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2017_SS1_Lecture_12 - Biologie

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Synthèse des protéines

introduction

Le processus de Traduction en biologie est le décodage d'un message d'ARNm en un produit polypeptidique. En d'autres termes, un message écrit dans le langage chimique des nucléotides est "traduit" dans le langage chimique des acides aminés. Les acides aminés sont liés de manière linéaire par des liaisons covalentes (appelées liaisons peptidiques) entre les extrémités amino et carboxyle des acides aminés adjacents. Le processus de décodage et de « liaison » est catalysé par un complexe ribonucléoprotéique appelé le ribosomes et peut entraîner des chaînes d'acides aminés de longueurs allant de dizaines à plus de 1 000.

Les protéines résultantes sont si importantes pour la cellule que leur synthèse consomme plus d'énergie de la cellule que tout autre processus métabolique. Comme la réplication et la transcription de l'ADN, la traduction est un processus moléculaire complexe que nous pouvons aborder en utilisant à la fois les rubriques Energy Story et Design Challenge. La description de l'ensemble du processus, ou des étapes du processus, nécessite la comptabilisation de la matière et de l'énergie avant et après le processus et une description de la façon dont cette matière est transformée et l'énergie transférée au cours du processus. Du point de vue du Design Challenge, nous pouvons - avant même d'approfondir ce qui est ou n'est pas compris à propos de la traduction - essayer de déduire certaines des questions de base auxquelles nous devrons répondre concernant ce processus.

Commençons par considérer le problème de base. Nous avons un brin d'ARN (appelé ARNm) et un tas d'acides aminés et nous devons en quelque sorte concevoir une machine qui :

(a) décoder le langage chimique des nucléotides en langage des acides aminés,
(b) joindre les acides aminés d'une manière très spécifique,
(c) terminer ce processus avec une précision raisonnable, et
(d) le faire à une vitesse raisonnable. Raisonnable, est bien sûr défini par la sélection naturelle.

Comme précédemment, nous pouvons identifier des sous-problèmes

(a) Comment notre machine moléculaire détermine-t-elle où et quand commencer à travailler ?
(b) Comment la machine moléculaire coordonne-t-elle le décodage et les formations de liaison ?
(c) d'où vient l'énergie nécessaire à ce processus et de quelle quantité ?
(d) comment la machine sait-elle où s'arrêter ?

D'autres questions et problèmes/défis fonctionnels surgiront certainement au fur et à mesure que nous approfondirons.

Le fait, comme toujours, est que même sans connaître les détails de la traduction, nous pouvons utiliser notre imagination, notre curiosité et notre bon sens pour imaginer certaines exigences du processus sur lesquelles nous devrons en apprendre davantage. Il est essentiel de comprendre ces questions comme le contexte de ce qui suit.

Une liaison peptidique relie l'extrémité carboxyle d'un acide aminé à l'extrémité aminée d'un autre, expulsant une molécule d'eau. Le R1 et R2 désignation se réfèrent à la chaîne latérale de l'acide aminé les deux acides aminés.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale).

Machines de synthèse de protéines

Les composants qui entrent dans le processus

De nombreuses molécules et macromolécules différentes contribuent au processus de traduction. Alors que la composition exacte des "acteurs" dans le processus peut varier d'une espèce à l'autre - par exemple, les ribosomes peuvent consister en un nombre différent de ARNr (ARN ribosomiques) et des polypeptides selon l'organisme - les fonctions générales de la machinerie de synthèse des protéines sont comparables des bactéries aux cellules humaines. Nous nous concentrons sur ces similitudes. Au minimum, la traduction nécessite un modèle d'ARNm, acides aminés, ribosomes, ARNt, une source d'énergie, et diverses enzymes accessoires supplémentaires et petites molécules.

Rappel : Acides aminés

Rappelons simplement que la structure de base des acides aminés est composée d'un squelette composé d'un groupe amino, d'un carbone central (appelé le carbone ) et d'un groupe carboxyle. Attaché au carbone se trouve un groupe variable qui aide à déterminer certaines des propriétés chimiques et la réactivité de l'acide aminé.

Un acide aminé générique.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Les 20 acides aminés communs.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Ribosomes

UNE ribosome est une macromolécule complexe composée d'ARNr structurels et catalytiques et de nombreux polypeptides distincts. Alors que nous commençons à essayer de réfléchir à la comptabilité énergétique dans la cellule, il convient de noter que les ribosomes ne sont pas "libres". Avant même qu'un ARNm ne soit traduit, une cellule doit investir de l'énergie pour construire chacun de ses ribosomes. Dans E. coli, il y a entre 10 000 et 70 000 ribosomes présents dans chaque cellule à un moment donné.

Les ribosomes existent dans le cytoplasme des bactéries et des archées et dans le cytoplasme et sur le réticulum endoplasmique rugueux des eucaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes ont également leurs propres ribosomes dans la matrice et le stroma, qui ressemblent plus aux ribosomes bactériens (et ont des sensibilités médicamenteuses similaires), que les ribosomes juste à l'extérieur de leurs membranes externes dans le cytoplasme. Les ribosomes se dissocient en grandes et petites sous-unités lorsqu'ils ne synthétisent pas de protéines et se réassocient lors de l'initiation de la traduction. coli, la petite sous-unité est décrite comme 30S et la grande sous-unité est 50S. Les ribosomes de mammifères ont une petite sous-unité 40S et une grande sous-unité 60S. La petite sous-unité est responsable de la liaison de la matrice d'ARNm, tandis que la grande sous-unité se lie séquentiellement aux ARNt. Chaque molécule d'ARNm est traduite simultanément par de nombreux ribosomes, tous synthétisant la protéine dans le même sens : lecture de l'ARNm de 5' à 3' et synthèse du polypeptide de l'extrémité N à l'extrémité C. La structure complète ARNm/polyribosome est appelée un polysome.

La machinerie de synthèse des protéines comprend les grandes et petites sous-unités du ribosome, de l'ARNm et de l'ARNt.
Source : http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m.../ribosome.html

ARNt

ARNt sont des molécules d'ARN structurelles qui ont été transcrites à partir de gènes. Selon les espèces, 40 à 60 types d'ARNt existent dans le cytoplasme. Servant d'adaptateurs, des ARNt spécifiques se lient aux séquences de la matrice d'ARNm et ajoutent l'acide aminé correspondant à la chaîne polypeptidique. Par conséquent, les ARNt sont les molécules qui « traduisent » réellement le langage de l'ARN dans le langage des protéines.

Sur les 64 ARNm possibles codons-ou des combinaisons de triplets de A, U, G et C, trois spécifient la fin de la synthèse des protéines et 61 spécifient l'ajout d'acides aminés à la chaîne polypeptidique. Parmi ces 61, un codon (AUG) code également l'initiation de la traduction. Chaque ARNt anticodon peut s'apparier avec l'un des codons d'ARNm et ajouter un acide aminé ou terminer la traduction, selon le code génétique. Par exemple, si la séquence CUA apparaissait sur une matrice d'ARNm dans le cadre de lecture approprié, elle se lierait à un ARNt exprimant la séquence complémentaire, GAU, qui serait liée à l'acide aminé leucine.

La structure secondaire repliée d'un ARNt. La boucle anticodon et la tige accepteur d'acides aminés sont indiquées.
Source : http://mol-biol4masters.masters.grkr...ansfer_RNA.htm

Synthétases d'ARNt aminoacyl

Le processus de synthèse du pré-ARNt par l'ARN polymérase III ne crée que la partie ARN de la molécule adaptatrice. L'acide aminé correspondant doit être ajouté plus tard, une fois que l'ARNt est traité et exporté vers le cytoplasme. Grâce au processus de « chargement » de l'ARNt, chaque molécule d'ARNt est liée à son acide aminé correct par un groupe d'enzymes appelées aminoacyl ARNt synthétases. Au moins un type d'aminoacyl ARNt synthétase existe pour chacun des 20 acides aminés ; le nombre exact d'aminoacyl ARNt synthétases varie selon les espèces. Ces enzymes se lient et hydrolysent d'abord l'ATP pour catalyser une liaison à haute énergie entre un acide aminé et l'adénosine monophosphate (AMP) ; une molécule de pyrophosphate est expulsée dans cette réaction. L'acide aminé activé est ensuite transféré à l'ARNt et l'AMP est libéré.

