Opéron

En génétique , un opéron est une unité fonctionnelle d' ADN contenant un groupe de gènes sous le contrôle d'un promoteur unique . Les gènes sont transcrits ensemble en un brin d'ARNm et soit traduits ensemble dans le cytoplasme, soit soumis à un épissage pour créer des ARNm monocistroniques qui sont traduits séparément, c'est-à-dire plusieurs brins d'ARNm qui codent chacun un seul produit génique. Le résultat est que les gènes contenus dans l'opéron sont exprimés ensemble ou pas du tout. Plusieurs gènes doivent être co-transcrits pour définir un opéron.

À l'origine, on pensait que les opérons n'existaient que chez les procaryotes (qui incluent des organites comme les plastes dérivés de bactéries ), mais leur découverte chez les eucaryotes a été démontrée au début des années 1990 et est considérée comme rare. En général, l'expression des opérons procaryotes conduit à la génération d' ARNm polycistroniques , tandis que les opérons eucaryotes conduisent à des ARNm monocistroniques.

Les opérons sont également présents dans les virus tels que les bactériophages . Par exemple, les phages T7 ont deux opérons. Le premier opéron code pour divers produits, notamment une ARN polymérase T7 spéciale qui peut se lier au deuxième opéron et le transcrire. Le deuxième opéron comprend un gène de lyse destiné à provoquer l'éclatement de la cellule hôte.

Le terme « opéron » a été proposé pour la première fois dans un court article publié dans les Actes de l' Académie des sciences française en 1960. À partir de cet article, la théorie dite générale de l'opéron a été développée. Cette théorie suggérait que dans tous les cas, les gènes d'un opéron sont contrôlés négativement par un répresseur agissant sur un seul opérateur situé avant le premier gène. Plus tard, on a découvert que les gènes pouvaient être régulés positivement et également régulés aux étapes qui suivent l'initiation de la transcription. Par conséquent, il n'est pas possible de parler d'un mécanisme de régulation général, car les différents opérons ont des mécanismes différents. Aujourd'hui, l'opéron est simplement défini comme un groupe de gènes transcrits en une seule molécule d'ARNm. Néanmoins, le développement du concept est considéré comme un événement marquant dans l'histoire de la biologie moléculaire. Le premier opéron à être décrit était l' opéron lac chez E. coli . Le prix Nobel de physiologie et médecine 1965 a été attribué à François Jacob , André Michel Lwoff et Jacques Monod pour leurs découvertes concernant l'opéron et la synthèse des virus.

Les opérons se produisent principalement chez les procaryotes mais aussi rarement chez certains eucaryotes , notamment les nématodes tels que C. elegans et la mouche à fruits, Drosophila melanogaster . d'ARNr existent souvent dans des opérons qui ont été trouvés chez une gamme d'eucaryotes, y compris les chordés . Un opéron est composé de plusieurs gènes de structure disposés sous un promoteur commun et régulés par un opérateur commun. Il est défini comme un ensemble de gènes de structure adjacents, plus les signaux régulateurs adjacents qui affectent la transcription des gènes de structure. ⁵ Les régulateurs d'un opéron donné, y compris les répresseurs , les corépresseurs et les activateurs , ne sont pas nécessairement codés par cet opéron. L'emplacement et l'état des régulateurs, du promoteur, de l'opérateur et des séquences d'ADN structurel peuvent déterminer les effets des mutations courantes.

Les opérons sont apparentés aux régulons , aux stimulons et aux modulons ; alors que les opérons contiennent un ensemble de gènes régulés par le même opérateur, les régulons contiennent un ensemble de gènes sous la régulation d'une seule protéine régulatrice, et les stimulons contiennent un ensemble de gènes sous la régulation d'un seul stimulus cellulaire. Selon ses auteurs, le terme « opéron » dérive du verbe « opérer ».

Un opéron contient un ou plusieurs gènes de structure qui sont généralement transcrits en un ARNm polycistronique (une seule molécule d'ARNm qui code pour plusieurs protéines ). Cependant, la définition d'un opéron ne nécessite pas que l'ARNm soit polycistronique, même si dans la pratique, il l'est généralement. En amont des gènes de structure se trouve une séquence promotrice qui fournit un site à l'ARN polymérase pour se lier et initier la transcription. Près du promoteur se trouve une section d'ADN appelée opérateur .

