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Régulation des gènes : Bactérien*# - Biologie


Exemples de régulation des gènes bactériens

Cette section décrit deux exemples de régulation transcriptionnelle chez les bactéries. Utilisez ces exemples pour apprendre quelques principes de base sur les mécanismes de régulation transcriptionnelle. Soyez à l'affût en classe, dans les discussions et dans les guides d'étude des extensions de ces idées et utilisez-les pour expliquer les mécanismes de régulation utilisés pour réguler d'autres gènes.

Exemples de régulation des gènes dans E. coli

L'ADN des bactéries etarchéesont généralement organisésen un ou plusieurs chromosomes circulaires dans le cytoplasme. L'agrégat dense d'ADN qui peutêtre vuen micrographie électroniqueest appeléle nucléoïde. Chez les bactéries et les archées,gènes,dont l'expression doitêtre étroitement coordonné(par exemple des gènes codant pour des protéines impliquées dans la même voie biochimique)sont souvent regroupésétroitement ensemble dans le génome. Lorsque l'expression de plusieurs gènesest contrôléepar le même promoteur et un seul transcritest produitces unités d'expressionsont appelésopérons. Par exemple, dans la bactérie Escherichia coli tous les gènes nécessaires pour utiliser le lactosesont encodéscôte à côte dans le génome. Nous appelons cet arrangement le lactose (ou lac) opéron. Dans de nombreuses bactéries et archées, près de 50% de tous les gènessont encodésen opérons de deux ou plusieurs gènes.

Le rôle du promoteur

Le premier niveau de contrôle de l'expression des gènes se situe au niveau du promoteur lui-même. Certains promoteurs recrutent l'ARN polymérase et transforment ces événements de liaison ADN-protéine en transcrits plus efficacement que d'autres promoteurs. Cette propriété intrinsèque d'un promoteur, sa capacité à produire un transcrit à une vitesse particulière,est référéen tant quepromoteurforce. Plus le promoteur est fort,plus il y a d'ARNdans une période donnée. La force du promoteur peutêtre "à l'écoute" par la nature danstrès petitou de très grandes étapes en changeant la séquence nucléotidique du promoteur (par exemple en mutant le promoteur). Il en résulte des familles de promoteurs avec des forces différentes qui peuventêtre habitué àcontrôler le taux maximal d'expression génique pour certains gènes.

Connexion de premier cycle à l'UC Davis :

Un groupe d'étudiants de l'UC Davis intéressés par la biologie synthétique a utilisé cette idée pour créer despromoteurbibliothèques pour l'ingénierie des microbes dans le cadre de leur projet de conception pour le 2011 iGEM concurrence.

Exemple #1 : Opéron Trp

Logique de régulation de la biosynthèse du tryptophane

E. coli, comme tous les organismes, a besoin de synthétiser ou de consommer des acides aminés pour survivre. L'acide aminé tryptophane est l'un de ces acides aminés. E. coli peut soit importer du tryptophane de l'environnement (en mangeant ce qu'il peut récupérer du monde qui l'entoure) soit synthétiser du tryptophane de novo utilisant des enzymes codées par cinq gènes. Ces cinq gènesrésidercôte à côte dans le E. coli génome dans ce que nous appelons le tryptophane (trp) opéron (Figure ci-dessous). Si le tryptophane est présent dans l'environnement, alors E. coli n'a pas besoin de le synthétiser et le commutateur contrôlant l'activation des gènes dans le trp l'opéron s'éteint. Cependant, lorsque la disponibilité du tryptophane environnemental est faible, le commutateur contrôlant l'opéronest tournéau,la transcription est lancée, les gèness'expriment, et l'organisme synthétise le tryptophane. Voir la figure et les paragraphes ci-dessous pour une explication mécanique.

Organisation de la trp opéron

Les cinq gènes codant pour les enzymes de biosynthèse du tryptophane

sont arrangés

séquentiellement sur le chromosome et sont sous le contrôle d'un seul promoteur - c'est-à-dire la sélection naturelle

organisé cesgènes

en un opéron. Juste avant la région de codage se trouve le site de démarrage de la transcription. C'est, comme son nom l'indique, l'emplacement où l'ARN polymérase commence un nouveau transcrit. La séquence promotrice est plus en amont du site d'initiation de la transcription.

Une séquence d'ADN appelée "opérateur"

est également codé

entre le promoteur et le premier trp gène codant. Cette opérateur est la séquence d'ADN à laquelle la protéine du facteur de transcription se liera.

Quelques détails supplémentaires concernant les sites de liaison TF

Il convient de noter que l'utilisation du terme "opérateur" est limitée à quelques systèmes de régulation et se réfère presque toujours au site de liaison d'un facteur de transcription agissant négativement. Conceptuellement, ce que vous devez retenir, c'est qu'il existe des sites sur l'ADN qui interagissent avec les protéines régulatrices, leur permettant d'accomplir leur fonction appropriée (par exemple, réprimer ou activer la transcription). Ce thème se répétera universellement dans toute la biologie, que le terme "opérateur"

est utilisé

.

Alors que les exemples spécifiques que vous allez montrer décrivent des sites de liaison TF dans leurs emplacements connus, ces emplacements ne sont pas universels pour tous les systèmes. Les sites de liaison au facteur de transcription peuvent varier en emplacement par rapport au promoteur. Il existe certains modèles (par exemple, les régulateurs positifs sont souvent en amont du promoteur et les régulateurs négatifs se lient en aval), mais ces généralisations ne sont pas vraies dans tous les cas. Encore une fois, l'essentiel à retenir est que les facteurs de transcription (à la fois positifs et négatifs) ont des sites de liaison avec lesquels ils interagissent pour aider à réguler l'initiation de la transcription par l'ARN polymérase.

Les cinq gènes qui ont nécessité la synthèse du tryptophane dans le groupe E. coli les uns à côté des autres dans letrpopéron. Lorsque le tryptophane est abondant, deux molécules de tryptophane se lient au facteur de transcription et permettent au complexe TF-tryptophane de se lier à la séquence opérateur. Cela empêche physiquement l'ARN polymérase de transcrire les gènes de biosynthèse du tryptophane. Lorsque le tryptophane est absent, le facteur de transcription ne se lie pas à l'opérateur etles gènes sont transcrits.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Règlement de la trp opéron

Lorsque le tryptophane est présent dans la cellule : deux molécules de tryptophane se lient au trp protéine répresseur. Lorsque le tryptophane se lie au facteur de transcription, il provoque un changement de conformation de la protéine qui permet maintenant au complexe TF-tryptophane de se lier au trp séquence d'opérateurs. La liaison du complexe tryptophane-répresseur au niveau de l'opérateur empêche physiquement l'ARN polymérase de se lier et de transcrire les gènes en aval. Lorsque le tryptophane n'est pas présent dans la cellule, le facteur de transcription ne se lie pas à l'opérateur ; par conséquent, la transcription se poursuit, les gènes d'utilisation du tryptophane

sont transcrits

et traduit, et tryptophane

est ainsi synthétisé

.

Étant donné que le facteur de transcription se lie activement à l'opérateur pour maintenir les gènes éteints, le trp opéron

est dit

à

être « régulé négativement

" et les protéines qui se lient à l'opérateur pour faire taire trp les expressions sont régulateurs négatifs.


Discussion possible au N.-B. Point

Supposons que la nature adopte une approche différente pour réguler l'opéron trp. Proposer une méthode de régulation de l'expression de la trp opéron avec un régulateur positif au lieu d'un régulateur négatif. Décrivez comment cela pourrait fonctionner. (Indice: on pose ce genre de question aux examens)


Lien externe

Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur les trp opéron.

Exemple #2 : Le lac opéron

Justification de l'étude de la lac opéron

Dans cet exemple, nous examinons la régulation de gènes codant pour des protéines dont le rôle physiologique est d'importer et d'assimiler le disaccharide lactose, le lac opéron. L'histoire de la régulation lac L'opéron est un exemple courant utilisé dans de nombreux cours d'introduction à la biologie pour illustrer les principes de base de la régulation génique inductible. Nous décrivons cet exemple en second lieu car il est, à notre avis, plus compliqué que l'exemple précédent impliquant l'activité d'un seul facteur de transcription agissant négativement.

En revanche, le

règlement de la lac L'opéron est un merveilleux exemple de la façon dont l'activité coordonnée des régulateurs positifs et négatifs autour du même promoteur peut intégrer plusieurs sources différentes d'informations cellulaires pour réguler l'expression des gènes.

En parcourant cet exemple, gardez à l'esprit le dernier point. Pour de nombreux instructeurs Bis2a, il est plus important pour vous d'apprendre les lac opéron histoire et principes directeurs qu'il ne vous appartient de mémoriser le tableau logique présenté ci-dessous. Lorsque c'est le cas, l'instructeur vous le fera généralement savoir. Ces instructeurs n'incluent souvent délibérément PAS de questions d'examen sur le lac opéron. Au contraire, ils vous testeront pour savoir si vous avez compris les principes fondamentaux qui sous-tendent les mécanismes de régulation que vous étudiez en utilisant l'exemple de l'opéron lac. Si ce n'est pas clair ce que veut l'instructeur, demandez.

L'utilisation du lactose

Le lactose est un disaccharide composé des hexoses glucose et galactose. Nous rencontrons couramment du lactose dans le lait et certains produits laitiers. Comme on peut l'imaginer, le disaccharide peut être un aliment important pour les microbes qui peuvent utiliser ses deux hexoses. coli peut utiliser plusieurs sucres différents comme sources d'énergie et de carbone, y compris

lactose

et le lac opéron est une structure qui code les gènes nécessaires à

acquérir

et transformer le lactose de l'environnement local. coli, cependant, ne rencontre pas fréquemment le lactose, et donc les gènes de la lac l'opéron doit généralement

être réprimé

(c'est-à-dire "éteint") lorsque le lactose est absent. La transcription de ces gènes en l'absence de lactose gaspillerait une énergie cellulaire précieuse.

En revanche, quand

lactose est présent, il serait logique que les gènes responsables de l'utilisation du sucre pour

être exprimé

(c'est-à-dire « allumé »). Jusqu'à présent, l'histoire est très similaire à celle de l'opéron tryptophane décrit ci-dessus.

Cependant, il y a un hic. Des expériences menées dans le

années 1950

par Jacob et Monod a montré que E. coli préfère utiliser tout le glucose présent dans l'environnement avant d'utiliser le lactose. Cela signifie que le mécanisme utilisé pour décider

que ce soit ou non

pour exprimer les gènes d'utilisation du lactose, il faut pouvoir intégrer deux types d'informations (1) la concentration en glucose et (2) la concentration en lactose. Bien que cela puisse théoriquement

être accompli

de multiples façons, nous examinerons comment le lac L'opéron y parvient en utilisant plusieurs facteurs de transcription.

Les régulateurs transcriptionnels de la lac opéron

Les lac répresseur - un capteur direct de lactose

Comme indiqué, le lac l'opéron a normalement une sortie transcriptionnelle très faible ou nulle en l'absence de lactose. Ceci est dû à deux facteurs : (1) la force du promoteur constitutif de l'opéron est relativement faible et (2) la présence constante de la protéine répresseur LacI influence négativement la transcription. Cette protéine se lie au site opérateur près du promoteur et empêche l'ARN polymérase de transcrire le lac gènes d'opéron.En revanche, silactose est présent, le lactose se lie à la protéine LacI, induisant un changement de conformation qui empêche le complexe LacI-lactose de se lier à ses sites de liaison. Par conséquent, lorsque le lactose est présent, le LacI régulateur négatifn'est pas liéà son site de liaison et la transcription du lactose à l'aide de gènes peut se poursuivre.

