Une bactérie ne fabrique une enzyme que lorsqu'elle en a besoin. Ce dernier chapitre explique comment elle y parvient, à travers les deux modèles historiques : l'opéron lactose, système inductible d'une voie catabolique, et l'opéron tryptophane, système répressible d'une voie anabolique. Les exercices d'analyse génétique sur diploïdes partiels sont un passage obligé des épreuves de Biologie moléculaire S5.
1. Pourquoi et à quels niveaux réguler
Réguler, c'est réprimer les gènes codant des protéines inutiles ou dont le produit est déjà disponible dans le milieu, et les activer au moment du besoin : un gain d'énergie et de matière décisif pour la compétition bactérienne. La régulation peut s'exercer à trois niveaux : transcriptionnel, de loin le plus économique et le plus fréquent chez les bactéries ; traductionnel, en modulant l'accès des ribosomes à l'ARNm ou sa stabilité ; et post-traductionnel, en modifiant l'activité d'une enzyme déjà synthétisée, par exemple par rétro-inhibition allostérique.
Les protéines régulatrices se répartissent en deux catégories. Les répresseurs exercent une régulation négative : leur fixation sur l'ADN empêche la transcription. Les activateurs exercent une régulation positive : leur fixation la déclenche ou l'augmente. Un même opéron peut être soumis aux deux, comme l'opéron lactose. On distingue par ailleurs les systèmes inductibles, où les enzymes ne sont produites qu'en présence du substrat (voies cataboliques), et les systèmes répressibles, où l'accumulation du produit final arrête la synthèse (voies anaboliques).
2. Le modèle de l'opéron
Proposé par François Jacob et Jacques Monod au début des années 1960, l'opéron désigne un groupe de gènes de structure adjacents, participant à une même fonction, transcrits ensemble en un unique ARNm polycistronique sous le contrôle d'éléments communs : un promoteur P sur lequel se fixe l'ARN polymérase, et un opérateur O, courte séquence d'ADN sur laquelle se fixe la protéine régulatrice. Le gène régulateur, souvent situé à distance et doté de son propre promoteur, code cette protéine ; il s'exprime de manière constitutive, à faible niveau et en permanence.
Unité de transcription bactérienne réunissant un promoteur, un opérateur et plusieurs gènes de structure exprimés ensemble en un ARN messager polycistronique.
3. L'opéron lactose, système inductible
E. coli utilise préférentiellement le glucose, mais peut métaboliser le lactose si le glucose vient à manquer. Trois enzymes sont nécessaires, codées par trois gènes de structure adjacents : lacZ code la β-galactosidase, qui hydrolyse le lactose en glucose et galactose ; lacY code la β-galactoside perméase, transporteur qui fait entrer et concentre le lactose ; lacA code la thiogalactoside acétyltransférase. Ces trois gènes sont transcrits en un seul ARNm polycistronique, sous le contrôle du promoteur P et de l'opérateur Op situé entre le promoteur et lacZ. Le gène régulateur lacI code une protéine allostérique qui agit comme répresseur.
En l'absence de lactose, le répresseur est sous sa forme active : il se fixe sur l'opérateur, bloque le passage de l'ARN polymérase et la transcription n'a pas lieu — régulation négative. En présence de lactose, c'est l'allolactose, isomère du lactose produit par la β-galactosidase, qui joue le rôle d'inducteur : il se lie au répresseur, en modifie la conformation et lui fait perdre son affinité pour l'opérateur. Le répresseur se détache, l'ARN polymérase peut initier la transcription et les enzymes du catabolisme du lactose sont synthétisées. Lorsque tout le lactose est consommé, le répresseur redevient actif et l'opéron est de nouveau réprimé : le système est inductible, les enzymes ne sont produites qu'en présence de leur substrat.
4. La répression catabolique : régulation positive par AMPc-CAP
Si glucose et lactose sont présents en même temps, le répresseur est bien inactivé par l'allolactose, mais la bactérie n'a aucun intérêt à dépenser de l'énergie pour le lactose : la transcription reste faible. Ce second mécanisme est la répression catabolique. La présence de glucose maintient bas le taux d'AMP cyclique (AMPc). Quand le glucose vient à manquer, le taux d'AMPc s'élève ; l'AMPc se lie à la protéine CAP (Catabolite gene Activator Protein) et le complexe AMPc-CAP se fixe près du promoteur, où il facilite le recrutement de l'ARN polymérase. Il s'agit donc d'une régulation positive. La transcription maximale exige la réunion de deux conditions : lactose présent (répresseur inactivé) et glucose absent (complexe AMPc-CAP formé).
