2 états conformationnels principaux :
E-1 : caractérisé par un site de liaison de faible affinité pour le lactose,
orienté vers l’intérieur de la cellule
E-2 : caractérisé par un site de liaison à haute affinité pour le lactose,
orienté vers l’extérieur de la cellule.

organisation de l’opéron lac
Structure de la β-galactoside perméase
protéine monomérique enchassée dans la membrane
(12 hélices α transmembranaires)
Abramson J, Smirnova I, Kasho V, Verner G, Kaback HR, Iwata S. Science. 2003 301(5633):610-5 Structure and mechanism of the lactose permease of Escherichia coli.

*
lactose
CYCLE de TRANSPORT
Membrane
Ext. Int.
H+
E2 E1
H + + lactose
E2-H + -lactose E1-H + -lactose

organisation de l’opéron lac
lacA
code la β-galactoside transacétylase, une enzyme qui transfère un groupement acétyle
de l’acétyl-CoA aux β-galactosides (comme l’IPTG).
Le métabolisme du lactose ne nécessitant pas de thiogalactoside transacétylase,
le rôle physiologique de cette enzyme demeure inconnu.

Les mutants de l’opéron lac
Analyse génétique de l’opéron
Quels sont les éléments essentiels du système de régulation ?

lacI promoteur/opérateur
Opérateur MUTANT O c
L’opéron est transcrit
puis traduit
Le répresseur ACTIF ne peut se fixer
à l’opérateur mutant O c
lacZ lacY lacA

lacI -
promoteur/opérateur
L’opéron est transcrit
puis traduit
Le gène lacI- commande la synthèse d’un répresseur défectueux
qui ne se fixe pas à l’ADN.
lacZ lacY lacA

Utilisation de diploïdes partiels

(1)
Conjugaison : transfert de matériel
génétique
F-pilus
(2)
(3)

lacI -
lacI +
promoteur/opérateur
Le gène lacI- conduit à la synthèse d’un répresseur
qui ne se fixe pas à l’ADN.
lacZ lacY lacA
Le gène lacI+ conduit à la synthèse
d’un répresseur de type sauvage qui se fixe à l’opérateur
L’inducteur déplace le répresseur
de type sauvage de l’opérateur

Le gène lacI s conduit à la synthèse d’un répresseur
qui ne peut fixer l’inducteur; il est donc fixer en permanence à l’opérateur
lacI s lacZ lacY lacA
promoteur/opérateur
lacI +
Les mutations non inductibles lacI s sont dominantes
Le répresseur de type sauvage n’influence pas
la liaison à l’ADN du répresseur lacI s

*
mutations O c
Les mutations de l’opérateur sont constitutives, car le promoteur est incapable de fixer la protéine répresseur;
Ceci permet à l’ARN polymérase d’avoir libre accès au promoteur.
Les mutations O c agissent en cis, car elles ne touchent que les gènes structuraux qui leur sont contigus.
mutations du type lacI -
Les mutations qui inactivent le gène lacI entraînent l’expression constitutive de l’opéron,
car la protéine du répresseur mutant ne peut plus se fixer sur l’opérateur.
Les mutations constitutives du gène lacI sont récessives.
Les mutations non inductibles lacI S sont dominantes.