La protéine CAP - un capteur indirect de glucose

Dans E. coli, lorsque les niveaux de glucose chutent, la petite molécule AMP cyclique (camp) s'accumule dans la cellule.

camp

est une molécule de signalisation commune qui

est impliqué

dans le métabolisme du glucose et de l'énergie dans de nombreux organismes. Lorsque les niveaux de glucose diminuent dans la cellule, les concentrations croissantes de

camp

permettre à ce composé de se lier au régulateur transcriptionnel positif appelé protéine activatrice de catabolite (CAP) - également appelé CRP.

camp

-Le complexe CAP possède de nombreux sites à travers le E. coli génome et plusieurs de ces sites

sont situés

près des promoteurs de nombreux opérons qui contrôlent la transformation de divers sucres.

Dans le lac opéron, le

camp

-Site de liaison CAP

est situé

en amont du promoteur. Liaison de

camp

-CAP à l'ADN aide à recruter et à garder l'ARN polymérase au promoteur. L'occupation accrue de l'ARN polymérase à son promoteur

, à son tour,

entraîne une augmentation de la production transcriptionnelle. Ici, la protéine CAP agit comme un régulateur positif.

Notez que le CAP-

camp

peut, dans d'autres opérons, également agir comme un régulateur négatif selon l'endroit où se trouve le site de liaison pour CAP-

camp

complexe

est situé

par rapport au site de liaison de l'ARN polymérase.

Tout mettre ensemble : induire l'expression de l'opéron lac

Pour le lac opéron àêtre activé,deux conditions doivent être remplies. Premièrement, le niveau de glucose doit être très bas ou inexistant. Deuxièmement, le lactose doit être présent. Ce n'est que lorsque le glucose est absent et que le lactose est présent,leslacopéronêtre transcrit. Lorsque cette conditionest accomplilesLacILe complexe -lactose dissocie le régulateur négatif à proximité du promoteur, libérant l'ARN polymérase pour transcrire les gènes de l'opéron. Hautecamp(indirectement indicatifs d'un faible taux de glucose) déclenchent la formation du CAP-campcomplexe. Cette paire TF-inducteur se lie maintenant près du promoteur et agitrecruter positivementl'ARN polymérase. Cette influence positive ajoutée augmente la production transcriptionnelleetle lactose peutêtre utilisé efficacement.La sortie mécanistique d'autres combinaisons de conditions binaires de glucose et de lactose est décritedans le tableau ci-dessous et dans la figure qui suit.

Table de vérité pour le lac Opéron

Transcription de l'opéron lacest soigneusement réglementéde sorte que son expression ne se produit que lorsque le glucoseest limitéet le lactose est présent pour servir de source de carburant alternative.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Signaux qui induisent ou répriment la transcription du lac Opéron
GlucoseCAP lieLactoseLe répresseur se lieTranscription
+--+Non
+-+-Certains
-+-+Non
-++-Oui

Une vision plus nuancée de la fonction de répresseur lac

La description de la fonction du répresseur lac décrit correctement la logique du mécanisme de contrôle utilisé autour dulacpromoteur. Cependant, la description moléculaire des sites de liaison est un peu trop simplifiée. En réalité, le répresseur lac possède trois sites de liaison similaires, mais non identiques, appelés Opérateur 1, Opérateur 2 et Opérateur 3. L'Opérateur 1 est très proche du site de départ du transcrit (noté +1).L'opérateur 2 est situéenviron +400nt dans la région codante duLacZprotéine.L'opérateur 3 est situéenviron -80nt avant le site de début de transcription (juste "à l'extérieur" du site de liaison CAP).

La région régulatrice de l'opéron lac représentant le promoteur, trois opérateurs lac et le site de liaison CAP.La région codante pour la protéine Lac Z est également montréepar rapport aux séquences d'opérateurs. Notez que deux des opérateurs sont dans la région codante de la protéine - il existe plusieurstypes deinformations codées simultanément dans l'ADN.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Le tétramère du répresseur lac (bleu) représente la liaison de deux opérateurs sur un brin d'ADN en boucle (orange).
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail) - Adapté de Goodsell (https://pdb101.rcsb.org/motm/39)


Régulation des gènes : Bactérien*# - Biologie

Exemple : Deux plantes à fleurs blanches se croisent pour produire des fleurs violettes, bien que le violet soit dominant.
Chacun contient une mutation dans un gène différent, codant pour une enzyme différente nécessaire à la fabrication du pigment violet.

L'analyse de complémentation est plus facile à faire chez les bactéries, les champignons ou C. elegans, où de nombreux mutants d'un phénotype donné peuvent être obtenus.

Si nous isolons un grand nombre de souches avec le même phénotype défectueux, nous pouvons les croiser dans toutes les combinaisons et déterminer le nombre de groupes de complémentation. Deux souches défectueuses qui ne se complètent pas sont dans le même groupe de complémentation. Habituellement, chaque groupe de complémentation représente l'une des enzymes essentielles de la voie.

Problème 1 : Déterminez combien de groupes de complémentation il y a dans ces exemples.

Le concept de complémentation est extrêmement important en biologie moléculaire. Par exemple, la lignée de souris drépanocytaire n'a pu être créée que parce que deux souches présentant des défauts différents (manque de gènes de souris ou de globine humaine) ont pu être accouplées pour se compléter mutuellement. Le fait que les gènes de différentes espèces puissent se compléter les uns les autres a été l'une des avancées conceptuelles les plus importantes de la biologie moléculaire. La complémentation est maintenant utilisée de manière routinière pour répondre à des questions plus subtiles sur la façon dont les gènes sont régulés. Il faut absolument comprendre la complémentation pour comprendre la biologie moléculaire.

La complémentation bactérienne.
Les systèmes génétiques bactériens peuvent montrer une complémentation de deux manières importantes - chacune manipulant un processus naturel de la génétique bactérienne. Ces deux procédés ont depuis été modifiés en biotechnologie pour fournir la plupart des outils essentiels du clonage de gènes.

1. Transduction spécialisée. Un bactériophage lysogène peut s'exciser de manière à porter par erreur un morceau d'ADN de l'hôte. Le phage transportera maintenant une deuxième copie d'un allèle (ou d'allèles liés) dans une cellule hôte. La nouvelle bactérie est un diploïde partiel pour le ou les allèles.

En biotechnologie, un chromosome de phage peut contenir un morceau d'ADN étranger lié dans le tube à essai. Ensuite, l'ADN du phage est emballé dans le phage et il peut infecter un nouvel hôte où il (1) produit de nombreuses copies du gène de l'hôte ou (2) lysogénise l'hôte pour exprimer l'ADN cloné.

2. Plasmide F'. Le plasmide F peut se recombiner dans le chromosome hôte, puis se recombiner à nouveau avec de l'ADN hôte par erreur. Lorsqu'il pénètre dans la cellule hôte suivante, il porte à nouveau une deuxième copie de plusieurs gènes, un diploïde partiel est créé.

En biotechnologie, un plasmide peut avoir un morceau d'ADN étranger ligaturé dans le tube à essai, puis le plasmide est transformé en E. coli. Ensuite, le plasmide fait de nombreuses copies, y compris le gène cloné.

Analyse de mutation suppresseur.
Une variation sur la complémentation est les mutations suppressives. Une mutation suppressive corrige un défaut dans un locus génique différent. Une version mutante du gène A fabrique un produit génique altéré, qui corrige le phénotype d'une mutation défectueuse dans le gène B.

Organisation des gènes
Chez les bactéries, un certain nombre d'ORF de gènes peuvent être organisés en un opéron. Toutes les séquences de gènes dans un opéron donné sont transcrites sur un seul ARNm, en commençant par un promoteur. Un exemple d'opéron est montré, tuf-s10 , de Borrelia burgdorferi, qui cause la maladie de Lyme :

  • facteur d'allongement (tuf)
  • protéines ribosomiques S10 (rpsJ)
  • L3 (rplC)
  • L4 (rplD)
  • L23 (rplW)
  • L2 (rplB)
  • S19 (rpsS)
  • L22 (rplV)
  • S3 (rpsC)

Récepteur de l'hormone de croissance humaine

Pour d'autres opérons intéressants, essayez de rechercher GenBank, le référentiel international de toutes les séquences d'ADN connues. (Financé par le gouvernement américain - l'argent de vos impôts au travail.)

  • Séquence d'ADN - inversion ou délétion
  • Transcription, facteur sigma
  • Transcription, séquence promotrice, protéines répresseurs
  • Répresseur translationnel
  • Modification post-traductionnelle

Le Lac Opéron
L'opéron Lac est le modèle classique d'activation et de répression de la transcription. Les concepts d'analyse basés sur l'opéron Lac peuvent être appliqués à d'autres systèmes, y compris les animaux et les plantes.

L'explication suivante de l'opéron Lac est modifiée de MIT Lac Opéron.
Jacob et Monod ont été les premiers scientifiques à élucider un système régulé par la transcription. Ils ont travaillé sur le système de métabolisme du lactose chez E. coli. Lorsque la bactérie se trouve dans un environnement contenant du lactose :

Il devrait activer les enzymes nécessaires à la dégradation du lactose. Ces enzymes sont : bêta-galactosidase : Cette enzyme hydrolyse la liaison entre les deux sucres, le glucose et le galactose. Il est codé par le gène LacZ. Perméase de lactose : Cette enzyme traverse la membrane cellulaire et apporte du lactose dans la cellule depuis l'environnement extérieur. La membrane est sinon essentiellement imperméable au lactose. Il est codé par le gène LacY. Thiogalactoside transacétylase: La fonction de cette enzyme n'est pas connue. Il est codé par le gène LacA. Les séquences codant pour ces enzymes sont situées séquentiellement sur le E. coli génome. Ils sont précédés de la région LacI qui régule l'expression des gènes métaboliques du lactose. Vous pourriez vous attendre à ce que la cellule veuille activer ces gènes lorsqu'il y a du lactose et les désactiver lorsque le lactose est absent. Mais l'histoire est plus compliquée que cela. Par exemple, le gène de la perméase doit toujours être exprimé à un faible niveau pour que le lactose puisse pénétrer dans la cellule. Ainsi, un certain bas niveau d'expression est constitutif, c'est-à-dire qu'il se produit tout le temps, même s'il est « refoulé ». La plupart des opérons bactériens sont partiellement ou totalement constitutifs. L'expression de LacI, par exemple, est totalement constitutive son promoteur est toujours « activé », pour un niveau d'expression très faible, juste assez pour fabriquer quelques molécules répresseurs.

La principale source de nourriture d'une bactérie est le glucose, puisqu'il n'a pas besoin d'être modifié pour entrer dans la voie respiratoire. Donc, si le glucose et le lactose sont présents, la bactérie veut désactiver le métabolisme du lactose au profit du métabolisme du glucose. Il existe des sites régulateurs en amont des gènes Lac qui répondent à la concentration en glucose.

