Régulation de l'expression et épigénétique

Objectifs du chapitre

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de:

• décrire l'opéron lactose d'Escherichia coli, prévoir son expression pour un génotype et des conditions donnés, et expliquer l'induction par le lactose et la répression catabolique par le glucose;
• distinguer, par l'analyse de diploïdes partiels à la manière de Jacob et Monod, un gène qui code un produit diffusible (action en trans) d'un site qui n'agit que sur l'ADN qui le porte (action en cis);
• décrire les niveaux de la régulation eucaryote, du promoteur minimal aux amplificateurs, aux facteurs de transcription spécifiques et aux isolants;
• interpréter la méthylation de l'ADN et les modifications des histones, expliquer comment une marque se transmet d'une division cellulaire à la suivante, et distinguer ce que l'épigénétique établit de ce qu'on lui prête;
• expliquer la régulation après la transcription, en particulier par les microARN et l'interférence par ARN;
• reconnaître les motifs élémentaires des réseaux de régulation (autorégulation, boucle d'anticipation, interrupteur bistable) et déduire les états stables d'un petit réseau.

Pourquoi réguler l'expression des gènes

Un neurone et un hépatocyte d'une même personne portent le même génome, les mêmes quelque 20 000 gènes codant des protéines. Le premier fabrique des canaux ioniques, le second de l'albumine. Ce qui les sépare n'est pas l'information qu'ils possèdent, mais la part qu'ils en expriment: le noyau d'une cellule différenciée, transféré dans un ovocyte énucléé, peut redonner un organisme entier. La différenciation ne supprime pas les gènes; elle les fait taire ou parler.

Chez la bactérie, l'enjeu est d'abord économique. Une protéine coûte des nucléotides, des acides aminés et de l'énergie (chapitre 8); une bactérie qui fabriquerait en permanence les enzymes de tous les sucres possibles serait dépassée par une concurrente qui ne produit que celles dont le milieu a besoin.

La régulation peut intervenir à chaque étape du gène à la protéine, et ce chapitre les suit dans l'ordre:

• l'accès à l'ADN, que la chromatine ouvre ou ferme chez les eucaryotes;
• l'initiation de la transcription, le contrôle le plus fréquent et le plus économique;
• la maturation de l'ARN (épissage alternatif, chapitre 8) et sa stabilité;
• la traduction, que les microARN freinent;
• la protéine elle-même (modifications, dégradation), que ce chapitre ne fait que nommer.

Les gènes exprimés partout et en toute circonstance, comme ceux des ribosomes, sont dits constitutifs; les autres sont régulés, induits ou réprimés selon le milieu, le type cellulaire ou le moment du développement.

L'opéron lactose

Une unité de transcription et ses commandes

Le lactose est un disaccharide de galactose et de glucose. Pour l'utiliser, E. coli doit l'importer et le couper. Trois gènes adjacents y concourent: lacZ code la β-galactosidase, qui hydrolyse le lactose; lacY, la lactose perméase, une protéine de la membrane qui l'importe; lacA, une transacétylase dont le rôle physiologique reste mal établi. Les trois sont transcrits ensemble, à partir d'un seul promoteur, en un ARN messager polycistronique qui porte trois cadres de lecture traduits séparément.

Le gène s'écrit en italique et en minuscules (lacZ), la protéine en romain (LacZ). Les allèles s'abrègent comme chez Jacob et Monod: $I^{+}$ pour lacI sauvage, $O^{+}$ pour l'opérateur sauvage, $Z^{+}$ et $Z^{-}$ pour un lacZ fonctionnel ou muté.

L'induction: un répresseur qui lâche prise

Le produit de lacI est le répresseur LacI, une protéine formée de quatre sous-unités identiques. En l'absence de lactose, il se fixe sur l'opérateur, qui chevauche le promoteur, et empêche l'ARN polymérase de transcrire lacZYA (figure 10.1, ligne 1). La répression n'est pas absolue: le répresseur se détache de temps à autre, et cette expression basale maintient quelques molécules de perméase et de β-galactosidase, indispensables au démarrage.

