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Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_24 - Biologie

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Objectifs d'apprentissage associés à Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_24

  • Compte tenu d'une voie métabolique, proposer et justifier des molécules potentielles (telles que des régulateurs positifs/négatifs, des facteurs de transcription, etc.) pour réguler les étapes clés de la voie.
  • Compte tenu de certaines contraintes spécifiques sur un circuit de régulation, prédire le comportement du circuit sous l'influence possible de perturbations environnementales ou génétiques (changements).
  • Être capable de classer les différents niveaux de régulation discutés en classe par efficacité énergétique pour la pile et créer des énoncés qui illustrent la logique utilisée dans les classements.
  • À l'aide d'un réseau de régulation, interprétez avec précision les relations entre les gènes/protéines dans le réseau et prédisez les cibles potentielles de régulation par divers produits de la voie.

Exemples de régulation des gènes bactériens

Cette section décrit deux exemples de régulation transcriptionnelle chez les bactéries. 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 etarchéesont généralement organisésen un ou plusieurs chromosomes circulaires dans le cytoplasme. L'agrégat dense d'ADN qui peutêtre vuen micrographie électroniqueest appeléle nucléoïde. Chez les bactéries et les archées,gènes,dont l'expression doitêtre étroitement coordonné(par exemple des gènes codant pour des protéines impliquées dans la même voie biochimique)sont souvent regroupésétroitement ensemble dans le génome. Lorsque l'expression de plusieurs gènesest contrôléepar le même promoteur et un seul transcritest produitces unités d'expressionsont appelésopérons. Par exemple, dans la bactérie Escherichia coli tous les gènes nécessaires pour utiliser le lactosesont encodéscôte à côte dans le génome. Nous appelons cet arrangement le lactose (ou lac) opéron. Dans de nombreuses bactéries et archées, près de 50% de tous les gènessont encodésen opérons de deux ou plusieurs gènes.

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 une vitesse particulière,est référéen tant quepromoteurforce. Plus le promoteur est fort,plus il y a d'ARNdans une période donnée. La force du promoteur peutêtre "à l'écoute" par la nature danstrès petitou de 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 peuventêtre habitué àcontrôler le taux maximal 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 despromoteurbibliothèques pour l'ingénierie des microbes dans le cadre de leur projet de conception pour le 2011 iGEM concurrence.

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. coli peut 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 utilisant des enzymes codées par cinq gènes. Ces cinq gènesrésidercôte à côte dans le E. coli génome dans ce que nous appelons 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 s'éteint. Cependant, lorsque la disponibilité du tryptophane environnemental est faible, le commutateur contrôlant l'opéronest tournéau,la transcription est lancée, les gèness'expriment, et l'organisme synthétise le tryptophane. Voir la figure et les paragraphes ci-dessous pour une explication mécanique.

Organisation de la trp opéron

Les cinq gènes codant pour les enzymes de biosynthèse du tryptophane

sont arrangés

séquentiellement sur le chromosome et sont sous le contrôle d'un seul promoteur - c'est-à-dire la sélection naturelle

organisé cesgènes

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 codé

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 les protéines régulatrices, leur permettant d'accomplir leur fonction appropriée (par exemple, réprimer ou activer la transcription). Ce thème se répétera universellement dans toute la biologie, que le terme "opérateur"

est utilisé

.

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 qui ont nécessité la synthèse du tryptophane dans le groupe E. coli les uns à côté des autres dans letrpopéron. 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 etles gènes sont transcrits.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

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 poursuit, les gènes d'utilisation du tryptophane

sont transcrits

et traduit, et tryptophane

est ainsi synthétisé

.

Étant donné que le facteur de transcription se lie activement à l'opérateur pour maintenir les gènes éteints, le trp opéron

est dit

à

être « régulé négativement

" et les protéines qui se lient à l'opérateur pour faire taire trp les expressions sont régulateurs négatifs.


Discussion possible au N.-B. Point

Supposons que la nature adopte une approche différente pour réguler l'opéron trp. Proposer une méthode de régulation de l'expression de la trp opéron avec un régulateur positif au lieu d'un régulateur négatif. Décrivez comment cela pourrait fonctionner. (Indice: on pose ce genre de question 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 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 décrivons 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, le

règlement de la lac L'opéron est un merveilleux exemple de la façon dont l'activité coordonnée des régulateurs positifs et négatifs autour du même promoteur peut intégrer plusieurs sources différentes d'informations cellulaires pour 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 pour vous d'apprendre les lac opéron histoire et principes directeurs qu'il ne vous appartient de mémoriser le tableau logique présenté ci-dessous. Lorsque c'est le cas, l'instructeur vous le fera généralement savoir. Ces instructeurs n'incluent souvent délibérément PAS de questions d'examen sur le lac opéron. Au contraire, ils vous testeront pour savoir si vous avez compris les principes fondamentaux qui sous-tendent les mécanismes de régulation que vous étudiez en utilisant l'exemple de l'opéron lac. Si ce n'est pas clair ce que veut l'instructeur, demandez.