Le mécanisme de la synthèse des protéines

Tout comme la synthèse de l'ARNm, la synthèse des protéines peut être divisée en trois phases : initiation, élongation et terminaison. Le processus de traduction est similaire chez les bactéries, les archées et les eucaryotes.

Initiation à la traduction

En général, la synthèse des protéines commence par la formation d'un complexe d'initiation. La petite sous-unité ribosomique se liera à l'ARNm au niveau de la site de liaison ribosomique. Peu de temps après, la méthionine-ARNt se liera au codon d'initiation AUG (par liaison complémentaire avec son anticodon). Ce complexe est ensuite rejoint par une grande sous-unité ribosomique. Ce complexe d'initiation recrute alors le deuxième ARNt et ainsi la traduction commence.

La traduction commence lorsqu'un anticodon d'ARNt reconnaît un codon sur l'ARNm. La grande sous-unité ribosomique rejoint la petite sous-unité et un deuxième ARNt est recruté. Lorsque l'ARNm se déplace par rapport au ribosome, la chaîne polypeptidique se forme. L'entrée d'un facteur de libération dans le site A met fin à la traduction et les composants se dissocient.

Initiation bactérienne vs eucaryote

Dans E. coli l'ARNm, une séquence en amont du premier codon AUG, appelée le Séquence Shine-Dalgarno (AGGAGG), interagit avec une molécule d'ARNr. Cette interaction ancre la sous-unité ribosomique 30S à l'emplacement correct sur la matrice d'ARNm. Arrêtez-vous un instant pour apprécier la répétition d'un mécanisme que vous avez déjà rencontré. Dans ce cas, obtenir un complexe protéique à associer - dans un registre approprié - à un polymère d'acide nucléique est accompli en alignant deux brins antiparallèles de nucléotides complémentaires l'un avec l'autre. Nous l'avons également vu dans la fonction de la télomérase.

Au lieu de se lier à la séquence Shine-Dalgarno, le complexe d'initiation eucaryote reconnaît la coiffe 7-méthylguanosine à l'extrémité 5' de l'ARNm. Une protéine de liaison à la coiffe (CBP) assiste le mouvement du ribosome vers la coiffe 5'. Une fois au cap, le complexe d'initiation suit l'ARNm dans la direction 5' à 3', à la recherche du codon d'initiation AUG. De nombreux ARNm eucaryotes sont traduits à partir du premier AUG, mais ce n'est pas toujours le cas. Selon Les règles de Kozak, les nucléotides autour de l'AUG indiquent s'il s'agit du bon codon de départ. Les règles de Kozak stipulent que la séquence consensus suivante doit apparaître autour de l'AUG des gènes des vertébrés : 5'-gccRccAUGG-3'. Le R (pour purine) indique un site qui peut être A ou G, mais ne peut pas être C ou U. Essentiellement, plus la séquence est proche de ce consensus, plus l'efficacité de la traduction est élevée.

Allongement de la traduction

Au cours de l'allongement de la traduction, la matrice d'ARNm fournit une spécificité. Au fur et à mesure que le ribosome se déplace le long de l'ARNm, chaque codon d'ARNm apparaît et une liaison spécifique avec l'anticodon d'ARNt chargé correspondant est assurée. Si l'ARNm n'était pas présent dans le complexe d'élongation, le ribosome se lierait aux ARNt de manière non spécifique. Notons encore l'utilisation de l'appariement de bases entre deux brins antiparallèles de nucléotides complémentaires pour amener et maintenir notre machine moléculaire en registre et dans ce cas également pour accomplir le travail de "traduction" entre le langage des nucléotides et des acides aminés.

La grande sous-unité ribosomique se compose de trois compartiments : le site A se lie aux ARNt chargés entrants (les ARNt avec leurs acides aminés spécifiques attachés), le site P se lie aux ARNt chargés portant des acides aminés qui ont formé des liaisons avec la chaîne polypeptidique en croissance mais ne se sont pas encore dissociés de leur ARNt correspondant, et le site E qui libère des ARNt dissociés afin qu'ils puissent être rechargés avec un autre acide aminé libre.

L'élongation se poursuit avec des ARNt chargés entrant dans le site A, puis se déplaçant vers le site P suivi du site E avec chaque «étape» à codon unique du ribosome. Les étapes ribosomiques sont induites par des changements de conformation qui font avancer le ribosome de trois bases dans la direction 3'. L'énergie pour chaque étape du ribosome est donnée par un facteur d'élongation qui hydrolyse le GTP. Des liaisons peptidiques se forment entre le groupe amino de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site A et le groupe carboxyle de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site P. La formation de chaque liaison peptidique est catalysée par peptidyl transférase, une enzyme basée sur l'ARN qui est intégrée dans la sous-unité ribosomique 50S. L'énergie pour chaque formation de liaison peptidique est dérivée de l'hydrolyse du GTP, qui est catalysée par un facteur d'allongement distinct. L'acide aminé lié à l'ARNt du site P est également lié à la chaîne polypeptidique en croissance. Au fur et à mesure que le ribosome traverse l'ARNm, l'ancien ARNt du site P pénètre dans le site E, se détache de l'acide aminé et est expulsé. Le ribosome se déplace le long de l'ARNm, un codon à la fois, catalysant chaque processus qui se produit dans les trois sites. À chaque étape, un ARNt chargé entre dans le complexe, le polypeptide s'allonge d'un acide aminé et un ARNt non chargé en sort. Étonnamment, ce processus se produit rapidement dans la cellule, le E. coli l'appareil de traduction ne prend que 0,05 seconde pour ajouter chaque acide aminé, ce qui signifie qu'un polypeptide de 200 acides aminés pourrait être traduit en seulement 10 secondes.

Discussion suggérée

De nombreux antibiotiques inhibent la synthèse des protéines bactériennes. Par exemple, la tétracycline bloque le site A sur le ribosome bactérien et le chloramphénicol bloque le transfert de peptidyle. Quel effet spécifique attendez-vous de chacun de ces antibiotiques sur la synthèse des protéines ?

Le code génétique

Pour résumer ce que nous savons jusqu'à présent, le processus cellulaire de transcription génère de l'ARN messager (ARNm), une copie moléculaire mobile d'un ou plusieurs gènes avec un alphabet de A, C, G et d'uracile (U). La traduction de la matrice d'ARNm convertit l'information génétique basée sur les nucléotides en un produit protéique. Les séquences protéiques se composent de 20 acides aminés courants; par conséquent, on peut dire que l'alphabet des protéines se compose de 20 lettres. Chaque acide aminé est défini par une séquence de trois nucléotides appelée le triplet codons. La relation entre un codon nucléotidique et son acide aminé correspondant est appelée la code génétique. Étant donné les différents nombres de « lettres » dans les « alphabets » d'ARNm et de protéines, cela signifie qu'il y a un total de 64 (4 × 4 × 4) codons possibles ; par conséquent, un acide aminé donné (20 au total) doit être codé par plus d'un codon.

Trois des 64 codons terminent la synthèse des protéines et libèrent le polypeptide de la machinerie de traduction. Ces triplés sont appelés codons d'arrêt. Un autre codon, AUG, a également une fonction spéciale. En plus de spécifier l'acide aminé méthionine, il sert également de démarrer le codon pour lancer la traduction. Le cadre de lecture pour la traduction est défini par le codon d'initiation AUG près de l'extrémité 5' de l'ARNm. Le code génétique est universel. À quelques exceptions près, pratiquement toutes les espèces utilisent le même code génétique pour la synthèse des protéines, ce qui est une preuve puissante que toute la vie sur Terre partage une origine commune.

