Fiche de révision : Régulation de l’expression des gènes

📋 Plan du Cours

1. Niveaux et acteurs de la régulation
2. Accessibilité et chromatine
3. Promoteurs et motifs centraux
4. Promoteurs alternatifs et divergents
5. Enhancers, silencers et insulators
6. Domaines et clusters régulateurs
7. Polymérase II et initiation
8. Pause, élongation et terminaison
9. Analyse des interactions ADN-protéine
10. Coiffe en 5′ des transcrits
11. Épissage des pré-ARNm
12. Polyadénylation et choix du PAS

📖 1. Niveaux et acteurs de la régulation

★ À maîtriser

📌 Les facteurs cis sont des éléments régulateurs situés dans l’ADN, tandis que les facteurs trans sont des protéines qui interagissent avec ces éléments.

• Les facteurs de transcription sont des protéines nucléaires qui reconnaissent des motifs d’ADN courts de 6 à 12 paires de bases et peuvent recruter des modificateurs de la chromatine ou la machinerie basale de transcription.

• Les programmes d’expression propres aux types cellulaires produisent des signatures transcriptomiques et des protéomes adaptés, contribuant à leur diversité phénotypique.

Compléments

• Environ 1 600 facteurs de transcription humains sont connus, et environ la moitié ont une expression spécifique d’un tissu.

💡 Astuce mémo

Programme de facteurs spécifique → signature transcriptomique → protéome adapté

📖 2. Accessibilité et chromatine

★ À maîtriser

• Les promoteurs actifs se trouvent dans :

  • des régions déplétées en nucléosomes

  • appelées NDR

  • flanquées des **nucléosomes −1

  • +1**

• La DNase I coupe l’ADN accessible, notamment dans les régions dépourvues de nucléosomes, qui apparaissent comme des sites hypersensibles à la DNase I, ou DHS.

Compléments

• Les combinaisons de facteurs de transcription propres à chaque type cellulaire déterminent des profils d’activité des éléments régulateurs et d’expression génique spécifiques.

• Les îlots CpG sont des régions d’environ 1 000 paires de bases, enrichies en G+C et en dinucléotides CpG par rapport au génome moyen, et non méthylées.

💡 Astuce mémo

Promoteur actif : région pauvre en nucléosomes, encadrée par les nucléosomes −1 et +1

📖 3. Promoteurs et motifs centraux

🔑 Notions clés & Définitions

• Promoteur central : Permet l’assemblage du complexe de pré-initiation et guide l’initiation de la transcription à une position et à un niveau définis.

★ À maîtriser

📌 La transcription focalisée utilise un TSS prédominant ou un groupe de TSS dans une fenêtre d’au plus 5 nucléotides, tandis que la transcription dispersée répartit plusieurs TSS faibles sur une région de 50 à 100 nucléotides.

• La boîte TATA est généralement située à environ 30 paires de bases en amont du TSS, est reconnue par TBP au sein de TFIID et n’est présente que dans une minorité des promoteurs centraux.

Compléments

• Le motif Inr chevauche le TSS, est reconnu par TAF1 et TAF2 de TFIID et peut être accompagné ou non d’une boîte TATA.

• Dans les promoteurs sans boîte TATA, le motif DPE peut coopérer avec Inr pour lier TFIID, mais leur activité dépend d’un espacement précis entre les deux motifs.

📖 4. Promoteurs alternatifs et divergents

★ À maîtriser

📌 Un promoteur unidirectionnel transcrit un gène dans une seule direction, tandis qu’un promoteur divergent transcrit le gène dans le sens attendu et un ARN antisens court en amont.

📌 Un promoteur bidirectionnel initie la transcription divergente de deux gènes dont les TSS sont séparés de moins de 1 000 paires de bases, et produit deux transcrits de pleine longueur et stables.

Compléments

• L’utilisation de promoteurs alternatifs en amont d’exons non codants modifie le 5′UTR sans modifier la protéine produite.

• L’utilisation de promoteurs alternatifs en amont d’exons codants peut modifier l’extrémité 5′ de l’ORF et produire des isoformes protéiques dont la fonction ou la localisation peut différer.

💡 Astuce mémo

Promoteur divergent : ARN antisens court ; promoteur bidirectionnel : deux transcrits stables

📖 5. Enhancers, silencers et insulators

🔑 Notions clés & Définitions

• Enhancer : Élément d’ADN généralement long de 100 à 300 paires de bases, contenant plusieurs sites de liaison de facteurs de transcription et activant la transcription indépendamment de son orientation et de sa distance au gène cible.
• Insulator : Protège les promoteurs de l’influence d’enhancers ou de silencers en séparant les éléments régulateurs dans des domaines distincts.
• Silencer : Élément régulateur qui réprime l’expression de gènes cibles, généralement indépendamment de son orientation et de sa distance au promoteur.