L'utilisation du lactose

Le lactose est un disaccharide composé des hexoses glucose et galactose. Nous rencontrons couramment du lactose dans le lait et certains produits laitiers. Comme on peut l'imaginer, le disaccharide peut être un aliment important pour les microbes qui peuvent utiliser ses deux hexoses. coli peut utiliser plusieurs sucres différents comme sources d'énergie et de carbone, y compris

lactose

et le lac opéron est une structure qui code les gènes nécessaires à

acquérir

et transformer le lactose de l'environnement local. coli, cependant, ne rencontre pas fréquemment le lactose, et donc les gènes de la 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, quand

lactose est présent, il serait logique que les gènes responsables de l'utilisation du sucre pour

être exprimé

(c'est-à-dire « allumé »). 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 le

années 1950

par Jacob et Monod a montré que E. coli préfère utiliser tout le glucose présent dans l'environnement avant d'utiliser le lactose. Cela signifie que le mécanisme utilisé pour décider

que ce soit ou non

pour exprimer les gènes d'utilisation du lactose, il faut pouvoir intégrer deux types d'informations (1) la concentration en glucose et (2) la concentration en lactose. Bien que cela puisse théoriquement

être accompli

de multiples façons, 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, silactose 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 négatifn'est pas liéà son site de liaison et la transcription du lactose à l'aide de gènes 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 (camp) s'accumule dans la cellule.

camp

est une molécule de signalisation commune qui

est impliqué

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 de

camp

permettre à ce composé de se lier au régulateur transcriptionnel positif appelé protéine activatrice de catabolite (CAP) - également appelé CRP.

camp

-Le complexe CAP possède de nombreux sites à travers le E. coli génome et plusieurs de ces sites

sont situés

près des promoteurs de nombreux opérons qui contrôlent la transformation de divers sucres.

Dans le lac opéron, le

camp

-Site de liaison CAP

est situé

en amont du promoteur. Liaison de

camp

-CAP à l'ADN aide à recruter et à garder l'ARN polymérase au promoteur. L'occupation accrue de l'ARN polymérase à son promoteur

, à son tour,

entraîne une augmentation de la production transcriptionnelle. Ici, la protéine CAP agit comme un régulateur positif.

Notez que le CAP-

camp

peut, dans d'autres opérons, également agir comme un régulateur négatif selon l'endroit où se trouve le site de liaison pour CAP-

camp

complexe

est situé

par rapport au site de liaison de l'ARN polymérase.

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

Pour le lac opéron àêtre activé,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,leslacopéronêtre transcrit. Lorsque cette conditionest accomplilesLacILe complexe -lactose dissocie le régulateur négatif du voisinage du promoteur, libérant l'ARN polymérase pour transcrire les gènes de l'opéron. Hautecamp(indirectement indicatifs d'un faible taux de glucose) déclenchent la formation du CAP-campcomplexe. Cette paire TF-inducteur se lie maintenant près du promoteur et agitrecruter positivementl'ARN polymérase. Cette influence positive ajoutée augmente la production transcriptionnelleetle lactose peutêtre utilisé efficacement.La sortie mécanistique d'autres combinaisons de conditions binaires de glucose et de lactose est décritedans le tableau ci-dessous et dans la figure qui suit.

Table de vérité pour le lac Opéron

Transcription de l'opéron lacest soigneusement réglementéde sorte que son expression ne se produit que lorsque le glucoseest limitéet le lactose est présent pour servir de source de carburant alternative.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

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 dulacpromoteur. 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 situéenviron +400nt dans la région codante duLacZprotéine.L'opérateur 3 est situéenviron -80nt avant le site de début de transcription (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 montréepar rapport aux séquences d'opérateurs. Notez que deux des opérateurs sont dans la région codant pour la protéine - il existe plusieurstypes deinformations codées simultanément dans l'ADN.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

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)

Régulation des gènes eucaryotes

Aperçu de la réglementation

Comme indiqué précédemment, la réglementation est une question de prise de décision. La régulation des gènes, en tant que sujet général, concerne

décider

sur l'expression fonctionnelle du matériel génétique. Que le produit final soit une espèce d'ARN ou une protéine, la production du produit final exprimé nécessite des processus qui prennent plusieurs étapes. Nous avons passé un certain temps à discuter de certaines de ces étapes (c'est-à-dire de la transcription et de la traduction) et de certains mécanismes que la nature utilise pour détecter les informations cellulaires et environnementales afin de réguler l'initiation de la transcription.

Lorsque nous avons discuté du concept de promoteurs forts et faibles, nous avons introduit l'idée que la régulation de la quantité (nombre de molécules) d'un transcrit produit à partir d'un promoteur dans une certaine unité de temps pourrait également être importante pour la fonction. Cela ne devrait pas être tout à fait surprenant. Pour un gène codant pour une protéine, plus il y a de transcrit produit, plus il y a de potentiel pour fabriquer plus de protéines. Cela peut être important lorsque la fabrication d'une grande quantité d'une enzyme particulière est essentielle à la survie. Dans d'autres cas, la cellule n'a besoin que d'une petite quantité d'une protéine spécifique et en fabriquer trop serait un gaspillage de ressources cellulaires.

