Régulation de l'expression des gènes

La transcription est régulée chez les bactéries au niveau de l’initiation de la transcription. Chez les procaryotes (eubactéries et archées), des gènes sont regroupés en opérons, qui sont des unités transcriptionnelles. Un opéron comporte plusieurs gènes dont la transcription génère un seul ARN messager. Un tel ARN messager est dit polycistronique, parfois on l’appelle également un polycistron. Sur un ARN polycistronique, les séquences codantes de chaque gène sont séparées par des séquences non codantes de 1 à 40 nucléotides généralement, qui sont l’un des seuls types de séquences non codantes connues chez les procaryotes (qui n’ont pas d’introns, notamment). Il existe des cas de gènes chevauchant : les nucléotides codant les derniers acides aminés du premier gène codent également les premiers acides aminés du second gène. Ces opérons sont impliqués généralement dans la synthèse des acides aminés (comme l’opéron tryptophane (en)) ou dans le métabolisme des nutriments (par exemple l’opéron lactose). L’activité de ces gènes est régulée par des facteurs sigma (en), qui dépendent des conditions extérieures comme la température ou la disponibilité d’une molécule. Par exemple en l’absence d’un substrat, l’expression de gènes codant les enzymes impliquées dans le métabolisme de ce substrat est réprimée, permettant ainsi à la bactérie d’économiser de l’énergie. Mais si ce substrat réapparaît dans le milieu, l’expression des gènes codant ces enzymes est induite. Les gènes d’un même opéron sont régulés ensemble, de façon coordonnée. Des molécules, les effecteurs, peuvent se fixer sur un site allostérique et de cette façon modifier la conformation du domaine de liaison de l’ADN. Un inducteur active la transcription d’un gène ou d’un opéron, un corépresseur l’inhibe.

Le cas typique est celui de l’opéron lactose qui contient trois gènes adjacents : lac Z (codant la Bêta galactosidase qui hydrolyse le lactose en glucose + galactose), lac Y (codant la lactose perméase qui transporte le lactose dans la cellule) et lac A (codant la thiogalactoside transacétylase débarrassant la cellule du thiogalactoside importé avec le lactose). Deux protéines régulatrices sont impliquées dans la régulation de l’opéron : le répresseur Lac et l’activateur CAP, ces deux protéines se lient à l’ADN. En présence de lactose, le répresseur est inhibé par le lactose et ne peut se lier à l’opérateur. Le lactose est donc un inducteur et induit la traduction de protéines impliquées dans son métabolisme. En absence de glucose, la protéine CAP se lie à l’ADN et active les gènes de l’opéron. Mais en présence de glucose (meilleure source d’énergie que le lactose), l’expression du gène est inhibée même en présence de lactose car CAP ne peut se lier à l’ADN. L’opéron lactose est donc un opéron inductible.

Un exemple couramment cité est celui de l’opéron tryptophane, qui code 5 gènes impliqués dans la biosynthèse du tryptophane. En amont de cet opéron se trouve une séquence codant un répresseur. Le tryptophane (qui est un corépresseur) se fixe au répresseur, ce qui l’active et lui permet de réprimer la transcription des gènes impliqués dans sa biosynthèse. En absence de tryptophane, les gènes sont activés et la cellule synthétise alors son propre tryptophane. L’opéron tryptophane est donc un opéron répressible.

Il existe chez les procaryotes comme chez les eucaryotes des séquences capables d'activer les promoteurs: ce sont les enhancers. D'autres capables de les inhiber (inactivateurs). Les activateurs sont des protéines capables de se lier à l’ADN recrutant au niveau du l’ARN polymérase, l’enzyme indispensable de la transcription. Les répresseurs sont des protéines qui inhibent l’expression des gènes en se fixant au niveau du promoteur : ils empêchent donc l’ARN polymérase de s’y fixer. Les procaryotes disposent, comme les eucaryotes, de séquences cis-régulatrices. Les promoteurs comprennent des séquences conservées : au point 0 d'initiation de la transcription se trouve le triplet CAT (A étant le point 0). Vers -10, se trouve la séquence TATAAT (semblable à la TATA box des eucaryotes) et vers -35 la séquence TTGACA.

