Régulation d’un groupe de gènes

Il existe différents mécanismes de régulation permettant de moduler l’expression d’un gène. On distinguera les mécanismes modulant l’initiation de l’élongation de la

trans-A.3. Régulation de l’expression des gènes 181

Figure A.3 – Schéma présentant les étapes de l’initiation de la traduction. – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Prokaryotic/

cription. Les régulations agissant au niveau de l’initiation de la transcription sont gé-néralement les plus courantes et impliquent des protéines particulières, les facteurs de transcription (FT) et les facteurs sigma.

Facteurs σ : Nous avons vu dans la section précédente que le facteur σ est un facteur nécessaire à l’initiation de la transcription. Il existe un nombre restreint de facteurs σ dans les bactéries et chacun ne peut se lier qu’à un certain nombre de promoteurs. Ainsi, si un seul facteur σ est présent dans la cellule, seule une partie du génome peut être transcrite puis traduite. En changeant le type de facteur σ produit, la cellule est capable de changer intégralement de configuration.

Typiquement, le facteur σ_A peut se lier à tous les promoteurs de gènes qui codent pour des protéines nécessaires en phase de croissance ; le facteur σK peut se lier à tous les promoteurs de gènes qui codent pour un programme de sporulation (mode de fonction-nement de Bacillus subtilis qui protège son ADN dans un spore extrêmement résistant) ; d’autres facteurs sont exprimés et se lient à des gènes en condition de stress. Ce sont de vrais programmes de fonctionnement et des moyens de réguler globalement le fonction-nement de la cellule en activant un programme ou un autre.

Si le type de facteur σ permet d’allumer ou d’éteindre des fonctions générales de la cellule, il existe au sein d’un même type de facteur σ des motifs de fixation différents. Chez la bactérie B. subtilis, 6 motifs différents pour le facteur σ_A ont été identifiés [62]. Ces familles de motifs permettent de moduler l’affinité de la polymérase pour le promoteur, et donc in fine de moduler la transcription du gène en fonction de la concentration de l’ARN-polymérase libre.

Cette caractéristique nous intéresse particulièrement dans la conception de souche car on dispose ici d’un moyen de pouvoir changer globalement les gènes qui sont exprimés, tout simplement en concevant des promoteurs adaptés à un facteur σ particulier et en exprimant ce facteur σ, qui est lui même une protéine.

Les facteurs de transcription (FT) : Un facteur de transcription est une protéine qui augmente (activateur) ou diminue (répresseur) l’affinité de l’ARN-polymérase pour son promoteur en se fixant sur des séquences spécifiques de l’ADN proches du promo-teur. De plus, l’activité du facteur de transcription peut être modulée par un effecteur (généralement un métabolite). L’effecteur module l’accrochage du FT sur l’ADN. Dans certains cas, il peut stimuler ou au contraire empêcher l’accrochage du FT sur l’ADN. Le résultat final sur la transcription du gène dépend donc d’une part de l’effet positif ou négatif du FT, et d’autre part de l’effet positif ou négatif de l’effecteur sur le FT. Le régulon associé à un régulateur correspond à l’ensemble des gènes sous le contrôle direct de ce régulateur.

Les autres mécanismes de régulation génétique : Les mécanismes modulant l’élongation de la transcription, autrefois minoritaires et peu étudiés, jouent en fait un rôle central notamment dans la régulation des voies métaboliques. Le principe géné-ral de ces régulations est le suivant. Après l’initiation, l’ARNm naissant possède deux motifs particulier, un terminateur précoce, et un motif anti-terminateur (ou anti-anti-terminateur) sur lequel l’élément régulateur va se fixer. L’effet de l’élément régulateur dépend de la stabilité de l’ARNm naissant vis à vis de la boucle de terminaison. Soit le terminateur est stable, et dans ce cas l’accrochage de l’élément régulateur va permettre de le déstabiliser et ainsi d’autoriser la transcription. Soit le terminateur est instable, et la transcription a lieu en l’absence d’élément régulateur. Les principaux éléments régulateurs identifiés chez Bacillus subtilis sont :

— les ARNt non chargés : la transcription a lieu lorsque l’ARNt non chargé s’accroche sur l’ARNm ;

— les métabolites : la transcription s’arrête généralement lorsque le métabolite est fixé sur l’ARNm ;

— des protéines : ici il n’y a pas de règles générales concernant l’effet.

Le cas des gènes “constitutifs” : Toutefois la majorité des gènes d’une bactérie comme Bacillus subtilis ne sont soumis à aucune régulation génétique. On dit alors qu’ils sont constitutifs. Le seul mécanisme de régulation qui agit sur leur niveau d’ex-pression est l’affinité entre le promoteur du gène et l’ARN-polymérase et l’affinité entre les sous-unités 30S des ribosomes et la zone RBS du messager. Chaque gène possède une affinité propre du promoteur vis-à-vis de l’ARN-polymérase, et du RBS vis-à-vis du ribo-some 30S. Comme les concentrations des ARN-polymérases libres et des riboribo-somes libres

A.3. Régulation de l’expression des gènes 183

dépendent du taux de croissance, l’expression du gène est également modulée par le taux de croissance. A l’inverse des autres mécanismes de régulation qui peuvent dépendent de conditions extérieures, la régulation de l’expression des gènes par le taux de croissance est littéralement codée “en dur” dans la séquence ADN. Les nucléotides du promoteur du gène et les nucléotides en amont de la partie codante d’un ARN messager sont donc déterminants sur le niveau d’expression d’une protéine. Leur choix peut entièrement spé-cifier l’expression d’une protéine particulière en fonction du taux de croissance. Grâce à ce mécanisme, une cellule change de configuration en fonction du taux de croissance, toute chose restant égale par ailleurs.