5. Analyse génétique : mutants et diploïdes partiels
L'existence de l'opérateur a été démontrée par des mutations. Chez les mutants Oc, l'opérateur est altéré, le répresseur ne peut plus s'y fixer et la synthèse des enzymes devient constitutive, en présence comme en l'absence de lactose. Chez les mutants I−, le répresseur produit est non fonctionnel : l'expression est également constitutive. À l'inverse, chez les mutants Is dits « super-répresseurs », le répresseur ne reconnaît plus l'inducteur : il reste fixé à l'opérateur et l'opéron demeure éteint même en présence de lactose.
La diploïdie partielle obtenue par conjugaison, qui apporte une seconde copie de la région Lac, permet de tester la dominance. Le répresseur étant une protéine diffusible, l'allèle I+ agit en trans et est dominant sur I− : il réprime les deux copies de l'opéron. L'opérateur, lui, est une séquence d'ADN sans produit diffusible : la mutation Oc n'agit que sur les gènes de structure physiquement liés à elle, c'est la dominance en cis. Cette distinction cis / trans est la clé de tous les exercices sur diploïdes partiels : pour chaque copie de l'opéron, demande-toi quel opérateur contrôle quels gènes, puis quels répresseurs circulent dans la cellule.
6. L'opéron tryptophane et l'atténuation
L'opéron tryptophane d'E. coli illustre le cas inverse, celui d'une voie anabolique. Il réunit cinq gènes de structure adjacents — trpE, trpD, trpC, trpB et trpA — codant les enzymes qui synthétisent le tryptophane à partir du chorismate, sous un promoteur unique et un terminateur unique : la transcription produit un ARNm polycistronique. Le répresseur, codé par trpR, est synthétisé sous une forme inactive qui n'a que peu d'affinité pour l'opérateur. Il ne devient actif que lorsque le tryptophane s'y fixe : le tryptophane est donc un corépresseur. Quand le tryptophane abonde, l'opéron est éteint ; quand il vient à manquer, le répresseur redevient inactif et la transcription reprend. Le système est répressible.
Un second mécanisme, l'atténuation, affine cette régulation. Il consiste en une terminaison prématurée de la transcription dans la région située en amont des gènes de structure : selon la disponibilité en tryptophane, l'ARN en cours de synthèse adopte une structure secondaire terminatrice ou antiterminatrice, et l'ARNm complet est ou n'est pas produit. Chez des souches mutantes trpR−, dépourvues de répresseur fonctionnel, l'expression en présence de tryptophane n'atteint qu'une fraction du niveau maximal, ce qui montre qu'un mécanisme supplémentaire — l'atténuation — opère indépendamment du répresseur. L'atténuation est répandue dans les opérons de biosynthèse d'acides aminés.
| Critère | Opéron lactose | Opéron tryptophane |
|---|---|---|
| Type de voie | Catabolique | Anabolique |
| Système | Inductible | Répressible |
| Gènes de structure | lacZ, lacY, lacA | trpE, D, C, B, A |
| Effecteur | Allolactose (inducteur) | Tryptophane (corépresseur) |
| Répresseur seul | Actif, inactivé par l'inducteur | Inactif, activé par le corépresseur |
| Régulation additionnelle | AMPc-CAP (positive) | Atténuation |
Opéron lactose et opéron tryptophane
- Opéron (Jacob et Monod) = promoteur + opérateur + gènes de structure transcrits en un ARNm polycistronique.
- lacZ → β-galactosidase, lacY → perméase, lacA → transacétylase ; lacI code le répresseur, exprimé constitutivement.
- Sans lactose : répresseur actif sur l'opérateur → pas de transcription ; avec lactose : l'allolactose inactive le répresseur.
- Répression catabolique : glucose bas → AMPc élevé → complexe AMPc-CAP → activation du promoteur (régulation positive).
- Oc = constitutif, dominant en cis ; I⁻ = constitutif, récessif ; Is = super-répresseur, opéron éteint même avec lactose.
- Opéron trp : 5 gènes, système répressible, le tryptophane est corépresseur ; régulation renforcée par l'atténuation.
C'est le chapitre le plus rentable du module : presque chaque session propose un tableau de génotypes de diploïdes partiels à compléter par + ou − pour la β-galactosidase et la perméase, en l'absence puis en présence d'inducteur. Traite chaque copie séparément, applique la règle cis pour l'opérateur et la règle trans pour le répresseur, et n'oublie pas qu'un gène Z− ne donne jamais d'enzyme active, même transcrit. Piège classique : confondre inducteur et corépresseur, ou affirmer que le glucose agit sur le répresseur Lac — il agit en réalité via l'AMPc et la protéine CAP.