Régulation de l’expression des gènes

I. Introduction

Les cellules se caractérisent par leurs propriétés biologiques qui correspondent à leur activité biologique : sécrétion d’une hormone, phagocytose, transmission de l’influx nerveux, …

Mais les cellules ne sont pas figées dans leur activité. Elles ont généralement la capacité de répondre à des changements de l’environnement : à l’échelle unicellulaire, c’est essentiel à la survie de l’individu. Pour un organisme pluricellulaire, cette capacité est nécessaire pour maintenir la cohésion entre les populations de cellules, et donc les organes.

L’environnement peut contrôler l’activité d’une cellule à travers le profil d’expression de sa garniture génétique = génome : dans une condition 1, un pool de gènes A est actif. Dans une condition 2, un pool de gènes B est actif. Ceci implique que l’environnement, au travers de signaux subcellulaires, peut éteindre les gènes A et activer les gènes B, lorsque l’environnement passe de 1 à 2.

Chez les Eucaryotes, il existe 5 niveaux de régulation de l’expression du génome :

• Pré-transcriptionnel ;
• Transcriptionnel ;
• Post-transcriptionnel ;
• Traductionnel ;
• Post-traductionnel.

Rappel : voir figure 1

II. Contrôle pré-transcriptionnel

L’ADN est le support physique de l’information génétique, et donc toute modification structurale de ce support permet de contrôler l’information génétique :

• Condensation de l’ADN : la chromatine (molécule d’ADN) existe sous deux états = euchromatine (ADN décondensé) et hétérochromatine (ADN condensé). Le niveau de condensation de l’ADN contrôle son expression = l’ADN décondensé peut être transcrit en ARNm. L’ADN condensé ne peut pas être transcrit en ARNm.
  La condensation est liée à la présence d’assemblages protéiques autour desquels l’ADN s’enroule = les histones. En modifiant les propriétés des histones (méthylation ou phosphorylation), on peut modifier la façon dont l’ADN s’entoure autour des histones et donc son niveau de condensation et donc son niveau d’expression.
  Cas particulier : acétylation des histones = cette réaction réalisée par des histone-acetyltransférases (HATs) provoque le décrochage de l’histone et donc un état décondensé permanent pour la section d’ADN touchée = expression génique ;
  
  
• Réarrangement de l’ADN : dans certaines cellules, l’ADN subit de profondes modifications par recombinaisons ciblées. Ce phénomène permet d’éliminer des copies de gènes pour ne garder qu’un seul assemblage. C’est le cas lors de la sélection des clones de lymphocytes B, producteur d’anticorps. Les chaînes protéiques à la base de la structure de l’anticorps sont codées par des centaines de copies différentes d’un petit pool de gènes : la sélection d’une seule copie par élimination des autres, et le raboutage des fragments d’ADN entre eux génèrent l’extrême variabilité des anticorps. Au final, plusieurs centaines de gènes permettent de générer une diversité de l’ordre de 1000 milliards de protéines différentes ;
  
  
• Méthylation de l’ADN : des enzymes, les méthylases, peuvent méthyler (ajout d’un groupement -CH₃) la cytosine, se trouvant dans une séquence particulière de l’ADN = cytosine-guanine. La méthylation de la cytosine provoque la formation de la 5’-méthylcytosine, qui est un inhibiteur de la transcription. Ces séquences sont souvent trouvées dans les promoteurs de gènes ou dans les séquences en -cis (cis regulatory element, voir mini-cours suivant), participant à la régulation de l’expression des gènes. C’est un mécanisme très commun pour contrôler l’expression d’un gène.

Certaines de ces modifications théoriquement non-permanentes de l’ADN sont héritables de parents à enfants : c’est le contrôle épigénétique.

III. Contrôle transcriptionnel

Le contrôle de la transcription n’intervient que sur l’étape de démarrage de la transcription. Une fois lancée, la transcription ne peut normalement pas être arrêtée. Il existe trois points de contrôle :

• Ancrage du complexe de transcription : des protéines peuvent se fixer sur le promoteur de gènes spécifiques et permettre/inhiber la fixation du complexe de transcription et donc contrôler l’expression du gène. Ces protéines sont des facteurs de transcription dits « non-généraux ». Ces facteurs de transcription sont, très souvent, les derniers maillons d’une voie de signalisation subcellulaire. Ces voies de signalisation démarrent au niveau de la membrane plasmique (au contact de l’environnement) et se propagent dans la cellule, par divers mécanismes, jusqu’au noyau. Les facteurs de transcription non-généraux présentent des motifs structuraux particuliers, en doigt-de-zinc, qui permettent la fixation de la protéine à l’ADN. Ces molécules ont un rôle essentiel dans de très nombreuses pathologies comme le cancer ;
  