Quand du lactose arrive, ces perméases en font entrer un peu, et la β-galactosidase en convertit une partie en allolactose. L'allolactose est le véritable inducteur: il se fixe sur le répresseur, change sa forme et fait chuter son affinité pour l'opérateur. Le répresseur se détache, la polymérase passe, et les trois enzymes sont produites en quantité (figure 10.1, ligne 2). LacI est l'exemple classique d'une protéine allostérique, dont l'activité change quand une petite molécule se fixe ailleurs que sur son site actif.

Au laboratoire, on utilise l'IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside), qui se fixe sur le répresseur mais que la β-galactosidase ne dégrade pas: c'est un inducteur gratuit, dont le signal ne s'épuise pas.

Le circuit contient une rétroaction positive: le lactose induit la perméase, qui fait entrer davantage de lactose. Novick et Weiner ont observé en 1957 qu'à faible concentration d'inducteur, une culture se partage en cellules pleinement induites et en cellules non induites: ce tout-ou-rien reviendra en fin de chapitre sous le nom de bistabilité.

Les mutants régulateurs

Cette logique n'a pas été déduite de la structure des protéines, qu'on ignorait, mais de mutants qui ne réagissent plus au lactose. Jacob et Monod en ont distingué trois catégories.

• $I^{-}$: le répresseur est absent ou incapable de se fixer sur l'opérateur. L'opéron est exprimé avec ou sans lactose: le mutant est constitutif.
• $I^s$ (s pour super-répresseur): le répresseur se fixe toujours sur l'opérateur, mais ne fixe plus l'inducteur. L'opéron reste éteint même en présence de lactose: le mutant est non inductible.
• $O^c$ (c pour constitutif): l'opérateur est modifié et le répresseur, pourtant normal, ne le reconnaît plus. L'opéron est exprimé avec ou sans lactose.

Un mutant $Z^{-}$ est inductible, mais son enzyme est inactive; il sert de marqueur dans la section suivante.

Diploïdes partiels et test cis-trans

Pour distinguer un gène d'un site, il faut deux versions de la région lac dans une même cellule. Le plasmide conjugatif F peut emporter en s'excisant un fragment du chromosome voisin; un tel épisome F′ porteur de lac, transféré par conjugaison, donne une cellule à deux copies de la région, un diploïde partiel, noté $I^{-}{O}^{+}{Z}^{+}/F^{\prime }{I}^{+}{O}^{+}{Z}^{-}$. Un gène y fabrique un produit qui diffuse et peut agir sur les deux copies; un site n'agit que sur l'ADN dont il fait partie.

Justification. C'est une règle d'inférence, qui découle de la définition 10.2. Un produit diffusible se répand dans tout le cytoplasme: une version sauvage présente quelque part corrige une version absente, d'où la récessivité de $I^{-}$. Un site ne sort pas de sa molécule. Il faut seulement savoir quelle copie s'exprime, d'où le marqueur $Z^{-}$ sur l'une des deux, et que les deux copies soient également accessibles aux protéines, ce qui est le cas d'un épisome F′.

Une quatrième catégorie, $I^{-d}$, produit des sous-unités qui ne se fixent plus à l'ADN mais s'assemblent encore aux sous-unités normales et empoisonnent le tétramère: constitutive et dominante en trans, c'est l'effet dominant négatif du chapitre 9.

La répression catabolique: CAP et AMPc

Dans un milieu qui contient du glucose et du lactose, E. coli consomme d'abord le glucose; l'opéron lactose ne s'exprime fortement qu'une fois le glucose épuisé, et la courbe de croissance montre deux phases séparées par un plateau, la diauxie de Monod. C'est la répression catabolique.

Le mécanisme classique fait intervenir un activateur. Le promoteur lac est faible: même libéré du répresseur, il est peu transcrit. Il devient fort quand la protéine CAP (catabolite activator protein, ou CRP), en complexe avec l'AMP cyclique (AMPc), se fixe sur son site et recrute la polymérase. Or l'AMPc est bas quand le glucose est transporté dans la cellule, et haut quand il manque. D'où deux interrupteurs indépendants:

• le répresseur répond au lactose: il dit si l'opéron est utile;
• CAP–AMPc répond au glucose: il dit si l'opéron est nécessaire.

