Opéron - Operon

À ne pas confondre avec Opteron ou Oberon .
Un opéron typique

En génétique , un opéron est une unité fonctionnelle d' ADN contenant un groupe de gènes sous le contrôle d'un seul promoteur . Les gènes sont transcrits ensemble dans un brin d' ARNm et soit traduits ensemble dans le cytoplasme, soit subissent un épissage pour créer des ARNm monocistroniques qui sont traduits séparément, c'est-à-dire plusieurs brins d'ARNm qui codent chacun pour un seul produit génique. Il en résulte que les gènes contenus dans l'opéron sont exprimés ensemble ou pas du tout. Plusieurs gènes doivent être co-transcrits pour définir un opéron.

À l'origine, on pensait que les opérons n'existaient que chez les procaryotes (ce qui inclut les organites comme les plastes dérivés de bactéries ), mais depuis la découverte des premiers opérons chez les eucaryotes au début des années 1990, de plus en plus de preuves suggèrent qu'ils sont plus fréquents qu'auparavant. assumé. En général, l'expression d'opérons procaryotes conduit à la génération d' ARNm polycistroniques , tandis que les opérons eucaryotes conduisent à des ARNm monocistroniques.

Les opérons sont également présents dans les virus tels que les bactériophages . Par exemple, les phages T7 ont deux opérons. Le premier opéron code pour divers produits, y compris une ARN polymérase T7 spéciale qui peut se lier au deuxième opéron et le transcrire. Le deuxième opéron comprend un gène de lyse destiné à provoquer l'éclatement de la cellule hôte.

Histoire

Le terme "opéron" a été proposé pour la première fois dans un court article dans les Actes de l' Académie française des sciences en 1960. À partir de cet article, la soi-disant théorie générale de l'opéron a été développée. Cette théorie suggérait que dans tous les cas, les gènes au sein d'un opéron sont contrôlés négativement par un répresseur agissant sur un seul opérateur situé avant le premier gène. Plus tard, il a été découvert que les gènes pouvaient être régulés positivement et également régulés aux étapes qui suivent l'initiation de la transcription. Par conséquent, il n'est pas possible de parler d'un mécanisme de régulation général, car différents opérons ont des mécanismes différents. Aujourd'hui, l'opéron est simplement défini comme un groupe de gènes transcrits en une seule molécule d'ARNm. Néanmoins, le développement du concept est considéré comme un événement marquant dans l'histoire de la biologie moléculaire. Le premier opéron à être décrit était l' opéron lac dans E. coli . Le prix Nobel de physiologie et médecine 1965 a été décerné à François Jacob , André Michel Lwoff et Jacques Monod pour leurs découvertes concernant la synthèse d'opéron et de virus.

Aperçu

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La structure d'un opéron procaryote de gènes codant pour des protéines . La séquence régulatrice contrôle lorsque l'expression se produit pour les multiples régions codant pour les protéines (rouge). Les régions promoteur , opérateur et amplificateur (jaune) régulent la transcription du gène en un ARNm. Les régions non traduites de l' ARNm (bleu) régulent la traduction dans les produits protéiques finaux.

Les opérons se produisent principalement chez les procaryotes mais aussi chez certains eucaryotes , notamment les nématodes tels que C. elegans et la mouche des fruits, Drosophila melanogaster . Les gènes d' ARNr existent souvent dans des opérons qui ont été trouvés dans une gamme d'eucaryotes, y compris les cordés . Un opéron est composé de plusieurs gènes de structure arrangés sous un promoteur commun et régulés par un opérateur commun. Il est défini comme un ensemble de gènes structuraux adjacents, plus les signaux régulateurs adjacents qui affectent la transcription des gènes structuraux. 5 Les organismes de réglementation d'un opéron donné, y compris des répresseurs , co - répresseurs et des activateurs , ne sont pas nécessairement codées par ledit opéron. L'emplacement et l'état des régulateurs, des promoteurs, des opérateurs et des séquences d'ADN structurelles peuvent déterminer les effets des mutations courantes.

Les opérons sont liés aux régulons , stimulons et modulons ; alors que les opérons contiennent un ensemble de gènes régulés par le même opérateur, les régulons contiennent un ensemble de gènes régulés par une seule protéine régulatrice et les stimulons contiennent un ensemble de gènes régulés par un seul stimulus cellulaire. Selon ses auteurs, le terme « opéron » est dérivé du verbe « opérer ».