Cette figure montre le code génétique pour traduire chaque triplet de nucléotides, ou codon, dans l'ARNm en un acide aminé ou un signal de terminaison dans une protéine naissante. (crédit : modification d'œuvre par le NIH)
Redondant, pas ambigu

Les informations contenues dans le code génétique sont redondantes. Plusieurs codons codent pour le même acide aminé. Par exemple, en utilisant le tableau ci-dessus, vous pouvez trouver 4 codons différents qui codent pour Valine, de même, il y a deux codons qui codent pour Leucine, etc. Mais le code n'est pas ambigu, ce qui signifie que si on vous donnait un codon, vous le feriez savoir définitivement pour quel acide aminé il code, un codon ne codera que pour un acide aminé spécifique. Par exemple, GUU codera toujours pour la valine et AUG codera toujours pour la méthionine. Ceci est important, il vous sera demandé de traduire un ARNm en une protéine à l'aide d'un tableau de codons comme celui présenté ci-dessus.

Fin de la traduction

La terminaison de la traduction se produit lorsqu'un codon d'arrêt (UAA, UAG ou UGA) est rencontré. Lorsque le ribosome rencontre le codon d'arrêt, aucun ARNt n'entre dans le site A. Au lieu de cela, une protéine connue sous le nom de facteur de libération se lie au complexe. Cette interaction déstabilise la machinerie de traduction, provoquant la libération du polypeptide et la dissociation des sous-unités du ribosome de l'ARNm. Une fois que de nombreux ribosomes ont terminé la traduction, l'ARNm est dégradé afin que les nucléotides puissent être réutilisés dans une autre réaction de transcription.

Discussion suggérée

Quels sont les avantages et les inconvénients de traduire plusieurs fois un même ARNm ?

Couplage entre transcription et traduction

Comme discuté précédemment, les bactéries et les archées n'ont pas besoin de transporter leurs transcrits d'ARN entre un noyau lié à la membrane et le cytoplasme. L'ARN polymérase transcrit donc l'ARN directement dans le cytoplasme. Ici, les ribosomes peuvent se lier à l'ARN et commencer le processus de traduction, dans certains cas pendant que la transcription est toujours en cours. Le couplage de ces deux processus, et même la dégradation de l'ARNm, est facilité non seulement parce que la transcription et la traduction se produisent dans le même compartiment, mais aussi parce que les deux processus se déroulent dans la même direction - la synthèse du transcrit d'ARN se produit dans le 5' à 3 ' direction et traduction lit la transcription dans le sens 5' à 3'. Ce "couplage" de la transcription avec la traduction se produit à la fois chez les bactéries et les archées et est, en fait, essentiel pour une expression génique correcte dans certains cas.

De multiples polymérases peuvent transcrire un seul gène bactérien tandis que de nombreux ribosomes traduisent simultanément les transcrits d'ARNm en polypeptides. De cette façon, une protéine spécifique peut rapidement atteindre une concentration élevée dans la cellule bactérienne.

Tri des protéines

Dans le contexte d'un défi de conception de synthèse de protéines, nous pouvons également soulever la question/le problème de la façon dont les protéines arrivent là où elles sont censées aller. Nous savons que certaines protéines sont destinées à la membrane plasmique, d'autres dans les cellules eucaryotes doivent être dirigées vers divers organites, certaines protéines, comme les hormones ou les protéines piégeant les nutriments, sont destinées à être sécrétées par les cellules tandis que d'autres peuvent avoir besoin d'être dirigées vers des parties du cytosol pour remplir des rôles structurels. Comment cela peut-il arriver?

Étant donné que divers mécanismes ont été découverts, les détails de ce processus ne sont pas faciles à résumer dans un bref paragraphe ou deux. Cependant, certains éléments clés communs à tous les mécanismes peuvent être mentionnés. Premièrement, il y a le besoin d'un "tag" spécifique qui peut fournir des informations moléculaires sur l'endroit où la protéine d'intérêt est destinée. Cette étiquette prend généralement la forme d'une courte chaîne d'acides aminés - un soi-disant peptide signal - qui peut coder des informations sur l'endroit où la protéine est destinée à se retrouver. Le deuxième composant requis de la machinerie de tri des protéines doit être un système permettant de lire et de trier réellement les protéines. Dans les systèmes bactériens et archéens, il s'agit généralement de protéines capables d'identifier le peptide signal pendant la traduction, de s'y lier et de diriger la synthèse de la protéine naissante vers la membrane plasmique. Dans les systèmes eucaryotes, le tri est nécessairement plus complexe et implique un ensemble assez élaboré de mécanismes de reconnaissance de signaux, de modification de protéines et de trafic de vésicules entre les organites ou la membrane. Ces étapes biochimiques sont initiées dans le réticulum endoplasmique et encore "affinées" dans l'appareil de Golgi où les protéines sont modifiées et emballées dans des vésicules liées à diverses parties de la cellule.

Certains des divers mécanismes spécifiques peuvent être discutés par votre instructeur en classe. La clé pour tous les étudiants c'est donc d'apprécier le problème et d'avoir une idée générale des exigences de haut niveau que les cellules ont adoptées pour les résoudre.

Modification post-traductionnelle des protéines

Après traduction, les acides aminés individuels peuvent être modifiés chimiquement. Ces modifications ajoutent une variation chimique et de nouvelles propriétés qui sont enracinées dans les chimies des groupes fonctionnels qui sont ajoutés. Les modifications courantes incluent les groupes phosphate, les groupes méthyle, acétate et amide. Certaines protéines, typiquement ciblées sur les membranes, seront lipidées - un lipide sera ajouté. D'autres protéines seront glycosylées - un sucre sera ajouté. Une autre modification post-traductionnelle courante est le clivage ou la liaison de parties de la protéine elle-même. Les peptides signal peuvent être clivés, des parties peuvent être excisées du milieu de la protéine, ou de nouvelles liaisons covalentes peuvent être établies entre la cystéine ou d'autres chaînes latérales d'acides aminés. Presque toutes les modifications seront catalysées par des enzymes et toutes modifieront le comportement fonctionnel de la protéine.

Résumé de la section

L'ARNm est utilisé pour synthétiser des protéines par le processus de traduction. Le code génétique est la correspondance entre le codon de l'ARNm à trois nucléotides et un acide aminé. Le code génétique est « traduit » par les molécules d'ARNt, qui associent un codon spécifique à un acide aminé spécifique. Le code génétique est dégénéré car 64 codons triplets dans l'ARNm ne spécifient que 20 acides aminés et trois codons d'arrêt. Cela signifie que plus d'un codon correspond à un acide aminé. Presque toutes les espèces de la planète utilisent le même code génétique.


Les acteurs de la traduction comprennent la matrice d'ARNm, les ribosomes, les ARNt et divers facteurs enzymatiques. La petite sous-unité ribosomique se lie à la matrice d'ARNm. La traduction commence à l'AUG d'initiation sur l'ARNm. La formation de liaisons se produit entre les acides aminés séquentiels spécifiés par la matrice d'ARNm selon le code génétique. Le ribosome accepte les ARNt chargés et, au fur et à mesure qu'il avance le long de l'ARNm, il catalyse la liaison entre le nouvel acide aminé et la fin du polypeptide en croissance. L'ARNm entier est traduit en « étapes » de trois nucléotides du ribosome. Lorsqu'un codon stop est rencontré, un facteur de libération lie et dissocie les composants et libère la nouvelle protéine.

Introduction à la régulation des gènes

La réglementation est une question de prise de décision. La régulation des gènes consiste donc à comprendre comment les cellules prennent des décisions sur les gènes à activer, à désactiver ou à régler ou réduire. Dans la section suivante, nous discutons de certains des mécanismes et principes fondamentaux utilisés par les cellules pour réguler l'expression des gènes en réponse à des changements de facteurs cellulaires ou externes. Cette biologie est importante pour comprendre comment les cellules ajustent les environnements changeants, y compris comment certaines cellules, dans les organismes multicellulaires, décident de se spécialiser pour certaines fonctions (par exemple les tissus).

