Module 5.1 : La régulation génétique chez les procaryotes [Part 1]

Question 1

Dans le cours, on nous donne l’exemple du bactériophage SP01, un virus qui infecte la bactérie Bacillus subtilis. Pourquoi en parle-t-on? Et explique comment ce phage infecte ces hôtes (Indice : mécanisme de régulation particulier).

Answer 1

Différents facteurs σ peuvent être utilisés pour contrôler et coordonner l’expression de gènes dans un ordre temporel spécifique. Cela permet au bactériophage de mener à bien son cycle de vie et d’infecter de nouvelles cellules de manière efficace.

1. Gènes précoces : Les gènes précoces sont exprimés peu de temps après l’infection de la bactérie par le bactériophage. Dans le cas du bactériophage SP01, la sous-unité σ bactérienne (facteur sigma de Bacillus subtilis) est utilisée pour la transcription des gènes précoces. Ces gènes sont généralement impliqués dans l’établissement de l’infection virale et la réplication de l’ADN viral.
2. Gènes intermédiaires : la sous-unité σ gp28, codée par le phage (synthèse des protéines virales nécessaires à l’assemblage des nouveaux virus.)
3. Gènes tardifs : la sous-unité σ gp33/34, également codée par le phage (lyse de la cellule bactérienne et la libération des nouveaux virus pour infecter d’autres cellules.)

**l’ordre d’expression est soigneusement contrôlé [tout est une question de timing!]

Question 2

Comment se rappeler la La régulation de l’opéron lac

Answer 2

Facile, pour arriver à la transcription des enzymes nous permettant de digérer le lactose (coupé galactose /glucose) :

1. Présence de lactose (répresseur LacI se lie à l’opérateur). En effet, on fait tout ça pour le digérer, s’il n’y en a pas, there is no point.
2. Absence de glucose (→les niveaux d’AMPc sont élevés → CAP se lie au site activateur). Encore là logique puisque c’est notre source de sucre favorite. S’il y en a déjà de dispo, on n’a aucune raison d’aller chercher les sucres du lactose.

Question 3

Quelles sont les chiffres en termes de génome humain (gènes, isoformes, protéoformes) et quel constat peut-on porter

Answer 3

• ≈ 20 000 à 30 000 gènes
• ≈ 70 000 à 80 000 isoformes
• Plusieurs millions de protéoformes

→ Il y a beaucoup de gène et évidemment, ils ne peuvent pas tous être exprimés en même temps : C’est là que la régulation embarque!

Question 4

V/F l’épissage est mécanisme réservé aux Eucaryotes.

Answer 4

V. Pour la grande majorité des cas (quelques exceptions)

Question 5

La régulation (eucaryotes et procaryotes) est très importante(1), car elle permet de répondre à la demande de différents produits. Donne les 3 facteurs qui font varier la demande.

Answer 5

• Les conditions
• Le stade embyonnaire
• Le type de cellule
  → Nous savons que les eucaryotes sont multicellulaires, on doit donc s’assurer que le bon type de cellule arrive à l’endroit voulu (Ex : cœur, muscle lisse, etc.)

Question 6

La régulation (eucaryotes et procaryotes) est très importante(2). Quelle est le fameux cout et quelle avantage la régulation apporte?

Answer 6

Cout :
* Transcription et traduction pour les procaryotes
* On ajoute épissage et transport pour les eucaryotes
→ Celle-ci permet de produire seulement ce qui est nécessaire et au bon moment!

Question 7

Pourquoi la régulation génétique se déroule en majorité lors de la phase d’initiation[transcription]?

Answer 7

1. Le plus tôt possible permet moins de gaspille d’énergie
2. Il est aussi plus facile de réguler directement sur le gène du chromosome, car il s’agit de 1 endroit bien précis!

Question 8

On parle aussi de la régulation à plusieurs niveaux, pourquoi se donner autant de mal, quelle sont les avantages?

Answer 8

1. Efficacité de la régulation, empêche les fuites, si la régulation n’a pas lieu à l’initiation, on récupère plus tard!
2. Parfois, on a besoin d’une régulation avec un temps de réponse rapide!
   → Même si techniquement désavantageux, car à des stades plus tardifs, c’est essentiel, par exemple : le on/off de la coagulation sanguine.

Question 9

Le but de la régulation génétique ?

Answer 9

Maintenir l’homéostasie : Les bonnes composantes, au bon moment, dans la bonne concentration !

Question 10

Définit les termes suivant : Facteur intrinsèque, niveau basal, force du promoteur, expression constitutive.