  
• Ancrage du complexe de transcription 2 : des séquences d’ADN non-codante situées en amont du promoteur, jusqu’à quelques kb de distance, peuvent réguler l’expression d’un gène. Ces séquences, dites « cis regulatory element » (= CRE = activateurs), sont la cible de facteurs de transcription non-généraux, qui se fixent dessus. La fixation provoque une courbure locale de l’ADN qui rapproche la séquence en -cis du promoteur et contrôle sa puissance = probabilité qu’un complexe de transcription se fixe dessus et y reste ;
  
  
• Activation du complexe de transcription : le complexe de transcription est centré autour de l’ARNpol II (synthèse des ARNm), associée à de nombreux facteurs de transcription généraux (nécessaires pour le fonctionnement général de la transcription). Ces facteurs de transcription généraux sont des protéines (TFIIA, B, C, …) qui peuvent être la cible d’enzymes et subir des modifications = phosphorylation = altération de leur activité = altération de la transcription (effet + ou -). Les kinases responsables de ces phosphorylations sont dépendantes de facteurs extérieurs de la cellule et donc sont des relais de l’environnement.

IV. Contrôle post-transcriptionnel

Le contrôle post-transcriptionnel porte exclusivement sur la molécule d’ARNm et agit à de très nombreux niveaux. Voir tableau 1.

V. Contrôle traductionnel

Le contrôle de l’expression des gènes peut intervenir tout au long de la traduction et aboutit à la non-production de la protéine correspondante au gène d’intérêt.

• Initiation : de la même façon que pour la transcription, la mise en place du complexe de traduction (les ribosomes) nécessite l’intervention de facteurs d’initiation de traduction (eIFs = eucaryotic initiation factors). Ces molécules peuvent être la cible d’enzymes, essentiellement des kinases, qui modulent leur activité sous l’effet de stress environnementaux ou internes : la phosphorylation de eIF2 provoque l’arrêt de l’initiation ;
  
  
• Élongation : d’une façon similaire à l’initiation, des facteurs d’élongation de la traduction peuvent être la cible d’activité enzymatique qui modulent leur activité. La phosphorylation de eEF2 (eucaryotic elongation factor 2) provoque la perte de son activité et l’arrêt de la traduction. Cet effet est obtenu lors de la détection d’une anoxie = arrêt de l’alimentation en O₂ de la cellule ;
  
  
• Terminaison : des mécanismes complexes de déstabilisation de la terminaison de la traduction peuvent permettre de contrôler les protéines produites. La lactate déshydrogénase voit son « codon-stop » ignoré et la traduction se poursuit sur quelques codons supplémentaires. Ces codons sont en fait un signal d’adressage de la protéine vers les peroxysomes (normalement dans le cytoplasme, noyau et membrane).

VI. Contrôle post-traductionnel

Niveau le plus complexe et le plus vaste de la régulation de l’expression génétique.
C’est également le niveau le plus éloigné de la notion de gène, puisqu’il porte exclusivement sur la régulation du produit de l’expression du génome = les protéines.

• Contrôle de la survie de protéines par le protéasome : le protéasome est un système de destruction ciblé des protéines. Elles sont préalablement marquées par l’ubiquitine, selon un schéma spécial. Le marquage par l’ubiquitine est réalisé par des enzymes, contrôlées par l’environnement notamment. Les protéines ubiquitinylées sont ensuite acheminées vers le protéasome qui réalise leur destruction. Cela permet de moduler le temps de survie des protéines dans la cellule et donc la durée de leur activité. Certaines protéines présentent des motifs spécifiques qui les orientent plus rapidement vers le protéasome, c’est notamment le cas du motif « PEST » (= proline, glutamate, sérine et thréonine) = destruction très rapide de la protéine ;
  
  
• Modification des protéines : essentiellement par des phosphorylations, ces modifications permettent de moduler l’activité des protéines, et donc le profil d’expression génétique d’une cellule. Les kinases et phosphatases impliquées dans la mise en place des phosphorylations puis leur élimination sont contrôlées par l’environnement. Un des systèmes les plus connus est la cascade réactionnelle des MAPkinases : une MAPkinase kinase kinase est activée par l’environnement. Elle active par phosphorylation une MAPkinase kinase, qui active à son tour par phosphorylation une MAPkinase, qui active à son tour par phosphorylation un facteur de transcription ou une enzyme.