Fiche de révision : Régulation du phage lambda

Plan du Cours

  1. Niveaux de contrôle de l’expression
  2. Contrôle transcriptionnel et opérons
  3. Organisation et régulation de l’opéron lactose
  4. Activation de l’opéron lactose
  5. Contrôle négatif de l’opéron tryptophane
  6. Atténuation de l’opéron tryptophane
  7. Régulation de l’opéron arabinose
  8. Organisation et cycles du phage λ
  9. Antiterminaison et phase tardive
  10. Répresseur CI et lysogénie
  11. Induction du prophage
  12. Choix entre lyse et lysogénie

1. Niveaux de contrôle de l’expression

Points essentiels

  • L’expression d’un gène peut être contrôlée au niveau de la transcription, de la maturation et de la stabilité des ARNm, ainsi que de la traduction.

2. Contrôle transcriptionnel et opérons

★ À maîtriser

📌 Dans le contrôle négatif, le répresseur empêche l’expression du gène en se fixant sur l’opérateur, tandis que dans le contrôle positif, un activateur permet la reconnaissance du promoteur par l’ARN polymérase.

📌 Chez les procaryotes, plusieurs séquences codantes peuvent être contrôlées par un même promoteur dans une unité de transcription polycistronique, alors que les unités de transcription eucaryotes sont monocistroniques et possèdent chacune leur promoteur.

Compléments

  • François Jacob et Jacques Monod (Prix Nobel 1965) ont montré que l’initiation de la transcription est souvent contrôlée par des protéines régulatrices fixées sur ou près des gènes cibles. - François Jacob, Jacques Monod

  • Une unité de transcription polycistronique produit un ARNm permettant la régulation coordonnée de plusieurs protéines, tandis que les protéines des unités monocistroniques sont régulées indépendamment.

Astuce mémo

Répresseur bloque, activateur permet

3. Organisation et régulation de l’opéron lactose

★ À maîtriser

📌 L’opéron lactose combine un contrôle négatif qui inhibe sa transcription en absence de lactose et un contrôle positif qui la stimule en absence de glucose.

  • Les gènes structuraux de l’opéron sont :
    • lacZ
    • lacY
    • lacA
  • En absence de lactose, le gène lacI produit un répresseur tétramérique qui se fixe fortement à l’opérateur et inhibe fortement, sans la supprimer totalement, la transcription de l’opéron lactose.

  • En présence de lactose, la β-galactosidase déjà présente en faible quantité produit de l’allolactose, qui provoque une transition allostérique du répresseur, diminue son affinité pour l’opérateur et libère celui-ci.

Compléments

  • Le lactose est un diholoside constitué de glucose et de galactose.

  • Chez E. coli, les enzymes nécessaires au catabolisme du lactose ne sont synthétisées que lorsque la bactérie en a besoin.

  • Les gènes lacZ, lacY et lacA codent respectivement la β-galactosidase, la perméase du lactose et la transacétylase.

  • La répression de l’opéron lactose par LacI laisse une faible transcription, qui maintient une petite quantité de β-galactosidase, de perméase et de transacétylase dans la cellule.

  • La fixation du répresseur LacI sur l’opérateur LacO forme une boucle d’ADN qui empêche l’ouverture de la boucle de transcription.

4. Activation de l’opéron lactose

Notions clés & Définitions

  • CAP : CAP, aussi appelée CRP, est une protéine dimérique allostérique dont l’effecteur est l’AMPc.

Points essentiels

📌 CAP libre n’a pas d’affinité pour l’ADN, tandis que CAP liée à l’AMPc a une forte affinité pour l’ADN et active l’opéron lactose.

📌 En présence de glucose, l’opéron lactose n’est pas ou très peu activé, même si du lactose est présent : c’est la répression catabolique.

  • Le promoteur de l’opéron lactose est faible et mal reconnu par l’ARN polymérase ; sa reconnaissance nécessite la protéine activatrice CAP, aussi appelée CRP.

  • 🔄 En présence de glucose, : la concentration intracellulaire d’AMPc est faible, le complexe CAP-AMPc ne se forme pas, le promoteur reste peu activé, la transcription est faible

  • 🔄 En absence de glucose, : la concentration intracellulaire d’AMPc est forte, le complexe CAP-AMPc se forme, le promoteur est activé, la transcription est forte

Astuce mémo

Absence de glucose → AMPc élevé → activation par CAP

5. Contrôle négatif de l’opéron tryptophane

Notions clés & Définitions

  • Corépresseur : Le tryptophane agit comme un corépresseur en activant le répresseur de l’opéron Trp.

★ À maîtriser

📌 Dans l’opéron lactose, le répresseur natif est actif et l’allolactose est un inducteur d’un système inductible, tandis que dans l’opéron Trp, le répresseur natif est inactif et le tryptophane est un corépresseur d’un système répressible.

📌 En absence de tryptophane, le répresseur de l’opéron Trp est inactif, la transcription a lieu et du tryptophane est synthétisé.