Certaines protéines régulent leur propre traduction en se fixant sur la séquence d’initiation de la traduction de l’ARN messager. Le ribosome ne peut alors se lier à l’ARN messager et ne peut donc pas le traduire. Une autre possibilité repose sur l’utilisation d’ARN antisens, s’appariant à l’ARN messager et formant un ARN double brin empêchant la traduction. Enfin, un dernier cas utilise la faculté de formation de structures secondaires par l’ARN messager.

Comme chez les bactéries, c’est généralement l’initiation de la transcription qui est régulée par des protéines. On distingue les séquences cis-régulatrices et les facteurs trans.

Des séquences régulent l’activité des promoteurs : ce sont les amplificateurs et les inactivateurs. Une séquence enhancer active les promoteurs de certains gènes en utilisant des facteurs de transcription. Les séquences silencers, quant à elles, ont l’activité inverse : elles inhibent la transcription. Les promoteurs des gènes sont des séquences cis-régulatrices. Ils permettent la fixation de l'ARN polymérase II. Un promoteur est constitué de séquences conservées. Au point d'initiation de la transcription se trouve généralement une adénine encadrée par deux pyrimidines. A -25 chez les eucaryotes se trouve la TATA box et en -75 se trouve la CAAT box (en), qui augmente l'efficacité du promoteur. Enfin en -90, on retrouve la CG box, une séquence GGGCGG régulant également la transcription. Suivant les promoteurs, le nombre et la position de ces séquences varient. Il arrive que des promoteurs soient dépourvus de certaines de ces séquences. Mais tous ces facteurs influent sur la performance du promoteur.

Ces protéines viennent se fixer aux séquences cis et peuvent être des activateurs, capables de recruter l’ARN polymérase et le complexe protéique nécessaires à la transcription, ou bien des enzymes capables de modifier les nucléosomes, ou encore des répresseurs empêchant la fixation, entre autres, de l’ARN polymérase. Les facteurs de transcription sont des protéines capables de se fixer à l'ADN d'une part, et d'activer la transcription d'autre part. Par exemple, les protéines à homéodomaine effectuent une régulation transcriptionnelle des gènes. Ces protéines présentent un homéodomaine leur permettant de se lier à l’ADN, ainsi qu’un domaine d’activation de la transcription capable de recruter l’ARN polymérase et les complexes protéiques. Certaines de ces protéines utilisent pour se lier à l’ADN un doigt de zinc : elles contiennent un atome de zinc interagissant avec les résidus cystéine et histidine. Généralement, ces protéines sont spécifiques d’un tissu particulier, et elles n’activent donc l’expression de gènes que dans ces tissus. Il existe aussi des facteurs de transcription régulés par la fixation d'un ligand. Ce sont des protéines exprimées à la surface de la membrane cellulaire ou bien à la surface du noyau. Ces récepteurs sont activés par des ligands (hormones ou autres), ils libèrent alors une molécule réprimant leur activité, entrent dans le noyau et activent la transcription de gènes cibles.

La régulation de l'expression des gènes peut se faire en modulant la modification post-transcriptionnelle, et donc stabilité des ARNm. Elle consiste à un ajout d'une coiffe (GTP plus groupement méhyl) en 5' et d'une queue poly A en 3' (polyadénylation). Sans ces modifications, les ARNm seraient détruits par les RNases.