Ici

, la cellule peut préférer de faibles niveaux de transcription. Des promoteurs de forces différentes peuvent répondre à ces besoins variés. Concernant le nombre de transcrits, nous avons également brièvement mentionné que la synthèse n'est pas le seul moyen de réguler l'abondance. Les processus de dégradation sont également importants à considérer.

Dans cette section, nous ajoutons à ces thèmes en nous concentrant sur les processus de régulation eucaryotes. Plus précisément, nous examinons - et parfois réexaminons - les multiples étapes nécessaires à l'expression du matériel génétique chez les organismes eucaryotes dans

le contexte de

régulation. Nous voulons que vous pensiez non seulement aux processus, mais aussi que vous reconnaissiez que chaque étape du processus d'expression est également une opportunité d'affiner non seulement l'abondance d'un transcrit ou d'une protéine, mais aussi son état fonctionnel, sa forme (ou variante), et/ou stabilité. Chacun de ces facteurs supplémentaires peut également être d'une importance vitale à prendre en compte pour influencer l'abondance de variantes fonctionnelles conditionnellement spécifiques.

Différences structurelles entre les cellules bactériennes et eucaryotes influençant la régulation des gènes

La marque distinctive de la cellule eucaryote est le noyau, une double membrane qui renferme le matériel héréditaire de la cellule. Afin d'adapter efficacement l'ADN de l'organisme dans l'espace confiné du noyau, l'ADN est d'abord emballé et organisé par protéine dans une structure appelée chromatine. Cet emballage de la matière nucléaire réduit l'accès à des parties spécifiques de la chromatine. Certains éléments de l'ADN sont si serrés que la machinerie transcriptionnelle ne peut pas accéder aux sites de régulation comme les promoteurs. Cela signifie que l'un des premiers sites de régulation transcriptionnelle chez les eucaryotes doit être le contrôle d'accès à l'ADN lui-même. Les protéines de la chromatine peuvent être soumises à une modification enzymatique qui peut influencer si elles se lient étroitement (accès transcriptionnel limité) ou plus lâchement (accès transcriptionnel plus important) à un segment d'ADN

.

Ce processus de modification - quelle que soit la direction

est considéré

premier - est réversible. Par conséquent, l'ADN peut

être séquestré dynamiquement

et mis à disposition lorsque le « moment est venu ».

La régulation de l'expression des gènes chez les eucaryotes implique également

certains

mêmes mécanismes fondamentaux supplémentaires discutés dans le module sur la régulation bactérienne (c'est-à-dire l'utilisation de promoteurs forts ou faibles, de facteurs de transcription, de terminateurs, etc.), mais le nombre réel de protéines impliquées est généralement beaucoup plus important chez les eucaryotes que chez les bactéries ou les archées.

Le traitement enzymatique post-transcriptionnel de l'ARN qui se produit dans le noyau et l'exportation de la maturité

ARNm

au cytosol sont deux différences supplémentaires entre la régulation des gènes bactériens et eucaryotes. Nous examinerons ce niveau de réglementation plus en détail ci-dessous.

Représentation de certaines différences clés entre les processus d'expression des gènes bactériens et eucaryotes. Attention dans ce casla présence dehistones et modificateurs d'histones, l'épissage de pré-ARNm, et l'exportation de l'ARN mature du noyau en tant que différenciateurs clés entre les systèmes bactérien et eucaryote.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Emballage d'ADN et marqueurs épigénétiques

L'ADN dans les cellules eucaryotesest précisément enroulé, plié et compacté en chromosomes afin qu'il s'insère dans le noyau. Le noyauorganise également l'ADNdonc des protéines cléspeut facilement accéder à des segments spécifiques des chromosomescomme requis. Les zones des chromosomes qui sont plus étroitement compactées seront plus difficiles à lier pour les protéines et conduiront donc à une expression génique réduite des gènes codés dans ces zones. Les régions peu compactées du génome seront plus faciles d'accès pour les protéines, augmentant ainsi la probabilité queunele gène sera transcrit. On discute ici de la façon dont les cellules régulent la densité de compactage de l'ADN.

Emballage d'ADN

Le premier niveau d'organisation, ou d'emballage, est l'enroulement des brins d'ADN autour histone protéines. Les histones conditionnent et ordonnent l'ADN en unités structurelles appelées nucléosomes, qui peut contrôler l'accès des protéines à des régions spécifiques de l'ADN. Au microscope électronique, cet enroulement d'ADN autour des protéines histones pour former des nucléosomes ressemble à de petites billes sur une ficelle. Ces billes (complexes de nucléosomes) peuvent se déplacer le long de la chaîne (ADN) pour modifier les zones de l'ADN accessibles à la machinerie transcriptionnelle. Alors que les nucléosomes peuvent se déplacer pour ouvrir la structure chromosomique pour exposer un segment d'ADN, ils le font de manière très contrôlée.

