Biologie de Campbell #18 - La régulation de l'expression génétique

LES BACTÉRIES PEUVENT S'ADAPTER AUX FLUCTUATIONS DE LEUR MILIEU EN RÉGULANT LA TRANSCRIPTION

Afin d'économiser les ressources, l'évolution a favorisé les bactéries qui n'expriment que les gènes dont les produits lui sont utiles.

Par exemple, si le milieu contient assez d'une molécule nécessaire à une bactérie, celle-ci pourra arrêter de produire les enzymes qui l'aident à produire cette molécule elle-même ; cette inhibition a lieu au niveau de la transcription, la synthèse de l'ARNm codant pour ces enzymes.

Les fluctuations de l'état métabolique de la cellule activent et désactivent de nombreux gènes du génome bactérien. Ces processus sont détaillés sur plusieurs pages. 

CHEZ LES EUCARYOTES, LA RÉGULATION DE L'EXPRESSION GÉNÉTIQUE S'EXERCE A DE NOMBREUX STADES

Tout comme les organismes unicellulaires, les cellules des organismes multicellulaires doivent continuellement activer et désactiver des gènes en réponse à des stimulus provenant des milieux internes et externes. 

La régulation de l'expression génétique est également essentielle pour la spécialisation des cellules d'un organisme multicellulaire, composé de différents types de cellules. Chaque cellule doit assurer le maintient d'un programme spécifique de son expression génétique dans lequel certains gènes sont exprimés et d'autres ne le sont pas.

Une cellule humaine moyenne n'exprime probablement que 20% environ de ses gènes à la fois, et cette proportion est encore plus faible pour les cellules hautement spécialisées, comme les cellules musculaires ou les cellules nerveuses. Les différences entre les types de cellules ne sont pas dues à la présence de différents gènes, mais plutôt à l'expression génétique différentielle, qui permet à des cellules dont le génome est identique d'exprimer des gènes différents. Il y a bien 8 pages qui détaillent les différents aspects de cette régulation.

Mentionnons que dans le cas de la transcription spécifique aux types de cellules, des amplificateurs et activateurs entrent en jeu. Les amplificateurs sont des parties de l'ADN qui permettent "d'activer" ou non certains gènes : ils exigent la présence d'une combinaison d'activateurs, des éléments présents ensemble seulement dans les cellules pertinentes pour l'activation du gène. Il existe aussi des répresseurs au rôle inverse.

Mentionnons aussi l'épissage différentiel de l'ARN : le transcrit primaire d'un gène peut être épissé de façons différentes, c'est-à-dire qu'un même gène pourra être transcrit sous différentes forme d'ARNm, qui incluent ou non différents exons, et ces différentes formes d'ADN sont traduites en protéines différentes mais apparentées. Ce processus permet d'expliquer en la vaste diversité des protéines humaines synthétisables à partir d'un génome à priori limité.

LE RÔLE IMPORTANT DES ARN NON TRADUITS

Le séquençage du génome a révélé que l'ADN transcrit pour les protéines représente seulement 1,5% du génome humain. Une toute petite partie du génome transcrit aussi pour les ARN. On a longtemps supposé que la majeur partie de l'ADN n'était pas transcrit (je me souviens avoir lu chez Richard Dawkins cette supposition frappante que la majeure partie de l'ADN n'existerait que par sa capacité à se reproduire d'une façon quasi parasitique).

Évidemment, plus on en apprend, plus ça se complexifie. Il semblerait actuellement que 75% du génome humain est transcrit à un moment ou un autre, dans chaque cellule. Une partie importante du génome peut être traduit en ARN non codant, ARNnc, aux rôles variés. L'ARNm est donc loin d'être la seule ouvrière.

Sans rentrer dans les détails, ces très nombreuses micro ARN (miARN) et petits ARN interférents (pARNi) jouent un rôle complexe et capital dans la régulation l'expression génétique.

LES DIFFÉRENTS TYPES DE CELLULES D'UN ORGANISME MULTICELLULAIRE RÉSULTENT D'UN PROGRAMME D'EXPRESSION DIFFÉRENTIELLE 

Au cours du développement embryonnaire, il a la division cellulaire, mais celle-ci doit être régulée pour ne pas produire une masse indifférenciée de cellules. Les cellules subissent en se développant la différenciation cellulaire, processus qui permet leur spécialisation. La morphogenèse est l'ensemble des processus physiologiques déterminant la forme de l'organisme et de ses structures.

Sans rentrer dans les détails, je note deux processus principaux :

• Les déterminants cytoplasmiques de l'ovule. Dans le cytoplasme de l'ovule se trouvent des molécules codées par les gènes maternels. Ces molécules sont inégalement réparties et déterminent l'expression génétique des cellules de l'embryon au fil de la division cellulaire par simple "influence locale".
• L'induction par les cellules voisines. En gros, chaque cellule influence l'expression génétique de ses voisines.

Ces processus (et d'autres) mènent à l'accomplissement d'un plan d'organisation corporelle. Il s'agit tout d'abord de déterminer les 3 axes principaux de l'organisme, avant de commencer à "placer" les membres et organes. C'est, encore une fois, l'étude de la drosophile qui a permis de comprendre ces phénomènes.

LE CANCER EST LA CONSÉQUENCE DE MODIFICATIONS GÉNÉTIQUES QUI ALTÈRENT LA RÉGULATION DU CYCLE CELLULAIRE

Les mutations qui altèrent les gènes associés aux facteurs de la croissance peuvent mener au cancer. On appelle oncogènes les gènes cancérogènes ; à l'inverse, les gènes normaux, qui codent pour pour des protéines stimulant une croissance normale et régulée, sont appelés protooncogènes.

Un protoongène peut se transformer en oncogène de 3 façons différentes :

• Translocation ou transposition : le gène est déplacé vers un nouveau locus (position fixe d'un gène sur un chromosome) et donc soumis à un nouveau promoteur (segment d'ADN qui contrôle l'expression du gène) qui peut mener à l'excès de la protéine qui si bien régulée cause une croissance normale.
• Amplification génétique : des copies multiples du gène augmentent la quantité de protéines.
• Mutation ponctuelle d'un élément de contrôle ou du gène lui-même si, de même, plus de protéines sont créées en conséquence ou des protéines hyperactives ou résistantes à la dégradation.

Il existe aussi des gènes suppresseurs de tumeurs, qui codent pour des protéines qui servent à empêcher la croissance cellulaire anarchique. La protéine p53 est fameuse : c'est elle qui répare l'ADN endommagé, ou du moins qui facilite la transcription du gène codant pour une protéine qui inhibe le cycle cellulaire pour que l'ADN endommagé ne se réplique pas. Ensuite, soit l'ADN est réparé, soit la cellule est détruite. Certaines mutations qui troublent ce système peuvent mener au cancer.

Les cancers ont tendance à se développer par accumulation de facteurs, ce qui expliquerait pourquoi l'incidence des cancers augmente avec l'age. Sont détaillés à ce propos les cancers du côlon et du sein. A noter que les virus, dans ces cas spécifiques, peuvent être causes de cancer ; en effet, ils interfèrent avec la régulation génique car ils peuvent insérer leur matériel génique dans l'ADN d'une cellule.