  • 🔄 En présence d’un excès de tryptophane, : le tryptophane provoque une transition allostérique, le répresseur est activé, la transcription de l’opéron Trp est inhibée

Compléments

  • Les gènes de l’opéron tryptophane sont :

    • trpA
    • trpB
    • trpC
    • trpD
    • trpE
  • Les enzymes de l’opéron tryptophane assurent la conversion du chorismate en tryptophane.

Astuce mémo

Lac : répresseur actif sans inducteur ; Trp : répresseur actif avec corépresseur

6. Atténuation de l’opéron tryptophane

Notions clés & Définitions

  • Atténuation : L’atténuation permet une terminaison précoce de la transcription dans la région leader de l’opéron Trp, avant que l’ARN polymérase n’atteigne trpE, lorsque le tryptophane est encore suffisant pour la synthèse protéique.

★ À maîtriser

  • En présence de tryptophane, : le ribosome progresse jusqu’au codon stop, il masque en partie la séquence 2, la boucle 2-3 ne peut pas se former, la boucle 3-4 se forme et termine la transcription

  • En absence de tryptophane, :

    • le ribosome reste bloqué sur la séquence 1
    • la boucle 2-3 se forme
    • la transcription de l’opéron continue
  • La région leader code un peptide de 14 acides aminés contenant deux tryptophanes successifs dans la première séquence riche en GC.

Compléments

  • La région leader de l’opéron Trp contient quatre séquences riches en GC susceptibles de s’auto-apparier dans le transcrit primaire.

  • La traduction du peptide leader commence avant la fin de la transcription de la région leader.

  • La boucle 2-3 empêche la formation de la boucle 3-4, qui constitue le signal de terminaison ρ-indépendant.

  • Un terminateur ρ-indépendant comprend une séquence riche en GC formant une épingle à cheveux dans l’ARN, suivie d’une séquence riche en A dans l’ADN qui produit une suite de U dans l’ARN.

  • Dans le terminateur ρ-indépendant, les liaisons GC sont stables et l’hybride ARN/ARN est plus stable que l’hybride ARN/ADN, ce qui favorise le détachement du transcrit.

  • La formation de l’épingle 1-2 provoque une pause de la transcription, puis l’arrivée du ribosome sur la séquence 1 détruit le signal de pause et permet à la transcription de reprendre.

Astuce mémo

Trp présent : boucle 3-4 terminatrice ; Trp absent : boucle 2-3 anti-terminatrice

7. Régulation de l’opéron arabinose

★ À maîtriser

📌 En présence d’arabinose, AraC perd son affinité pour O2, mais la conserve pour AraI et O1.

📌 En absence de glucose, le complexe CAP-AMPc se fixe au site CAP et stimule la transcription à partir de PBAD.

  • Le catabolisme de l’arabinose mobilise trois enzymes codées par un seul opéron : AraA (arabinose isomérase), AraB (ribulose kinase) et AraD (ribulose-5-phosphate épimérase).

  • En absence d’arabinose, AraC se lie simultanément à O2 et AraI, forme une boucle d’ADN et empêche la transcription de l’opéron.

Compléments

📌 Quand la concentration d’AraC dépasse un certain niveau, AraC se fixe aussi à O1 et bloque la transcription de son propre gène.

  • L’opéron arabinose est associé au gène de contrôle araC et aux séquences régulatrices O2, O1, CAP et AraI.

  • Une même protéine régulatrice peut exercer des contrôles négatif et positif sur un même opéron, contrôler sa propre synthèse, et agir via des séquences parfois éloignées des promoteurs.

8. Organisation et cycles du phage λ

★ À maîtriser

📌 Le cycle lytique entraîne la réplication de l’ADN phagique, la synthèse des protéines virales, l’assemblage des phages puis la lyse bactérienne, tandis que la voie lysogène intègre l’ADN viral au génome de l’hôte et le conserve sous forme de prophage.

📌 Le cycle lytique active les gènes de réplication, de structure et de lyse et inhibe les fonctions d’intégration, tandis que le cycle lysogène active l’intégration et inhibe les gènes de réplication, de structure et de lyse.

  • Le génome du bactériophage λ est un ADN double brin linéaire de 48 514 pb, comprenant environ 50 gènes.

  • Les gènes du phage λ appartiennent à cinq groupes fonctionnels :

    • Gènes de structure
    • Gènes de recombinaison
    • Gènes de régulation
    • Gènes de réplication
    • Gènes de lyse
  • Après l’infection, l’ADN linéaire de λ se circularise dans la bactérie par appariement de ses extrémités cos, longues de 12 pb.

  • 🔄 L’expression des gènes du phage λ suit trois étapes successives :

    1. Étape ultra-précoce
    2. Étape précoce retardée
    3. Étape tardive

Compléments

📌 Dans le cycle lytique, les protéines de lyse doivent être produites après l’assemblage des virions ; dans le cycle lysogène, les protéines d’excision ne doivent pas être produites au moment de l’intégration.

