16.1 : Régulation de l'expression des gènes

Compétences à développer

• Expliquez pourquoi chaque cellule n'exprime pas tous ses gènes
• Décrire comment se produit la régulation des gènes procaryotes au niveau transcriptionnel
• Discuter de la façon dont la régulation des gènes eucaryotes se produit aux niveaux épigénétique, transcriptionnel, post-transcriptionnel, translationnel et post-traductionnel

Pour qu'une cellule fonctionne correctement, les protéines nécessaires doivent être synthétisées au bon moment. Toutes les cellules contrôlent ou régulent la synthèse des protéines à partir des informations codées dans leur ADN. Le processus qui consiste à activer un gène pour produire de l'ARN et des protéines est appelé expression génique. Que ce soit dans un organisme unicellulaire simple ou dans un organisme multicellulaire complexe, chaque cellule contrôle quand et comment ses gènes sont exprimés. Pour que cela se produise, il doit y avoir un mécanisme permettant de contrôler le moment où un gène est exprimé pour produire de l'ARN et des protéines, la quantité de protéine produite et le moment où il est temps d'arrêter de fabriquer cette protéine parce qu'elle n'est plus nécessaire.

La régulation de l'expression génique permet de conserver de l'énergie et de l'espace. Cela nécessiterait une quantité d'énergie importante pour qu'un organisme puisse exprimer chaque gène à tout moment. Il est donc plus économe en énergie d'activer les gènes uniquement lorsqu'ils sont nécessaires. De plus, seule l'expression d'un sous-ensemble de gènes dans chaque cellule permet de gagner de la place, car l'ADN doit être déroulé de sa structure étroitement enroulée pour pouvoir le transcrire et le traduire. Les cellules devraient être énormes si chaque protéine était exprimée en permanence dans chaque cellule.

Le contrôle de l'expression des gènes est extrêmement complexe. Les dysfonctionnements de ce processus sont préjudiciables à la cellule et peuvent entraîner le développement de nombreuses maladies, dont le cancer.

Expression des gènes procaryotes ou eucaryotes

Pour comprendre comment l'expression des gènes est régulée, il faut d'abord comprendre comment un gène code pour une protéine fonctionnelle dans une cellule. Le processus se produit à la fois dans les cellules procaryotes et eucaryotes, mais de manière légèrement différente.

Les organismes procaryotes sont des organismes unicellulaires dépourvus de noyau cellulaire, et leur ADN flotte donc librement dans le cytoplasme cellulaire. Pour synthétiser une protéine, les processus de transcription et de traduction se produisent presque simultanément. Lorsque la protéine résultante n'est plus nécessaire, la transcription s'arrête. Par conséquent, la principale méthode pour contrôler le type de protéine et la quantité de chaque protéine exprimée dans une cellule procaryote est la régulation de la transcription de l'ADN. Toutes les étapes suivantes se déroulent automatiquement. Lorsque plus de protéines sont nécessaires, plus de transcription se produit. Par conséquent, dans les cellules procaryotes, le contrôle de l'expression des gènes se fait principalement au niveau de la transcription.

Les cellules eucaryotes, en revanche, possèdent des organites intracellulaires qui ajoutent à leur complexité. Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est contenu dans le noyau de la cellule et y est transcrit en ARN. L'ARN nouvellement synthétisé est ensuite transporté hors du noyau vers le cytoplasme, où les ribosomes traduisent l'ARN en protéine. Les processus de transcription et de traduction sont physiquement séparés par la membrane nucléaire ; la transcription se produit uniquement à l'intérieur du noyau et la traduction uniquement à l'extérieur du noyau dans le cytoplasme. La régulation de l'expression génique peut intervenir à tous les stades du processus (Figure\(\PageIndex{1}\)). La régulation peut se produire lorsque l'ADN est déroulé et détaché des nucléosomes pour se lier aux facteurs de transcription (niveau épigénétique), lorsque l'ARN est transcrit (niveau transcriptionnel), lorsque l'ARN est traité et exporté vers le cytoplasme après sa transcription (niveau post-transcriptionnel) ), lorsque l'ARN est traduit en protéine (niveau translationnel), ou après que la protéine a été fabriquée (niveau post-traductionnel).