📝 Points essentiels

• Les enhancers peuvent réguler plusieurs gènes, et un même gène peut être régulé par plusieurs enhancers selon le tissu, le stade ou le stimulus.

💡 Astuce mémo

Enhancer active, silencer réprime, insulator isole

📖 6. Domaines et clusters régulateurs

🔑 Notions clés & Définitions

• TAD : Domaine chromosomique dans lequel les éléments régulateurs interagissent fortement et où les gènes partagent un même environnement moléculaire.

★ À maîtriser

• La formation des TADs résulte de l’extrusion d’une boucle par la cohésine, qui tire les nucléosomes jusqu’à ce qu’elle rencontre des facteurs CTCF orientés de manière convergente aux frontières.

• Les LCR sont des éléments régulateurs composites contenant plusieurs sites hypersensibles qui fonctionnent ensemble pour induire une forte expression des gènes cibles.

Compléments

• Les insulators contiennent généralement des sites de liaison pour CTCF et empêchent des enhancers ou des silencers d’agir au-delà de domaines distincts.

• Les super-enhancers sont de grands regroupements d’enhancers accessibles, associés à des modifications d’histones typiques des enhancers et à des gènes importants pour l’identité cellulaire.

📖 7. Polymérase II et initiation

🔑 Notions clés & Définitions

• CTD : Queue C-terminale de Rpb1, composée chez les mammifères de 52 répétitions de l’heptapeptide consensus YSPTSPS, qui sert de plateforme de liaison à des facteurs de transcription et de maturation de l’ARN.

★ À maîtriser

• 🔄 Dans le modèle par étapes, les facteurs s’assemblent dans l’ordre suivant :

  1. TFIID/TFIIA
  2. TFIIB
  3. Pol II/TFIIF
  4. TFIIE
  5. TFIIH

• La phosphorylation de Ser5 du CTD par CDK7 de TFIIH facilite la dissociation de Pol II du promoteur et le recrutement des enzymes de coiffage.

Compléments

• L’ARN polymérase II humaine est un complexe d’environ 500 kDa composé de 12 sous-unités, dont Rpb1 est la plus grande et la principale sous-unité catalytique.

• La sous-unité XPB de TFIIH hydrolyse l’ATP et déroule l’ADN en aval de Pol II, ce qui ouvre les deux brins et forme la bulle de transcription.

💡 Astuce mémo

TFIID/TFIIA → TFIIB → Pol II/TFIIF → TFIIE → TFIIH

📖 8. Pause, élongation et terminaison

★ À maîtriser

• La pause de Pol II survient généralement à 30 à 100 nucléotides en aval du TSS et peut conduire soit à une terminaison prématurée, soit à la reprise de l’élongation.

• P-TEFb lève la pause de Pol II en phosphorylant NELF et Spt5 grâce à CDK9, ce qui dissocie NELF et permet à DSIF de stimuler l’élongation.

• À la terminaison, le complexe CPA reconnaît le PAS, clive l’ARN naissant pour produire son extrémité 3′, puis la poly(A) polymérase ajoute des adénosines.

Compléments

• DSIF, composé de Spt4 et Spt5, et NELF contribuent à la pause de Pol II, tandis que NELF reconnaît l’interface entre Pol II et Spt5.

• La vitesse de synthèse de l’ARNm dans les cellules dépasse 2 000 nucléotides par minute, contre environ 300 nucléotides par minute avec Pol II purifiée sans facteurs d’élongation.

📌 Après le clivage de l’ARN, le modèle torpille fait intervenir Xrn2 qui dégrade le transcrit en direction de Pol II, tandis que le modèle allostérique propose un changement du complexe d’élongation qui favorise le relâchement de l’ADN et de l’ARN.

💡 Astuce mémo

NELF bloque, P-TEFb phosphoryle, Pol II reprend son élongation

📖 9. Analyse des interactions ADN-protéine

🔑 Notions clés & Définitions

• ChIP : Méthode qui immunoprécipite des complexes ADN-protéine afin de déterminer quelles régions du génome sont liées par une protéine d’intérêt.