La régulation par LacI est négative (la protéine fixée éteint le gène), celle par CAP positive (elle l'allume). L'effet du glucose passe aussi par l'exclusion de l'inducteur: le transport du glucose inhibe la perméase, et le lactose n'entre plus. La part des deux mécanismes a été discutée; le schéma CAP–AMPc reste celui qu'on enseigne, car il vaut pour de nombreux opérons cataboliques.

L'explorateur suit trois règles didactiques, non mesurées: un opérateur $O^c$ n'est jamais occupé; un opérateur $O^{+}$ l'est si un super-répresseur existe, ou si un répresseur normal existe sans inducteur; une copie libre est transcrite fortement sans glucose, faiblement avec. Les conclusions de Jacob et Monod en découlent toutes.

L'opéron tryptophane: répression et atténuation

L'opéron lactose est inductible: éteint par défaut, le substrat l'allume. L'opéron tryptophane (trpEDCBA), qui code les enzymes de synthèse de cet acide aminé, est répressible: allumé par défaut, le produit l'éteint. Le tryptophane se fixe sur le répresseur TrpR, qui peut alors occuper l'opérateur: c'est un corépresseur. La logique est l'inverse de lac: une voie de dégradation ne sert que si le substrat est là, une voie de synthèse que si le produit manque.

Charles Yanofsky a découvert un second contrôle, l'atténuation. Avant le premier gène, une séquence de tête code un court peptide qui porte deux codons tryptophane consécutifs. Son ARN peut former un terminateur de transcription ou un antiterminateur. Sans noyau, transcription et traduction sont couplées: un ribosome traduit l'ARN de tête pendant que la polymérase avance.

• Si le tryptophane abonde, des ARNt chargés en tryptophane sont disponibles, le ribosome traduit le peptide de tête sans s'arrêter, et sa position favorise le terminateur: la polymérase s'arrête avant les gènes de structure.
• Si le tryptophane manque, le ribosome cale sur les deux codons tryptophane, faute d'ARNt chargé; l'ARN en aval forme l'antiterminateur, et la polymérase poursuit dans trpE.

L'atténuation mesure ainsi le tryptophane par la vitesse de traduction, ce qui n'est possible que sans noyau.

Les gènes qui circulent entre bactéries. Les bactéries acquièrent aussi des gènes par transfert horizontal: par conjugaison, à l'aide d'un plasmide comme le facteur F; par transduction, quand un bactériophage emporte un fragment du génome de son hôte et l'injecte à la cellule suivante; par transformation, l'absorption d'ADN libre observée par Griffith (chapitre 7). Ces voies expliquent la diffusion rapide des résistances aux antibiotiques et ont servi à cartographier les génomes bactériens.

La régulation chez les eucaryotes

La chromatine, premier niveau

L'ADN eucaryote est enroulé autour des nucléosomes, qui portent chacun 147 pb (chapitre 7), et compacté davantage dans l'hétérochromatine, peu accessible. La première question n'est donc pas «le répresseur est-il fixé?», mais «la région est-elle ouverte?». Des complexes de remodelage, qui déplacent les nucléosomes en consommant de l'ATP, et les modifications des histones (section sur l'épigénétique) règlent cet accès. En outre, chaque gène a son propre promoteur, ses ARN sont maturés avant l'export (chapitre 8), et ses séquences régulatrices sont plus nombreuses et plus lointaines.

Le promoteur minimal et les facteurs généraux

Des trois ARN polymérases eucaryotes, seule la polymérase II, qui transcrit les ARN messagers, est considérée ici. Elle ne reconnaît pas seule un promoteur: les facteurs généraux de transcription (TFIIA, B, D, E, F et H) s'assemblent avec elle sur le promoteur minimal, la courte région qui entoure le site d'initiation +1. Beaucoup de promoteurs portent une boîte TATA, environ 25 à 30 pb en amont de +1, reconnue par la sous-unité TBP de TFIID. Ce complexe suffit à une transcription faible, dite basale; tout ce qui la module vient de séquences et de protéines spécifiques.

Amplificateurs, silencieux et isolants

Un amplificateur agit de loin parce que l'ADN forme une boucle qui l'amène au contact du promoteur (figure 10.2), par l'intermédiaire d'un grand complexe, le Médiateur, qui transmet le signal des activateurs aux facteurs généraux. D'autres activateurs recrutent des enzymes qui ouvrent la chromatine.