  • Le lactose induit la transcription en retirant le répresseur LacI.
  • Le glucose empêche la transcription en retirant l'activateur CAP.

Lorsque le lactose est présent, il agit comme un inducteur de l'opéron. Il pénètre dans la cellule, se réarrange légèrement pour former de l'allolactose, puis se lie au répresseur Lac. Un changement de conformation provoque la chute du répresseur de l'ADN. Maintenant, l'ARN polymérase est libre de se déplacer le long de l'ADN, et l'ARN peut être fabriqué à partir des trois gènes de structure. L'ARNm sera traduit en protéines qui transportent et métabolisent le lactose.

Lorsque l'inducteur (lactose) est retiré, le répresseur revient à sa conformation d'origine et se lie à l'ADN, de sorte que l'ARN polymérase ne peut plus dépasser le promoteur. Aucun ARN et aucune protéine n'est fabriqué.

Notez que l'ARN polymérase peut toujours se lier au promoteur bien qu'elle soit incapable de le dépasser. Cela signifie que lorsque la cellule est prête à utiliser l'opéron, l'ARN polymérase est déjà là et en attente de commencer la transcription, le promoteur n'a pas à attendre que l'holoenzyme se lie. Répression catabolique, avec une protéine activatrice
Lorsque les niveaux de glucose (un catabolite) dans la cellule sont élevés, la formation d'une molécule appelée AMP cyclique est inhibée. Mais lorsque les niveaux de glucose chutent, les phosphates d'ATP sont libérés jusqu'à former enfin l'AMPc :

ATP --> ADP + Pi --> AMP + Pi --> AMPc

L'AMPc se lie à une protéine appelée CAP (catabolite activator protein), qui est ensuite activée pour se lier au site de liaison CAP. Cela active la transcription, peut-être en augmentant l'affinité du site pour l'ARN polymérase. Ce phénomène est appelé répression catabolique , un terme impropre puisqu'il s'agit d'une protéine activatrice, mais compréhensible puisqu'il semblait que la présence de glucose réprimait tous les autres opérons du métabolisme du sucre.

Cette image montre une vue "gros plan" de CAP régulation:

Contrôle du corépresseur
D'autres opérons sont contrôlés par leurs produits, plutôt que par leurs substrats, par exemple l'expression d'enzymes biosynthétiques pour construire des acides aminés. C'est ce qu'on appelle la rétro-inhibition. Dans l'opéron Trp, pour la biosynthèse du tryptophane, la transcription de l'ARNm pour cinq enzymes est empêchée par la liaison du corépresseur Trp en présence de tryptophane. Lorsque les niveaux de tryptophane chutent, Trp se détache du corépresseur et le corépresseur se détache du site promoteur/opérateur. La transcription se produit maintenant, de sorte que la cellule a des enzymes pour fabriquer plus de tryptophane.
Analyse du contrôle de l'opéron
Quelles expériences réalisons-nous pour comprendre comment les opérons sont régulés ?
Nous utilisons des souches diploïdes partielles créées par F' ou transduction spécialisée. Dans les deux cas, nous testons ce qui se passe lorsqu'une souche est diploïde pour les éléments régulateurs.

Les mutants régulateurs peuvent avoir différents types de phénotypes mutants. Par exemple:

Le promoteur p ne parvient pas à se lier à l'ARN polymérase. Aucune transcription n'a lieu.
lacI-Repressor ne parvient pas à se lier au promoteur/opérateur. La transcription se produit constitutivement
(en présence ou en absence de lactose)
o-c L'opérateur ne parvient pas à lier le répresseur. La transcription est constitutive.
lacZ- Le gène structural est défectueux. Aucune enzyme n'est fabriquée.

Que va-t-il se passer ? Quels types de complémentation peuvent se produire ? Est-ce important si les deux allèles mutants sont adjacents sur le même chromosome ( cis ) ou séparés ( trans ) ?


"Type sauvage" Mutant
LacZ+ Produit l'enzyme B-gal LacZ- Faire AUCUNE enzyme
LacI+ Fait le répresseur LacI- Ne fait AUCUN répresseur
La transcription peut être constitutive
SI LE PROMOTEUR EST FONCTIONNEL
p + L'ARN Pol lie le promoteur p - L'ARN Pol ne lie PAS le promoteur
Aucune transcription
o + L'opérateur lie le répresseur o - c L'opérateur ne lie PAS le répresseur
La transcription peut être constitutive
SI LE PROMOTEUR EST FONCTIONNEL

Problème 2. Prédisez si les diploïdes suivants produisent de la B-galactosidase, en présence de lactose en l'absence de lactose. Expliquer pourquoi. Expliquez dans chaque cas s'il est important que les deux allèles mutants soient situés en cis ou en trans.

p + lacZ - lacI +
----------------- ----------
p + lacZ + lacI -

p + lacZ - lacI -
----------------- ----------
p - lacZ + lacI -

p + lacZ - lacI +
----------------- ----------
p + lacZ + lacI -

p + o-c lacZ + lacI + (Un opérateur constitutif ne lie JAMAIS le répresseur,
-------------------------- -------- avec ou sans lactose.)
p + o + lacZ - lacI +

Problème 3. Expliquez deux processus génétiques différents chez les bactéries qui peuvent créer un « diploïde partiel » pour une petite partie du génome. Expliquez pourquoi ces processus sont utiles pour l'analyse génétique bactérienne.

Problème 4. Indiquez si la B-galactosidase est exprimée par chaque diploïde d'opéron lac, (1) et (2), et indiquez brièvement pourquoi (une phrase). Complétez les génotypes possibles pour (3) et (4).


Lactose
Absent
Lactose
Présent
LacI- P+ O-c LacZ+
LacI+ P+ O+ LacZ-
LacI+ P-O-c LacZ+
LacI+ P+ O+ LacZ-
LacI- P+ O+ ___
____ ___ __ LacZ-
- +
__ P-O-c LacZ+
__ P+ __ ___
+ +

Quiz sur le lac Opéron -- Hautement recommandé

Structure moléculaire des promoteurs
Les promoteurs sont définis par des séquences de paires de bases en amont du site d'initiation de la transcription. L'ARN polymérase a tendance à reconnaître les séquences de promoteur dans lesquelles la plupart des paires de bases correspondent à la séquence consensus du promoteur. La séquence consensus est un composite défini par la base la plus courante à apparaître à chaque position. Les mutations de substitution de base peuvent diminuer ou augmenter l'efficacité du promoteur.

Les promoteurs consensus bactériens comprennent deux régions de six paires de bases chacune, à -10 et -35 bases en amont. Cependant, il n'y a pas deux promoteurs exactement identiques et aucun promoteur ne correspond exactement à la séquence consensus. Des sites supplémentaires pour les régulateurs environnementaux peuvent être trouvés jusqu'à -50 à -300 bases en amont.

  • Lorsque les bactéries épuisent leurs sources de carbone, elles expriment RpoS, le facteur sigma de famine. (Examen, qu'est-ce qu'un facteur sigma ?)
  • RpoS se joint à l'ARN polymérase pour initier la transcription de différents gènes de stress environnemental - des gènes protégeant contre tous les différents stress que les bactéries pourraient rencontrer avant d'entrer dans un nouvel intestin humain. Ce phénomène est connu sous le nom de protection croisée.
  • Les gènes de stress peuvent être utilisés pour des conditions aussi indépendantes que la résistance aux acides ou aux bases.
  • Les gènes de stress activés peuvent ou non faire partie d'opérons multigéniques. Ils peuvent faire face dans des directions opposées, à partir de nombreux promoteurs différents, à tous les différents loci autour de la carte génomique.
  • Opéron de résistance à l'arsenic. Comment les bactéries résistent-elles à l'arsenic ? Un régulateur de réponse environnementale est activé par l'arsenic. La base moléculaire est liée à la façon dont les cellules cancéreuses développent une résistance aux médicaments anticancéreux.
  • Réglementation environnementale en Yersinia pestis (bactérie de la peste bubonique). Plusieurs régulons complexes de gènes répondent à des facteurs environnementaux spécifiques, en particulier le fer et la température. A basse température, la présence de fer indique à la bactérie : "Je suis dans du sang qui a été avalé par une puce". La bactérie exprime des protéines qui perturbent la digestion de la puce, la forçant à régurgiter la bactérie dans le sang de sa prochaine victime. (Susan Straley & Robert Perry, Tendances de la microbiologie, 1995)
  • E. coli régulateur de virulence. Comment virulent E. coli les souches tuent les enfants ? Une protéine régulatrice se lie à un opéron codant pour les « pilines », pour E. coli faire des pili qui s'attachent à l'épithélium intestinal.
  • Expression du gène modèle de la tuberculose. Comment les gènes sont-ils régulés chez un agent pathogène lié à la tuberculose ?

    M. Donnenberg, U. Maryland
  • Régulateur de virulence dans "Bactéries mangeuses de chair". Une protéine activatrice de gène dans Staphylococcus aureus active le régulon de virulence qui produit les toxines carnivores. Cet activateur peut être utilisé comme vaccin contre S. aureus.
  • Puces à ADN. Nous pouvons maintenant placer la plupart des gènes codant pour les protéines sur une puce à puce électronique, en utilisant une technologie basée sur l'industrie des puces à ADN en silicium. La puce peut être utilisée pour s'hybrider à l'ARN cellulaire et mesurer les taux d'expression d'un grand nombre de gènes dans une cellule.

Régulation des gènes chez les bactéries

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Bonjour. Bonjour.

Donc, ce que j'aimerais faire aujourd'hui, c'est reprendre notre thème de base de la biologie moléculaire. Nous avons parlé de la réplication de l'ADN.

La transcription de l'ADN en ARN et la traduction de l'ARN en protéine. Nous avons discuté la dernière fois de certaines des variations entre différents types d'organismes : virus, procaryotes, eucaryotes, en ce qui concerne les détails de la façon dont ils font qu'en général, les bactéries ont des chromosomes à ADN circulaires, généralement les eucaryotes ont des chromosomes linéaires, etc. J'aimerais parler aujourd'hui de la variation, mais de la variation non pas entre les organismes mais au sein d'un organisme de temps en temps et d'un endroit à l'autre, à savoir, comment se fait-il que certains gènes ou activités géniques soient activés, à certaines occasions, et désactivés d'autres occasions. C'est, de toute évidence, un problème très important pour un organisme, en particulier pour quelqu'un comme vous qui est un organisme multicellulaire, et qui a le même ensemble d'instructions d'ADN dans toutes vos cellules.

Il est évidemment très important de s'assurer que le même code de base fait des choses différentes dans différentes cellules.

Il est également important pour une bactérie de s'assurer qu'elle fait des choses différentes à des moments différents, selon son environnement. Donc, je vais parler d'un système très particulier aujourd'hui pour illustrer comment les gènes sont régulés, mais avant de faire cela, demandons-nous, où sont les différents endroits sur cette image ?

L'ADN va à l'ADN va à l'ARN va à la protéine, dans laquelle vous pourriez, en principe, réguler l'activité d'un gène. Pourriez-vous réguler l'activité d'un gène en modifiant réellement l'ADN codé dans le génome ? Alors pourquoi pas? Parce que quoi? Cela devient un gène différent. Oui, c'est juste une définition.