Answer 10

1. séquence du promoteur, intrinsèque, le propre d’une séquence
2. Nombre de transcrits produit /temps [vitesse]
3. Corréler positivement avec le niveau basal, plus un promoteur est similaire à la consensus sequence, plus il est fort
4. Qui est non régulé et qui dépend donc uniquement de la force du promoteur

Question 11

Trois types principaux de protéines régulatrices pour les procaryotes

Answer 11

1. les facteurs sigma qui modifient la spécificité de l’ARN polymérase
2. les répresseurs empêchent l’accès de l’ARN polymérase au promoteur
3. les activateurs améliorent l’interaction ARN polymérase-promoteur

Question 12

Donne un exemple où un facteur sigma différent de 70 peut-être utilisé. [Protéine régulatrice]

Answer 12

Lorsque la bactérie est exposée un choc thermique, le facteur σ32 remplace σ70 et va résulter par la transcription d’un set de protéine spécialisé pour la situation.

Question 13

Comment appelle-t-on la transcription à un niveau de base et quels facteurs influe?

Answer 13

Constitutive : dépend de la force du promoteur et du facteur sigma.

Question 14

Le site d’un répresseur / activateur et autre détail à la con.

Answer 14

1. Site opérateur, Régulateur négatif – répression
2. Site de liaison à un activateur, Régulateur positif - induction

Question 15

Quelle est le cas le plus simple répresseur /activateur et qui l’emporte?

Answer 15

1. Masque le promoteur
2. Recrute ARN polymérase
   → Répresseur l’emporte (généralement) logique, car il bloque littéralement l’ARN polymérase, favorisé ou pas.

Question 16

Donne un autre cas d’un mécanisme d’activateur. (2 activateurs à retenir)

Answer 16

Par allostérie, la phase d’isomérisation (‘complexe
fermé’ au ‘complexe ouvert’) est favorisé par un activateur.
Exemples : NtrC et MerR

Question 17

Les protéines régulatrices sont aussi régulées!!! (nom + 2 modes)

Answer 17

Effecteur
1. Allostérie : change conform. d’un activateur/répresseur ce qui entraîne son détachement
2. Modifie l’affinité qu’à un activateur/répresseur à envers l’ADN.

Question 18

On peut dire qu’il y a 4 types d’effecteurs en fonction de s’ils sont activateur/répresseur et ce qu’ils accomplisent dans la régulation.

Answer 18

1. Se lient au répresseur :
   - inducteur : *favorise transcription (en dégagent le répresseur)
   - co-répresseur ou inhibiteur : bloquer transcription en favorisant répresseur.
2. Se lient à l’activateur :
   - Inducteur *favorise transcription (association au site de liaison)
   - Inhibiteur (dégagent l’activateur)

Question 19

On sait que les activateurs ont besoin de se retrouver proche du site de liaison de l’ARN polymérase pour fonctionner. Cependant, il y a des exceptions, explique.

Answer 19

Oui en effet, dans des cas plus rares les deux sites peuvent être éloigné l’un de l’autre. Pour palier à ce problème, des protéines vont créer une courbe dans l’ADN pour les rapprocher.

Question 20

Comment s’appelle ces protéines qui favorisent le lien activateurs-ARN polymérase lorsque les deux sites sont à distance

Answer 20

protéines ‘architecturales’ ou régulateurs architecturaux
(DNA-bending protein)

Question 21

Dans les procaryotes, quand des gènes voisins sur le chromosome sont associés à des
éléments de contrôle qui corégulent leur expression, cette unité génétique est appelée

Answer 21

Un opéron

Question 22

V/F Les gènes d’un opéron sont transcrits en un seul ARNm et promoteur polycistronique

Answer 22

V

Question 23

Nomme les 3 gènes de l’opéron lac + leurs rôles

Answer 23

lacZ = codes for the enzyme beta-galactosidase, which breaks down lactose into glucose and galactose.
lacY = codes for the lactose permease, which transports lactose into the cell.
lacA = codes for transacetylase, which has a minor role in lactose metabolism by transferring acetyl groups to certain molecules. [Detoxification?]

Question 24

Nomme deux éléments supplémentaires que l’on retrouve sur l’opéron lac (2).

Answer 24

Opérateur : Site d’initiation de transcription
LacI (iiiiii) : gène situé en aval de l’opéron qui code pour le répresseur du même nom

Question 25

Les 4 cas possibles de régulation de l’opérateur lac [1 : Régulation négative]

Answer 25

Milieu : Lactose -, Glucose +
1. Absence de lactose = no CAP, no allolactose
→ Pas d’effecteur, le tétramère lacl [répresseur] reste en place sur l’opérateur et bloque la transcription des 3 gènes structuraux de l’opéron!
2. Présence de glucose = faible AMPc [second messager]
→ Ni CAP, ni AMPc = pas d’activateur actif
**Constat : Il n’y aura aucune transcription et on peut généraliser en disant que sans lactose, nos cellules n’ont aucun intérêt à produire les enzymes permettant son assimilation.