Figure\(\PageIndex{1}\) : La transcription et la traduction procaryotes se produisent simultanément dans le cytoplasme, et la régulation se fait au niveau transcriptionnel. L'expression des gènes eucaryotes est régulée lors de la transcription et du traitement de l'ARN, qui ont lieu dans le noyau, et lors de la traduction des protéines, qui a lieu dans le cytoplasme. Une régulation supplémentaire peut se produire par des modifications post-traductionnelles des protéines.

Les différences de régulation de l'expression génique entre les procaryotes et les eucaryotes sont résumées ci-dessous. La régulation de l'expression des gènes est discutée en détail dans les modules suivants.

Tableau\(\PageIndex{1}\) : Différences dans la régulation de l'expression génique des organismes procaryotes et eucaryotes

Organismes procaryotes	Organismes eucaryotes
Noyau manquant	Contient un noyau
L'ADN se trouve dans le cytoplasme	L'ADN est confiné dans le compartiment nucléaire
La transcription de l'ARN et la formation des protéines se produisent presque	La transcription de l'ARN se produit avant la formation des protéines et a lieu dans le noyau. La traduction de l'ARN en protéine se produit dans le cytoplasme.
L'expression des gènes est régulée principalement au niveau transcriptionnel	L'expression des gènes est régulée à de nombreux niveaux (épigénétique, transcriptionnel, navette nucléaire, post-transcriptionnel, translationnel et post-traductionnel)

Evolution Connection : évolution de la régulation des gènes

Les cellules procaryotes ne peuvent réguler l'expression des gènes qu'en contrôlant la quantité de transcription. Au fur et à mesure de l'évolution des cellules eucaryotes, la complexité du contrôle de l'expression des gènes s'est accrue. Par exemple, l'évolution des cellules eucaryotes s'est accompagnée de la compartimentation de composants cellulaires et de processus cellulaires importants. Une région nucléaire contenant l'ADN s'est formée. La transcription et la traduction ont été séparées physiquement dans deux compartiments cellulaires différents. Il est donc devenu possible de contrôler l'expression des gènes en régulant la transcription dans le noyau, ainsi qu'en contrôlant les taux d'ARN et la traduction des protéines présents à l'extérieur du noyau.

Certains processus cellulaires sont nés de la nécessité pour l'organisme de se défendre. Des processus cellulaires tels que le silençage génique ont été développés pour protéger la cellule contre les infections virales ou parasitaires. Si la cellule pouvait arrêter rapidement l'expression des gènes pendant une courte période, elle serait capable de survivre à une infection alors que d'autres organismes ne le pourraient pas. Par conséquent, l'organisme a développé un nouveau processus qui l'a aidé à survivre, et il a pu transmettre ce nouveau développement à sa progéniture.

Résumé

Bien que toutes les cellules somatiques d'un organisme contiennent le même ADN, toutes les cellules de cet organisme n'expriment pas les mêmes protéines. Les organismes procaryotes expriment la totalité de l'ADN qu'ils codent dans chaque cellule, mais pas nécessairement tous en même temps. Les protéines ne sont exprimées que lorsqu'elles sont nécessaires. Les organismes eucaryotes expriment un sous-ensemble de l'ADN codé dans une cellule donnée. Dans chaque type de cellule, le type et la quantité de protéines sont régulés en contrôlant l'expression génique. Pour exprimer une protéine, l'ADN est d'abord transcrit en ARN, qui est ensuite traduit en protéines. Dans les cellules procaryotes, ces processus se produisent presque simultanément. Dans les cellules eucaryotes, la transcription se produit dans le noyau et est distincte de la traduction qui se produit dans le cytoplasme. L'expression génique chez les procaryotes est régulée uniquement au niveau transcriptionnel, tandis que dans les cellules eucaryotes, l'expression génique est régulée aux niveaux épigénétique, transcriptionnel, post-transcriptionnel, translationnel et post-traductionnel.

Lexique

épigénétique

modifications héréditaires qui n'impliquent pas de modifications de la séquence d'ADN

expression des gènes

les processus qui contrôlent l'activation ou la désactivation d'un gène

post-transcriptionnel

contrôle de l'expression génique après la création de la molécule d'ARN mais avant qu'elle ne soit traduite en protéine

post-traductionnel

contrôle de l'expression des gènes après la création d'une protéine