Pourquoi la cellule n'a-t-elle pas pu simplement décider que je veux que ce gène change maintenant d'une manière ou d'une autre ? Oh, je ne sais pas, je vais modifier la séquence d'ADN d'une manière ou d'une autre. Et, cela fera fonctionner le gène.

Cela pourrait-il arriver? Est-ce autorisé? Ouais, il s'avère que cela arrive.

Ce n'est pas la chose la plus courante, et ce n'est pas la chose dont ils parleront beaucoup dans les manuels, mais vous pouvez réellement faire de la réglementation.

Ainsi, les niveaux de régulation sont nombreux, et l'un se situe en fait au niveau du réarrangement de l'ADN. Comme nous le verrons plus tard dans le cours, par exemple, votre système immunitaire crée de nouveaux gènes fonctionnels en réarrangeant localement certains morceaux d'ADN, certaines bactéries, en particulier les organismes infectieux, contrôlent si les gènes sont activés ou désactivés en y entrant, et en retournant un morceau d'ADN dans leur chromosome.

Et c'est ainsi qu'ils activent ou désactivent le gène, c'est-à-dire qu'ils entrent et modifient le génome. Il y a une protéine qui inverse l'orientation d'un segment d'ADN. Maintenant, ceux-ci sont un peu géniaux, et nous n'allons pas en parler beaucoup, mais vous devez savoir que presque tout ce qui peut arriver arrive et est exploité de différentes manières par les organismes.

Ainsi, le réarrangement de l'ADN se produit certainement. C'est rare, mais c'est toujours cool quand ça arrive.

Donc, c'est amusant à regarder. Et, quelque chose comme le système immunitaire ne peut pas être considéré comme une simple bizarrerie. C'est une chose incroyablement importante. La forme la plus courante se situe au niveau de la régulation transcriptionnelle, où le fait qu'une transcription soit faite ou non, la façon dont elle est traitée peut être différente. Tout d'abord, l'initiation de la transcription selon laquelle l'ARN polymérase devrait s'asseoir sur ce gène à cette occasion et commencer à le transcrire est une étape potentiellement régulable (sic) que vous n'allez peut-être activer que le gène de la bêta-globine et l'alpha-globine qui, ensemble, forme les deux composants de l'hémoglobine, et vous ne les activerez que dans les globules rouges, ou les précurseurs des globules rouges, et cela pourrait être fait au niveau du fait que vous fassiez ou non le message dans la première place. C'est un endroit où cela peut être fait.

Un autre endroit est les choix d'épissage que vous faites.

En ce qui concerne votre message, vous obtenez cette chose avec un certain nombre d'exons potentiels différents, et vous pouvez réguler la façon dont ce gène est utilisé en décidant de l'épisser de cette façon, et peut-être sauter cet exon, ou ne pas sauter cet exon. Cette épice alternative est un moyen puissant de réguler. Et puis enfin, vous pouvez également réguler au niveau de la stabilité des ARNm.

La stabilité signifie la persistance du message, la dégradation du message. Il se peut que dans certaines cellules, le message soit protégé pour qu'il traîne plus longtemps.

Et, dans d'autres cellules, peut-être, il n'est pas protégé et il se dégrade très rapidement. S'il se dégrade très rapidement, il n'a pas la possibilité de fabriquer une protéine ou peut-être n'a-t-il pas la possibilité de faire trop de copies de la protéine. S'il persiste longtemps, il peut faire beaucoup de copies de protéines.

Toutes ces choses peuvent se produire et se produisent. Ensuite, bien sûr, il y a la régulation au niveau de la traduction.

La traduction, si je vous donne un ARNm, est-ce qu'il sera automatiquement traduit ? Peut-être que la cellule a un moyen de séquestrer l'ARN pour l'accélérer d'une manière ou d'une autre afin qu'il n'atteigne pas le ribosome dans certaines conditions, et dans d'autres conditions, il arrive au ribosome, ou certains moyens de bloquer d'autres manières que de simplement le séquestrer, mais pour bloquer physiquement si ce message est traduit ou non, ce qui s'avère qu'il y en a énormément. Ce n'est, encore une fois, pas le plus courant, mais nous apprenons, en particulier au cours des deux dernières années, que la régulation de la traduction d'un ARNm est importante.

Il y a, bien que je n'en parle pas longuement, un nouvel ensemble passionnant de gènes appelés micro ARN, de minuscules petits ARN qui codent des segments de 21 à 22 paires de bases capables de s'apparier avec un ARN messager et d'interférer partiellement d'une certaine manière. avec sa traduisibilité. Et donc, par le nombre et les types de petits micro-ARN qui sont là, les organismes peuvent modifier à la hausse ou à la baisse l'activité avec laquelle un message particulier est traduit.

Ainsi, la capacité de réglementer la traduction de différentes manières est importante. Et puis, bien sûr, il y a le contrôle post-traductionnel. Une fois qu'une protéine est fabriquée, une régulation post-traductionnelle peut se produire.

Il se peut que la protéine soit modifiée d'une manière ou d'une autre.

Les protéines disent complètement inactives à moins que vous ne mettez un groupe phosphate dessus, et qu'une enzyme arrive et y mette un groupe phosphate. Ou, il est inactif jusqu'à ce que vous enleviez le groupe phosphate.

Toutes sortes de modifications post-traductionnelles peuvent se produire sur les protéines après la formation de la chaîne d'acides aminés, ce qui peut affecter l'activité ou non de la protéine. Chacun d'entre eux est potentiellement une étape par laquelle un organisme peut réguler si vous avez ou non une certaine activité biochimique présente dans une certaine quantité à un certain moment. Et, chacun d'entre eux s'habitue. C'est le problème de l'arrivée d'un système en évolution depuis trois milliards et demi d'années, c'est que même les petites différences peuvent être combattues comme des avantages compétitifs et peuvent être corrigées par un organisme. Donc, si une toute petite chose commençait à aider légèrement l'organisme, elle pourrait atteindre la fixation. Et, vous arrivez à ce système, qui a eu environ trois milliards et demi d'années de correctifs pour le code logiciel, et il y a juste toutes sortes de couches et de régulations empilées dessus. Toutes ces choses arrivent. Mais, ce que nous pensons être le plus important de toute cette collection, c'est ce type.

L'endroit fondamental où vous allez réguler si vous avez ou non le produit d'un gène est de savoir si vous vous souciez de transcrire son ARN. Mais je veux dire parce que, oui? Et quels exons avez-vous utilisés et lesquels ne le sont pas ? Oui, eh bien, il y a des facteurs spécifiques aux tissus qui sont spécifiques aux gènes qui peuvent influencer cela. Et, étonnamment, on en sait peu sur les détails. Il y a quelques cas où les gens le savent, mais comme vous pouvez l'imaginer, vous avez en fait besoin d'un système de régulation dans ce tissu pour pouvoir décider de sauter cet exon.

Et, étonnamment, les mécanismes de cela sont compris dans très peu de cas. Et, vous pourriez penser que l'évolution n'aimerait pas utiliser cela comme la chose la plus courante parce que vous devez vraiment créer une chose spécialisée pour le faire. Donc, c'est ce qui se passe sur ces derniers. C'est une question en particulier pour laquelle je pense qu'il reste encore beaucoup de travail à faire.

La stabilité de l'ARNm, nous en comprenons une partie mais pas tous les facteurs de cette activité.Je vous parlais de la traduction avec ces petits micro-ARN, c'est un truc qui n'a vraiment que quelques années et que les gens ont fini par comprendre. Donc, il y a beaucoup à comprendre à propos de ces choses. Je vais vous parler de l'initiation des ARNm, car c'est le domaine que l'on connaît le plus, et je pense que ça va vous donner une bonne idée du paradigme général.

Mais, tous ceux d'entre vous qui voudront entrer dans ce domaine découvriront qu'il y a encore beaucoup à découvrir sur ces choses.

Ainsi, la quantité de protéines qu'une cellule peut produire varie énormément.

Vos globules rouges, 80% de vos globules rouges, protéines, sont de l'alpha ou de la bêta-globine. C'est une somme énorme. Ce n'est vrai dans aucune autre cellule de votre corps. Nous parlions donc de différences assez importantes quant à la quantité de protéines produites.

Comment des choses comme ça se passent-elles ? Bon, je vais vous décrire le cas le plus simple et classique de régulation génique et bactérienne, et en particulier, le fameux opéron manque d'E coli.

C'était donc le premier cas dans lequel une réglementation a été vraiment élaborée, et elle constitue aujourd'hui un très bon paradigme du fonctionnement de la réglementation. E coli, pour se développer, a besoin d'une source de carbone. En particulier, E coli aime le sucre.

Il aimerait avoir un sucre pour pousser. Si vous avez le choix, quel est le sucre préféré d'E coli ? C'est du glucose, n'est-ce pas, parce que nous avons tout le cycle du glucose. Toute la voie du glucose va au pyruvate, dont nous avons parlé, et le glucose est le sucre préféré pour entrer dans cette voie, OK, de la glycolyse.

Glycolyse : la dégradation du glucose. Mais supposons qu'il n'y ait pas de glucose disponible. E coli est-il prêt à avoir un sucre différent ?

Bien sûr, car E coli n'est pas stupide. S'il refusait un autre sucre, il ne pourrait pas pousser. Ainsi, il a une variété de voies qui vont dériver d'autres sucres vers le glucose, ce qui vous permettra ensuite de passer par la glycolyse, etc. Maintenant, étant donné le choix, il préférerait utiliser le glucose. Mais sinon, supposons que vous lui ayez donné du lactose. Le lactose est un disaccharide. C'est du sucre de lait, et je vais juste faire un bref croquis, donc le lactose est un disaccharide où vous avez un glucose et un galactose.

Le glucose et le galactose sont égaux au lactose. Ainsi, si E coli reçoit du galactose, il est capable de le décomposer en glucose plus galactose.

Et cela grâce à une enzyme particulière appelée bêta-galactosidase, qui décompose les glactosides. Et, cela vous donnera du galactose plus du glucose. Quelle quantité de bêta-galactosidase contient une cellule E coli ? Désolé? Rien? Mais comment fait-il cela ?

Quand il en aura besoin, il le synthétisera. Quand il en a besoin, comme s'il n'y a pas de glucose et qu'il y a beaucoup de galactose, combien y en aura-t-il ? Beaucoup. Il s'avère que dans des circonstances où E coli dépend du galactose comme carburant, quelque chose comme 10% de la protéine totale peut être bêta-gal dans les circonstances où vous avez du galactose mais pas de glucose. Désolé? Désolé, quand vous avez du lactose mais pas de glucose. Merci. Ainsi, lorsque vous avez du lactose mais pas de glucose, E coli a 10% de son poids en protéines sous forme de bêta-galactosidase. Wow. Mais lorsque vous avez du glucose ou que vous n'avez pas de lactose, vous en avez très peu.

Ce pourrait être presque aucun, des traces. Alors, pourquoi faire ça ?

Pourquoi ne pas, par exemple, simplement avoir un compromis beaucoup plus raisonnable ?

Comme, ayons toujours juste 1% de bêta-galactosidase.

Pourquoi avons-nous besoin du 0-10% ? 10% est en fait extrêmement élevé.