Étant donné que le sujet de la réglementation est à la fois un sujet d'étude très profond et vaste en biologie, dans Bis2a, nous n'essayons pas de couvrir tous les détails - il y en a tout simplement beaucoup trop. Au lieu de cela, comme nous l'avons fait pour tous les autres sujets, nous essayons de nous concentrer sur (a) la description de certaines des constructions logiques de base et des questions que vous devez avoir lorsque vous abordez N'IMPORTE QUEL scénario impliquant une réglementation, (b) l'apprentissage d'un vocabulaire commun et de mécanismes omniprésents et (c) examiner quelques exemples concrets qui illustrent les points soulevés en a et b.

L'expression du gène

introduction

Toutes les cellules contrôlent quand et combien chacun de ses gènes est exprimé. Cette simple déclaration - qui pourrait être dérivée simplement de l'observation du comportement cellulaire - soulève de nombreuses questions que nous pouvons commencer à poser en utilisant notre rubrique Design Challenge.

Essayer de définir "l'expression des gènes"

La première chose que nous devons faire, cependant, est de définir ce que cela signifie lorsque nous disons qu'un gène est « exprimé ». Si le gène code pour une protéine, on pourrait raisonnablement proposer que "l'expression" d'un gène signifie la quantité de protéine fonctionnelle produite. Mais que se passe-t-il si le gène ne code pas pour une protéine, mais plutôt pour un ARN fonctionnel. Ensuite, dans ce cas, « exprimé pourrait signifier la quantité d'ARN fonctionnel qui est fabriquée. Une autre personne pourrait raisonnablement suggérer que « expression » se réfère simplement à l'étape initiale de création d'une copie de l'information génomique. Selon cette définition, on pourrait voulez compter combien de transcriptions complètes sont faites. Est-ce le nombre de produits finaux codés par l'information génomique ou est-ce le nombre de lectures de l'information qui est important pour décrire correctement "l'expression". Malheureusement, dans la pratique, nous constatent souvent que la définition dépend du contexte de la discussion. Gardez cela à l'esprit. Pour être sûr que nous parlons bien de la même chose, dans Bis2A, nous essaierons d'utiliser le terme création du ou des produits fonctionnels finaux Selon le cas particulier, le produit final peut être une protéine ou une espèce d'ARN.

Le défi de conception de la régulation de l'expression des gènes

Pour conduire cette discussion dans une perspective de défi de conception, nous pouvons formellement stipuler que le « gros problème » que nous souhaitons sous-estimer est celui de la régulation de l'abondance des protéines dans une cellule. Problème : L'abondance de chaque protéine fonctionnelle doit être régulée. On peut alors commencer par poser des sous-problèmes :

Prenons un moment, cependant, d'abord pour recharger quelques idées. Le processus d'expression des gènes nécessite plusieurs étapes selon le sort du produit final. Dans le cas des ARN structuraux et régulateurs (c'est-à-dire ARNt, ARNr, ARNsn, etc.), le processus nécessite qu'un gène soit transcrit et que tout traitement post-transcriptionnel nécessaire ait lieu. Dans le cas d'un gène codant pour une protéine, le transcrit doit également être traduit en protéine et si nécessaire, des modifications doivent également être apportées à la protéine. Bien entendu, la transcription et la traduction sont des processus en plusieurs étapes et la plupart de ces sous-étapes sont également des sites potentiels de contrôle.

Certains des sous-problèmes pourraient donc être :

1. Il est raisonnable de postuler qu'il doit y avoir un ou plusieurs mécanismes pour réguler la première étape de ce processus en plusieurs étapes, l'initiation de la transcription (juste faire démarrer les choses). Ainsi, nous pourrions déclarer, "nous avons besoin d'un mécanisme pour réguler l'initiation de la transcription." Nous pourrions également transformer cela en une question et demander : « comment accomplir l'initiation de la transcription » ?

2. Nous pouvons utiliser une réflexion similaire pour déclarer : « nous avons besoin d'un mécanisme pour réguler la fin de la transcription » ou pour demander « comment se termine la transcription ? »

3. À l'aide de cette convention, nous pouvons affirmer : « nous devons réguler le début de la traduction et l'arrêt de la traduction ».

4. Nous n'avons parlé que de la synthèse des protéines et de l'ARN. Il est tout à fait raisonnable d'affirmer également que « nous avons besoin d'un mécanisme pour réguler la dégradation de l'ARN et des protéines ».

Se concentrer sur la transcription

Dans ce cours, nous commençons par nous concentrer principalement sur l'examen des premiers problèmes/questions, la régulation de l'initiation et de la terminaison de la transcription - de l'information génomique à un ARN fonctionnel, soit prêt tel quel (par exemple dans le cas d'un ARN fonctionnel) soit prêt Pour la traduction. Cela nous permet d'examiner certains concepts fondamentaux concernant la régulation de l'expression des gènes et d'examiner quelques exemples réels de ces concepts en action.

Discussion suggérée

Pourquoi est-il important de réguler l'expression des gènes, pourquoi ne pas simplement exprimer tous les gènes tout le temps ?

Créez une liste d'hypothèses avec vos camarades de classe sur les raisons pour lesquelles la régulation de l'expression des gènes est importante pour les bactéries et les archées et pour les eucaryotes. Au lieu des bactéries par rapport aux eucaryotes, vous pouvez également envisager des raisons différentes pour lesquelles la régulation des gènes est importante pour les organismes unicellulaires par rapport aux organismes multicellulaires ou aux communautés d'organismes unicellulaires (comme les colonies de bactéries).

Sous-problèmes pour la transcription et l'activité de l'ARN polymérase

Considérons un gène codant pour une protéine et travaillons selon une certaine logique. Nous commençons par imaginer un cas simple, où un gène codant pour une protéine est codé par un seul tronçon contigu d'ADN. Nous savons que pour transcrire ce gène, une ARN polymérase devra être recrutée au début de la région codante. L'ARN polymérase n'est pas "intelligente" en soi. Il doit y avoir un mécanisme, basé sur la logique chimique, pour aider à recruter l'ARN polymérase au début du gène codant pour la protéine. De même, si ce processus doit être régulé, il doit y avoir un mécanisme, ou des mécanismes, pour dicter quand une ARN polymérase doit être recrutée au début d'un gène, lorsque il ne devrait pas, et/ou si il est recruté dans l'ADN, qu'il doive ou non commencer la transcription et combien de fois ce processus devrait avoir lieu. Notez que la phrase précédente comporte plusieurs sous-problèmes/questions distincts (par exemple, quand la polymérase est-elle recrutée ? si elle est recrutée, doit-elle commencer la transcription ? ; si elle démarre la transcription, combien de fois ce processus doit-il se répéter ?). Nous pouvons également raisonnablement en déduire qu'il devra y avoir des mécanismes pour "ordonner" (plus d'anthropomorphismes) à la polymérase d'arrêter la transcription. Enfin, puisque le rôle de la transcription est de créer des copies d'ARN des segments du génome, nous devrions également considérer les problèmes/questions liés à d'autres facteurs qui influencent l'abondance de l'ARN, comme les mécanismes de dégradation. Il doit y avoir des mécanismes et ceux-ci seront probablement impliqués dans la régulation de ce processus.