★ À maîtriser

• 🔄 La ChIP suit les étapes suivantes :
  1. Fixation des interactions ADN-protéine
  2. Lyse cellulaire
  3. Fragmentation de la chromatine
  4. Immunoprécipitation
  5. Lavages et élution des complexes
  6. Purification de l’ADN
  7. Analyse de l’ADN

📌 La ChIP-PCR ou ChIP-qPCR analyse des régions génomiques ciblées, tandis que la ChIP-seq cartographie à l’échelle du génome les sites associés à la protéine d’intérêt.

Compléments

• Le contrôle négatif de ChIP peut utiliser des billes couplées à une immunoglobuline du même isotype que l’anticorps dirigé contre la protéine d’intérêt.

💡 Astuce mémo

Fixer, fragmenter, immunoprécipiter, purifier, analyser

📖 10. Coiffe en 5′ des transcrits

★ À maîtriser

• La coiffe du pré-ARNm est une guanosine 7-méthylée liée à l’extrémité 5′ par une liaison triphosphate 5′-5′.

• La formation de la coiffe commence par l’excision d’un phosphate à l’extrémité 5′, suivie du transfert d’un GMP sur l’extrémité diphosphorylée, puis de la méthylation de la guanosine en N7 et des deux premiers riboses en 2′-O.

• La coiffe protège l’ARNm de la dégradation, favorise sa maturation et son export nucléaire, et permet le recrutement de facteurs d’initiation de la traduction comme eIF4E.

Compléments

• La coiffe est ajoutée de façon co-transcriptionnelle lorsque l’extrémité 5′ de l’ARN naissant émerge de Pol II, après l’incorporation d’environ 20 nucléotides.

💡 Astuce mémo

Triphosphatase → guanylyltransférase → méthyltransférases

📖 11. Épissage des pré-ARNm

🔑 Notions clés & Définitions

• Épissage : Excision des introns suivie de la liaison bout à bout des exons restants dans le pré-ARNm.

★ À maîtriser

• Les introns sont définis par le site d’épissage 5′, le point de branchement et le site d’épissage 3′; chez l’humain, le site 3′ comprend un motif YAG précédé d’une étendue polypyrimidique.

• 🔄 L’épissage comporte deux réactions :

  1. L’adénosine du point de branchement attaque le site 5′
  2. Un intron en lasso et un exon 5′ libéré sont formés
  3. L’extrémité 3′ de l’exon libéré attaque le site 3′
  4. Les exons sont reliés et l’intron en lasso est libéré

• Le spliceosome s’assemble séquentiellement à partir des snRNP U1, U2, U4, U5 et U6, ainsi que d’environ 100 protéines.

• U1 reconnaît le site 5′ d’épissage et U2 reconnaît le point de branchement pour former le pré-spliceosome, ou complexe A.

Compléments

📌 Les éléments ESE et ISE activent l’épissage depuis les exons et les introns, tandis que les éléments ESS et ISS le répriment depuis ces mêmes régions.

• Les protéines SR se lient généralement aux ESE et favorisent le recrutement ou la stabilisation de composants du spliceosome, tandis que des protéines hnRNP se lient généralement aux ESS et répriment l’utilisation d’un exon.

💡 Astuce mémo

U1 repère le 5′SS, U2 le point de branchement, puis les exons sont reliés

📖 12. Polyadénylation et choix du PAS

★ À maîtriser

• La polyadénylation ajoute généralement une queue de 50 à 200 adénosines à l’extrémité 3′ du pré-ARNm, tandis que les ARNm d’histones ne comportent pas de queue poly(A).

• Chez l’humain, le PAS canonique AAUAAA est généralement situé 10 à 35 nucléotides en amont du site de clivage, souvent un dinucléotide CA.

• La polyadénylation alternative concerne plus de 70 % des gènes et peut produire des transcrits qui diffèrent par la longueur de leur 3′UTR ou par leur séquence codante.

Compléments

• Après le clivage, la poly(A) polymérase ajoute environ 50 à 250 adénosines; PABPN1 stimule son activité après la fixation sur une courte chaîne initialement ajoutée.

• La queue poly(A) contribue à l’export nucléaire, à la demi-vie et à l’efficacité de traduction des transcrits.

• Environ 80 % des événements d’APA se produisent dans la 3′UTR et peuvent modifier la stabilité, la localisation et la traduction de l’ARNm sans changer sa séquence codante.

• L’utilisation d’un PAS proximal ou distal dépend notamment des protéines liant l’ARN, des facteurs de clivage, de facteurs de transcription et de la dynamique de transcription.

💡 Astuce mémo

PAS proximal raccourcit souvent la 3′UTR ; PAS interne peut modifier la séquence codante

📊 Tableaux de synthèse

Profils d’initiation

Éléments cis de l’épissage