Et alors. C'est une bonne police d'assurance. Donc, si je n'ai que du galactose, j'en ai besoin de plus. Eh bien, je veux dire, 1% le digérera toujours. Je vais quand même le faire. Quel est le problème? Désolé?

Alors quoi, je le fais à un rythme plus lent. La vie est longue. Pourquoi pas? Ah, il doit rivaliser. Donc, si la cellule de gauche avait une mutation qui lui permettait de produire quatre fois plus, alors elle absorberait le lactose dans l'environnement, se développerait plus vite, etc. etc., et nous aurions pu rivaliser.

Ainsi, ces petites mutations de réglage ont un effet énorme sur cette population de bactéries concurrentes. Et donc, si E coli pense actuellement que c'est vraiment bien d'avoir presque pas parfois et 10% à d'autres moments, vous pouvez parier que cela a fonctionné grâce au produit d'une concurrence assez rigoureuse, qu'il ne veut pas gaspiller le de l'énergie qui fait cela quand vous n'en avez pas besoin, et que quand vous en avez besoin, vous devez vraiment rivaliser en grandissant aussi vite que vous le pouvez quand vous avez ce lactose autour. D'ACCORD. Alors, comment fait-il entrer le lactose, désolé, gardez-moi honnête sur le lactose par rapport au galactose, dans la cellule ? Il s'avère qu'il possède également un autre produit génique, une autre protéine, qui est une lactose perméase. Et, des suppositions quant à ce que fait une perméase de lactose ? Il rend la cellule perméable au lactose, c'est bien. Ainsi, le lactose peut pénétrer dans la cellule, puis la bêta-gal peut le décomposer en galactose plus glucose. Ces deux choses, en fait, sont toutes les deux régulées, la bêta-gal et cette lactose perméase. Alors, comment ça marche?

Jetons maintenant un œil à la structure de l'opéron manque.

Donc, j'ai mentionné brièvement la dernière fois, qu'est-ce qu'un opéron ? Rappelez-vous que nous avons dit que chez les bactéries, vous fabriquiez souvent un transcrit contenant plusieurs protéines codées.

Un seul ARNm pourrait être fabriqué, plusieurs démarrages de traduction pourraient se produire et vous pourriez fabriquer plusieurs protéines.

Et ce serait une bonne chose si vous vouliez fabriquer un tas de protéines faisant partie de la même voie biochimique.

Un tel objet, un morceau d'ADN régulé qui produit un transcrit codant pour plusieurs polypeptides est appelé un opéron car ils sont exploités ensemble. Voyons donc ici l'opéron de manque. J'ai dit qu'il y avait un promoteur.

Voici un promoteur pour l'opéron, et nous l'appellerons P manque, promoteur de l'opéron manque. Voici le premier gène qui est codé. Ainsi, le message commencera ici, en fait à peu près ici, et commencera à partir. Et, le premier gène porte le nom de manque Z.

Il se trouve qu'il code pour l'enzyme bêta-galactosidase.

Rappelez-vous, ils ont fait une chasse aux mutants, et quand ils ont fait la chasse aux mutants, ils ne savaient pas ce qu'était chaque gène car ils ont isolé des mutants.

Alors, ils leur ont juste donné des noms de lettres. Et donc, ça s'appelle le manque Z. Et tout le monde en biologie moléculaire sait que c'est le gène du manque Z, bien que Z n'ait rien à voir avec la bêta-galactosidase. C'était juste la lettre qui lui avait été donnée.

Mais, c'est coincé. Vient ensuite le manque Y.

Et, cela encode la perméase. Et, il y a aussi le manque A, qui code pour une transacétylase, et en ce qui me concerne vous pouvez l'oublier. OK, mais je viens de mentionner qu'il est là, et qu'il fabrique en fait trois polypeptides.

On ne s'en souciera pas, d'accord, mais ça fait une transacétylase, d'accord ? Mais cela ne figurera pas dans ce dont nous allons parler, et en fait, on sait remarquablement peu de choses sur la transacétylase. Il y a aussi un autre gène dont je dois parler, et c'est ici, et il s'appelle le manque I. Et il a aussi un promoteur, que nous pouvons appeler PI, pour le promoteur du manque I.

Et, cela code une protéine très intéressante.

Donc, nous obtenons ici un message codant pour un polypeptide ici.

Cet ARNm code pour un polypeptide. C'est monocystronique. Ce type ici est un message polycystronique. Il a plusieurs cystrons, qui est l'ancien nom poussiéreux de ces régions qui ont été traduites en protéines distinctes. Et donc, c'est cet ARNm.

Donc, le manque I, cela code une protéine très intéressante, qui s'appelle le répresseur de manque. Le répresseur de manque, en fait je vais le faire descendre un instant, n'est pas une enzyme.

Ce n'est pas un canal auto-surface pour mettre du galactose.

C'est une protéine de liaison à l'ADN. Il se lie à l'ADN. Mais ce n'est pas une protéine de liaison à l'ADN non spécifique qui se lie à un ancien ADN.

Il a une préférence spécifique à la séquence.

C'est une protéine qui a une confirmation particulière, une forme particulière, un ensemble particulier d'acides aminés qui dépasse, qu'elle s'est combinée dans le sillon principal de l'ADN d'une manière spécifique à une séquence, de sorte qu'elle aime particulièrement reconnaître une certaine séquence de nucléotides et s'y lie. Où est la séquence spécifique de nucléotides où ce type aime se lier ? Il se trouve que c'est là.

Et c'est ce qu'on appelle la séquence opérateur ou le site opérateur.

Ainsi, cette protéine aime aller s'y lier. Au fait, j'ai dessiné ceci, de sorte que ce site de l'opérateur chevauche en fait le site du promoteur.

Qui aime se lier sur le site du promoteur ? ARN polymérase.

Que va-t-il se passer si la protéine répresseur de manque est là ?

L'ARN polymérase ne peut pas se lier. C'est juste physiquement, bloqué de la liaison. Alors, examinons quelques cas ici.

Supposons que nous regardions ici notre gène. Nous avons notre promoteur, P manque. Nous avons le site de l'opérateur ici. Nous avons le gène du manque Z ici, et nous avons le répresseur du manque, le manque I, le répresseur assis là.

Polymerase essaie de s'en sortir, et c'est bloqué.

Alors, que va-t-il se passer au niveau de la transcription de l'opéron manque : pas d'ARNm. Alors, c'est super.

Nous avons donc résolu un problème dès le départ.

Nous voulons être sûrs que parfois aucun ARNm ne sera fabriqué.

De cette façon, nous n'allons pas gaspiller d'énergie métabolique en produisant de la bêta-galactosidase. Avons-nous fini? Non? Pourquoi pas.

Nous devons parfois fabriquer de la bêta-galactosidase.

Donc, nous devons enlever ce répresseur là-bas. Eh bien, comment le répresseur va-t-il se déclencher là-bas ? Quand voulons-nous que le répresseur s'en aille : quand il y a du lactose.

Donc, d'une manière ou d'une autre, nous devons construire une sorte de mécanisme sensoriel élaboré qui soit capable de dire quand le lactose est présent, et d'envoyer un signal à la protéine répresseur disant, hé, le lactose est là. Le signal est transmis jusqu'à la protéine répresseur, et la protéine répresseur se détache.

Quel genre de mécanisme sensoriel élaboré pourrait être construit ?

Utiliser le lactose comme quoi ? Donc, c'est en fait assez simple.

Vous dites simplement prendre du lactose, et vous voulez que le lactose soit son propre signal ? Donc, si le lactose devait simplement se lier au répresseur, le répresseur pourrait alors savoir qu'il y avait du lactose autour.

Eh bien, que ferait-il si le lactose s'y liait ? Désolé? Pourquoi tomberait-il ? Ouais. Plus intéressé par le lactose.

Donc, si vous êtes une suggestion, c'est bien. J'aime le travail de conception qui se passe ici. La suggestion est que si le lactose se lie à cela ici, se lie à notre répresseur, il va tomber parce qu'il s'intéresse plus au lactose qu'à l'ADN. Maintenant, comment l'intérêt est-il réellement transmis à quelque chose de matériel ? Étant donné que le niveau réel d'appréciation ou d'aversion cognitive pour l'ADN de la part de ce polypeptide n'est pas clair, vous pouvez être en train d'anthropomorphiser légèrement en ce qui concerne cette chaîne polypeptidique. Alors, mécaniquement, que va-t-il se passer ? Forme. Oui, la forme ? Changer la confirmation, l'acte de liaison, l'acte de lier le lactose crée de l'énergie, peut changer la forme de la protéine, et cette forme de la protéine peut, en se tortillant pour lier le lactose, peut en dévier une autre partie qui maintenant ne se lie plus aussi bien à l'ADN. C'est exactement ce qui se passe.

Bon travail. Donc, vous avez conçu, en fait, ce qui se passe réellement. Ce qui se passe, c'est ce qu'on appelle un changement allostérique. Cela signifie simplement une autre forme.

Donc, il change juste de forme, qu'il change de forme lors de la liaison du lactose. Et il tombe parce qu'il est moins approprié pour lier cette séquence d'ADN particulière lorsqu'il est lié au lactose là-bas. Ainsi, dans ce cas, en présence de lactose, le manque I ne se lie pas.

Et, l'opéron de manque est transcrit. Oui? Euh-oh. OK, d'accord les designers, là nous avons un problème. Vous avez un système tellement cool, non? Vous alliez sentir le lactose.

Le lactose allait se lier au répresseur de manque, changer sa chute de confirmation : uh-oh. Mais, comme vous le soulignez, comment va-t-il obtenir du lactose, car il n'y a pas de lactose perméase car la lactose perméase est fabriquée par le même opéron. Alors, que se passe-t-il si, en fait, au lieu d'obtenir l'un de ces types de taches de moulin DOD d'un répresseur qui est absolument si serré qu'il ne tombe jamais en aucune circonstance, et si nous construisions un répresseur légèrement bâclé qui tombe de temps en temps, et permet occasionnellement la transcription de l'opéron de manque ? Ensuite, nous aurons des traces de perméase autour. Avec un peu de perméase, un peu de lactose entrera.

Et, tant que même un peu de lactose entre, il va maintenant déplacer l'équilibre de sorte que le répresseur soit plus éteint, et bien sûr cela fera plus de perméabilité, et changera, et changera, et changera, et changera. Donc, tant que ce n'est pas si parfaitement conçu qu'il n'y a rien à transcrire, donc aucun ARNm n'est vraiment très peu d'ARNm. Vous voyez, c'est ce qui est si bien, je pense, que les étudiants du MIT apprennent ce genre de choses parce qu'il y a toutes sortes de principes de conception merveilleux ici sur la façon dont vous construisez des systèmes. Et, je pense que c'est juste un très bon exemple de la façon dont vous construisez un système comme celui-ci.

Bon, d'accord, nous avons maintenant la possibilité d'avoir un manque et un manque, et c'est un manque, principalement à cause de votre problème de perméation : très bien. Maintenant, faisons une petite digression sur, comment savons-nous cela? Ce genre de raisonnement, je vous ai maintenant donné la réponse. Mais jetons un coup d'œil à la compréhension des preuves qui vous permettent de conclure cela.

