L’opéron lac – un système inductible

Le premier système de contrôle de la production d’enzymes élaboré au niveau moléculaire a décrit le contrôle des enzymes qui sont produites en réponse à la présence du sucre lactose dans la cellule d’E. coli. Ces travaux ont été réalisés par Jacob et Monod et leur ont valu le prix Nobel. Voici la voie qui conduit à la production de glucose et de galactose.

Lactose -----------------------------------> Glucose + Galactose
ß-galactosidase

Plusieurs protéines impliquées dans le métabolisme du lactose dans la cellule d’E. coli.Ce sont :

  • la ß-galactosidase – convertit le lactose en glucose et galactose
  • la ß-galactoside perméase – transporte le lactose dans la cellule
  • la ß-galactoside transacétylase – fonction inconnue

La recherche avec ce système a été grandement ajoutée par la disponibilité de mutants constitutifs. Un mutant constitutif est un mutant dans lequel le produit du gène est produit continuellement, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de contrôle sur son expression.Dans ces mutants, les protéines ci-dessus étaient produites tout le temps par rapport au type sauvage où les protéines n’apparaissaient qu’en présence de lactose.Donc dans ces mutants, la mutation doit être un gène autre que ceux responsables des gènes de structure.

Tous les gènes impliqués dans le contrôle de cette voie sont situés les uns à côté des autres sur le chromosome de E. coli. Ensemble, ils forment un opéron.Voici la structure génétique de l’opéron.

Circuit de contrôle de l’opéron lac

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
Gène de l’opéron lac Fonction du gène

I

Gène de la protéine répresseur.

P

Promoteur

O

Opérateur

lac Z

Gène de la ß-galactosidase

lac Y

Gène de la ß-galactoside perméase

lac A

Gène de la ß-galactoside transacétylase

Opéron – un ensemble de gènes structurels qui sont exprimés en tant que groupe et leur promoteur et opérateur associés

Comment fonctionne le système ? Sans lactose dans la cellule, la protéine répresseur se lie à l’opérateur et empêche la lecture de l’ARN polymérase dans les trois gènes de structure. Avec le lactose dans la cellule, le lactose se lie au répresseur. Cela provoque un changement structurel dans le répresseur et il perd son affinité pour l’opérateur. L’ARN polymérase peut alors se lier au promoteur et transcrire les gènes de structure. Dans ce système, le lactose agit comme une molécule effectrice.

Molécule effectrice – une molécule qui interagit avec le répresseur etaffecte l’affinité du répresseur pour l’opérateur

Avec les informations ci-dessus, nous pouvons maintenant prédire l’effet que divers mutants auront sur l’expression du gène de l’opéron lac.

Gène lac mutant Phénotype du mutant

I-

expression constitutive car l’opérateur n’est jamais fermé

O-.

expression constitutive parce que la protéine répresseur ne peut se lier

P-

pas d’expression de l’opéron car l’ARN polymérase ne peut se lier

lac Z-

pas de production de glucose ou de galactose à partir du lactose

lac Y-

pas d’induction car le lactose ne sera pas pris dans la cellule

Répression des catabolites de l’opéron lac

Le lactose n’est pas la source de glucides préférée de E. coli. Si du lactose et du glucose sont présents, la cellule utilisera tout le glucose avant que l’opéron lac ne soit activé. Ce type de contrôle est appelé répression du métabolisme. Pour empêcher le métabolisme du lactose, il existe un deuxième niveau de contrôle de l’expression génétique. Le promoteur de l’opéron lac possède deux sites de liaison. Le premier site est l’endroit où l’ARN polymérase se lie, le second est le site de liaison d’un complexe entre la protéine catabolite activatrice (CAP) et l’AMP cyclique (cAMP). La liaison du complexe CAP-cAMP au site promoteur est nécessaire à la transcription de l’opéron lac. La présence de ce complexe est étroitement liée à la présence de glucose dans la cellule. Lorsque la concentration de glucose augmente, la quantité d’AMPc diminue. Lorsque l’AMPc diminue, la quantité de complexe diminue. Cette diminution du complexe inactive le promoteur, et l’opéron lac est désactivé. Comme le complexe CAP-CAMP est nécessaire à la transcription, le complexe exerce un contrôle positif sur l’expression de l’opéron lac.