RÉSUMÉ DU CHAPITRE
16.1 Régulation de l’expression génique
Bien que toutes les cellules somatiques d’un organisme contiennent le même ADN, toutes les cellules de cet organisme n’expriment pas les mêmes protéines. Les organismes procaryotes expriment la plupart de leurs gènes la plupart du temps. Cependant, certains gènes ne sont exprimés que lorsqu’ils sont nécessaires. Les organismes eucaryotes, en revanche, n’expriment qu’un sous-ensemble de leurs gènes dans une cellule donnée. Pour exprimer une protéine, l’ADN est d’abord transcrit en ARN, qui est ensuite traduit en protéines, lesquelles sont ensuite dirigées vers des emplacements cellulaires spécifiques. Dans les cellules procaryotes, la transcription et la traduction se produisent presque simultanément. Dans les cellules eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau et est séparée de la traduction qui a lieu dans le cytoplasme. Chez les procaryotes, l’expression génique est principalement régulée au niveau transcriptionnel (il existe également une régulation épigénétique et post-traductionnelle), tandis que dans les cellules eucaryotes, l’expression génique est régulée aux niveaux épigénétique, transcriptionnel, post-transcriptionnel, traductionnel et post-traductionnel.
16.2 Régulation des gènes chez les procaryotes
La régulation de l’expression génique dans les cellules procaryotes se fait au niveau transcriptionnel. Il existe deux grands types de protéines qui contrôlent la transcription chez les procaryotes : les répresseurs et les activateurs. Les répresseurs se lient à une région opérateur pour bloquer l’action de l’ARN polymérase. Les activateurs se lient au promoteur pour renforcer la liaison de l’ARN polymérase. Les molécules inductrices peuvent augmenter la transcription soit en inactivant les répresseurs, soit en activant les protéines activatrices. Dans l’opéron trp, le répresseur trp est lui-même activé en se liant au tryptophane. Par conséquent, si le tryptophane n’est pas nécessaire, le répresseur est lié à l’opérateur et la transcription reste désactivée. L’opéron lac est activé par la protéine activatrice du catabolisme (CAP), qui se lie au promoteur pour stabiliser la liaison de l’ARN polymérase. La CAP est elle-même activée par l’AMPc, dont la concentration augmente lorsque la concentration de glucose diminue. Cependant, l’opéron lac nécessite également la présence de lactose pour que la transcription ait lieu. Le lactose inactive le répresseur lac et empêche la protéine répresseur de se lier à l’opérateur lac. Le répresseur étant inactivé, la transcription peut se poursuivre. Par conséquent, le glucose doit être absent et le lactose doit être présent pour que la transcription de l’opéron lac soit efficace.
16.3 Régulation épigénétique des gènes chez les eucaryotes
Dans les cellules eucaryotes, la première étape du contrôle de l’expression génique se produit au niveau épigénétique. Les mécanismes épigénétiques contrôlent l’accès à la région chromosomique pour permettre l’activation ou la désactivation des gènes. Le remodelage de la chromatine contrôle la façon dont l’ADN est empaqueté dans le noyau en régulant le degré d’enroulement de l’ADN autour des protéines histones. L’ADN lui-même peut être méthylé pour rendre les gènes sélectivement silencieux. L’ajout ou le retrait de modifications chimiques aux protéines histones ou à l’ADN signale à la cellule l’ouverture ou la fermeture d’une région chromosomique. Par conséquent, les cellules eucaryotes peuvent contrôler l’expression d’un gène en contrôlant l’accessibilité de ces gènes à la liaison de l’ARN polymérase et à ses facteurs de transcription.
16.4 Régulation des gènes de transcription eucaryotes
Pour démarrer la transcription, les facteurs généraux de transcription, tels que TFIID, TFIIB et d’autres, doivent d’abord se lier à la boîte TATA et recruter l’ARN polymérase à cet endroit. D’autres facteurs de transcription peuvent également se lier à d’autres éléments régulateurs du promoteur pour augmenter ou empêcher la transcription. Outre les séquences promotrices, les régions amplificatrices contribuent à augmenter la transcription. Les enhanceurs (amplificateurs) peuvent se trouver en amont, en aval, à l’intérieur d’un gène ou sur d’autres chromosomes. Les facteurs de transcription spécifiques liés aux régions enhanceurs peuvent soit augmenter, soit empêcher la transcription.
16.5 Régulation post-transcriptionnelle des gènes eucaryotes
Le contrôle post-transcriptionnel peut intervenir à n’importe quel stade après la transcription, y compris l’épissage de l’ARNm et la stabilité de l’ARNm. Une fois que l’ARNm est transcrit, il doit être traité pour créer un ARNm mature prêt à être traduit. Cela implique l’élimination des introns qui ne codent pas pour une protéine. Les spliceosomes se lient aux signaux qui marquent la frontière exon/intron pour éliminer les introns et lier les exons entre eux. Une fois cette étape franchie, l’ARNm est mature et peut être traduit. L’épissage alternatif peut produire plus d’un ARNm à partir d’un seul transcrit. Différents variants d’épissage peuvent être produits dans différentes conditions.
L’ARNm est synthétisé et épissé dans le noyau, mais doit être transporté dans le cytoplasme pour être traduit. L’ARNm est transporté vers le cytoplasme par le complexe du pore nucléaire. Une fois que l’ARNm se trouve dans le cytoplasme, la durée pendant laquelle il y réside avant d’être dégradé, appelée stabilité de l’ARNm, peut également être modifiée pour contrôler la quantité totale de protéines synthétisées. La stabilité de l’ARNm peut être augmentée, ce qui entraîne un temps de résidence plus long dans le cytoplasme, ou diminuée, ce qui entraîne un temps plus court et une synthèse protéique moins importante. La stabilité de l’ARNm est contrôlée par des protéines de liaison à l’ARN (RPB) et des microARN (miARN). Ces RPB et miARN se lient à l’UTR 5′ ou à l’UTR 3′ de l’ARNm pour augmenter ou diminuer la stabilité de l’ARN. Les microARN associés aux complexes RISC peuvent réprimer la traduction ou entraîner la dégradation de l’ARNm.
16.6 Régulation traductionnelle et post-traductionnelle des gènes eucaryotes
La modification de l’état de l’ARNm ou de la protéine elle-même peut affecter la quantité de protéine, la fonction de la protéine ou la durée de sa présence dans la cellule. Pour traduire la protéine, un complexe initiateur de protéines doit s’assembler sur l’ARNm. Les modifications (telles que la phosphorylation) des protéines de ce complexe peuvent empêcher une traduction correcte. Une fois qu’une protéine a été synthétisée, elle peut être modifiée (phosphorylée, acétylée, méthylée ou ubiquitinée). Ces modifications post-traductionnelles peuvent avoir un impact considérable sur la stabilité, la dégradation ou la fonction de la protéine.
16.7 Cancer et régulation génétique
Le cancer peut être décrit comme une maladie caractérisée par une altération de l’expression génique. Des changements à tous les niveaux d’expression des gènes eucaryotes peuvent être détectés dans une forme de cancer à un moment donné. Pour comprendre comment les modifications de l’expression génique peuvent provoquer un cancer, il est essentiel de comprendre comment chaque étape de la régulation des gènes fonctionne dans les cellules normales. En comprenant les mécanismes de contrôle dans les cellules normales, non malades, les scientifiques pourront plus facilement comprendre les états pathologiques, y compris les états complexes comme le cancer.