L'ADN se replie autour des protéines histones pour créer (a) des complexes de nucléosomes. Ces nucléosomes contrôlent l'accès des protéines à l'ADN sous-jacent. Vu au microscope électronique (b), les nucléosomes ressemblent à des perles sur une ficelle. (crédit « micrographie » : modification de l'œuvre par Chris Woodcock)

Modification des histones

La façon dont les protéines histones se déplacent dépend des signaux chimiques trouvés à la fois sur les protéines histones et sur l'ADN. Ces signaux chimiques sont des marqueurs chimiques ajoutés aux protéines histones et à l'ADN qui indiquent aux histones si une région chromosomique doit être « ouverte » ou « fermée ». La figure ci-dessous illustre les modifications apportées aux protéines histones et à l'ADN. Ces balises ne sont pas permanentes, mais peuventêtre ajoutéou retiré au besoin. Ce sont des modifications chimiques (groupes phosphate, méthyle ou acétyle) qui se fixent à des acides aminés spécifiques dans les protéines histones ou aux nucléotides de l'ADN. Les balises ne modifient pas la séquence de bases d'ADN, mais ellesfairemodifier la façon dont l'ADN est étroitement enroulé autour des protéines histones. L'ADN est une molécule chargée négativement; par conséquent, les changements dans la charge de l'histone changeront la façon dont la molécule d'ADN sera étroitement enroulée. Lorsqu'elles ne sont pas modifiées, les protéines histones ont une forte charge positive ; en ajoutant des modifications chimiques comme des groupes acétyle, la charge devient moins positive.

Les nucléosomes peuvent glisser le long de l'ADN. Quand les nucléosomessont espacésétroitement ensemble (en haut), les facteurs de transcription ne peuvent pas se lier etl'expression des gènes est tournéedésactivé. Quand les nucléosomessont espacésloin l'un de l'autre (en bas),l'ADN est exposé. Les facteurs de transcription peuvent se lier, permettant à l'expression des gènes de se produire. Les modifications des histones et de l'ADN affectent l'espacement des nucléosomes.


Discussion possible au N.-B. Point

Dans la dernière phase de maturation des spermatozoïdes, les histones (contenant un grand nombre d'acides aminés de la lysine) sont remplacées par des protamines, qui sont de petites protéines nucléaires très riches en acides aminés d'arginine. Ce processus serait essentiel pour la condensation de la tête des spermatozoïdes et la stabilisation de l'ADN. Sur la base de ces informations, quelles comparaisons pouvez-vous faire entre les protamines et les histones ? Pourquoi est-il significatif qu'il y ait des nombres élevés de lysine et d'arginine dans les histones et les protamines ? Pour quelles raisons pensez-vous que les protamines remplacent les histones dans les spermatozoïdes mais pas les autres cellules ?


Modification de l'ADN

La molécule d'ADN elle-même peut également être modifiée. Cela se produit dans des régions très spécifiques appeléesCpGîles. Ce sont des tronçons avec une fréquence élevée de paires d'ADN dinucléotidiques (CG) de cytosine et de guanine que l'on trouve souvent dans les régions promotrices des gènes. Lorsque cette configuration existe, le membre cytosine de la paire peut être méthylé (un groupe méthyle est ajouté). Cette modification change la façon dont l'ADN interagit avec les protéines, y compris les protéines histones qui contrôlent l'accès à la région. Hautement méthylé (hyperméthylé) régions d'ADN avecdésacétyléles histones sont étroitement enroulées et transcriptionnellement inactives.

Les changements épigénétiques n'entraînent pas de changements permanents dans la séquence d'ADN. Les changements épigénétiques modifient la structure de la chromatine (complexe protéine-ADN) pour autoriser ou interdire l'accès à la transcription des gènes. La modification de l'ADN telle que la méthylation sur les nucléotides de la cytosine peut soit recruter des protéines répresseurs qui bloquent l'accès de l'ARN polymérase pour transcrire ungèneou ils peuvent aider à compacter l'ADN pour bloquer tout accès aux protéines à cette zone du génome. Ces changements sont réversibles alors que les mutations ne le sont pas, cependant, des changements épigénétiques du chromosome peuvent égalementêtre hérité.
La source:modifiéde https://researcherblogski.wordpress....r/dudiwarsito/

Régulation de l'expression des gènes par le remodelage de la chromatineest appelérégulation épigénétique. Épigénétique signifie «autour de la génétique». Les changements qui se produisent dans les protéines histones et l'ADN ne modifient pas la séquence nucléotidique et ne sont pas permanents. Au lieu de cela, ces changements sont temporaires (bien qu'ils persistent souvent à travers plusieurs cycles de division cellulaire et peuventêtre hérité) et modifier la structure chromosomique (ouverte ou fermée) selon les besoins.

Lien externe

Regardez cette vidéo qui décrit comment la régulation épigénétique contrôle l'expression des gènes.