Un schéma montrant un gène codant pour une protéine et certaines des questions ou des problèmes que nous devons nous poser ou des problèmes auxquels nous devons trouver des solutions si nous voulons comprendre comment la régulation de la partie transcriptionnelle de l'expression du gène est régulée.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Activation et répression de la transcription

Quelques bases

Considérons un gène codant pour une protéine et travaillons selon une certaine logique. Il doit y avoir un mécanisme, basé sur la logique chimique, pour aider à recruter l'ARN polymérase au début du gène codant pour la protéine. De même, si ce processus doit être régulé, il doit y avoir un mécanisme, ou des mécanismes, pour dicter quand une ARN polymérase doit être recrutée au début d'un gène, quand elle ne devrait pas, et/ou si elle est recrutée dans le ADN, s'il doit ou non commencer la transcription et combien de fois ce processus doit se produire. quand la polymérase est-elle recrutée ?, si elle est recrutée doit-elle commencer la transcription ?, si elle démarre la transcription, combien de fois ce processus doit-il se répéter ?). Nous pouvons également raisonnablement en déduire qu'il devra y avoir des mécanismes pour "ordonner" (plus d'anthropomorphismes) à la polymérase d'arrêter la transcription.

Recrutement de l'ARN polymérase sur des sites spécifiques

Pour initier la transcription, l'ARN polymérase doit être recrutée dans un segment d'ADN proche du début d'une région d'ADN codant pour un transcrit fonctionnel. Cependant, la fonction de l'ARN polymérase telle que décrite jusqu'à présent n'est pas de lier des séquences spécifiques mais plutôt de se déplacer le long de n'importe quel segment d'ADN. Trouver un moyen de recruter la polymérase sur un site spécifique semble donc contradictoire avec son comportement habituel. Expliquer cette contradiction nous oblige à invoquer quelque chose de nouveau. L'une ou l'autre transcription peut commencer n'importe où et seuls les événements qui conduisent à un transcrit productif complet font quelque chose d'utile ou quelque chose d'autre que l'ARN polymérase elle-même aide à recruter l'enzyme au début d'un gène. Ce dernier, que nous tenons maintenant pour acquis, est bien le cas.

Le recrutement de l'ARN polymérase est médié par des protéines appelées facteurs de transcription généraux. Chez les bactéries, ils portent un nom particulier : les facteurs sigma. Chez les archées, elles sont appelées protéine de liaison TATA et facteur de transcription IIB. Chez les eucaryotes, les parents des protéines archéennes fonctionnent conjointement avec de nombreuses autres pour recruter l'ARN polymérase. Les facteurs de transcription généraux ont au moins deux fonctions de base : (1) ils sont capables de reconnaître chimiquement une séquence spécifique d'ADN et (2) ils sont capables de lier l'ARN polymérase. Ensemble, ces deux fonctions des facteurs de transcription généraux résolvent le problème du recrutement d'une enzyme qui, autrement, n'est pas capable de se lier à un site d'ADN spécifique. Dans certains textes, les facteurs de transcription généraux (et en particulier les variétés de facteurs sigma) sont dits faire partie de l'ARN polymérase. Bien qu'ils fassent certainement partie du complexe lorsqu'ils aident à cibler l'ARN polymérase, ils ne continuent pas avec l'ARN polymérase après le début de la transcription.

Le site d'ADN sur lequel une ARN polymérase est recrutée a un nom spécial. Cela s'appelle un promoteur. Bien que les séquences d'ADN de différents promoteurs n'aient pas besoin d'être exactement les mêmes, différentes séquences de promoteurs ont typiquement des propriétés chimiques spéciales en commun. Évidemment, une propriété est qu'ils sont capables de s'associer à une ARN polymérase. De plus, le promoteur a généralement une séquence d'ADN qui facilite la dissociation de l'ADN double brin de telle sorte que la polymérase puisse commencer à lire et à transcrire la région codante. (Remarque : techniquement, nous aurions pu décomposer les propriétés du promoteur en sous-problèmes de défi de conception. Dans ce cas, nous l'avons ignoré, mais vous devriez toujours pouvoir revenir en arrière et créer les énoncés de problème et/ou les questions pertinentes une fois que vous avez découvert les promoteurs ).

Dans presque tous les cas, mais particulièrement dans les systèmes eucaryotes, le complexe de protéines qui s'assemble avec l'ARN polymérase au niveau des promoteurs (généralement appelé complexe de pré-initiation) peut compter des dizaines de protéines. Chacune de ces autres protéines a une fonction spécifique, mais c'est beaucoup trop détaillé pour approfondir pour Bis2A.

Un modèle du complexe de pré-initiation E. coli. Le facteur sigma est coloré en rouge. L'ADN est représenté par des tubes oranges et des structures annulaires opposées. Le reste du complexe de pré-initiation est coloré en rose. Notez que l'ADN a des régions de double hélice et une structure ouverte à l'intérieur du PIC.
Attribution : Structure dérivée des coordonnées PDB (4YLN) Marc T. Facciotti (propre travail)

Un modèle abstrait d'une unité transcriptionnelle générique illustré ci-dessus avec l'ajout d'un promoteur et d'un PIC. Les questions notées précédemment qui ne seront probablement pas couvertes dans Bis2a ont été grisées.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Discussion suggérée

Comment le facteur de transcription général reconnaît-il une séquence spécifique d'ADN ? Quelle pourrait en être la base chimique ? En quoi, au contraire, l'interaction d'une protéine ou d'une enzyme qui interagit avec l'ADN de manière non spécifique peut-elle différer ? Réfléchissez aux groupes fonctionnels et proposez une hypothèse.

États d'un promoteur réglementé

Puisque les promoteurs recrutent une ARN polymérase, ces sites et l'assemblage du complexe de pré-initiation sont des sites évidents pour réguler les premières étapes de l'expression génique. Au niveau de l'initiation de la transcription, nous classons souvent le promoteur dans l'une des trois classes. Le premier s'appelle constitutif. Les promoteurs constitutifs ne sont généralement pas réglementés très fortement. Leur état de base est « on ». Lorsque la transcription constitutive d'un promoteur est très élevée (par rapport à la plupart des autres promoteurs), nous appellerons familièrement ce promoteur un promoteur "fort constitutif". En revanche, si la quantité de transcription à partir d'un promoteur constitutif est faible (par rapport à la plupart des autres promoteurs), nous appellerons ce promoteur un promoteur « constitutif faible ».

Une deuxième façon de classer les promoteurs par l'utilisation du terme activé ou équivalent, induit. Ces termes interchangeables sont utilisés pour décrire des promoteurs qui sont sensibles à un stimulus externe et répondent audit stimulus en augmentant la transcription. Les promoteurs activés ont un état de base qui présente généralement peu ou pas de transcription. La transcription est alors "activée" en réponse à un stimulus - le stimulus active le promoteur.

Enfin, le troisième terme utilisé pour classer les promoteurs est l'utilisation du terme refoulé. Ces promoteurs répondent également aux stimuli mais le font en diminuant la transcription. L'état de base de ces promoteurs est un certain niveau basal de transcription et le stimulus agit pour refuser ou réprimer la transcription. La transcription est "réprimée" en réponse à un stimulus - le stimulus désactive le promoteur.

Les exemples donnés ci-dessus supposent qu'un seul stimulus agit pour réguler les promoteurs. Bien que ce soit le cas le plus simple, de nombreux promoteurs peuvent intégrer différents types d'informations et peuvent être alternativement activés par certains stimuli et réprimés par d'autres stimuli.

Les facteurs de transcription aident à réguler le comportement d'un promoteur

Comment les promoteurs sont-ils sensibles aux stimuli externes ? Mécaniquement, à la fois dans l'activation et la répression, des protéines régulatrices sont nécessaires pour modifier la sortie transcriptionnelle du gène observé. Les protéines responsables d'aider à réguler l'expression sont généralement appelées facteurs de transcription. Les séquences d'ADN spécifiques liées par des facteurs de transcription sont souvent appelées opérateurs et dans de nombreux cas, les opérateurs sont très proches des séquences promotrices.

Voici où la nomenclature devient potentiellement confuse - en particulier lors de la comparaison entre la recherche bactérienne et eucaryote. Dans

recherche bactérienne

, si le facteur de transcription agit en liant l'ADN et l'ARN polymérase d'une manière qui augmente la transcription, alors il est généralement appelé un activateur. Si, en revanche, le facteur de transcription agit en se liant à l'ADN pour réprimer ou diminuer la transcription du gène, il est alors appelé un répresseur.