Alors, pour ce faire, et c'est le fameux travail de biologie moléculaire de Jacobin Manoux à la fin des années 50 pour lequel ils ont remporté un prix Nobel, ils ont voulu collecter des mutants.

Rappelez-vous, c'est avant l'époque de la séquence d'ADN ou quelque chose comme ça, et je voulais collecter des mutants qui ont affecté ce processus.

Ainsi, afin de collecter les mutants qui ont bousillé la réglementation, ils savaient que la bêta-galactosidase était produite en quantité beaucoup plus élevée si le lactose était présent. La difficulté avec cela était que le type sauvage E coli, quand vous n'aviez pas de lactose produirait très peu de bêta-gal, une unité de bêta-gal, et en présence de lactose, produirait beaucoup, appelons cela 1, 00 unités de bêta-gal. Mais, le problème avec jouer avec cela est que le lactose remplit deux rôles différents.

Le lactose est à la fois l'inducteur de l'expression du gène du fait de sa liaison au répresseur, etc., etc.

Mais c'est aussi le substrat de l'enzyme, car au fur et à mesure que la bêta-galactosidase est fabriquée, elle décompose le lactose. Donc, il y a moins de lactose dans la liaison, et si vous voulez vraiment étudier les contrôles réglementaires, vous avez le problème que la chose qui induit le gène en se liant au répresseur est la chose qui est détruite par le produit du gène. Donc, cela va vraiment compliquer la cinétique de l'étude d'un tel processus. Ce serait très bien si vous pouviez fabriquer une forme de lactose qui pourrait induire la bêta-galactosidase en se liant au répresseur, mais qui ne serait pas elle-même digérée.

Chimiquement, en fait, vous pouvez le faire. Chimiquement, il est possible de fabriquer une molécule appelée IPTG, qui est un analogue du galactoside. Et, ce qu'il fait, c'est cette molécule ici que je vais juste esquisser très rapidement ici, c'est un soufre là, et vous pouvez voir vaguement similaire, cela peut être un inducteur.

Il induira du bêta-gal, mais pas un substrat. Il ne sera pas digéré.

Donc, il restera aussi longtemps que vous le souhaitez. Il est également très pratique d'utiliser une molécule qui a été développée appelée ex-gal.

Ex-gal a encore une partie sucre, et puis il a aussi ce genre de double anneau drôle ici, qui est un chlore, et un brome, etc. Et, ce type ici n'est pas un inducteur. Il n'est pas capable d'être induit, d'induire l'expression de la bêta-galactosidase. Mais, c'est un substrat.

Il sera décomposé par l'enzyme, et plutôt proprement quand il est décomposé il devient bleu. Ces deux produits chimiques se sont avérés très utiles pour essayer de régler la régulation de l'opéron manque. Donc, si je, au lieu d'ajouter du lactose, si je pense à ajouter de l'IPTG, mon inducteur, lorsque j'ajoute de l'IPTG, je vais produire de la bêta-gal. Quand je n'ai pas IPTG, je ne produis pas de bêta-gal. Mais alors, je n'ai pas de problème à ce que cela s'use. Alors maintenant, quel genre de mutant pourrais-je rechercher ? Je pourrais rechercher un mutant qui, même en l'absence de l'inducteur, l'IPTG, produit encore beaucoup de bêta-gal. Maintenant, je peux aussi rechercher des mutants qui, quoi qu'il arrive, ne produisent jamais de bêta-gal, n'est-ce pas ? Mais, quels seraient-ils probablement? Il s'agirait probablement de mutations structurelles affectant la séquence codante de la bêta-gal, n'est-ce pas ? Ceux-là arriveront.

Je peux collecter des mutations qui font que E coli ne produit jamais de bêta-gal. Mais ce n'est pas aussi intéressant que de collecter des mutations qui bloquent la répression qui provoque la production de bêta-gal tout le temps. Alors, comment pourrais-je trouver un tel mutant ?

Je veux trouver un mutant qui produit beaucoup de bêta-gal même lorsqu'il n'y a pas d'IPTG. Alors, plaçons un peu d'E coli dans une assiette. Doit-on mettre l'IPTG dans une assiette ? Non, donc pas d'IPTG.

Qu'est-ce que je recherche ? Comment puis-je savoir si l'un de ces gars ici produit beaucoup de bêta-gal ? Ouais?

Donc, pas d'IPTG, mais mis sur ex-gal, et si quelqu'un produit beaucoup de bêta-gal, que se passe-t-il ? Ils deviennent bleus : très facile de traverser beaucoup d'E coli comme ça à la recherche de quelque chose de bleu.

Et ainsi, beaucoup de mutants bleus ont été collectés.

Et, ces produits chimiques sont encore utilisés aujourd'hui. Ils sont couramment utilisés dans les laboratoires, les ex-galeries et des trucs comme ça, ce qui fait que les bogues deviennent bleus parce que cela s'est avéré être un système tellement bien étudié que nous l'utilisons pour beaucoup de choses. Ainsi, des mutants constitutifs ont été trouvés. Ainsi, des mutants ont été trouvés qui étaient des mutants constitutifs. Mutants constitutifs : sens s'exprimant tout le temps, non plus régulé, donc, caractérisant ces mutants constitutifs.

Il s'avère qu'ils appartenaient à deux classes différentes de mutants constitutifs. Si nous avions assez de temps, et que vous pouviez lire les journaux et tout, ce que je ferais, c'est de vous donner les descriptions que Jacobin Maneaux a eues de ces drôles de mutants qu'ils ont isolés et qu'ils essayaient de caractériser, et comment découvrir ce qui était passe.

Mais, c'est compliqué et difficile, et ça fait mal à la tête si vous ne savez pas quelle est la réponse. Donc, je vais d'abord vous dire la réponse de ce qui se passe, puis voir en quelque sorte comment vous sauriez que c'était le cas. Mais, imaginez que vous ne connaissiez pas cette réponse et que vous deviez la résoudre à partir des données.

Donc, supposons que nous l'ayons eu, donc s'il devait y avoir deux types de mutants : le mutant numéro un sont des constituants de l'opérateur.

Ils ont une séquence d'opérateurs défectueuse. Des mutations se sont produites sur le site de l'opérateur. Le mutant numéro deux a une protéine répresseur défectueuse, le gène de la protéine répresseur.

Comment puis-je faire la différence?

Donc, je pourrais avoir un problème dans mon site opérateur.

Quel serait le problème avec le site de l'opérateur ?

Une mutation de la séquence empêche le répresseur de s'y lier, d'accord ? Ainsi, un site opérateur défectueux ne lie pas les répresseurs. Répresseur défectueux, le site de l'opérateur est très bien, mais je n'ai pas de répresseur à lier.Alors comment faire la différence ? Une façon de faire la différence est de commencer à croiser les mutants ensemble avec le type sauvage et de se demander s'ils sont dominants ou récessifs, ou des choses comme ça ?

Maintenant, voici un petit problème. E Coli n'est pas un diploïde, donc vous ne pouvez pas croiser deux E colis et faire un E coli diploïde, non ? C'est un procaryote. Il n'a qu'un seul génome. Mais, il s'avère que vous pouvez créer des diploïdes temporaires, des diploïdes partiels à partir d'E coli, car il s'avère que vous pouvez reproduire des bactéries. Les bactéries, qui ont ici un chromosome bactérien, s'engagent également dans le sexe et au cours du sexe bactérien, des plasmides peuvent être transférés appelés, par exemple, un facteur F, peuvent être transférés d'une autre bactérie. Et, grâce aux merveilles du mérodiploïde partiel, vous pouvez obtenir temporairement des E colis, ou vous pouvez obtenir définitivement des E colis, qui sont partiellement diploïdes. Alors, tu peux faire ce que je m'apprête à dire. Mais, au cas où vous seriez inquiet au sujet de mon écriture de génotypes diploïdes pour E coli, vous pouvez réellement le faire.

Vous pouvez faire des diploïdes partiels. Alors, essayons un génotype ici.

Supposons que le répresseur soit de type sauvage, que l'opérateur soit de type sauvage et que le gène manquant Z soit de type sauvage. Et, supposons que je n'ai pas d'IPTG, je ne suis pas induit. J'ai une unité de bêta-gal. Quand j'ajoute mon inducteur, que se passe-t-il ? Je reçois 1 000 unités de bêta-gal.

Maintenant, supposons que j'aurais une mutation constitutive d'opérateur.

Ensuite, le site de l'opérateur est défectueux. Il ne lie pas le répresseur. Beta-gal va s'exprimer tout le temps, même en l'absence. D'accord, eh bien, c'était, bien sûr, ce pour quoi nous avons choisi. Maintenant, supposons que j'aie fait le diploïde suivant.

I plus, O plus, Z plus, sur I plus, O constitutif, Z plus. Alors, voici mon diploïde. Quel serait le phénotype ? Donc, en d'autres termes, l'un des chromosomes a un problème d'opérateur.

Eh bien, cela signifie que ce chromosome ici va toujours exprimer de manière constitutive la bêta-gal.

Mais qu'en est-il de ce chromosome ici ? Ce ne sera pas le cas. Donc, ce serait environ 1, 01, plus ou moins, parce qu'il y a un chromosome qui fait cela et un chromosome qui fait cela, et celui-ci serait environ 2, 00. Maintenant, cette différence quantitative n'a pas beaucoup d'importance. Ce que vous avez vraiment vu lorsque vous avez fait la biologie moléculaire, c'est que lorsque vous aviez une copie de la mutation constitutive de l'opérateur, vous aviez encore beaucoup de bêta-gal ici même en l'absence d'IPTG. Ainsi, ce site constitutif de l'opérateur semblait être dominant par rapport à ce site plus ici.

Mais maintenant, essayons celui-ci ici. I plus, O plus, Z plus, sur I plus, opérateur constitutif, Z moins. Que se passe-t-il alors ?

Ce site constitutif opérateur permet une transcription constante de cette copie particulière. Mais, cette copie particulière peut-elle faire une bêta-gal fonctionnelle et fonctionnelle ? Non. Donc, cela ressemble, quand vous faites vos croisements génétiques, vous trouvez que l'opérateur constitutif, maintenant, si je les inverse ici, supposons que je les inverse, I plus, O plus, Z moins, I plus, O constitutif, Z plus, les mêmes génotypes, à droite, sauf que j'ai inversé sur quel chromosome ils se trouvent.

Maintenant, que se passe-t-il ? Ce chromosome là : toujours en beta-gal et ça marche. Ce chromosome ici : ne faisant pas de bêta-gal.

Même s'il est réglementé, c'est un mutant. Donc, en d'autres termes, à partir de cette expérience même, vous pouvez dire que le site opérateur n'affecte que le chromosome sur lequel il se trouve physiquement, qu'il ne fabrique pas une protéine qui flotte.

Ce qu'il fait, c'est qu'il fonctionne dans cys. In cys signifie sur le même chromosome. Il fonctionne physiquement sur le même chromosome.

Voyons maintenant, par contraste, les propriétés des mutants répresseurs de manque. Si je vous donne un mutant répresseur de manque, I plus, O plus, Z plus est le type sauvage.

I constitutif, O plus, Z plus : que se passe-t-il ici ?