Structure des gènes eucaryotes et traitement de l'ARN

Structure du gène eucaryote

De nombreux gènes eucaryotes, en particulier ceux codant pour des produits protéiques,sont encodéssur le génome de façon discontinue.Lesla région de codage est casséeen morceaux en intervenant des éléments géniques non codants. Nous appelons les régions de codage exons tandis que les éléments non codants intermédiairessont appelésintrons. La figure ci-dessous représente un gène eucaryote générique.

Les parties d'un gène eucaryote discontinu typique. Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Les parties d'un gène eucaryote générique comprennent des éléments familiers comme un promoteur et un terminateur. Entre ces deux éléments, la région codant pour tous les éléments du gène qui ont le potentiel de

être traduit

(ils n'ont pas de codons stop), comme dans les systèmes bactériens,

est appelé

le cadre de lecture ouvert (ORF). Enhancer et/ou

silencieux

les éléments sont des régions de l'ADN qui recrutent des protéines régulatrices. Ceux-ci peuvent être relativement proches du promoteur, comme dans les systèmes bactériens, ou à des milliers de nucléotides. Également présentes dans de nombreux transcrits bactériens, des régions non traduites 5' et 3' (UTR) existent également. Ces régions du gène codent pour des segments de la

transcription,

qui, comme leurs noms l'indiquent,

ne sont pas traduits

et s'asseoir à 5' et 3', respectivement, de l'ORF. Les UTR codent généralement pour certains éléments régulateurs essentiels à la régulation de la transcription ou des étapes de l'expression génique qui se produisent après la transcription.

Les espèces d'ARN résultant de la transcription de ces gènes sont également discontinues et doivent donc

en traitement

avant de sortir du noyau pour

être traduit

ou utilisés dans le cytosol sous forme d'ARN matures. Dans les systèmes eucaryotes, cela comprend l'épissage de l'ARN, le coiffage 5', le clivage de l'extrémité 3' et la polyadénylation. Cette série d'étapes est un processus moléculaire complexe qui doit se produire dans les limites fermées du noyau. Chacune de ces étapes permet de réguler l'abondance des transcrits exportés et les formes fonctionnelles que ces transcrits prendront. Bien qu'il s'agisse de sujets pour des cours plus avancés, réfléchissez à la manière d'encadrer

certains

les sujets suivants en tant que sous-problèmes du Design Challenge de la régulation génétique. Si rien d'autre,

commencer à

apprécier la danse moléculaire hautement orchestrée qui doit se produire pour exprimer un gène et comment il s'agit d'un morceau étonnant d'ingénierie évolutive.

Plafonnement 5'

Comme dans les systèmes bactériens, les systèmes eucaryotes doivent assembler un complexe de pré-initiation au niveau et autour de la séquence promotrice pour démarrer la transcription. Les complexes qui s'assemblent chez les eucaryotes remplissent en grande partie la même fonction que ceux des systèmes bactériens, mais ils sont nettement plus complexes, impliquant beaucoup plus de protéines régulatrices. Cette complexité supplémentaire permet une plus grande régulation et pour l'assemblage de protéines avec des fonctions qui se produisent principalement dans les systèmes eucaryotes. L'une de ces fonctions supplémentaires est le « plafonnement » des transcriptions naissantes.

Dans les gènes codant pour les protéines eucaryotes, l'ARN qui est d'abord produit

est appelé

le Pre-

ARNm

. Le préfixe "pré" signifie que ce n'est pas la pleine maturité

ARNm

ça va

être traduit

et qu'il nécessite d'abord un certain traitement. La modification connue sous le nom de 5'-copping se produit après la pré-

ARNm

a une longueur d'environ 20 à 30 nucléotides. À ce stade, le pré-ARN reçoit généralement sa première modification post-transcriptionnelle, une coiffe 5'. Le "cap" est une modification chimique - un 7-

méthylguanosine

- dont l'ajout à la fin 5' de la transcription

estenzymatiquementcatalysé

par plusieurs enzymes appelées complexe enzymatique de coiffage (CEC), un groupe d'enzymes multiples qui effectuent des étapes séquentielles impliquées dans l'ajout de la 5'-cap. Le CEC se lie à l'ARN polymérase très tôt dans la transcription et effectue une modification du 5' triphosphate, le transfert ultérieur de au GTP

à cette fin

(reliant les deux nucléotides à l'aide d'une liaison 5' à 5' unique), la méthylation de la guanine nouvellement transférée et, dans certains transcrits, les modifications supplémentaires apportées aux premiers nucléotides. Cette coiffe 5' semble fonctionner en protégeant le transcrit émergent de la dégradation et

est rapidement lié

par des protéines de liaison à l'ARN connues sous le nom de complexe de liaison au capuchon (CBC). Il existe certaines preuves que cette modification et les protéines qui y sont liées jouent un rôle dans le ciblage du transcrit pour l'exportation à partir du noyau. Protéger l'ARN naissant de la dégradation n'est pas seulement important pour conserver l'énergie investie dans la création du

transcription

mais

est clairement impliqué

dans la régulation de l'abondance de

totalement fonctionnel

transcription que

est produit

.