Pourquoi les classifications d'activateur et de répresseur sont-elles potentiellement problématiques ? Ces termes, décrivent dans des fonctions simples idéalisées. Bien que cela puisse être vrai dans le cas de certains facteurs de transcription, en réalité d'autres facteurs de transcription peuvent agir pour activer l'expression génique dans certaines conditions tout en réprimant dans d'autres conditions. Certains facteurs de transcription agiront simplement pour moduler l'expression vers le haut ou vers le bas en fonction du contexte plutôt que de « désactiver » la transcription ou de l'activer complètement. Pour éviter une partie de cette confusion possible, certains de vos instructeurs préfèrent éviter d'utiliser les termes activateur et répresseur et préfèrent simplement discuter de l'activité de la transcription de divers facteurs de transcription en tant qu'influence positive ou négative sur l'expression des gènes dans des cas spécifiques. Si ces termes sont utilisés, vous pourriez entendre votre instructeur dire que le facteur de transcription en question AGIT COMME/COMME un répresseur ou qu'il AGIT COMME/COMME un activateur, en prenant soin de ne pas l'appeler simplement un activateur ou un répresseur. Il est cependant plus probable que vous les entendiez dire qu'un facteur de transcription agit pour influencer positivement ou négativement la transcription.

ATTENTION : En fonction de votre instructeur, vous pouvez couvrir quelques exemples biologiques réels de mécanismes de régulation positifs et négatifs. Ces exemples spécifiques utiliseront les noms communs des facteurs de transcription - puisque les exemples seront typiquement tirés de la littérature bactérienne, les noms des facteurs de transcription peuvent inclure les termes « répresseur » ou « activateur ». Ces noms sont des reliques de l'époque où ils ont été découverts pour la première fois. Essayez de passer plus de temps à examiner la logique du fonctionnement du système que d'essayer de mémoriser les propriétés spéciales de cette protéine spécifique dans tous les autres cas portant la même étiquette. C'est-à-dire que ce n'est pas parce qu'une protéine est étiquetée comme un répresseur qu'elle agit exclusivement comme un régulateur négatif dans tous les cas ou qu'elle interagit avec des signaux externes exactement de la même manière que dans l'exemple.

Discussion suggérée

Selon vous, quels types d'interactions se produisent entre les acides aminés du facteur de transcription et la double hélice de l'ADN ? Comment les facteurs de transcription reconnaissent-ils leur site de liaison sur l'ADN ?

Modulateurs allostériques de protéines régulatrices

L'activité de nombreuses protéines, y compris les protéines régulatrices et divers facteurs de transcription, peut être modulée allostériquement par divers facteurs, notamment par l'abondance relative de petites molécules dans la cellule. Ces petites molécules sont souvent appelées inducteurs ou co-répresseursou co-activateurs et sont souvent des métabolites, tels que le lactose ou le tryptophane ou de petites molécules régulatrices, telles que l'AMPc ou le GTP. Ces interactions permettent à la TF d'être sensible aux conditions environnementales et de moduler sa fonction en conséquence. Elle aide à prendre la décision de transcrire ou non un gène en fonction de l'abondance du signal environnemental.

Imaginons un régulateur transcriptionnel négatif. Dans le cas le plus simple que nous ayons considéré jusqu'à présent, la transcription d'un gène avec un site de liaison pour ce facteur de transcription serait faible lorsque le TF est présent et élevée lorsque le TF est absent. Nous pouvons maintenant ajouter une petite molécule à ce modèle. Dans ce cas, la petite molécule est capable de se lier au régulateur transcriptionnel négatif via des ensembles de liaisons hydrogène et ioniques complémentaires. Dans ce premier exemple, nous considérerons le cas où la liaison de la petite molécule au TF induit un changement de conformation du TF qui réduit sévèrement sa capacité à se lier à l'ADN. Si tel est le cas, le régulateur négatif - une fois lié par sa petite molécule - se libérerait de l'ADN. Cela soulagerait ainsi l'influence négative et conduirait à une transcription accrue. Cette logique réglementaire pourrait être appropriée pour avoir évolué dans le scénario suivant : une petite molécule alimentaire est typiquement absente de l'environnement. Par conséquent, les gènes codant pour des enzymes qui dégraderont/utiliseront cet aliment devraient être maintenus « off » la plupart du temps pour préserver l'énergie cellulaire que leur synthèse utiliserait. Ceci pourrait être accompli par l'action d'un régulateur négatif. Lorsque la denrée alimentaire apparaît dans l'environnement, il conviendrait que les enzymes responsables de sa transformation s'expriment. La denrée alimentaire pourrait alors agir en se liant au régulateur négatif, en changeant la conformation du TF, en provoquant sa libération de l'ADN et en activant la transcription des enzymes de transformation.

Un modèle abstrait d'une unité transcriptionnelle générique régulée par un régulateur négatif dont l'activité est modulée par une petite molécule (représentée par une étoile). Dans ce cas, la liaison de la petite molécule provoque la libération du TF de l'ADN.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Nous pouvons considérer un deuxième modèle pour la façon dont un TF à action négative pourrait interagir avec une petite molécule. Dans ce cas, le TF seul est incapable de lier son site de régulation sur l'ADN. Cependant, lorsqu'une petite molécule se lie au TF, un changement de conformation se produit qui réoriente les acides aminés se liant à l'ADN dans l'orientation « correcte » pour la liaison à l'ADN. Le complexe TF-petite molécule se lie maintenant à l'ADN et agit pour influencer négativement la transcription.

Un modèle abstrait d'une unité transcriptionnelle générique régulée par un régulateur négatif dont l'activité est modulée par une petite molécule (représentée par une étoile). Dans ce cas, la liaison de la petite molécule amène le TF à se lier à l'ADN.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Notez comment l'activité du TF peut être modulée de manières très différentes par une petite molécule. Selon la protéine, la liaison de ce signal externe peut soit provoquer la liaison du complexe TF-petite molécule à l'ADN OU la liaison de la petite molécule peut provoquer la libération du complexe TF-petite molécule de l'ADN. Les mêmes types d'exemples peuvent être élaborés pour un régulateur positif.

Dans les deux cas proposés ci-dessus, la liaison d'une petite molécule à un TF dépendra de la force avec laquelle le TF interagit avec la petite molécule. Cela dépendra des types et de l'orientation spatiale des groupes fonctionnels chimiques de la protéine, de leurs états de protonation (le cas échéant) et des groupes fonctionnels complémentaires sur la petite molécule. Il ne devrait donc pas être surprenant d'apprendre que la liaison de la petite molécule au TF dépendra de divers facteurs, y compris, mais sans s'y limiter, les concentrations relatives de la petite molécule et du TF et du pH.

S'agit-il d'une régulation positive ou négative ?

Résoudre un point commun de confusion

À ce stade, il n'est pas rare que de nombreux étudiants Bis2a soient légèrement confus quant à la façon de déterminer si un facteur de transcription agit comme un régulateur positif ou négatif. Cette confusion survient souvent après une discussion sur les modes possibles selon lesquels un stimulus (c'est-à-dire une petite molécule) peut influencer l'activité d'un facteur de transcription. Ce n'est pas trop surprenant. Dans les exemples ci-dessus, la liaison d'une molécule effectrice à un facteur de transcription pourrait avoir l'un de deux effets différents : (1) la liaison de la molécule effectrice pourrait induire la libération d'un facteur de transcription lié à l'ADN à partir de son site de liaison, dépressurant un promoteur, et "l'activation" de l'expression des gènes. (2) la liaison de la molécule effectrice au facteur de transcription pourrait inciter le TF à se lier à son site de liaison à l'ADN, réprimant la transcription et "désactivant" l'expression du gène. Dans le premier cas, il peut sembler que le TF agit pour réguler positivement l'expression, tandis que dans le second exemple, il peut sembler que le TF agit négativement.