Ce type sauvage est un sur 1, 00. Ce type ici : 1 000 et 1, 00, et puis ici regardons un diploïde : I plus, O plus, Z plus, I constitutif, O plus, Z plus. Quel est l'effet ? Le je constitutif ne fait pas un répresseur fonctionnel. Mais, je plus fait un répresseur fonctionnel. Alors, cela montrera-t-il le règlement?

Oui, ce sera très bien réglementé. Cela fonctionne très bien, et en fait ça fera 2 000, et ça fera deux copies là-bas.

Mais encore une fois, les unités n'ont pas trop d'importance. Et, au contraire, si je vous donne I plus, O plus, Z moins, et I constitutif, O plus, Z plus, que se passera-t-il ?

Ici, j'ai ma mutation sur ce chromosome. Mais ça n'a pas d'importance parce que j'ai ma mutation sur ce chromosome dans le répresseur. J'ai une mutation sur le manque Z ici, mais tant que j'ai une copie fonctionnelle, une copie fonctionnelle du répresseur de manque, ça marche sur les deux chromosomes.

Cela fonctionnera sur les deux chromosomes, et donc en d'autres termes ce répresseur manque, une copie fonctionne sur les deux chromosomes. En d'autres termes, il fait un produit qui diffuse autour et peut fonctionner sur l'un ou l'autre des chromosomes, et on dit qu'il fonctionne en trans, c'est-à-dire en travers.

Ainsi, l'opérateur travaille dans cys. Il fonctionne uniquement sur son propre chromosome. Une mutation chez l'opérateur n'affecte que le chromosome sur lequel il vit, alors qu'une copie fonctionnelle du répresseur de manque flottera car c'est une protéine, et c'est ainsi que Jacobin Maneaux a fait la différence.

Ils ont prouvé leur modèle en montrant que ces deux types de mutations avaient des propriétés très différentes. Les mutations de l'opérateur n'affectaient que le chromosome physique sur lequel elles se produisaient, ce qu'ils devaient bien sûr déduire de la génétique qu'ils faisaient, alors que le répresseur, un répresseur de copie fonctionnel, pouvait agir sur n'importe quel chromosome de la cellule.

Alors, d'accord, nous l'avons. Maintenant, dernier point, qu'en est-il du glucose ?

Je n'ai pas dit un mot sur le glucose. Vous voyez, c'était un gros problème pour les gens.

Ce modèle, le modèle du répresseur, nous avons ce répresseur. Et le glucose ? Que fait le glucose sur cette image ?

Alors, contrôle de la glycémie : voici donc mon gène. Voici mon promoteur, P manque. Voici mon opérateur, bêta-gal.

C'est encodé par manque Z. Vous avez tout ça. Quand ce type est présent, désolé, quand le lactose est présent, le répresseur se détache. La polymérase s'assoit. Attendez une seconde, la polymérase n'est pas censée s'asseoir à moins qu'il n'y ait pas de glucose.

Nous avons besoin d'un autre capteur pour dire s'il y a du glucose, ou s'il y a un faible taux de glucose. Donc, nous allons avoir besoin d'un capteur qui le dise. Des idées? Ouais?

Oui, si vous travaillez sur celui-là, je ne pense pas que cela fonctionne tout à fait. Mais, vous avez l'idée de base. Vous allez vouloir quelque chose d'autre, et il s'avère qu'il y a un autre site ici, d'accord ? Il y a un deuxième site sur lequel une protéine complètement différente se lie. Et, cette protéine est la protéine régulatrice de l'AMP cyclique, et il se trouve que dans la cellule, quand il y a de faibles quantités de glucose, permettez-moi de m'assurer que j'ai bien compris, quand il y a de faibles quantités de glucose, ce que nous avons est élevé quantités d'AMP cyclique. L'AMP cyclique s'avère, alors que le lactose est utilisé directement comme signal, l'AMP cyclique est utilisé ici comme signal. Lorsque la cellule a de faibles quantités de glucose, elle a des quantités élevées d'AMP cyclique. Maintenant, que voulez-vous que votre AMP cyclique fasse ? Comment allons-nous concevoir cela ?

Il va se lier à une protéine, la protéine régulatrice de l'AMP cyclique, il va s'asseoir, et maintenant que va-t-il faire ?

Est-ce que ça va bloquer l'ARN polymérase ?

Que voulons-nous faire ? S'il y a un taux de glucose bas et un taux d'AMP cyclique élevé, nous nous asseyons sur le site, nous voulons activer la transcription maintenant, n'est-ce pas ? Donc, ce qu'il doit faire, ce n'est pas bloquer l'ARN polymérase, mais aider l'ARN polymérase. Donc, ce qu'il fait, c'est qu'au lieu d'être un répresseur, c'est un activateur. Et ce qu'il fait, c'est qu'il rend la liaison de l'ARN polymérase plus attrayante, et il le fait en fait, en fait il le fait légèrement en pliant l'ADN.

Mais, ce qu'il fait, c'est qu'il facilite la liaison de l'ARN polymérase.

Il s'avère que le promoteur est une sorte de promoteur minable.

C'est en fait juste comme, rappelez-vous que le répresseur n'était pas parfait, le promoteur n'est pas parfait non plus. Le genre de minable du promoteur.

Et, à moins que l'ARN polymérase ne reçoive un peu d'aide de cette autre protéine régulatrice, cela ne fonctionne pas.

Nous avons deux contrôles : un régulateur négatif répondant à un signal environnemental, un activateur positif répondant à un signal environnemental, aidant la polymérase à décider de transcrire ou non, et c'est ainsi qu'un œuf humain passe à un adulte complet et vit toute sa vie, moins quelques autres détails. Certains détails sont omis, mais c'est une esquisse de la façon dont vous activez et désactivez les gènes.


Régulation par les facteurs de transcription chez les bactéries : au-delà de toute description

La transcription est une étape essentielle dans l'expression des gènes et sa compréhension a été l'un des intérêts majeurs de la biologie moléculaire et cellulaire. En ajustant avec précision l'expression des gènes, la régulation transcriptionnelle détermine la machinerie moléculaire pour la plasticité du développement, l'homéostasie et l'adaptation. Dans cette revue, nous transmettons les idées ou concepts principaux de la régulation par les facteurs de transcription et donnons juste assez d'exemples pour étayer ces idées principales, évitant ainsi une énumération classique de faits. Nous passons en revue les concepts et développements récents : éléments cis et facteurs de régulation trans, organisation et structure des chromosomes, réseaux de régulation transcriptionnelle (TRN) et transcriptomique. Nous résumons également de nouvelles découvertes importantes qui affecteront probablement l'orientation de la recherche en régulation des gènes : épigénétique et stochasticité dans la régulation transcriptionnelle, circuits synthétiques et plasticité et évolution des RRT. Bon nombre des nouvelles découvertes dans la régulation des gènes ne sont pas testées de manière approfondie avec des approches de laboratoire humide. Par conséquent, nous passons en revue ce vaste domaine dans l'inférence des RRT et les modèles dynamiques des RRT. Enfin, nous avons reculé pour retracer les origines de ces concepts modernes, synthétisant leur histoire dans un schéma chronologique.


16.2 Régulation des gènes procaryotes

Dans cette section, vous explorerez la question suivante :

  • Que sont les opérons et quels sont les rôles des activateurs, des inducteurs et des répresseurs dans la régulation des opérons et de l'expression des gènes ?

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La régulation de l'expression des gènes dans les cellules procaryotes se produit au niveau transcriptionnel. En termes simples, si une cellule ne transcrit pas le message de l'ADN en ARNm, la traduction (synthèse des protéines) ne se produit pas. Les gènes bactériens sont souvent organisés en voies ou processus communs appelés opérons pour une régulation plus coordonnée de l'expression. Par exemple, dans E. coli, les gènes responsables du métabolisme du lactose sont regroupés sur le chromosome bactérien. (Le modèle de l'opéron comprend plusieurs composants. Par conséquent, lorsque vous étudiez le fonctionnement de l'opéron, il est utile de se référer à un schéma du modèle. Voir Figure 16.3 et Figure 16.4.) L'opéron comprend un gène régulateur qui code pour une protéine répresseur qui se lie à l'opérateur, ce qui empêche l'ARN polymérase de transcrire le ou les gènes d'intérêt. Un exemple de ceci est vu dans les gènes de structure pour le métabolisme du lactose. Cependant, si le répresseur est inactivé, l'ARN polymérase se lie au promoteur et la transcription des gènes de structure se produit.

Il existe trois manières de contrôler la transcription d'un opéron : le contrôle inductible, le contrôle répressible et le contrôle activateur. Les lac L'opéron est un exemple de contrôle inductible car la présence de lactose « active » la transcription des gènes de son propre métabolisme. Les trp L'opéron est un exemple de contrôle répressible car il utilise des protéines liées à la séquence opérateur pour empêcher physiquement la liaison de l'ARN polymérase. Si le tryptophane n'est pas nécessaire à la cellule, les gènes nécessaires à sa production sont désactivés. Le contrôle de l'activateur (caractérisé par l'action de la protéine activatrice de catabolite) augmente la capacité de liaison de l'ARN polymérase au promoteur. Certains gènes sont continuellement exprimés via ce mécanisme de régulation.

Les informations présentées et les exemples mis en évidence dans la section soutiennent les concepts décrits dans la grande idée 3 du cadre du programme d'études en biologie AP ® . Les objectifs d'apprentissage énumérés dans le cadre du programme d'études fournissent une base transparente pour le cours de biologie AP ®, une expérience de laboratoire basée sur l'enquête, des activités pédagogiques et des questions d'examen AP ®. Un objectif d'apprentissage fusionne le contenu requis avec une ou plusieurs des sept pratiques scientifiques.

Grande idée 3 Les systèmes vivants stockent, récupèrent, transmettent et répondent aux informations essentielles aux processus de la vie.
Compréhension durable 3.B L'expression de l'information génétique fait intervenir des mécanismes cellulaires et moléculaires.
Connaissances essentielles 3.B.1 La régulation génique entraîne une expression génique différentielle, conduisant à une spécialisation cellulaire
Pratique scientifique 1.4 L'étudiant peut utiliser des représentations et des modèles pour analyser des situations ou résoudre des problèmes qualitativement et quantitativement
Objectif d'apprentissage 3.21 L'étudiant peut utiliser des représentations pour décrire comment la régulation des gènes influence les produits et la fonction cellulaires.
Connaissances essentielles 3.B.2 Une variété de transmissions de signaux intercellulaires et intracellulaires médient l'expression des gènes.
Pratique scientifique 1.4 L'étudiant peut utiliser des représentations et des modèles pour analyser des situations ou résoudre des problèmes qualitativement et quantitativement.
Objectif d'apprentissage 3.23 L'étudiant peut utiliser des représentations pour décrire les mécanismes de régulation de l'expression des gènes.

Soutien aux enseignants

Lorsque vous discutez des opérons avec les élèves, mettez-les au défi de réfléchir à ce qui se passerait s'il y avait une mutation génétique qui perturbait la fonction de l'une des protéines qui contrôle la transcription de l'opéron. Par exemple, si la protéine répresseur dans le lac l'opéron a une mutation qui l'empêche de se lier au lactose, alors le répresseur restera lié à l'opérateur et empêchera la transcription de l'opéron même en présence de lactose. Cette vidéo décrit deux autres exemples de mutations dans le lac opéron.

