Régulation de l’ADN

La régulation des gènes se fait aux différentes étapes de l’expression (synthèse du produit d’un gène, ARN ou protéines) et permet son activation ou sa répression. La régulation peut être positive grâce à des activateurs ou négative grâce à des répresseurs.

Au niveau de l’ADN il existe des séquences régulatrices qui peuvent être amplificatrices, extinctrices ou isolantes (cf. régions cis-régulatrices dans le chapitre Transcription de l’ADN). Ces séquences régulent les gènes qui leurs sont adjacents sur le même chromosome, on dit que ces séquences sont actives en « cis » et on parle d’élément cis-régulateurs. Sur ces séquences vont se fixer des facteurs de régulations, dit trans-régulateurs, ne provenant pas de séquences adjacentes mais de l’expression d’un autre gène situé ailleurs sur le génome (exemple : cf. opéron lactose dans la suite du cours).

I) Régulation de l’expression des gènes dans la cellule procaryote

1) Au niveau transcriptionnel

La transcription est souvent régulée par des facteurs protéiques qui se lient à l’ADN. Les gènes soumis à ces régulations sont impliqués dans différentes voies métaboliques :

a) Régulation de l’expression des gènes impliqués dans les voies cataboliques

Parmi ces gènes nous prendrons celui qui est sans aucun doute le plus utilisé pour illustrer ce type de régulation, celui de l’opéron lactose dans le génome d’E-coli qui est un exemple de gène inductible (c’est-à-dire que les gènes sont exprimés quand cela est nécessaire par inactivation d’un répresseur).

L’opéron est une unité d’expression et de régulation des gènes bactériens constituée de gènes de structure et d’éléments de contrôle reconnus par le ou les produits des gènes régulateurs ; c’est-à-dire le regroupement dans l’espace, sur le même chromosome, de gènes nécessaires à une même fonction métabolique. L’opéron possède un promoteur et un opérateur.

Au niveau de l’opéron lactose on peut mettre en évidence trois gènes de structures : les gènes Lac Z, Lac Y et Lac A, codant pour des protéines différentes. Les gènes de ces protéines faisant partie d’une même unité de transcription, on parle alors d’unité polycistronique.

Le gène Lac Z code pour la β-galactosidase qui hydrolyse le lactose en galactose et en glucose, le gène Lac Y code pour la β-galactoside-perméase qui permet l’entrée du lactose dans les bactéries et le gène Lac A code pour la β-galactoside-transacétylase.

En absence de lactose on a environ 5 molécules d’enzymes par cellule et avec du lactose on a environ 5000 molécules d’enzymes par cellule, il y a ainsi augmentation du taux des enzymes (β-galactosidase et β-galactoside-perméase) et cette augmentation est coordonnée pour les deux enzymes.

L’expression de ces enzymes est régulée par les éléments régulateurs :
– Un élément actif en cis, l’opérateur.
– Un facteur actif en trans, le répresseur, qui est le résultat du gène Lac I et qui agit au niveau de l’opérateur.

b) Régulation de l’expression des gènes impliqués dans les voies anaboliques

Pour les voies anaboliques on prendra comme exemple l’opéron tryptophane (acide aminé essentiel) qui est un exemple de gène répressible.

Dans l’opéron on visualise différents gènes : Trp A, Trp B, Trp C, Trp D et Trp E qui sont des gènes de structure qui permettent de transformer le chorismate en tryptophane) ; ainsi que les éléments de contrôle et le répresseur.

En absence de tryptophane, le répresseur ne se lie pas à l’opérateur ce qui entraîne la transcription des gènes de structure de l’opéron.

En présence de tryptophane, le répresseur se lie au tryptophane et devient ainsi « actif », pouvant se lier à l’opérateur, ce qui entraîne l’inhibition de la transcription des gènes de structure de l’opéron.

Le tryptophane est ici un co-répresseur.