Tous les gènes structurels d'un opéron sont activés ou désactivés ensemble, en raison d'un promoteur et d'un opérateur uniques en amont, mais parfois un plus grand contrôle sur l'expression des gènes est nécessaire. Pour y parvenir, certains gènes bactériens sont situés à proximité les uns des autres, mais il existe un promoteur spécifique pour chacun d'eux ; c'est ce qu'on appelle le regroupement de gènes . Habituellement, ces gènes codent des protéines qui fonctionneront ensemble dans la même voie, comme une voie métabolique. Le regroupement de gènes aide une cellule procaryote à produire des enzymes métaboliques dans un ordre correct. Dans une étude, il a été postulé que dans les Asgard (archées) , les gènes codant pour les protéines ribosomiques se trouvent dans des groupes dont l'organisation est moins conservée que dans d'autres Archées ; plus une Asgard (archée) est proche des eucaryotes , plus l'agencement des gènes codant pour les protéines ribosomiques est dispersé.

Un opéron est constitué de 3 composants ADN de base :

• Promoteur – séquence nucléotidique qui permet la transcription d’un gène . Le promoteur est reconnu par l’ARN polymérase , qui lance alors la transcription. Dans la synthèse de l’ARN, les promoteurs indiquent quels gènes doivent être utilisés pour la création de l’ARN messager – et, par extension, contrôlent les protéines produites par la cellule.
• Opérateur – un segment d' ADN auquel se lie un répresseur . Il est classiquement défini dans l' opéron lac comme un segment entre le promoteur et les gènes de l'opéron. L'opérateur principal (O1) dans l' opéron lac est situé légèrement en aval du promoteur ; deux opérateurs supplémentaires, O2 et O3 sont situés respectivement à -82 et +412. Dans le cas d'un répresseur, la protéine répressive empêche physiquement l'ARN polymérase de transcrire les gènes.
• Gènes structurels – les gènes qui sont co-régulés par l’opéron.

Un gène régulateur n'est pas toujours inclus dans l'opéron, mais il joue un rôle important dans sa fonction. Il s'agit d' un gène constamment exprimé qui code pour des protéines répressives . Le gène régulateur n'a pas besoin d'être dans l'opéron, à côté de celui-ci ou même à proximité de celui-ci pour le contrôler.

Un inducteur (petite molécule) peut déplacer un répresseur (protéine) du site opérateur (ADN), ce qui donne un opéron non inhibé.

Alternativement, un corépresseur peut se lier au répresseur pour permettre sa liaison au site opérateur. Un bon exemple de ce type de régulation est observé pour l' opéron trp .

Le contrôle d'un opéron est un type de régulation génétique qui permet aux organismes de réguler l'expression de divers gènes en fonction des conditions environnementales. La régulation de l'opéron peut être négative ou positive par induction ou répression.

Le contrôle négatif implique la liaison d'un répresseur à l'opérateur pour empêcher la transcription.

• Dans les opérons inductibles négativement , une protéine répressive régulatrice est normalement liée à l'opérateur, ce qui empêche la transcription des gènes de l'opéron. Si une molécule inductrice est présente, elle se lie au répresseur et change de conformation de sorte qu'elle est incapable de se lier à l'opérateur. Cela permet l'expression de l'opéron. L' opéron lac est un opéron inductible contrôlé négativement, où la molécule inductrice est l'allolactose .
• Dans les opérons répressibles négatifs , la transcription de l'opéron a lieu normalement. Les protéines répressives sont produites par un gène régulateur , mais elles sont incapables de se lier à l'opérateur dans leur conformation normale. Cependant, certaines molécules appelées corépresseurs sont liées à la protéine répressive, provoquant un changement de conformation du site actif. La protéine répressive activée se lie à l'opérateur et empêche la transcription. L' opéron trp , impliqué dans la synthèse du tryptophane (qui agit lui-même comme corépresseur), est un opéron répressible contrôlé négativement.