Question 26

Les 4 cas possibles de régulation de l’opérateur lac [2 : Levée de l’inhibition]

Answer 26

Milieu : Lactose +, Glucose +
1. Présence de lactose = CAP et allolactose
→ allolactose [effecteur] se fixe au répresseur(lacl), changement de forme défavorable (allostérie), libère le site opérateur, laisse la place pour l’ARN polymérase.
2. Présence de glucose = faible AMPc [second messager]
→ Sans AMPc CAP[Activateur] = activateur non actif

**Constat : Comme il y a du lactose de disponible, nos cellules laissent la porte ouverte à son exploitation. CEPENDANT, il y a aussi du glucose! Rappelons-nous que tout l’intérêt de l’opéron lac est d’exploiter le glucose que l’on retrouve dans le lactose!!!
Pourquoi mettre autant de moyen pour l’exploiter s’il est déjà disponible dans la forme simplifiée?

→ On peut imaginer que cela est un moyen de consolidation, et il ne faut pas oublier que la transcription est dans ce contexte à un niveau basal (modérée)

Question 27

Les 4 cas possibles de régulation de l’opérateur lac [3 : Régulation positive]

Answer 27

Milieu : Lactose +, Glucose -
1. Présence de lactose = CAP et allolactose
→ allolactose [effecteur] se fixe au répresseur(lacl), changement de forme défavorable (allostérie), libère le site opérateur, laisse la place pour l’ARN polymérase.
2. Absence de glucose = élevé AMPc [second messager]
→ CAP + AMPc = activateur actif, transcription est alors favorisé

**Constat : On a ici le cas ou les deux facteurs (glucose/lactose) sont le plus favorables à la transcription. C’est parce que ici le seul moyen pour la cellule d’aller chercher son glucose est par l’exploitation du lactose!

Question 28

Que veut-on dire par répression catabolique?

Answer 28

En prenant l’exemple de l’opéron lac, c’est seulement de dire que nos cellules pour économiser de l’énergie vont réprimer l’opéron lac s’il y a déjà du glucose de disponible (voir **Constat)

Question 29

Comment se fait la liaison CAP ou du répresseur LacI?

Answer 29

motifs hélice-coude-hélice de
dimères à deux demi-sites de liaison dans chaque cas (sillon majeur)

Question 30

Que fait le répresseur lacl pour bloquer l’ARN polymérase?

Answer 30

Lie l’opérateur considéré comme le principale de l’opéron lac et un autre ce qui créer une boucle.

Question 31

On sait que CAP est l’activateur de l’opéron lac, comment ils favorisent la transcription de celui-ci?

Answer 31

Recrutement de l’ARN pol au site promoteur par contact avec le domaine α-CTD.

Question 32

V/F Cap est aussi responsable de la régulation des opérons permettant le métabolisme de différents sucres (pas seulement le lactose) autre que le glucose.

Answer 32

V

Question 33

Différence entre CAP et CRP ?

Answer 33

Aucune ce sont des synonymes!
(CRP : cAMP receptor protein
CAP : catabolite activator protein)

Question 34

Explique rapidement les travaux de Jacob et Monod.

Answer 34

Ils ont trouvé des mutants qui même en absence de lactose produisent les enzymes lac (exprimant de façon constitutive la β-gal). Après, ils ont essayé de complémenter les mutants en éjectant dans le plasmide une version saine ou sauvage (plasmide) de l’opéron lac les rendant ainsi partiellement diploïde.

Question 35

Les deux mutants de Jacob et Monod et le résultat de la complémentation.

Answer 35

1. Mutation de l’opérateur (Oc) ce qui empêche la liaison de lacI [répresseur]
2. Mutation des répresseurs lacl (I-)
   Résultat : Complémentation fonctionne seulement pour le 2. En effet, les répresseurs lacl produit par le sauvage remplacent ceux inactifs produit par le chromosome du mutant.

**Cela est possible parce que lacl est diffusible!

Question 36

CAP nécessaire pour : lac, ara, mal et gal. Comment appelle-t-on tout ce beau monde?

Answer 36

Ce sont des RÉGULONS : Opérons ayant un régulateur commun

Question 37

Pour l’opéron arabinose qui a-t-il de spécial?

Answer 37

AraC qui est en aval des structural genes autorégule sa propre transcription! :

• En absence d’arabinose :
• AraC lie I1 et O2
• Répression
• En présence d’arabinose :
• AraC lie I1 et I2
• Induction

Question 38

À quoi sert l’opéron ara et en quoi il est similaire au lac

Answer 38

Il sert à transformer l’arabinose en source de carbone et il est similaire puisqu’il est sensible à la répression catabolique par l’intermédiaire de CAP/AMPc signalant de la même manière la concentration de glucose.