2) Au niveau traductionnel

La régulation au niveau traductionnel est peu utilisée chez les procaryotes. On pourra donner l’exemple de la régulation de la synthèse de protéines ribosomiques dont les gènes sont organisés en opérons. Un excès de celles-ci entraîne l’inhibition de leur propre traduction.

II) Régulation de l’expression des gènes dans la cellule eucaryote

Dans les organismes multicellulaires l’expression de gènes différents est à l’origine d’une spécialisation cellulaire. Chez l’Homme on compte 250 types cellulaires différents de part leur morphologie, leur biochimie et leur rôle dans l’organisme.

L’expression des gènes eucaryotes est régulée au niveau chromatinien, au niveau transcriptionnel, au niveau post-transcriptionnel, au niveau traductionnel et au niveau post-traductionnel.

1) Au niveau chromatinien

Si on met de très faibles quantités de DNases pendant des temps courts dans le noyau, il y a coupure de l’ADN en des endroits précis, qui correspondent à des gènes activement transcrits au moment de l’extraction des noyaux. On a pu mettre en évidence de cette manière l’existence de sites sensibles et hypersensibles de l’ADN.

La régulation de la structure de la chromatine se fait par méthylation des cytosines ou acétylation des histones ainsi que par les complexes de remodelage de la chromatine (CRC) qui permettent la rupture des liaisons entre histones et ADN.

Plus de 70% des séquences CpG sont méthylées dans l’ADN humain. Ces séquences CpG sont sous-représentées, leur fréquence est 5 fois inférieure aux valeurs prévues et elles sont deux types suivant leurs densités :

• Au niveau des îlots CpG, de forte densité de séquences CpG, on observe des CpG non méthylés.
• Par contre au niveau de zones à faible densité de séquences CpG, qui correspondent à 70-80% des CpG, on observe souvent des CG méthylés.

50% des promoteurs ont des îlots CpG et la méthylation d’un promoteur bloque la transcription, ainsi les promoteurs méthylés correspondent à des ADN satellites (hétéro-chromatine non transcrite).

On observe 2 types de méthylases :

• De novo méthylases : fixation de méthyl sur des séquences non méthylées.
• Méthylases de « maintenance » : méthylation de sites hémiméthylées.

Les méthylases de « maintenance » permettent le maintien de l’état de méthylation au cours de la réplication de l’ADN.

La méthylation de novo permet de décider quelles séquences seront méthylées. Ainsi si on observe des méthylations de novo sur une des 2 allèles, cette différence sera maintenue au cours des divisions cellulaires successives.

2) Au niveau transcriptionnel

La transcription eucaryote est régulée par les régions cis-régulatrices du type enhancers, silencers et insulators (cf. chapitre de la Transcription de l’ADN), et par les facteurs trans-régulateurs.

La régulation peut également se faire par des promoteurs alternatifs : existence de plusieurs promoteurs dans une même région d’ADN pour une même séquence transcrite et donc pour un même gène.

3) Au niveau post-transcriptionnel

• Epissage alternatif : Confère maturation des transcrits primaires dans le chapitre Transcription de l’ADN.
• Edition de l’ARN : L’édition de l’ARN correspond tout comme l’épissage alternatif à obtenir deux protéines différentes à partir d’un même gène, mais le mécanisme est différent. Ceci est possible par le fait que un même gêne est traité différemment suivant l’organe où il se trouve.

4) Au niveau traductionnel et post-traductionnel

La régulation peut se faire par modulation de la durée de vie des ARNm. En effet généralement les ARNm ont une vie assez courte mais certains ARNm ont une vie plus longue, on prendra comme exemple la chaîne de l’hémoglobine.

La régulation peut également se faire par des si-ARN et des micro-ARN qui permettent un blocage de la traduction. Cette inhibition post-transcriptionnelle de l’expression des gènes se fait par interférence grâce à l’utilisation d’ARN anti-sens (si-ARN ou micro-ARN) qui s’apparient avec l’ARN sens par des séquences complémentaires. Cette inhibition peut être réalisée artificiellement par l’utilisation de trans-gènes qui correspondent à des gènes apportés artificiellement.