Introduire la régulation de la transcription dans le lac opéron utilisant des visuels tels que cette vidéo.

L'ADN des procaryotes est organisé en un chromosome circulaire superenroulé dans la région nucléoïde du cytoplasme cellulaire. Les protéines nécessaires à une fonction spécifique ou impliquées dans la même voie biochimique sont codées ensemble dans des blocs appelés opérons. Par exemple, tous les gènes nécessaires pour utiliser le lactose comme source d'énergie sont codés les uns à côté des autres dans le lactose (ou lac) opéron.

Dans les cellules procaryotes, il existe trois types de molécules régulatrices qui peuvent affecter l'expression des opérons : les répresseurs, les activateurs et les inducteurs. Les répresseurs sont des protéines qui suppriment la transcription d'un gène en réponse à un stimulus externe, tandis que les activateurs sont des protéines qui augmentent la transcription d'un gène en réponse à un stimulus externe. Enfin, les inducteurs sont de petites molécules qui activent ou répriment la transcription en fonction des besoins de la cellule et de la disponibilité du substrat.

Les trp Opéron : un opéron répresseur

Des bactéries telles que E. coli besoin d'acides aminés pour survivre. Le tryptophane est l'un de ces acides aminés qui E. coli peut ingérer de l'environnement. E. coli peut également synthétiser le tryptophane à l'aide d'enzymes codées par cinq gènes. Ces cinq gènes sont côte à côte dans ce qu'on appelle le tryptophane (trp) opéron (Figure 16.3). Si le tryptophane est présent dans l'environnement, alors E. coli n'a pas besoin de le synthétiser et le commutateur contrôlant l'activation des gènes dans le trp l'opéron est désactivé. Cependant, lorsque la disponibilité du tryptophane est faible, le commutateur contrôlant l'opéron est activé, la transcription est initiée, les gènes sont exprimés et le tryptophane est synthétisé.

Une séquence d'ADN qui code pour les protéines est appelée région codante. Les cinq régions codantes pour les enzymes de biosynthèse du tryptophane sont disposées séquentiellement sur le chromosome dans l'opéron. Juste avant la région codante se trouve le site de démarrage de la transcription. C'est la région de l'ADN à laquelle l'ARN polymérase se lie pour initier la transcription. La séquence du promoteur est en amont du site de démarrage de la transcription. Chaque opéron a une séquence à l'intérieur ou à proximité du promoteur auquel des protéines (activateurs ou répresseurs) peuvent se lier et réguler la transcription.

Une séquence d'ADN appelée séquence opérateur est codée entre la région promotrice et la première trp gène codant. Cet opérateur contient le code ADN auquel la protéine répresseur peut se lier. Lorsque le tryptophane est présent dans la cellule, deux molécules de tryptophane se lient au trp répresseur, qui change de forme pour se lier au trp opérateur. La liaison du complexe tryptophane-répresseur au niveau de l'opérateur empêche physiquement l'ARN polymérase de se lier et de transcrire les gènes en aval.

Lorsque le tryptophane n'est pas présent dans la cellule, le répresseur par lui-même ne se lie pas à l'opérateur donc, l'opéron est actif et le tryptophane est synthétisé. Parce que la protéine répresseur se lie activement à l'opérateur pour maintenir les gènes éteints, le trp l'opéron est régulé négativement et les protéines qui se lient à l'opérateur font taire trp expression sont des régulateurs négatifs.


Les principes de régulation des gènes relient quantitativement l'ADN à l'ARN et aux protéines des bactéries

Les bactéries allouent leur protéome aux fonctions cellulaires différemment dans différentes conditions de croissance. On ignore en grande partie comment une telle attribution découle de mécanismes connus de régulation des gènes alors qu'elle est limitée par une capacité de traduction limitée et une densité de protéines fixe. Ici, nous avons effectué une analyse transcriptomique et protéomique absolue pour E. coli dans de nombreuses conditions, obtenant une pléthore de résultats sur les caractéristiques des promoteurs et des ARNm qui entrent en conflit avec les attentes conventionnelles : la majorité des ARNm présentent des efficacités de traduction similaires, tandis que les forces des promoteurs sont très différentes selon les gènes. Ces caractéristiques prescrivent deux principes de régulation génique guidant les bactéries pour atteindre l'allocation de protéines souhaitée sous des contraintes globales : la production transcriptionnelle totale est étroitement coordonnée avec l'activité ribosomique, et les concentrations de protéines individuelles sont largement fixées par la transcription. Ces deux principes conduisent à une formulation quantitative du dogme central qui dévoile la relation complexe entre les activités de régulation des gènes et les concentrations d'ARNm/protéines dans toutes les conditions. Les connaissances obtenues seront inestimables pour déduire avec précision les interactions de régulation des gènes à partir de données « omiques », ainsi que pour guider la conception de circuits génétiques pour des applications de biologie synthétique dans E. coli et d'autres organismes.


Régulation des gènes : Bactérien*# - Biologie

Chez les bactéries et les archées, les protéines structurelles ayant des fonctions connexes, telles que les gènes qui codent pour les enzymes qui catalysent les nombreuses étapes d'une seule voie biochimique, sont généralement codées ensemble dans le génome dans un bloc appelé un opéron et sont transcrits ensemble sous le contrôle d'un seul promoteur. Cela forme un transcrit polycistronique (Figure 1). Le promoteur a alors un contrôle simultané sur la régulation de la transcription de ces gènes de structure car soit ils seront tous nécessaires en même temps, soit aucun ne sera nécessaire.

Figure 1. Chez les procaryotes, les gènes de structure de fonction apparentée sont souvent organisés ensemble sur le génome et transcrits ensemble sous le contrôle d'un seul promoteur. La région régulatrice de l'opéron comprend à la fois le promoteur et l'opérateur. Si un répresseur se lie à l'opérateur, alors les gènes de structure ne seront pas transcrits. Alternativement, les activateurs peuvent se lier à la région régulatrice, améliorant la transcription.

Les scientifiques français François Jacob (1920-2013) et Jacques Monod à l'Institut Pasteur ont été les premiers à montrer l'organisation des gènes bactériens en opérons, à travers leurs études sur la lac opéron de E. coli. Ils ont trouvé qu'en E. coli, tous les gènes de structure qui codent pour les enzymes nécessaires à l'utilisation du lactose comme source d'énergie se trouvent les uns à côté des autres dans le lactose (ou lac) opéron sous le contrôle d'un promoteur unique, le lac promoteur. Pour ce travail, ils ont remporté le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1965.

Chaque opéron comprend des séquences d'ADN qui influencent sa propre transcription. Celles-ci sont situées dans une région appelée région régulatrice. La région régulatrice comprend le promoteur et la région entourant le promoteur, à laquelle facteurs de transcription, protéines codées par des gènes régulateurs, peuvent se lier. Les facteurs de transcription influencent la liaison de ARN polymérase au promoteur et permettre à sa progression de transcrire les gènes de structure. UNE répresseur est un facteur de transcription qui supprime la transcription d'un gène en réponse à un stimulus externe en se liant à une séquence d'ADN dans la région régulatrice appelée opérateur, qui est situé entre le site de liaison à l'ARN polymérase du promoteur et le site de démarrage de la transcription du premier gène de structure. La liaison du répresseur bloque physiquement l'ARN polymérase de la transcription des gènes de structure. A l'inverse, un activateur est un facteur de transcription qui augmente la transcription d'un gène en réponse à un stimulus externe en facilitant la liaison de l'ARN polymérase au promoteur. Un inducteur, un troisième type de molécule régulatrice, est une petite molécule qui active ou réprime la transcription en interagissant avec un répresseur ou un activateur.

D'autres gènes dans les cellules procaryotes sont nécessaires tout le temps. Ces produits génétiques seront exprimé constitutivement, ou allumé en continu. La plupart des gènes exprimés de manière constante sont des gènes « d'entretien » responsables de la maintenance globale d'une cellule.


Activateur

Un exemple d'activateur est la protéine CAP. En présence d'AMPc, le CAP se lie au promoteur et augmente l'activité de l'ARN polymérase. En l'absence d'AMPc, CAP ne se lie pas au promoteur. La transcription se fait à un faible taux.

Question de pratique

Quel est le rôle d'un activateur ?

Répresseur

Lorsqu'un acide aminé est présent, il s'associe au rencontré répresseur, et le répresseur est activé. La synthèse d'ARN est bloquée par la présence du répresseur sur le brin d'ADN. Lorsque l'acide aminé n'est pas présent, le répresseur se dissocie de l'opérateur et la synthèse d'ARN se poursuit.

Lorsque le tryptophane n'est pas présent dans la cellule, le répresseur par lui-même ne se lie pas à l'opérateur donc, l'opéron est actif et le tryptophane est synthétisé. Mais lorsqu'une cellule contient beaucoup de tryptophane, elle n'a pas besoin d'en synthétiser davantage. Ainsi, le répresseur est déclenché (par la présence d'une abondance de tryptophane), désactivant ainsi la synthèse ultérieure de tryptophane.


La biologie

C'est ainsi que ma connaissance Wesley Virgin biographie commence par cette vidéo CHOQUANTE et controversée.

Wesley était dans l'armée et peu de temps après son départ, il a dévoilé des secrets cachés de "contrôle de l'esprit" que le gouvernement et d'autres utilisaient pour obtenir tout ce qu'ils voulaient.

Ce sont exactement les mêmes SECRETS que beaucoup de célébrités (en particulier celles qui "sortent de rien") et de gens d'affaires de premier plan pour devenir riches et célèbres.

Vous savez probablement que vous n'utilisez que 10% de votre cerveau.

C'est principalement parce que la plupart de votre cerveau est INEXPLOITÉ.

Peut-être que cette expression a même eu lieu DANS VOTRE propre cerveau. comme il l'a fait dans mon bon ami Wesley Virgin cerveau il y a environ sept ans, alors qu'il conduisait un seau à ordures sans permis et abîmé d'une voiture avec un permis de conduire suspendu et 3,20 $ sur son compte bancaire.

"Je suis absolument frustré de passer par un test de vie pour vérifier ! Quand vais-je enfin réussir ?"

Vous avez fait partie de ces pensées, n'est-ce pas ?

Votre success story va s'écrire. Vous devez commencer à croire en VOUS.


Base structurelle de la régulation des gènes par le système répresseur-opérateur Tet inductible par la tétracycline

Le répresseur tétracycline (TetR) régule le mécanisme de résistance le plus abondant contre l'antibiotique tétracycline chez les bactéries gram-négatives. La protéine TetR et ses mutants sont couramment utilisés comme éléments de contrôle pour réguler l'expression des gènes chez les eucaryotes supérieurs. Nous présentons la structure cristalline de l'homodimère TetR en complexe avec son opérateur ADN palindromique à une résolution de 2,5 Å. La comparaison avec la structure de TetR en complexe avec l'inducteur tétracycline-Mg 2+ permet de déduire le mécanisme d'induction. La liaison de l'inducteur dans le noyau du répresseur initie des changements de conformation en commençant par le déroulement C-terminal et le déplacement de la courte hélice α6 dans chaque monomère. Cela force un mouvement de type pendule de l'hélice α4, qui augmente la séparation des domaines de liaison à l'ADN attachés de 3 Å, abolissant l'affinité de TetR pour son ADN opérateur.