Régulation de l'Expression Génique : Les Opérons chez les Procaryotes

Introduction aux Opérons

Les opérons sont des unités fonctionnelles de l'ADN que l'on trouve principalement chez les procaryotes (bactéries et archées). Un opéron est constitué d'un groupe de gènes structurels (codant pour des protéines) contrôlés par un seul promoteur et un seul opérateur. Cela permet la co-transcription de plusieurs gènes impliqués dans la même voie métabolique.

Pourquoi les opérons sont-ils importants? Ils permettent aux procaryotes de répondre rapidement aux changements de leur environnement en ajustant l'expression des gènes impliqués dans l'utilisation des nutriments ou la réponse au stress. C'est un système d'expression génétique coordonnée très efficace.

Les composants d'un opéron :

• Promoteur : Séquence d'ADN où l'ARN polymérase se lie pour initier la transcription.
• Opérateur : Séquence d'ADN où une protéine régulatrice (répresseur ou activateur) se lie pour contrôler l'accès de l'ARN polymérase au promoteur.
• Gènes structurels : Gènes qui codent pour des protéines impliquées dans une voie métabolique spécifique.

L'Opéron Lac : Un Exemple d'Opéron Inductible

L'opéron lac est un exemple classique d'opéron inductible chez E. coli. Il code pour les enzymes nécessaires à la métabolisation du lactose. Il est dit 'inductible' car l'expression des gènes est activée en présence d'un inducteur (le lactose ou un de ses dérivés, comme l'allolactose).

Fonctionnement en absence de lactose : En l'absence de lactose, une protéine répresseur (LacI) se lie à l'opérateur, empêchant l'ARN polymérase de transcrire les gènes structurels. L'expression des gènes de l'opéron lac est donc réprimée.

Fonctionnement en présence de lactose : Lorsque le lactose est présent, il est converti en allolactose, qui se lie au répresseur LacI. La liaison de l'allolactose au répresseur provoque un changement de conformation de la protéine, l'empêchant de se lier à l'opérateur. L'ARN polymérase peut alors se lier au promoteur et transcrire les gènes structurels (lacZ, lacY, lacA).

Gènes structurels de l'opéron lac :

• lacZ : Code pour la β-galactosidase, une enzyme qui hydrolyse le lactose en glucose et galactose.
• lacY : Code pour la lactose perméase, une protéine membranaire qui facilite l'entrée du lactose dans la cellule.
• lacA : Code pour la thiogalactoside transacétylase, une enzyme dont le rôle exact dans la métabolisation du lactose n'est pas complètement élucidé.

L'Opéron Trp : Un Exemple d'Opéron Répressible

L'opéron trp est un exemple d'opéron répressible chez E. coli. Il code pour les enzymes nécessaires à la biosynthèse du tryptophane, un acide aminé essentiel. Il est dit 'répressible' car l'expression des gènes est réprimée en présence du produit final de la voie métabolique (le tryptophane).

Fonctionnement en absence de tryptophane : En l'absence de tryptophane, le répresseur TrpR est inactif et ne peut pas se lier à l'opérateur. L'ARN polymérase peut donc se lier au promoteur et transcrire les gènes structurels de l'opéron trp.

Fonctionnement en présence de tryptophane : Lorsque le tryptophane est présent en quantité suffisante, il se lie au répresseur TrpR, l'activant. Le complexe tryptophane-répresseur se lie alors à l'opérateur, empêchant l'ARN polymérase de transcrire les gènes structurels. L'expression des gènes de l'opéron trp est donc réprimée.

Atténuation : L'opéron trp est également régulé par un mécanisme appelé atténuation, qui permet un contrôle plus fin de l'expression génique en fonction des niveaux de tryptophane. L'atténuation implique la formation d'une structure secondaire dans l'ARNm naissant qui peut provoquer l'arrêt prématuré de la transcription.

Comparaison Opéron Lac et Opéron Trp

Ce qu'il faut retenir

• Les opérons sont des unités fonctionnelles de l'ADN chez les procaryotes qui permettent la co-transcription de plusieurs gènes.
• Un opéron est composé d'un promoteur, d'un opérateur et de gènes structurels.
• L'opéron lac est un exemple d'opéron inductible, régulé par la présence de lactose.
• L'opéron trp est un exemple d'opéron répressible, régulé par la présence de tryptophane.
• Les opérons permettent aux procaryotes de répondre rapidement aux changements de leur environnement.