Régulation de l'expression génique bactérienne : opérons lac et trp

Microbiologie & immunologie · Bachelor 3

Contrôle négatif et positif, répression catabolique et atténuation chez Escherichia coli.

Introduction

Les bactéries adaptent leur expression génique aux nutriments disponibles. Le modèle de Jacob et Monod (1961, Prix Nobel 1965) a décrit l'opéron lactose, un ensemble de gènes structuraux co-transcrits sous le contrôle d'un opérateur et d'un répresseur. Cette découverte a fondé le concept de régulation génétique.

L'opéron lac est un système inductible à régulation négative (répresseur LacI) et positive (CAP-AMPc), alors que l'opéron trp est répressible, avec un contrôle supplémentaire par atténuation. Ces mécanismes illustrent la logique de l'économie cellulaire.

Ce deck est destiné aux étudiants de Bachelor en biologie, par exemple à l'UNIL, à l'UNIGE ou à l'ETH, et permet d'interpréter mutants, merodiploïdes et courbes de croissance diauxique.

Objectifs d'apprentissage

Décrire les composants de l'opéron lac
Expliquer l'induction par l'allolactose et l'IPTG
Expliquer la répression catabolique via l'AMPc
Décrire l'atténuation de l'opéron trp
Prédire le phénotype de mutants lacI-, lacIs, lacOc

Concepts clés

Opéron lac: Promoteur, opérateur et gènes lacZ (β-galactosidase), lacY (perméase) et lacA (transacétylase). Le répresseur LacI, codé en amont, se lie à l'opérateur et bloque l'ARN polymérase en l'absence de lactose.
Induction: L'allolactose, isomère du lactose, se fixe sur LacI et modifie sa conformation, ce qui libère l'opérateur. L'IPTG est un inducteur non métabolisable utilisé au laboratoire.
Répression catabolique: En présence de glucose, l'AMPc est bas ; le complexe CAP-AMPc ne se forme pas, donc le promoteur lac est peu actif même si lactose est présent. D'où la croissance diauxique.
Opéron trp: Opéron répressible : le tryptophane agit comme corépresseur du répresseur TrpR, qui se lie à l'opérateur. Un second contrôle, l'atténuation, dépend de la traduction du peptide leader.
Atténuation: Un ribosome qui traduit rapidement le peptide leader (riche en codons Trp) permet la formation d'une terminaison rho-indépendante ; en carence en Trp, l'anti-terminateur se forme et la transcription continue.

Conclusion

Les opérons lac et trp montrent comment une bactérie combine contrôle négatif, contrôle positif et couplage transcription-traduction pour économiser l'énergie. Ces mécanismes restent la base conceptuelle de la biologie synthétique.

Cartes

Quels sont les gènes structuraux de l'opéron lac ?: lacZ, lacY et lacA.
Quelle enzyme code lacZ ?: La β-galactosidase, qui hydrolyse le lactose en glucose et galactose.
Quel est l'inducteur naturel de l'opéron lac ?: L'allolactose.
Qu'est-ce que l'IPTG ?: Un analogue du lactose, non hydrolysable, qui induit l'opéron lac sans être consommé.
Quel est le phénotype d'un mutant lacI- ?: Expression constitutive de l'opéron lac, car le répresseur est inactif.
Quel est le phénotype d'un mutant lacIs ?: Opéron non inductible : le répresseur super-répresseur ne lie plus l'inducteur.
Pourquoi le glucose inhibe-t-il l'opéron lac ?: Il abaisse l'AMPc, empêchant l'activation par CAP-AMPc : c'est la répression catabolique.
Le tryptophane est-il un inducteur ou un corépresseur ?: Un corépresseur : il active le répresseur TrpR.
Qu'est-ce que l'atténuation ?: Un mécanisme de terminaison prématurée de la transcription, couplé à la traduction du peptide leader.

Glossaire

Opéron: Unité de transcription groupant plusieurs gènes sous un promoteur unique.
Opérateur: Séquence d'ADN sur laquelle se fixe le répresseur.
Répresseur: Protéine qui inhibe la transcription en se liant à l'opérateur.
Inducteur: Molécule qui lève la répression en inactivant le répresseur.
CAP: Protéine activatrice du catabolisme, activateur transcriptionnel dépendant de l'AMPc.
Croissance diauxique: Croissance en deux phases lorsque deux sources de carbone sont présentes, avec consommation préférentielle du glucose.
Mérodiploïde: Cellule portant deux copies partielles d'un opéron, utilisée pour tester la dominance.