De plus, le

Le rôle du capuchon 5' dans le guidage de la transcription pour l'exportation aidera directement à réguler non seulement la quantité de transcription qui

est fait

Mais peut-être

plus important,

la quantité de transcription qui

est exporté

au cytoplasme qui a le potentiel de

être traduit

.

La structure d'un 7-méthylguanylatecasquette. Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Épissage de transcription

Les cellules doivent transformer les transcrits naissants en ARN matures en joignant les exons et en supprimant les introns intermédiaires. Ils

accomplir ceci

utilisant un

multicomposant

complexe d'ARN et de protéines appelé spliceosome. Le complexe spliceosome s'assemble sur le transcrit naissant et la plupart du temps les décisions concernant les introns à combiner en un transcrit mature

sont faits

À ce point. Comment ces décisions

sont faitsn'est toujours pas complètement compris

mais implique la reconnaissance de séquences d'ADN spécifiques aux sites d'épissage par des espèces d'ARN et de protéines et plusieurs événements catalytiques. Il est intéressant de noter que la partie catalytique du spliceosome

est fait

d'ARN plutôt que de protéines. Rappelons que le ribosome est un autre exemple de

un ARN

-complexe protéique où l'ARN sert de composant catalytique primaire. Le choix du variant d'épissage à réaliser est une forme de régulation de l'expression des gènes.

Dans ce cas

plutôt que d'influencer l'abondance d'un transcrit, l'épissage alternatif permet à la cellule de décider

forme d'une transcription qu'il fait

.

Les formes d'épissage alternatives des gènes qui donnent lieu à des produits protéiques de structure apparentée mais de fonction variable sont connues

comme isoformes. La création de

isoformes

est commun dans les systèmes eucaryotes et

est connu

important à différents stades de développement des organismes multicellulaires et dans la définition des fonctions des différents types cellulaires.

Par

encodage multiple

possible

produits géniques d'un gène unique dont l'initiation de la transcription

est codé

à partir d'un seul site de régulation transcriptionnelle (par

prendre la décision

dont le produit final à produire de manière post-transcriptionnelle) évite la nécessité de créer et de maintenir des copies indépendantes de chaque gène dans différentes parties du génome et des sites de régulation indépendants en évolution. Par conséquent, la capacité de former plusieurs

isoformes

à partir d'une seule région codante est censé être évolutif

avantageux

car il permet une certaine efficacité dans le codage de l'ADN, minimise la complexité de la régulation transcriptionnelle et peut réduire la charge énergétique nécessaire pour maintenir plus d'ADN et le protéger des mutations. Quelques exemples de

possible

les résultats de l'épissage alternatif peuvent inclure : la génération de variants enzymatiques avec une affinité de substrat ou des vitesses catalytiques différentielles ;

les séquences signal qui ciblent les protéines vers divers compartiments sous-cellulaires peuvent être modifiées

; des fonctions entièrement nouvelles, via l'échange de domaines protéiques peuvent

Être créé

. Ce ne sont que quelques exemples.

Un autre résultat intéressant de l'épissage alternatif est l'introduction de codons stop qui peuvent, par le biais d'un mécanisme qui semble nécessiter une traduction, conduire à la désintégration ciblée du transcrit. Cela signifie que, outre le contrôle de l'initiation de la transcription et du 5'-copping, nous pouvons également considérer l'épissage alternatif comme l'un des mécanismes régulateurs pouvant influencer l'abondance des transcrits. Les effets de l'épissage alternatif sont donc potentiellement larges - de la perte complète de la fonction à la fonction nouvelle et diversifiée aux effets régulateurs.

Une figure illustrant différents modes d'épissage alternatif illustrant comment différentes variantes d'épissage peuvent conduire à différentes formes de protéines.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Clivage de l'extrémité 3' et polyadénylation

Une dernière modification est apportéeà naissant pré-ARNmavant de quitter le noyau - le clivage de l'extrémité 3' et sa polyadénylation.Ce processus en deux étapes est catalysépar deux enzymes différentes (comme illustré ci-dessous) et peut décorer l'extrémité 3' des transcrits avec jusqu'à près de 200 nucléotides. Cette modification améliore la stabilité du transcrit.Généralement, leSuiteCommedans lepolyAtag la durée de vie plus longue de la transcription. LespolyAtag semble également jouer un rôle dans laexportation de la transcriptiondu noyau. Par conséquent, le 3'polyALa balise joue un rôle dans l'expression des gènes en régulant l'abondance des transcrits fonctionnels etcombien est exportédu noyau pour la traduction.