La distance peut être considérable: l'amplificateur ZRS, qui commande le gène SHH dans le bourgeon des membres, en est éloigné d'environ un million de paires de bases, et ses mutations ponctuelles causent une polydactylie préaxiale sans toucher la protéine (Lettice et al., 2003). C'est une mutation régulatrice (chapitre 9): le gène s'exprime au mauvais endroit.

Les isolants empêchent un amplificateur d'activer tous les gènes à sa portée. Chez les vertébrés, la plupart sont liés par la protéine CTCF qui, avec la cohésine, délimite des boucles et découpe le génome en domaines topologiquement associés (TAD), à l'intérieur desquels amplificateurs et promoteurs se rencontrent. Déplacer une borne de domaine par une délétion ou une inversion (chapitre 6) peut livrer un gène à un amplificateur qui ne lui était pas destiné, et plusieurs malformations congénitales s'expliquent ainsi.

Les facteurs de transcription spécifiques

Les facteurs de transcription spécifiques qui lient amplificateurs et silencieux ont deux parties séparables: un domaine de liaison à l'ADN, qui reconnaît une séquence courte, et un domaine d'activation (ou de répression), qui recrute le Médiateur ou les enzymes de la chromatine. On les classe par leur domaine de liaison:

• hélice-tour-hélice, et sa variante l'homéodomaine des protéines Hox (voir plus bas);
• doigts de zinc, de petits modules stabilisés par un ion zinc, souvent répétés; c'est la plus grande famille chez l'humain;
• glissière à leucines (leucine zipper), qui forme des dimères par une hélice hydrophobe;
• hélice-boucle-hélice, également dimérique.

Le génome humain code environ 1600 facteurs de transcription (Lambert et al., 2018), bien moins que les situations à distinguer. La solution est combinatoire: un amplificateur porte des sites pour plusieurs facteurs et ne s'active qu'avec la bonne combinaison, et un gène peut avoir un amplificateur par tissu. Une même protéine régulatrice active ainsi un gène dans le foie et un autre dans le cerveau.

L'épigénétique

Une mémoire de l'état d'expression

Les signaux qui ont fait d'une cellule embryonnaire un hépatocyte ont disparu depuis longtemps quand ses descendantes fabriquent encore de l'albumine: quelque chose a été mémorisé et transmis à chaque division, sans changement de séquence.

Le mot sert souvent, dans un sens plus lâche, pour tout effet de l'environnement sur l'expression. Ce chapitre garde le sens strict: une marque qui disparaît dès que le signal cesse est une régulation ordinaire.

La méthylation de l'ADN

Chez les mammifères, la principale modification de l'ADN est la méthylation du carbone 5 de cytosines suivies d'une guanine, les dinucléotides CpG (le «p» est le phosphate qui les relie). Un CpG est symétrique: le brin complémentaire porte lui aussi un CpG, et les deux cytosines du site peuvent être méthylées.

Les CpG sont rares, et l'on sait pourquoi: une 5-méthylcytosine désaminée devient une thymine, que la réparation reconnaît mal comme étrangère, alors qu'une cytosine désaminée devient un uracile, aussitôt excisé (chapitre 9). Le Consortium international de séquençage du génome humain a mesuré en 2001 une fréquence des CpG d'environ un cinquième de celle qu'attend la composition en bases. Les CpG restants se groupent en îlots CpG, souvent dans les promoteurs; ceux des promoteurs actifs sont en général non méthylés, et la méthylation d'un îlot de promoteur s'accompagne d'une répression stable.

Les méthyltransférases de novo DNMT3A et DNMT3B établissent les profils pendant le développement et la formation des gamètes; la méthyltransférase de maintenance DNMT1 les recopie à chaque réplication; les enzymes TET amorcent la déméthylation active.

Justification. La réplication est semi-conservative (chapitre 7): chaque molécule fille reçoit un brin parental méthylé et un brin neuf nu. Par symétrie du CpG, le site hémiméthylé désigne la cytosine à méthyler; DNMT1, guidée par une protéine qui reconnaît ces sites, la méthyle, et un site nu sur le brin parental reste nu. Sans DNMT1, les brins méthylés se diluent comme les brins lourds de Meselson et Stahl. La copie réelle n'est pas parfaite: le théorème décrit un principe, pas un taux.