Deux voies de régulation de la traduction sont connues : la voie TOR et la voie de réponse au stress. La voie TOR (appelée mTOR pour les mammifères) repose sur la protéine TOR (pour Target of Rapamycine), qui contrôle la croissance cellulaire et le métabolisme. Ces deux voies adaptent l'activité des gènes à l'environnement et aux signaux extracellulaires (par exemple des hormones ou des nutriments). Elles reposent sur des réactions de phosphorylation de protéines (des activateurs ou des inhibiteurs de gènes). Ainsi la disponibilité en nutriments et acides aminés stimulent la voie TOR, qui active des activateurs de transcription, responsables de l'augmentation du métabolisme énergétique et permettant l'expression de gènes impliqués dans la croissance cellulaire et la division. C'est de cette façon, entre autres que la reine des abeilles voit sa taille s'accroître : elle est en effet nourrie à la gelée royale qui a la particularité de stimuler la voie TOR. En effet, l'inhibition expérimentale de la voie TOR (par la rapamycine ou bien par ARN interférence) induit le développement d'un phénotype d'ouvrière[2]. La voie de réponse au stress montre l'effet inverse : en présence de rayonnements (UV notamment), carences alimentaires ou polluants, d'autres activateurs de transcription sont stimulés et activent des gènes impliqués dans la défense de la cellule. Ces gènes permettent de détruire des protéines anormales produites à cause du stress, de stimuler les systèmes antioxydants, d'éliminer les constituants endommagés par le stress, et de remplacer les protéines anormales. Si le stress se prolonge, la cellule subit une apoptose[3]. Des microARN sont également impliqués dans la régulation traductionnelle : en se liant à des ARN messagers, ils bloquent leur traduction.

Chez les eucaryotes, la chromatine peut se présenter sous forme d’hétérochromatine (ADN condensé autour d’un octamère d’histones : formation de nucléosomes) et d’euchromatine (ADN décondensé). Seules les séquences de l’euchromatine sont exprimées. L’hétérochromatine rend impossible la transcription. Typiquement, les séquences télomériques et centromériques sont sous forme d’hétérochromatine, ces régions contenant peu ou pas de gènes. Des enzymes recrutées par des activateurs sont capables de modifier des histones en ajoutant ou en retirant des groupes chimiques. Ainsi, les histones acétylases ajoutent des groupements acétyles, ce qui active les gènes. Des répresseurs effectuent l’activité inverse : ils recrutent des modificateurs d’histones, comme les histones désacétylases capables de désacétyler les histones. Elles modulent ainsi l’accessibilité du gène par les enzymes de transcription. Ce mécanisme consomme de l’ATP. Les désacétylations peuvent permettre de maintenir des portions d’ADN à l’état silencieux, et cette condition peut s’étendre à de plus larges segments car les enzymes de modification sont préférentiellement recrutées sur des portions déjà maintenues dans cet état. D'autres enzymes influent sur l'activité des gènes en méthylant (c'est-à-dire en ajoutant des groupements méthyle, comme pour l'ADN, ce qui inactive la chromatine) ou phosphorylant (c'est-à-dire en ajoutant des groupements phosphates) les histones, ce qui inactive également les gènes, ou encore la Poly ADP ribosylation. Il existe une hérédité épigénétique due à la modification d’histones. En effet l'état de modification épigénétique des histones est transmissible. On sait également qu'il existe un lien avec le métabolisme énergétique. En effet les réactions responsables de l'état des histones, l'acétylation, la méthylation ou la phosphorylatyion, reposent sur des molécules du métabolisme énergétique[4]. En effet les groupements acétyls sont issus de l'acétyl CoA, le donneur de méthyl est le S-Adénosylméthionine et la polyADP ribosylation repose sur le NAD+, autant de molécules impliquées dans le métabolisme énergétique. De l'activité de ce dernier, déterminée par la disponibilité des nutriments ou de la quantité d'oxygène disponible, dépend la concentration en ces diverses molécules interagissant avec les histones. De cette façon une modification du métabolisme énergétique influe sur l'état de la chromatine et donc sur l'expression des gènes. Par exemple, l'acétylation active les gènes. Donc un régime métabolique produisant de l'acétyl CoA en grande quantité permet à une cellule de réagir plus vite aux changements d'environnement en exprimant de nouveaux gènes. Ces modifications étant transmissibles, on peut dire que le phénotype d'un individu dépend en partie de l'environnement de ses ancêtres. Ainsi, une étude suédoise a montré que les personnes ayant connu la famine durant leur jeunesse avaient une descendance dotée d'une espérance de vie supérieure. C'est ainsi que le métabolisme énergétique est étroitement lié à l'expression du génome[5].