Cependant, dans les deux exemples ci-dessus, le TF agit comme un régulateur négatif. Pour déterminer cela, nous examinons ce qui se passe lorsque le TF se lie à l'ADN (qu'une petite molécule soit liée au TF ou non). Dans les deux cas, la liaison du TF à l'ADN réprime la transcription. Le TF agit donc comme un régulateur négatif. Une analyse similaire peut être effectuée avec des TF à action positive.

Notez que dans certains cas, un TF peut agir comme un régulateur positif chez un promoteur et un régulateur négatif chez un promoteur différent, il est donc souvent important de décrire le comportement du TF au cas par cas (lire trop à partir du nom qui lui a été attribué peut tromper parfois). D'autres protéines TF peuvent agir alternativement en tant que régulateurs positifs ou négatifs du même promoteur en fonction des conditions. Encore une fois, il est conseillé de décrire le comportement du TF spécifiquement pour chaque cas.

Un test génétique pour la fonction régulatrice positive ou négative d'un TF

Comment déterminer si une protéine régulatrice fonctionne de manière positive ou négative ? Un test génétique simple consiste à demander « qu'arrive-t-il à l'expression si la protéine régulatrice est absente ? Ceci peut être accompli en retirant du génome le gène codant pour le facteur de transcription. Si un facteur de transcription agit positivement, alors sa présence est nécessaire pour activer la transcription. En son absence, il n'y a pas de protéine régulatrice, donc pas d'activation, et le résultat est une baisse des niveaux de transcription d'un gène cible. L'inverse est vrai pour un facteur de transcription agissant négativement. En son absence, l'expression devrait être augmentée, car le gène maintenant une expression faible n'est plus là.

Fin de la transcription et dégradation de l'ARN

Terminaison de la transcription chez les bactéries

Une fois qu'un gène est transcrit, la polymérase bactérienne doit recevoir l'instruction de se dissocier de la matrice d'ADN et de libérer l'ARNm nouvellement créé. Selon le gène à transcrire, il existe deux types de signaux de terminaison. L'un est à base de protéines et l'autre à base d'ARN. Terminaison Rho-dépendante est contrôlé par la protéine rho, qui suit la polymérase sur la chaîne d'ARNm en croissance. Vers la fin du gène, la polymérase rencontre une série de nucléotides G sur la matrice d'ADN et elle cale. En conséquence, la protéine rho entre en collision avec la polymérase. L'interaction avec rho libère l'ARNm de la bulle de transcription.

Résiliation indépendante de Rho est contrôlé par des séquences spécifiques dans le brin matrice d'ADN. Lorsque la polymérase approche de la fin du gène en cours de transcription, elle rencontre une région riche en nucléotides C-G. L'ARNm se replie sur lui-même et les nucléotides C-G complémentaires se lient. Le résultat est une stabilité épingle à cheveux qui provoque le blocage de la polymérase dès qu'elle commence à transcrire une région riche en nucléotides A–T. La région complémentaire U-A du transcrit d'ARNm ne forme qu'une faible interaction avec l'ADN matrice. Ceci, couplé à la polymérase bloquée, induit une instabilité suffisante pour que l'enzyme centrale se détache et libère le nouveau transcrit d'ARNm.

Terminaison de la transcription chez les eucaryotes

La terminaison de la transcription est différente pour les différentes polymérases. Contrairement aux procaryotes, l'élongation par l'ARN polymérase II chez les eucaryotes a lieu de 1 000 à 2 000 nucléotides au-delà de la fin du gène à transcrire. Cette queue de pré-ARNm est ensuite éliminée par clivage pendant le traitement de l'ARNm. D'autre part, les ARN polymérases I et III nécessitent des signaux de terminaison. Les gènes transcrits par l'ARN polymérase I contiennent une séquence spécifique de 18 nucléotides qui est reconnue par une protéine de terminaison. Le processus de terminaison dans l'ARN polymérase III implique une épingle à cheveux d'ARNm similaire à la terminaison rho-indépendante de la transcription chez les procaryotes.

Terminaison de la transcription chez les archées

La terminaison de la transcription chez les archées est beaucoup moins étudiée que dans les deux autres domaines de la vie et n'est toujours pas bien comprise. Alors que les détails fonctionnels sont susceptibles de ressembler à des mécanismes qui ont été vus dans d'autres domaines de la vie, les détails dépassent le cadre de ce cours.

Dégradation de l'ARN

La durée de vie des différentes espèces d'ARN dans la cellule peut varier considérablement, de quelques secondes à quelques heures. La durée de vie moyenne de l'ARNm peut également varier considérablement en fonction de l'organisme. Par exemple, la durée de vie médiane de l'ARNm dans E. coli est d'environ 5 minutes. La demi-vie de l'ARNm dans la levure est d'environ 20 minutes et de 600 minutes pour les cellules humaines. Une partie de la dégradation est « ciblée ». C'est-à-dire que certains transcrits incluent une courte séquence qui les cible pour les enzymes dégradant l'ARN, accélérant ainsi le taux de dégradation. Il ne faut pas trop d'imagination pour en déduire que ce processus pourrait également être adapté de manière évolutive à différents gènes. Le simple fait de se rendre compte que la dégradation - et le réglage de la dégradation - peut également être un facteur de contrôle de l'expression d'un gène est suffisant pour Bis2a.

Fin de l'accord

Comme tous les autres processus biologiques, la terminaison de la transcription n'est pas parfaite. Parfois, l'ARN polymérase est capable de lire les séquences de terminaison et de transcrire les gènes adjacents. Ceci est particulièrement vrai dans les génomes bactériens et archéens où la densité des gènes codants est élevée. Cette lecture transcriptionnelle peut avoir divers effets, mais les deux résultats les plus courants sont : (1) Si les gènes adjacents sont codés sur le même brin d'ADN que le gène activement transcrit, les gènes adjacents peuvent également être transcrits. (2) Si les gènes adjacents sont transcrits sur le brin opposé des gènes activement transcrits, la lecture de l'ARN polymérase interfère avec les polymérases transcrivant activement le gène voisin. Sans surprise, la biologie a dans certains cas développé des mécanismes qui agissent à la fois pour minimiser l'influence de la lecture et pour en tirer parti. Par conséquent, la "force" d'un terminateur - et son efficacité à terminer la transcription dans une direction particulière - sont "réglées" par la Nature et "utilisées" (notez l'anthropomorphisme entre guillemets) pour réguler l'expression des gènes.

Un modèle abstrait d'une unité transcriptionnelle de base complète et des diverses « parties » codées sur l'ADN qui peuvent influencer l'expression du gène. Nous attendons des étudiants de Bis2A qu'ils soient capables de recréer de mémoire une figure conceptuelle similaire.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

Résumé de la régulation des gènes

Dans le texte précédent, nous avons examiné plusieurs façons de commencer à résoudre certains des défis de conception associés à la régulation de la quantité de transcrit qui est créée pour une seule région codante du génome. Nous avons examiné en termes abstraits certains des processus responsables du contrôle de l'initiation de la transcription, comment ceux-ci peuvent être rendus sensibles aux facteurs environnementaux, et très brièvement les processus qui terminent la transcription et gèrent la dégradation active de l'ARN. Nous avons évité plus Chacun de ces processus peut être réglé quantitativement par nature pour être "plus fort" ou "plus faible". Il est important de réaliser que les valeurs réelles de « force » (par exemple, la force du promoteur, les taux de dégradation, etc.) influencent le comportement du processus global de manière potentiellement importante sur le plan fonctionnel.