En tant qu'unité de transcription

Un opéron contient un ou plusieurs gènes de structure qui sont généralement transcrits en un ARNm polycistronique (une seule molécule d'ARNm qui code pour plus d'une protéine ). Cependant, la définition d'un opéron n'exige pas que l'ARNm soit polycistronique, bien qu'en pratique, il le soit généralement. En amont des gènes de structure se trouve une séquence promotrice qui fournit un site à l' ARN polymérase pour se lier et initier la transcription. Près du promoteur se trouve une section d'ADN appelée opérateur .

Opérons versus clustering de gènes procaryotes

Tous les gènes de structure d'un opéron sont activés ou désactivés ensemble, en raison d'un seul promoteur et opérateur en amont d'eux, mais parfois plus de contrôle sur l'expression du gène est nécessaire. Pour atteindre cet aspect, certains gènes bactériens sont localisés à proximité les uns des autres, mais il existe un promoteur spécifique pour chacun d'eux ; c'est ce qu'on appelle le regroupement de gènes . Habituellement, ces gènes codent pour des protéines qui fonctionneront ensemble dans la même voie, telle qu'une voie métabolique. Le regroupement de gènes aide une cellule procaryote à produire des enzymes métaboliques dans un ordre correct.

Structure générale

1 : ARN polymérase, 2 : répresseur, 3 : promoteur, 4 : opérateur, 5 : lactose, 6 : lacZ, 7 : lacY, 8 : lacA. En haut : Le gène est essentiellement désactivé. Il n'y a pas de lactose pour inhiber le répresseur, de sorte que le répresseur se lie à l'opérateur, ce qui empêche l'ARN polymérase de se lier au promoteur et de produire de la lactase. En bas : Le gène est activé. Le lactose inhibe le répresseur, permettant à l'ARN polymérase de se lier au promoteur et d'exprimer les gènes qui synthétisent la lactase. Finalement, la lactase digère tout le lactose, jusqu'à ce qu'il n'y en ait plus pour se lier au répresseur. Le répresseur va alors se lier à l'opérateur, stoppant la fabrication de lactase.

Un opéron est composé de 3 composants de base de l'ADN :

  • Promoteur – une séquence nucléotidique qui permet à un gène d'être transcrit . Le promoteur est reconnu par l' ARN polymérase , qui initie alors la transcription. Dans la synthèse d'ARN, les promoteurs indiquent quels gènes doivent être utilisés pour la création d'ARN messager - et, par extension, contrôlent les protéines produites par la cellule.
  • Opérateur – un segment d' ADN auquel un répresseur se lie. Il est classiquement défini dans l' opéron lac comme un segment entre le promoteur et les gènes de l'opéron. L'opérateur principal (O1) dans l' opéron lac est situé légèrement en aval du promoteur ; deux opérateurs supplémentaires, O2 et O3 sont situés à -82 et +412, respectivement. Dans le cas d'un répresseur, la protéine répresseur empêche physiquement l'ARN polymérase de transcrire les gènes.
  • Gènes structurels - les gènes qui sont co-régulés par l'opéron.

Pas toujours inclus dans l'opéron, mais important dans sa fonction est un gène régulateur , un gène constamment exprimé qui code pour les protéines répresseurs . Le gène régulateur n'a pas besoin d'être dans, adjacent ou même près de l'opéron pour le contrôler.

Un inducteur (petite molécule) peut déplacer un répresseur (protéine) du site opérateur (ADN), résultant en un opéron non inhibé.

En variante, un corépresseur peut se lier au répresseur pour permettre sa liaison au site opérateur. Un bon exemple de ce type de régulation est vu pour l' opéron trp .

Régulation

Le contrôle d'un opéron est un type de régulation génique qui permet aux organismes de réguler l'expression de divers gènes en fonction des conditions environnementales. La régulation par l'opéron peut être soit négative, soit positive par induction ou répression.

Le contrôle négatif implique la liaison d'un répresseur à l'opérateur pour empêcher la transcription.

  • Dans les opérons inductibles négatifs , une protéine répresseur régulatrice est normalement liée à l'opérateur, ce qui empêche la transcription des gènes sur l'opéron. Si une molécule inductrice est présente, elle se lie au répresseur et change de conformation de sorte qu'elle est incapable de se lier à l'opérateur. Cela permet l'expression de l'opéron. L' opéron lac est un opéron inductible à contrôle négatif, où la molécule inductrice est l' allolactose .
  • Dans les opérons répressibles négatifs , la transcription de l'opéron a normalement lieu. Les protéines répresseurs sont produites par un gène régulateur , mais elles sont incapables de se lier à l'opérateur dans leur conformation normale. Cependant, certaines molécules appelées corépresseurs sont liées par la protéine répresseur, provoquant un changement de conformation du site actif. La protéine répresseur activée se lie à l'opérateur et empêche la transcription. L' opéron trp , impliqué dans la synthèse du tryptophane (qui agit lui-même comme le corépresseur), est un opéron répressible contrôlé négativement.