Un processus en deux étapes est impliquédansmodifierles extrémités 3' des transcrits avant les exportations nucléaires. Il s'agit notamment de couper des transcrits juste en aval d'une séquence conservée (AAUAAA) et de transféreradénylategroupes. Les deux processussommesenzymatiquementcatalysé.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

MicroARN

Stabilité de l'ARN etmicroARN

Outre les modifications du pré-ARN décrites ci-dessus et les protéines associées qui se lient au naissant et aux transcrits, il existe d'autres facteurs qui peuvent influencer la stabilité de l'ARN dans la cellule. Un exemple sont les éléments appelésmicroARN. LesmicroARN, oumiARN, sont de courtes molécules d'ARN qui ne sont que de 21 à 24 nucléotidesen longueur.LesmiARNsont transcritsdans le noyau plus longtemps avantmiARN. Ces pré-miARNsont ensuite hachésen maturitémiARNpar une protéine appelée dicer. Ces maturesmiARNreconnaître une séquence spécifique d'un ARN cible par appariement de bases complémentaires.miARN, cependant, s'associent également à un complexe ribonucléoprotéique appelé complexe de silençage induit par l'ARN (RISC). RISC lie une cibleARNm, avec lemiARN, pour dégrader la cibleARNm. Ensemble,miARNet le complexe RISC détruit rapidement la molécule d'ARN. Comme on pouvait s'y attendre, la transcription de pré-miARNet leur traitement ultérieurest également strictement réglementé.

Exportation nucléaire

Exportation nucléaire

Entièrement transformé, maturetranscriptions,doitêtre exportéà travers le noyau.Sans surprise ceprocessus implique la coordination d'une espèce d'ARN mature à laquellesont liésde nombreuses protéines accessoires - dont certaines ontété intimement impliquédans les modifications discutées ci-dessus - et un complexe protéique appelé le complexe de pores nucléaires (NPC). Le transport à travers le PNJ permetcoulerdes protéines et des espèces d'ARN à se déplacer dans les deux sens etest médiatiséparun nombre deprotéines.Ce procédé peut être utilisépour réguler sélectivement le transport de divers transcrits en fonction des protéines associées au transcrit en question. Cela signifie que toutes les transcriptionssont traitéségalement par le NPC - en fonction de l'état de modification et des protéines associées à une espèce spécifique d'ARN, il peutêtre déplacésoit plus ou moins efficacement à travers la membrane nucléaire.Depuisle taux de mouvement à travers le pore influencera l'abondance du transcrit mature quiest exportédans le cytosol pour le contrôle de l'exportation de la traduction est un autre exemple d'étape dans le processus de régulation des gènes qui peutêtre modulé. De plus, des recherches récentes ont impliqué des interactions entre le NPC et les facteurs de transcription dansle règlement del'initiation de la transcription, probablement par un mécanisme par lequel les facteurs de transcription s'attachent au noyaupores. Ce dernier exempledémontreà quel point la régulation de l'expression des gènes est interconnectée à travers les multiples étapes de ce processus complexe.

Nous connaissons de nombreux détails supplémentaires sur les processus décrits ci-dessus à un certain niveau de détail, mais de nombreuses autres questions restent à résoudre.

être répondu

. Pour l'amour de

Bis2a

ce

est suffisant

pour former un modèle des étapes qui se produisent dans la production d'un transcrit mature dans les organismes eucaryotes. Nous avons peint un tableau avec des traits très larges, en essayant de présenter une scène qui reflète ce qui se passe

généralement

chez tous les eucaryotes. En plus d'apprendre les principales caractéristiques différenciatrices de la régulation des gènes eucaryotes, nous aimerions également que les étudiants de Bis2a considèrent chacune de ces étapes comme une opportunité pour la Nature de réguler l'expression des gènes.

en quelque sorte

et de rationaliser comment des déficiences ou des changements dans ces voies - potentiellement introduits par mutation - pourraient influencer l'expression des gènes.

Bien que nous n'ayons pas explicitement évoqué le défi du design ou l'histoire de l'énergie

ici

ces formalismes sont également aptes à vous aider à donner un sens à ce qui est décrit. Nous vous encourageons à essayer de créer une histoire énergétique pour divers processus. Nous vous encourageons également à utiliser la rubrique Design Challenge pour réexaminer les histoires ci-dessus : identifier les problèmes qui doivent être résolus ; émettre des hypothèses sur les solutions potentielles et les critères de réussite. Utilisez ces formalismes pour approfondir et poser de nouvelles questions/identifier de nouveaux problèmes ou des choses que vous ne savez pas sur les processus, c'est ce que font les experts. Il y a de fortes chances que cet exercice suggéré vous amène à identifier une direction de recherche que quelqu'un a déjà suivie (vous vous sentirez

joli

intelligent à ce sujet !). Alternativement, vous pouvez soulever une toute nouvelle question à laquelle personne n'a encore pensé.

Contrôle de l'abondance de protéines

AprèsuneARNma été transportéau cytoplasme,c'est traduiten protéines. Contrôle de ce processusdépend en grande partiesur la molécule d'ARN. Comme discuté précédemment, la stabilité de l'ARN aura un impact important sur sa traduction en une protéine. Au fur et à mesure que la stabilité change, lequantité dele temps qu'il est disponible pour la traduction change également.