Exemples de régulation des gènes bactériens

Cette section décrit deux exemples de régulation transcriptionnelle chez les bactéries. Ceux-ci sont présentés à titre d'exemples illustratifs. 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 et des archées est généralement organisé en un ou plusieurs chromosomes circulaires dans le cytoplasme. L'agrégat dense d'ADN que l'on peut voir sur les micrographies électroniques s'appelle le nucléoïde. Chez les bactéries et les archées, les gènes, dont l'expression doit être étroitement coordonnée (par exemple, les gènes codant pour des protéines impliquées dans la même voie biochimique) sont souvent regroupés étroitement dans le génome. Lorsque l'expression de plusieurs gènes est contrôlée par le même promoteur et qu'un seul transcrit est produit, ces unités d'expression sont appelées opérons. Par exemple, dans la bactérie Escherschia coli tous les gènes nécessaires à l'utilisation du lactose sont codés les uns à côté des autres dans le génome. Cet arrangement est appelé le lactose (ou lac) opéron. C'est souvent le cas chez les bactéries et les archées que près de 50 % de tous les gènes sont codés en opérons de deux gènes ou plus.

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 un rythme particulier, est appelée force du promoteur. Plus le promoteur est fort, plus l'ARN est produit dans une période de temps donnée. La force du promoteur peut être "réglée" par la Nature en très petites ou 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 peuvent être utilisées pour contrôler le taux maximum 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 des bibliothèques de promoteurs synthétiques pour l'ingénierie des microbes dans le cadre de leur projet de conception pour le concours iGEM 2011.

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. colipeut 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 en utilisant des enzymes codées par cinq gènes. Ces cinq gènes sont codés les uns à côté des autres dans le E. coli génome dans ce qu'on appelle 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 est désactivé. Cependant, lorsque la disponibilité du tryptophane dans l'environnement est faible, le commutateur contrôlant l'opéron est activé, la transcription est initiée, les gènes sont exprimés et le tryptophane est synthétisé. Voir la figure et les paragraphes ci-dessous pour une explication mécanique.

Organisation de la trp opéron

Cinq régions génomiques codant pour les enzymes de biosynthèse du tryptophane sont disposées séquentiellement sur le chromosome et sont sous le contrôle d'un seul promoteur - elles sont organisées 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 codée 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 pour 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 des protéines régulatrices leur permettant d'accomplir leur fonction appropriée (par exemple, réprimer ou activer la transcription). Ce thème sera répété universellement dans toute la biologie, que le terme « opérateur » soit utilisé ou non.

De plus, 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 nécessaires à la synthèse du tryptophane dans E. coli sont situés les uns à côté des autres dans l'opéron trp. 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 et les gènes sont transcrits.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

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 déroule, les gènes d'utilisation du tryptophane sont transcrits et traduits, et le tryptophane est ainsi synthétisé.

Étant donné que le facteur de transcription se lie activement à l'opérateur pour maintenir les gènes éteints, le trp l'opéron est dit « régulé négativement » et les protéines qui se lient à l'opérateur font taire trp les expressions sont régulateurs négatifs.

Discussion suggérée

Pensez-vous que les niveaux d'expression constitutifs du trp l'opéron est haut ou bas ? Pourquoi?

Discussion des suggestions

Supposons que la nature adopte une approche différente pour réguler l'opéron trp. Concevoir une méthode pour réguler l'expression de l'opéron trp avec un régulateur positif au lieu d'un régulateur négatif. (indice : nous posons ce genre de question tout le temps 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 de 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 avons choisi de décrire 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, la réglementation de la lac L'opéron est, à notre avis, un merveilleux exemple de la façon dont l'activité coordonnée des régulateurs positifs et négatifs autour du même promoteur peut être utilisée pour intégrer plusieurs sources différentes d'informations cellulaires afin de 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 que vous appreniez les lac histoire d'opéron que de connaître la table logique présentée ci-dessous. Pour les instructeurs pour lesquels c'est le cas, ils se feront généralement un devoir de vous informer et n'incluront souvent délibérément pas de questions d'examen sur le lac opéron. Au contraire, ils vous testeront pour savoir si vous avez compris la base sous-jacente aux mécanismes de régulation que vous étudiez. Si ce n'est pas clair ce que veut l'instructeur, vous devriez demander.

L'utilisation du lactose

Le lactose est un disaccharide composé des hexoses glucose et galactose. On le trouve couramment en grande abondance dans le lait et certains produits laitiers. Comme on peut l'imaginer, le disaccharide peut être un aliment important pour les microbes capables d'utiliser ses deux hexoses. coli est capable d'utiliser plusieurs sucres différents comme sources d'énergie et de carbone, y compris le lactose et le lac opéron est une structure qui code les gènes nécessaires pour acquérir et traiter le lactose de l'environnement local. Cependant, le lactose n'a pas été fréquemment rencontré par les E. coli au cours de son évolution et donc les gènes du 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, lorsque le lactose est présent, il serait logique que les gènes responsables de l'utilisation du sucre soient exprimés (c'est-à-dire « activés »). 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 les années 50 par Jacob et Monod ont clairement démontré que E. coli préfère utiliser tout le glucose présent dans l'environnement avant de commencer à utiliser le lactose. Cela signifie que le mécanisme utilisé pour décider d'exprimer ou non les gènes d'utilisation du lactose doit pouvoir intégrer deux types d'informations (1) la concentration de glucose et (2) la concentration de lactose. Bien que cela puisse théoriquement être accompli de plusieurs manières, nous examinerons comment le lac L'opéron y parvient en utilisant plusieurs facteurs de transcription.

Les régulateurs transcriptionnels du 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, si du lactose 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 négatif n'est pas lié à son site de liaison et la transcription des gènes utilisant le lactose 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 (AMPc) commence à s'accumuler dans la cellule. L'AMPc est une molécule de signalisation commune qui est impliquée 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 d'AMPc permettent à ce composé de se lier au régulateur transcriptionnel positif appelé protéine activatrice de catabolite (CAP) - également appelé CRP. Le complexe cAMP-CAP compte de nombreux sites situés dans tout le E. coli génome et bon nombre de ces sites sont situés à proximité des promoteurs de nombreux opérons qui contrôlent le traitement de divers sucres.

Dans le lac opéron, le site de liaison AMPc-CAP est situé en amont du promoteur. La liaison de l'AMPc-CAP à l'ADN aide à recruter et à retenir l'ARN polymérase sur le promoteur. L'occupation accrue de l'ARN polymérase par rapport à son promoteur, à son tour, entraîne une augmentation de la production transcriptionnelle. Dans ce cas, la protéine CAP agit comme un régulateur positif.

Notez que le complexe CAP-cAMP peut, dans d'autres opérons, également agir comme un régulateur négatif en fonction de l'emplacement du site de liaison du complexe CAP-cAMP par rapport au site de liaison de l'ARN polymérase.

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

Pour le lac pour activer l'opéron, 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 que le lac l'opéron soit transcrit. Lorsque cette condition est atteinte, le complexe LacI-lactose dissocie le régulateur négatif à proximité du promoteur, libérant l'ARN polymérase pour transcrire les gènes de l'opéron. De plus, des niveaux élevés d'AMPc (indirectement indicatifs d'un faible taux de glucose) déclenchent la formation du complexe CAP-AMPc. Cette paire TF-inducteur se lie maintenant près du promoteur et agit pour recruter positivement l'ARN polymérase. Cette influence positive ajoutée augmente la production transcriptionnelle et le lactose peut être utilisé efficacement. La sortie mécanistique d'autres combinaisons de conditions binaires de glucose et de lactose est décrite dans le tableau ci-dessous et dans la figure qui suit.

Table de vérité pour Lac Opéron

La transcription de l'opéron lac est soigneusement régulée afin que son expression ne se produise que lorsque le glucose est limité et que le lactose est présent pour servir de source de carburant alternative.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)
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 du promoteur lac. 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 situé à environ +400nt dans la région codante de la protéine LacZ. L'opérateur 3 est situé à environ -80nt avant le site de démarrage du transcrit (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 représentée par rapport aux séquences opérateur. Notez que deux des opérateurs se trouvent dans la région codante de la protéine - il existe plusieurs types d'informations différents codés simultanément dans l'ADN.
Attribution : Marc T. Facciotti (propre œuvre)

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)



Commentaires:

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