Les opérons peuvent également être contrôlés positivement. Avec un contrôle positif, une protéine activatrice stimule la transcription en se liant à l'ADN (généralement à un site autre que l'opérateur).

  • Dans les opérons inductibles positifs , les protéines activatrices sont normalement incapables de se lier à l'ADN pertinent. Lorsqu'un inducteur est lié à la protéine activatrice, il subit un changement de conformation afin qu'il puisse se lier à l'ADN et activer la transcription.
  • Dans les opérons répressibles positifs , les protéines activatrices sont normalement liées au segment d'ADN pertinent. Cependant, lorsqu'un inhibiteur est lié par l'activateur, il est empêché de se lier à l'ADN. Cela arrête l'activation et la transcription du système.

L' opéron lac

Article principal: lac opéron

L' opéron lac de la bactérie modèle Escherichia coli a été le premier opéron à être découvert et fournit un exemple typique de la fonction de l'opéron. Il se compose de trois gènes de structure adjacents , un promoteur , un terminateur et un opérateur . L' opéron lac est régulé par plusieurs facteurs dont la disponibilité du glucose et du lactose . Il peut être activé par l' allolactose . Le lactose se lie à la protéine répresseur et l'empêche de réprimer la transcription des gènes. Ceci est un exemple de la derepressible (ci - dessus: inductible négatif) modèle. Il s'agit donc d'un opéron inductible négatif induit par la présence de lactose ou d'allolactose.

L' opéron trp

Article principal: opéron trp

Découvert en 1953 par Jacques Monod et ses collègues, l'opéron trp dans E. coli a été le premier opéron répressible à être découvert. Alors que l'opéron lac peut être activé par un produit chimique ( allolactose ), l'opéron tryptophane (Trp) est inhibé par un produit chimique (tryptophane). Cet opéron contient cinq gènes de structure : trp E, trp D, trp C, trp B et trp A, qui code pour la tryptophane synthétase . Il contient également un promoteur qui se lie à l'ARN polymérase et un opérateur qui bloque la transcription lorsqu'il est lié à la protéine synthétisée par le gène répresseur (trp R) qui se lie à l'opérateur. Dans l'opéron lac, le lactose se lie à la protéine répresseur et l'empêche de réprimer la transcription génique, tandis que dans l'opéron trp, le tryptophane se lie à la protéine répresseur et lui permet de réprimer la transcription génique. Contrairement également à l'opéron lac, l'opéron trp contient un peptide leader et une séquence d' atténuateur qui permet une régulation graduelle. Ceci est un exemple du modèle corepressible .

Prédire le nombre et l'organisation des opérons

Le nombre et l'organisation des opérons ont été étudiés de la manière la plus critique dans E. coli . En conséquence, des prédictions peuvent être faites sur la base de la séquence génomique d'un organisme.

Une méthode de prédiction utilise la distance intergénique entre les cadres de lecture comme prédicteur principal du nombre d'opérons dans le génome. La séparation change simplement le cadre et garantit que la lecture est efficace. Des tronçons plus longs existent où les opérons commencent et s'arrêtent, souvent jusqu'à 40-50 bases.

Une méthode alternative pour prédire les opérons est basée sur la recherche de groupes de gènes où l'ordre et l'orientation des gènes sont conservés dans deux ou plusieurs génomes.

La prédiction des opérons est encore plus précise si la classe fonctionnelle des molécules est prise en compte. Les bactéries ont regroupé leurs cadres de lecture en unités, séquestrées par co-implication dans des complexes protéiques, des voies communes ou des substrats et transporteurs partagés. Ainsi, une prédiction précise impliquerait toutes ces données, une tâche difficile en effet.

Le laboratoire de Pascale Cossart a été le premier à identifier expérimentalement tous les opérons d'un micro-organisme, Listeria monocytogenes . Les 517 opérons polycistroniques sont répertoriés dans une étude de 2009 décrivant les changements globaux de transcription qui se produisent chez L. monocytogenes dans différentes conditions.

Voir également

Les références

Liens externes