Les opérones peuvent également être contrôlés positivement. Dans le cas d'un contrôle positif, une protéine activatrice stimule la transcription en se liant à l'ADN (généralement sur un site autre que l'opérateur).

• Dans les opérons inductibles positifs , les protéines activatrices sont normalement incapables de se lier à l'ADN concerné. Lorsqu'un inducteur est lié par la protéine activatrice, il subit un changement de conformation de sorte qu'il peut se lier à l'ADN et activer la transcription. Parmi les exemples d'opérons inductibles positifs, on peut citer la famille MerR d'activateurs transcriptionnels.
• Dans les opérons répressibles positifs , les protéines activatrices sont normalement liées au segment d'ADN concerné. Cependant, lorsqu'un inhibiteur est lié à l'activateur, il est empêché de se lier à l'ADN. Cela arrête l'activation et la transcription du système.

L' opéron lac de la bactérie modèle Escherichia coli a été le premier opéron à être découvert et fournit un exemple typique de la fonction d'un opéron. Il se compose de trois gènes de structure adjacents , d'un promoteur , d'un terminateur et d'un opérateur . L' opéron lac est régulé par plusieurs facteurs, notamment la disponibilité du glucose et du lactose . Il peut être activé par l'allolactose . Le lactose se lie à la protéine répressive et l'empêche de réprimer la transcription du gène. Il s'agit d'un exemple du modèle dérépressible (vu du dessus : inductible négativement). Il s'agit donc d'un opéron inductible négativement induit par la présence de lactose ou d'allolactose.

Découvert en 1953 par Jacques Monod et ses collègues, l'opéron trp chez E. coli a été le premier opéron répressible à être découvert. Alors que l'opéron lac peut être activé par une substance chimique ( l'allolactose ), l'opéron tryptophane (Trp) est inhibé par une substance chimique (le tryptophane). Cet opéron contient cinq gènes de structure : trp E, trp D, trp C, trp B et trp A, qui code pour la tryptophane synthétase . Il contient également un promoteur qui se lie à l'ARN polymérase et un opérateur qui bloque la transcription lorsqu'il est lié à la protéine synthétisée par le gène répresseur (trp R) qui se lie à l'opérateur. Dans l'opéron lac, le lactose se lie à la protéine répressive et l'empêche de réprimer la transcription du gène, tandis que dans l'opéron trp, le tryptophane se lie à la protéine répressive et lui permet de réprimer la transcription du gène. Contrairement à l'opéron lac, l'opéron trp contient un peptide leader et une séquence atténuatrice qui permet une régulation graduelle. Il s'agit d'un exemple du modèle corépressible .

Le nombre et l'organisation des opérones ont été étudiés de manière très critique chez E. coli . Par conséquent, des prédictions peuvent être faites sur la base de la séquence génomique d'un organisme.

Une méthode de prédiction utilise la distance intergénique entre les cadres de lecture comme prédicteur principal du nombre d'opérons dans le génome. La séparation ne fait que modifier le cadre et garantit que la lecture est efficace. Il existe des segments plus longs où les opérons commencent et s'arrêtent, souvent jusqu'à 40-50 bases.

Une méthode alternative pour prédire les opérones est basée sur la recherche de groupes de gènes où l'ordre et l'orientation des gènes sont conservés dans deux ou plusieurs génomes.

La prédiction des opérons est encore plus précise si l'on prend en compte la classe fonctionnelle des molécules. Les bactéries ont regroupé leurs cadres de lecture en unités, séquestrées par co-implication dans des complexes protéiques, des voies communes ou des substrats et transporteurs partagés. Ainsi, une prédiction précise impliquerait toutes ces données, une tâche en effet difficile.

Le laboratoire de Pascale Cossart a été le premier à identifier expérimentalement tous les opérons d'un micro-organisme, Listeria monocytogenes . Les 517 opérons polycistroniques sont répertoriés dans une étude de 2009 décrivant les changements globaux de transcription qui se produisent chez L. monocytogenes dans différentes conditions.