Astuce mémo

Lytique : production puis lyse ; lysogène : intégration et conservation en prophage

9. Antiterminaison et phase tardive

★ À maîtriser

  • La protéine Q agit comme un antiterminateur et permet le passage du phage λ en phase tardive.

  • La protéine Q permet la transcription des gènes tardifs qui conduisent à la synthèse des protéines de lyse et de capside.

Compléments

📌 Les protéines N et Q constituent une cascade d’antiterminaison : N permet la phase précoce retardée et Q permet la phase tardive.

10. Répresseur CI et lysogénie

★ À maîtriser

  • Pendant la lysogénie, seul le répresseur λ, codé par CI et transcrit depuis le promoteur PRM, est exprimé parmi les gènes viraux.
  • Le répresseur λ est une protéine dimérique dont le domaine amino-terminal se lie à l’ADN et dont le domaine carboxy-terminal permet la dimérisation.

  • La fixation du répresseur λ sur les opérateurs OL et OR bloque les promoteurs PL et PR et inhibe l’expression des gènes N et Cro.

Compléments

📌 Pour le répresseur λ, OR1 a une forte affinité, OR2 une affinité moyenne et OR3 une faible affinité.

  • L’opérateur OR comprend trois sites de liaison du répresseur de 17 pb chacun : OR1, OR2 et OR3.

  • Lorsque le répresseur λ occupe OR1 et OR2, il inhibe la synthèse de Cro et de N tout en activant sa propre synthèse depuis PRM.

  • La fixation du répresseur sur OR1 facilite l’occupation de OR2 ; la fixation sur OR1 et OR2 active PRM, tandis que PR et PL sont bloqués.

Astuce mémo

CI bloque PL et PR, mais active PRM quand il occupe OR1 et OR2.

11. Induction du prophage

★ À maîtriser

  • Lors de la réponse SOS, la protéine bactérienne RecA induit la protéolyse du répresseur λ, ce qui lève son inhibition et permet l’induction du prophage.

Compléments

  • Chez E. coli, RecA est présente de façon constitutive et sa synthèse augmente en réponse à des traitements qui endommagent l’ADN.

  • Le clivage du répresseur permet au phage de s’échapper de la bactérie lorsque les conditions deviennent inhospitalières.

Astuce mémo

Dommages à l’ADN → réponse SOS et action de RecA → clivage du répresseur.

12. Choix entre lyse et lysogénie

★ À maîtriser

📌 Une concentration suffisante de répresseur CI empêche la synthèse de Cro et favorise la lysogénie, tandis qu’une synthèse insuffisante de CI permet la lyse.

  • Le produit du gène CII est un régulateur positif du promoteur PRE, à partir duquel débute la transcription du gène CI.

  • Le choix entre lyse et lysogénie dépend de l’accumulation de CII, car la synthèse du répresseur CI dépend de l’activation initiale de PRE par CII.

Compléments

📌 La croissance active de la cellule hôte est associée à la lyse, tandis que la phase stationnaire de croissance est associée à la lysogénie.

📌 Une MOI élevée favorise la lysogénie, tandis qu’une MOI faible favorise la lyse.

  • La protéine Cro se lie aux opérateurs OR1, OR2 et OR3 avec des affinités opposées à celles du répresseur CI, et se lie aussi à OL.

  • CII est une protéine instable, très sensible aux protéases de l’hôte ; son abondance dépend notamment de l’état métabolique de la cellule.

  • Lorsque la MOI est élevée, la concentration de CIII augmente ; CIII protège CII de la dégradation, ce qui permet à CII d’activer efficacement PRE.

Astuce mémo

CII abondant favorise la lysogénie ; CII faible favorise la lyse.

Tableaux de synthèse

Systèmes de contrôle négatif

OpéronRépresseur natifEffecteurSystème
LacActifAllolactose, inducteurInductible
TrpInactifTryptophane, corépresseurRépressible

Affinité des sites OR

SiteRépresseur CIProtéine Cro
OR1ForteFaible
OR2MoyenneMoyenne
OR3FaibleForte

Teste tes connaissances

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1. Quelle description correspond au génome du bactériophage λ ?

2. Dans une cellule, la transcription d’un gène reste inchangée, mais sa maturation de l’ARNm, sa stabilité et sa traduction peuvent varier. À quels niveaux l’expression de ce gène peut-elle alors être contrôlée ?

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À quels niveaux l’expression d’un gène peut-elle être contrôlée ?

Au niveau de la transcription, de la maturation et de la stabilité des ARNm, ainsi que de la traduction.

Dans quel sens agit le répresseur lors d’un contrôle négatif de l’expression génique ?

Il empêche l’expression du gène en se fixant sur l’opérateur.

Quel est le rôle de l’activateur dans le contrôle positif de l’expression génique ?

Il permet à l’ARN polymérase de reconnaître le promoteur.

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