16.1 Régulation de l’expression génique
Objectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :
- Discuter des raisons pour lesquelles chaque cellule n’exprime pas tous ses gènes en permanence.
- Décrire comment la régulation des gènes procaryotes s’effectue au niveau transcriptionnel
- Discuter de la manière dont la régulation des gènes eucaryotes se produit aux niveaux épigénétique, transcriptionnel, post-transcriptionnel, traductionnel et post-traductionnel.
Pour qu’une cellule fonctionne correctement, les protéines nécessaires doivent être synthétisées au bon moment et au bon endroit. Toutes les cellules contrôlent ou régulent la synthèse des protéines à partir des informations encodées dans leur ADN. Le processus d’activation d’un gène pour produire de l’ARN et des protéines est appelé expression génique. Qu’il s’agisse d’un organisme unicellulaire simple ou d’un organisme pluricellulaire complexe, chaque cellule contrôle le moment et la manière dont ses gènes sont exprimés. Pour que cela se produise, il doit y avoir des mécanismes chimiques internes qui contrôlent le moment où un gène est exprimé pour fabriquer de l’ARN et des protéines, la quantité de protéines fabriquées et le moment où il est temps d’arrêter la fabrication de ces protéines parce qu’elles ne sont plus nécessaires.
La régulation de l’expression génique permet d’économiser de l’énergie et de l’espace. Un organisme aurait besoin d’une quantité importante d’énergie pour exprimer chaque gène à tout moment, il est donc plus efficace sur le plan énergétique de n’activer les gènes que lorsqu’ils sont nécessaires. En outre, le fait de n’exprimer qu’un sous-ensemble de gènes dans chaque cellule permet d’économiser de l’espace, car l’ADN doit être déroulé de sa structure étroitement enroulée pour être transcrit et traduit. Les cellules devraient être énormes si chaque protéine était exprimée dans chaque cellule en permanence.
Le contrôle de l’expression génique est extrêmement complexe. Les dysfonctionnements de ce processus sont préjudiciables à la cellule et peuvent conduire au développement de nombreuses maladies, dont le cancer.
Expression génique des procaryotes et des eucaryotes
Pour comprendre comment l’expression génique est régulée, il faut d’abord comprendre comment un gène code pour une protéine fonctionnelle dans une cellule. Ce processus se produit dans les cellules procaryotes et eucaryotes, mais de manière légèrement différente.
Les procaryotes sont des organismes unicellulaires dépourvus de noyau cellulaire, dont l’ADN flotte librement dans le cytoplasme de la cellule. Pour synthétiser une protéine, les processus de transcription et de traduction se déroulent presque simultanément. Lorsque la protéine résultante n’est plus nécessaire, la transcription s’arrête. Par conséquent, la principale méthode pour contrôler le type de protéine et la quantité de chaque protéine exprimée dans une cellule procaryote est la régulation de la transcription de l’ADN. Toutes les étapes suivantes se déroulent automatiquement. Lorsque davantage de protéines sont nécessaires, la transcription est plus importante. Par conséquent, dans les cellules procaryotes, le contrôle de l’expression génique se fait principalement au niveau transcriptionnel.
Les cellules eucaryotes, en revanche, possèdent des organelles intracellulaires qui ajoutent à leur complexité. Dans les cellules eucaryotes, l’ADN est contenu dans le noyau de la cellule et y est transcrit en ARN. L’ARN nouvellement synthétisé est ensuite transporté du noyau vers le cytoplasme, où les ribosomes traduisent l’ARN en protéines. Les processus de transcription et de traduction sont physiquement séparés par la membrane nucléaire ; la transcription ne se produit qu’à l’intérieur du noyau, et la traduction ne se produit qu’à l’extérieur du noyau, dans le cytoplasme. La régulation de l’expression génique peut intervenir à tous les stades du processus (figure 16.3). La régulation peut intervenir lorsque l’ADN est déroulé et détaché des nucléosomes pour se lier aux facteurs de transcription (niveau épigénétique), lorsque l’ARN est transcrit (niveau transcriptionnel), lorsque l’ARN est traité et exporté vers le cytoplasme après avoir été transcrit (niveau post-transcriptionnel), lorsque l’ARN est traduit en protéine (niveau traductionnel) ou après que la protéine a été fabriquée (niveau post-traductionnel ).
Les différences de régulation de l’expression génique entre les procaryotes et les eucaryotes sont résumées dans le tableau suivant Tableau 16.1. La régulation de l’expression génique est abordée en détail dans les modules suivants.
Tableau 16.1. Différences dans la régulation de l’expression génétique des organismes procaryotes et eucaryotes
LIEN AVEC L’ÉVOLUTION
Évolution de la régulation des gènes
Les cellules procaryotes ne peuvent réguler l’expression génique qu’en contrôlant la quantité de transcription. Au fur et à mesure de l’évolution des cellules eucaryotes, la complexité du contrôle de l’expression génique s’est accrue. Par exemple, l’évolution des cellules eucaryotes a entraîné la compartimentation d’importants composants et processus cellulaires. Une région nucléaire contenant l’ADN s’est formée. La transcription et la traduction ont été physiquement séparées dans deux compartiments cellulaires différents. Il est donc devenu possible de contrôler l’expression génique en régulant la transcription dans le noyau, mais aussi en contrôlant les niveaux d’ARN et la traduction des protéines présents à l’extérieur du noyau.
La plupart des régulations génétiques sont effectuées pour conserver les ressources cellulaires. Toutefois, d’autres processus réglementaires peuvent être défensifs. Des processus cellulaires tels que le silençage des gènes se sont développés pour protéger la cellule contre les infections virales ou parasitaires. Si la cellule pouvait rapidement interrompre l’expression génique pendant une courte période, elle serait capable de survivre à une infection alors que d’autres organismes ne le pourraient pas. L’organisme a donc développé un nouveau processus qui l’a aidé à survivre et il a pu transmettre ce nouveau développement à sa progéniture.