Les modifications des histones

Les queues des histones portent de nombreuses modifications, nommées par l'histone, l'acide aminé et la modification: H3K27ac est l'acétylation de la lysine 27 de l'histone H3, H3K4me3 la triméthylation de sa lysine 4.

• L'acétylation neutralise la charge positive des lysines, qui retenaient l'ADN, chargé négativement: elle relâche la chromatine et accompagne l'activité. Les histone acétyltransférases (HAT) la posent, souvent recrutées par des activateurs; les histone désacétylases (HDAC) l'ôtent, souvent recrutées par des répresseurs.
• La méthylation a des effets qui dépendent de la position. H3K4me3 marque les promoteurs actifs. H3K27me3, posée par le complexe Polycomb, marque des gènes réprimés de façon durable mais réversible, notamment les gènes du développement. H3K9me3 caractérise l'hétérochromatine constitutive, celle des centromères et des séquences répétées.

L'idée d'un «code des histones» à sens fixe est utile pour lire les données, mais ces marques sont autant des conséquences de l'activité que des causes, et leur transmission mitotique est moins établie que celle de la méthylation.

Empreinte parentale et inactivation de l'X, revisitées

Le chapitre 3 a décrit ces deux phénomènes (théorème 3.3, hypothèse de Lyon, et définition 3.8, empreinte parentale); voici leur mécanisme.

L'empreinte parentale repose sur des régions de contrôle de l'empreinte, méthylées dans les gamètes d'un seul sexe, épargnées par l'effacement de la méthylation qui suit la fécondation, puis maintenues par DNMT1. L'exemple le mieux compris est la paire IGF2–H19 en 11p15. Sur le chromosome maternel, la région n'est pas méthylée et fixe CTCF, qui forme un isolant: les amplificateurs voisins activent H19 et n'atteignent pas IGF2. Sur le chromosome paternel, la région méthylée ne fixe plus CTCF, et les amplificateurs activent IGF2, un facteur de croissance. Méthylation et isolant (figure 10.2) forment ensemble un interrupteur héréditaire, dont les anomalies causent le syndrome de Beckwith–Wiedemann (excès de croissance) et certains syndromes de Silver–Russell (retard de croissance).

En 15q11–q13, les gènes du syndrome de Prader–Willi ne s'expriment qu'à partir du chromosome paternel, et UBE3A, en cause dans le syndrome d'Angelman, ne s'exprime dans les neurones qu'à partir du chromosome maternel. Une même délétion cause l'un ou l'autre syndrome selon le parent qui l'a transmise; une disomie uniparentale ou un défaut de la région de contrôle y conduisent aussi.

L'inactivation de l'X commence par l'ARN non codant XIST, qui recouvre en cis le X dont il est transcrit, y recrute le complexe Polycomb (H3K27me3), puis la méthylation des îlots CpG. Le choix du X, aléatoire dans l'embryon précoce, est ensuite transmis à toutes les cellules filles: d'où les mosaïques des femelles hétérozygotes.

Épigénétique, médecine et identification

Cancer. Les cellules cancéreuses présentent en général une hypométhylation globale, qui déstabilise les régions répétées, et une hyperméthylation des îlots CpG de certains promoteurs, qui fait taire des gènes suppresseurs de tumeurs. Dans une partie des cancers colorectaux sporadiques, la méthylation du promoteur de MLH1 éteint un gène de la réparation des mésappariements: le phénotype rappelle le syndrome de Lynch (chapitre 9), mais sans mutation germinale, ce qui change le conseil à la famille (chapitre 14). Une méthylation est réversible: des inhibiteurs des méthyltransférases, l'azacitidine et la décitabine, sont utilisés dans certaines hémopathies malignes (cours «Pharmacologie»).

Identification. La méthylation de certains CpG, dont plusieurs du gène ELOVL2, varie régulièrement avec l'âge; des modèles statistiques en tirent une estimation de l'âge, à plusieurs années près. La science forensique les étudie pour orienter une enquête quand une trace ne correspond à aucun profil connu, et la modification de 2021 de la loi sur les profils d'ADN (RS 363) mentionne l'âge parmi les caractéristiques recherchables. Le profil STR du chapitre 15 identifie; un profil de méthylation décrit, avec une incertitude à rapporter (cours «ADN forensique»).