Il est également possible d’inhiber des gènes en faisant intervenir une enzyme, l’ADN méthylase, qui a pour fonction de méthyler l’ADN, généralement au niveau des séquences CpG[1] (Cytosine-phosphate-Guanine). Ces îlots CpG (aussi appelés îlots CG) sont généralement associés aux promoteurs et donc à l'activité des gènes[1]. Le mécanisme est documenté chez les mammifères. À la suite de la réplication, les gènes codant ces méthyltransférases sont activés et les enzymes reconnaissent le brin hémiméthylé et méthylent le nouveau brin. C’est également un phénomène d’extinction génique. En effet la méthylation empêche la liaison des complexes enzymatiques de la transcription ainsi que des activateurs. De plus, dans certains cas elle peut permettre la fixation de répresseurs modifiant les histones. La méthylation concerne généralement les séquences promotrices[6], et les cellules cancéreuses présentent souvent des méthylations aberrantes[7]. Il est à noter que chez les mammifères femelles, seul l’un des deux chromosomes X est actif. L’autre est désactivé par méthylation. Certains gènes ne s’expriment que dans certains tissus car ils sont méthylés dans les autres. La méthylation d’ADN est héréditaire (épigénétique). Par exemple, chez Linaria vulgaris, les fleurs sont généralement zygomorphes, mais il existe des formes asymétriques, bien que le gène CYCLOIDEA, responsable de la symétrie florale, soit intact. Mais son expression est inhibée au niveau des doublets CG, modification épigénétique transmissible selon les lois de Mendel[8]. La méthylation des îlots CG est également documentée chez les insectes sociaux[9], comme les fourmis, les termites ou les abeilles. Ces insectes vivent en communautés où un individu connaîtra au cours de sa vie des fonctions bien distinctes, les castes. Toutes les castes d'insectes (ouvrières, soldats...) ont un génome identique mais les importantes différences morphologiques, comportementales et physiologiques seraient liées à des différences au niveau de la méthylation de certains gènes[10]. Il semblerait que l'origine des épimutations serait liée à un réarrangement chromosomique qui insérerait un site méthylé à proximité d'un gène, ce qui recruterait les méthytransférases, permettant ainsi le maintien de la méthylation à chaque division[11], mais il existe également des cas de méthylation de novo, créant des sites méthylés maintenus ensuite par les méthyltransférases. Enfin, une inhibition de la méthyltransférase peut être à l'origine de l'apparition d'épiallèles. Il semblerait que l'activité des méthyltransférases soit liée à la nutrition, notamment la disponibilité en acides aminés soufrés, et que celle-ci puisse modifier l'épigénome d'une génération à l'autre. L'activation ou l'inactivation de gènes par la méthylation est souvent liée à l'environnement. Ainsi, chez certaines plantes, la vernalization est due à l'activation du gène FLOWERING LOCUS C par les basses températures, l'activité de ce gène étant modulée par méthylation/déméthylation[12]. Il semblerait également que chez les mammifères, la senescence s'accompagne d'une hypométhylation de certaines séquences répétées et transposons, ainsi que d'une hyperméthylation d'autres gènes. On sait également que chez les souris, la couleur des descendants dépend de l'alimentation de la mère gravide : une souris nourrie à des aliments fournisseurs de méthyle aura proportionnellement plus de descendants dont le pelage sera "wild-type"[13]. C'est ainsi que l'on sait qu'un phénotype adulte peut avoir pour origine un stimulus environnemental survenu au plus jeune âge.