Génétique bactérienne et virale

L’expression d’un gène comprend l’ensemble des étapes permettant de produire un ARN ou une protéine fonctionnelle à l’origine d’un phénotype. 3 niveaux de contrôle sont possibles pour un gène :

• un contrôle transcriptionnel : des protéines régulatrices favorisent ou empêchent la fixation de l’ARN polymérase, ce qui permet ou non la transcription du gène ;
• un contrôle traductionnel : des protéines, des petits ARN ou la structure secondaire de l’ARNm empêchent la fixation des ribosomes  et bloque la traduction ;
• un contrôle post-traductionnel : des molécules ou l’activité d’autres protéines activent ou inhibent l’activité de la protéine synthétisée, ce qui permet ou bloque son activité.

Chez les bactéries, de nombreux mécanismes contrôlent l’expression des gènes au niveau transcriptionnel. Chez les bactéries et les Archées, les gènes sont regroupés en unités fonctionnelles sous le contrôle d’un même promoteur : ce sont des opérons à l’origine d’ARNm polycistroniques. Ce contrôle permet rapidement d’activer ou d’inhiber tout un groupe de gènes impliqués dans une voie métabolique ou l’utilisation d’une ressource.

Les protéines régulatrices peuvent exercer un contrôle transcriptionnel qui peut être négatif ou positif.

L’opéron tryptophane (trp) par exemple code des protéines permettant la synthèse de tryptophane à partir d’un précurseur. En amont de l’opéron trp se trouve le gène trpR codant un répresseur de l’opéron trp. Ce dernier est sous une forme inactive qui n’a pas d’affinité pour l’ADN quand les concentrations cytosoliques en tryptophanes sont faibles. L’ARN polymérase peut se fixer sur le promoteur et induire la transcription de l’opéron, d’où une synthèse de tryptophane lorsque celui-ci n’est pas présent dans le milieu. En revanche, lorsque la concentration en tryptophane devient élevée car celui-ci est présent dans l’environnement de la bactérie, la fixation de tryptophane sur le répresseur trpR induit un changement de conformation permettant au répresseur de se fixer sur le site O (pour opérateur) du promoteur, empêchant la fixation de l’ARN polymérase et bloquant la transcription. Il n’y a donc pas synthèse des enzymes permettant la synthèse de tryptophane si celui-ci est présent dans le milieu. Il s’agit d’un exemple de contrôle négatif par gène répresseur.

Dans le cas de l’opéron lactose, le répresseur LacI, en amont de l’opéron, code un répresseur capable de se fixer sur le site lacO et empêcher la transcription de l’opéron en absence de lactose dans le milieu. En revanche, la présence de lactose (et sa conversion en allolactose) entraîne la formation d’un complexe LacI – allolactose qui n’a plus d’affinité pour l’ADN, ce qui permet la fixation de l’ARN polymérase et la transcription de l’opéron lactose, d’où une hydrolyse possible du lactose qui devient source de carbone pour la cellule bactérienne. Il s’agit d’un exemple de contrôle négatif d’un gène inductible.

Cependant, il n’y a pas transcription de l’opéron lactose si du glucose est présent dans le milieu en plus du lactose, ce qui montre que le glucose induit une inhibition de la transcription. Le glucose, lorsqu’il est disponible, est utilisé dans la voie d’Embden-Meyerhof à l’origine de la production de pyruvate à partir de phosphoénolpyruvate. Ce pyruvate inhibe l’adénylate cyclase et la synthèse d’$\rm AMP_C$. L’$\rm AMP_C$ se fixe notamment à un activateur transcriptionnel CAP qui permet le recrutement de l’ARN polymérase sur les opérons impliqués dans différentes voies métaboliques. Cette fixation de CAP sur l’opéron lactose n’est donc possible qu’en absence de glucose. Ainsi, l’opéron lactose est transcrit en présence de lactose et en absence de glucose. Ce phénomène est appelé la répression catabolique.

Les virus sont des parasites intracellulaires obligatoires et ne possèdent donc pas les structures permettant une copie de leur génome. En outre, les acides nucléiques porteurs de l’information génétique peuvent être des ADN ou des ARN simple brin ou double brin, il existe donc une grande diversité dans les modalités de duplication de cette information génétique.

Cas des virus à ADN simple brin :

Le bactériophage φX174 possède un ADN simple brin qui a même séquence que l’ARNm viral, il s’agit donc d’un brin positif. Sa réplication se fait selon un mécanisme en cercle tournant, analogue à celui des plasmides. L’ADN est d’abord converti en une forme réplicative double brin grâce à l’ADN polymérase de l’hôte, ce qui permet sa transcription. L’ADN, initialement circularisé, subit une coupure du brin positif. L’extrémité 3’OH libérée sert d’amorce à l’ADN polymérase qui peut se déplacer en utilisant le brin circulaire comme matrice. Ceci entraîne la synthèse de plusieurs copies collées de génome simple brin. L’assemblage avec les protéines issues de la traduction permet la formation des nouveaux virions.

Dans le cas des parvovirus, le génome est un ADN simple brin négatif qui possède des extrémités palindromiques (répétition de séquences qui peuvent se lire dans les deux sens de la même manière). Ces palindromes ABCA’D à l’extrémité 3’OH et D’AC’B’A’ à l’extrémité 5’P entraînent des structures en épingles à cheveux par complémentarité des séquences A et A’, ce qui permet à l’ADN polymérase de synthétiser un brin d’ADN positif à partir de l’extrémité 3’OH disponible. Une nucléase clive le brin parental entre les régions A’ et D, et le réplisome peut alors compléter la réplication de l’épingle à cheveux A’CBA qui n’avait pas été répliquée initialement. La reformation des épingles à cheveux permet de reproduire le phénomène et de dupliquer chaque brin.

Cas des virus à ARN simple brin :

Le virus de la mosaïque du Tabac (VMT) est un virus à ARN simple brin positif. Son entrée dans la cellule permet directement sa traduction. Une des enzymes codées est la réplicase, qui est une ARN polymérase ARN-dépendante permettant la synthèse de brin négatif d’ARN qui servent de matrice à la synthèse d’ARN simple brin positif.

Dans le cas des virus à ARN simple brin négatif, la stratégie est équivalent sauf que l’ARN polymérase ARN-dépendant est injectée dans la cellule hôte en même temps que l’ARN, ce qui permet la synthèse des ARNm positifs utilisés ensuite lors de la traduction. La formation des virions incorporent l’ARN polymérase dans la nucléocapside en même temps que l’ARN négatif. C’est le cas des virus influenza, responsables de la grippe.

Les rétrovirus ont la particularité de posséder une transcriptase inverse, une ADN polymérase ARN dépendante. Cette transcriptase inverse permet la synthèse d’un ADN double brin à partir d’un ARN simple brin. Le provirus est alors incorporé dans le génome de la cellule-hôte, ce qui permet son maintien, voire sa multiplication si la cellule est capable de se diviser. La transcription du génome complet permet la synthèse des ARN positifs et des particules virales à l’origine des nouveaux virions. C’est le cas du VIH qui est un virus à enveloppe avec deux ARN viraux simple brins positifs.