La régulation après la transcription

Épissage, stabilité et traduction

L'épissage alternatif (chapitre 8) tire d'un même pré-ARN plusieurs ARN messagers, selon les protéines qui, dans un tissu donné, favorisent ou empêchent l'inclusion d'un exon. La stabilité de l'ARN messager varie de quelques minutes à plusieurs heures: des éléments riches en A et U de la région 3′ non traduite (3′UTR) accélèrent sa dégradation, une longue queue poly(A) la retarde. Un ARN instable permet à la quantité de protéine de varier vite, comme celle de nombreuses cytokines.

MicroARN et interférence par ARN

En 1993, l'équipe de Victor Ambros a montré que le gène lin-4 du nématode Caenorhabditis elegans code un ARN d'environ vingt-deux nucléotides, complémentaire de sites du 3′UTR de l'ARN messager de lin-14, dont il réprime la traduction. Ces ARN se sont révélés présents chez les plantes et les animaux, et Ambros et Gary Ruvkun ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine 2024.

Le transcrit primaire est coupé dans le noyau par l'enzyme Drosha en un précurseur en épingle, exporté, dont l'enzyme Dicer ôte la boucle. Un brin du duplex est chargé sur une protéine Argonaute, formant le complexe RISC, guidé vers ses cibles par la graine. Chez les animaux, l'appariement est imparfait au-delà de la graine: le RISC freine la traduction et accélère la dégradation de l'ARN messager.

L'interférence par ARN emprunte la même machinerie. Andrew Fire et Craig Mello ont montré en 1998 qu'un ARN double brin injecté chez le nématode éteint spécifiquement le gène correspondant (prix Nobel 2006). Dicer le coupe en petits ARN interférents (siARN), qui s'apparient parfaitement à leur cible, qu'Argonaute coupe alors. C'est une défense antivirale chez les plantes et les invertébrés, une méthode d'extinction de gènes au laboratoire, et des siARN thérapeutiques ont été autorisés pour quelques maladies héréditaires où il faut réduire une protéine toxique.

Une graine de sept nucléotides est courte: dans une séquence aléatoire, un heptamère donné revient une fois toutes les $4^7=16384$ positions. Un microARN a donc des sites dans des centaines de 3′UTR et régule de nombreuses cibles, chacune modérément: c'est un réseau, pas une suite d'interrupteurs.

Le développement comme programme de régulation

Le développement est une cascade de régulations: chaque facteur exprimé à un endroit et à un moment donnés allume les gènes de l'étape suivante. Chez la drosophile, une mutation homéotique transforme une partie du corps en une autre: le mutant Antennapedia porte des pattes à la place des antennes, certains mutants du complexe bithorax une seconde paire d'ailes. Ces gènes codent des facteurs de transcription à homéodomaine, les protéines Hox, qui fixent l'identité des segments le long de l'axe antéro-postérieur.

Edward Lewis a relevé en 1978 que l'ordre des gènes du complexe bithorax sur le chromosome est celui des segments qu'ils spécifient. Cette colinéarité se retrouve chez les vertébrés, dont les gènes Hox forment quatre complexes, HOXA à HOXD, sur les chromosomes humains 7, 17, 12 et 2: les gènes d'une extrémité s'expriment vers la tête, ceux de l'autre vers la queue et l'extrémité des membres. Une mutation de HOXD13 cause la synpolydactylie. Des insectes aux mammifères, les animaux partagent ces facteurs régulateurs; leur diversité tient en grande partie à où et quand ils s'expriment.

Les réseaux de régulation génique

Des gènes qui se régulent les uns les autres

Un facteur de transcription est le produit d'un gène lui-même régulé. L'ensemble forme un réseau de régulation génique, un graphe orienté dont les arêtes disent qu'un produit active ou réprime un gène. On le comprend en y cherchant des sous-structures récurrentes.

La notion vient de l'analyse du réseau de transcription d'E. coli par l'équipe d'Uri Alon (Shen-Orr et al., 2002; Milo et al., 2002): un schéma bien plus fréquent que le hasard a sans doute été retenu pour sa fonction. Quatre motifs fixent le vocabulaire (figure 10.3).