Le complexe d'initiation et le taux de traduction

Comme la transcription,la traduction est contrôlée par des protéinescomplexes de protéines et d'acides nucléiques qui doivent s'associer àlancerle processus. En traduction,l'un des premiers complexes qui doivent s'assembler pour démarrer le processus est référécomme le complexe d'initiation. La première protéine à se lier auARNmqui aidelancerTraductionest appeléfacteur d'initiation eucaryote-2 (eIF-2).Activité de laeIF-2la protéine est contrôlée par plusieurs facteurs. Le premier estque ce soit ou nonceest attachéà une molécule de GTP. Quand leeIF-2est attachéàGTPc'est considéréêtresous une forme active. LeseIFLa protéine -2 liée au GTP peut se lier à la petite sous-unité ribosomique 40S. Une fois lié, leeIFComplexe ribosomal -2/40S, apportant avec lui leARNmàêtre traduit, recrute également l'initiateur de la méthionineARNtassociés.A ce stade, quandle complexe initiateurest assemblé,lesGTPest hydrolysédans le PIB créant un"forme inactive deeIF-2 queest libérée, ainsi que le phosphate inorganique, du complexe. Cette étape, à son tour,permet à la grande sous-unité ribosomique 60S de se lier et decommencer à traduirel'ARN. La reliure deeIF-2 à l'ARN en outre contrôlé par la phosphorylation des protéines. LorsqueeIF-2estphosphorylé, il subit un changement de conformation et ne peutlieràGTPinhibant ainsi la formation du complexe d'initiation - la traduction est donc inhibée (voir la figure ci-dessous). Dans le déphosphoryléEtateIF-2 peut se lier au GTP et permettre l'assemblage du complexe d'initiation de la traduction comme décrit ci-dessus. La capacité de la cellule à ajuster l'assemblage du complexe d'invitation à la traduction via une modification chimique réversible (phosphorylation) à une protéine régulatrice est un autre exemple de la façon dont la nature a profité même de cela.apparemmentétape simple pour ajuster l'expression des gènes.

Une augmentation des niveaux de phosphorylation deeIF-2 aété observéchez les patients atteints de maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la maladie de Huntington. Quel impact pensez-vous que cela pourrait avoir sur la synthèse des protéines?

Modifications chimiques, activité protéique et longévité

Ne pas

être en reste

par les acides nucléiques, les protéines peuvent également

être modifié chimiquement

avec l'ajout de groupes comprenant des groupes méthyle, phosphate, acétyle et ubiquitine. L'ajout ou l'élimination de ces groupes des protéines peut réguler leur activité ou la

longueur de

temps qu'ils existent dans la cellule. Parfois, ces modifications peuvent réguler l'endroit où une protéine

est trouvé

dans la cellule, par exemple dans le noyau, le cytoplasme ou attaché à la membrane plasmique.

Des modifications chimiques peuvent se produire en réponse à des stimuli externes tels que le stress, le manque de nutriments, la chaleur ou l'exposition à la lumière ultraviolette.

En plus de

régulant la fonction des protéines elles-mêmes, si ces changements se produisent sur des protéines spécifiques, ils peuvent altérer l'accessibilité épigénétique (

dans le cas d

modification des histones), transcription (facteurs de transcription),

ARNm

stabilité (protéines de liaison à l'ARN) ou traduction (

eIF

-2) alimentant ainsi et régulant diverses parties du processus d'expression des gènes.

Dans le cas d

modification des protéines régulatrices, cela peut être un moyen efficace pour la cellule

changer rapidement

les niveaux de protéines spécifiques en réponse à l'environnement en régulant diverses étapes

Dans le processus

.

L'ajout d'un groupe ubiquitine a une autre fonction - il marque cette protéine pour la dégradation.

Ubiquitine

est une petite molécule qui agit comme un drapeau

indiquant

que les protéines marquées devraient

être ciblé

à un organite appelé protéasome. Cet organite est un grand complexe multiprotéique qui fonctionne pour cliver les protéines en morceaux plus petits qui peuvent ensuite

être recyclé

.

Ubiquitination

(l'addition de

uneubiquitine

tag), aide donc à contrôler l'expression des gènes en modifiant la durée de vie fonctionnelle du produit protéique.

Protéines avecubiquitineles balises sont marquéespour la dégradation au sein du protéasome.

En conclusion, nous voyons que la régulation des gènes est complexe et queil peut être moduléà chaque étape dele processus deexprimant un produit génique fonctionnel.De plus, leles éléments régulateurs qui se produisent à chaque étape peuvent agir pour influencer d'autres étapes régulatrices à la fois plus tôt et plus tard dans le processus d'expression génique (c'est-à-dire que le processus de modification chimique d'un facteur de transcription peut influencer la régulation de sa propre transcription de nombreuses étapes plus tôt dans le processus). Ces ensembles complexes d'interactions formentce qu'on appelleréseaux de régulation des gènes. Comprendre la structure et la dynamique de ces réseaux est essentiel pour comprendre comment les différentes cellules fonctionnent, la base denombreuxmaladies, processus de développement et comment les cellulesprendre des décisionssur la façon de réagir aux nombreux facteurscettesont en constante évolution à l'intérieur comme à l'extérieur.

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