• L'autorégulation négative (a): un facteur réprime son propre gène. Comparé à un gène simple de même niveau final, il atteint ce niveau plus vite et le maintient avec moins de fluctuations d'une cellule à l'autre.
• La boucle d'anticipation cohérente (b): X active Z directement et par Y, et Z exige les deux (porte ET). Un signal bref de X cesse avant que Y se soit accumulé: seul un signal durable allume Z. L'opéron arabinose d'E. coli en est un exemple, CAP–AMPc jouant X.
• La rétroaction négative à deux gènes (c): A active R, qui réprime A. Avec un délai dans la boucle, le système oscille. Le facteur p53 et MDM2, qui l'adresse à la dégradation et dont il active le gène, forment une telle boucle: après une lésion de l'ADN, p53 monte et descend en impulsions.
• L'interrupteur bistable (d): X et Y se répriment mutuellement. Le système a deux états stables et reste dans celui où un signal transitoire l'a mis: c'est une mémoire. Deux répressions en chaîne équivalent à une rétroaction positive, comme celle de la perméase lac.

En 2000, deux équipes ont construit dans E. coli un interrupteur bistable à deux répresseurs (Gardner, Cantor et Collins) et un oscillateur à trois répresseurs en anneau, le «répressilateur» (Elowitz et Leibler): les motifs font ce que la théorie prévoit, et la biologie de synthèse est née de ces démonstrations.

Des états stables à la différenciation

Pour raisonner sans équations, on discrétise: chaque gène est allumé (1) ou éteint (0), et une règle logique donne son état suivant d'après ses régulateurs. Un état stable se reproduit lui-même. Ce modèle booléen est une caricature, mais il montre que la structure du réseau décide de son comportement.

Synthèse

• L'opéron lactose est induit par l'allolactose, qui détache le répresseur LacI de l'opérateur (régulation négative), et activé par CAP–AMPc quand le glucose manque (régulation positive): transcription forte avec du lactose et sans glucose. L'opéron tryptophane, répressible, est éteint par son produit et réglé par atténuation.
• Les mutants $I^{-}$ (constitutif, récessif), $I^s$ (non inductible, dominant en trans) et $O^c$ (constitutif, dominant en cis) et le test cis-trans en diploïde partiel distinguent un gène qui code un produit diffusible d'un site qui n'agit que sur sa propre molécule (théorème 10.1).
• Chez les eucaryotes, la chromatine règle l'accès à l'ADN; la polymérase II a besoin des facteurs généraux; des amplificateurs lointains, reliés au promoteur par une boucle et le Médiateur, et des isolants liés par CTCF décident qui active quoi, par combinaisons de facteurs.

Exercices

Vous pouvez afficher le corrigé directement sous chaque énoncé après avoir cherché la solution.

Références

• Jacob, F. & Monod, J. (1961), «Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins», Journal of Molecular Biology 3, 318–356 — l'opéron lactose, les mutants régulateurs et l'analyse en diploïde partiel.
• Griffiths, A. J. F., Doebley, J., Peichel, C. & Wassarman, D. A., Introduction à l'analyse génétique, De Boeck (trad. de Introduction to Genetic Analysis, Macmillan) — régulation chez les bactéries et les eucaryotes, test cis-trans, épigénétique.
• Alberts, B. et al., Biologie moléculaire de la cellule, Lavoisier (trad. de Molecular Biology of the Cell, Norton) — chromatine, facteurs de transcription, amplificateurs, microARN, réseaux de régulation.
• Strachan, T. & Read, A., Human Molecular Genetics, CRC Press — méthylation de l'ADN, empreinte, régulation des gènes humains et épigénétique du cancer.
• Klug, W. S., Cummings, M. R., Spencer, C. A. & Palladino, M. A., Génétique, Pearson (trad. de Concepts of Genetics) — opérons, atténuation, régulation eucaryote et épigénétique.
• Nussbaum, R. L., McInnes, R. R. & Willard, H. F., Thompson & Thompson Génétique médicale, Elsevier Masson (trad. de Thompson & Thompson Genetics and Genomics in Medicine) — maladies de l'empreinte et syndrome d'Angelman.