OPÉRON: DÉCOUVERTE, MODÈLE, CLASSIFICATION, EXEMPLES - LA BIOLOGIE - 2025

Un opéron consiste en un groupe de gènes ordonnés séquentiellement qui se régulent les uns les autres, qui codent pour des protéines fonctionnellement liées et qui se trouvent dans tout le génome des bactéries et des génomes «ancestraux».

Ce mécanisme de régulation a été décrit par F. Jacob et J. Monod en 1961, ce qui leur a valu le prix Nobel de physiologie et médecine en 1965. Ces chercheurs ont proposé et démontré le fonctionnement des opérons à travers les gènes qui codent pour le enzymes nécessaires à Escherichia coli pour l'utilisation du lactose.

Diagramme graphique d'un brin d'ADN avec les gènes qui composent l'opéron lactose (Promoteur, Opérateur, lacZ, lacY, lacA et terminateur) (Source: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Les opérons sont chargés de coordonner la synthèse des protéines en fonction des besoins de chaque cellule, c'est-à-dire qu'ils ne sont exprimés que pour générer des protéines au moment et à l'endroit exact où ils sont nécessaires.

Les gènes contenus dans les opérons sont généralement des gènes structurels, ce qui signifie qu'ils codent pour des enzymes importantes qui sont directement impliquées dans les voies métaboliques au sein de la cellule. Ceux-ci peuvent être la synthèse d'acides aminés, d'énergie sous forme d'ATP, de glucides, etc.

Les opérons sont également couramment trouvés dans les organismes eucaryotes, cependant, contrairement aux organismes procaryotes, chez les eucaryotes, la région de l'opéron n'est pas transcrite comme une seule molécule d'ARN messager.

Découverte

La première avancée importante concernant les opérons de François Jacob et Jacques Monod a été de s'attaquer au problème de «l'adaptation enzymatique», qui consistait en l'apparition d'une enzyme spécifique uniquement lorsque la cellule était en présence d'un substrat.

Une telle réponse des cellules aux substrats était observée chez les bactéries depuis de nombreuses années. Cependant, les chercheurs se sont demandé comment la cellule déterminait exactement quelle enzyme elle devait synthétiser pour métaboliser ce substrat.

Jacob et Monod ont observé que les cellules bactériennes, en présence de glucides de type galactose, produisaient 100 fois plus de β-galactosidase que dans des conditions normales. Cette enzyme est responsable de la dégradation des β-galactosides afin que la cellule les utilise métaboliquement.

Par conséquent, les deux chercheurs ont appelé les glucides de type galactoside comme «inducteurs», car ils étaient responsables de l'induction d'une augmentation de la synthèse de la β-galactosidase.

De même, Jacob et Monod ont trouvé une région génétique avec trois gènes contrôlés de manière coordonnée: le gène Z, codant pour l'enzyme β-galactosidase; le gène Y, codant pour l'enzyme lactose permease (transport de galactosides); et le gène A, qui code pour l'enzyme transacétylase, qui est également essentielle pour l'assimilation des galactosides.

Grâce à des analyses génétiques ultérieures, Jacob et Monod ont clarifié tous les aspects du contrôle génétique de l'opéron lactose, concluant que le segment des gènes Z, Y et A constitue une seule unité génétique avec une expression coordonnée, ce qu'ils ont défini comme «opéron».

Modèle d'opéron

Le modèle d'opéron a été décrit avec précision pour la première fois en 1965 par Jacob et Monod pour expliquer la régulation des gènes qui sont transcrits et traduits pour les enzymes nécessaires à Escherichia coli afin de métaboliser le lactose comme source d'énergie..

Ces chercheurs ont proposé que les transcrits du gène ou de l'ensemble des gènes localisés consécutivement soient régulés par deux éléments: 1) un gène régulateur ou gène répresseur 2) et un gène opérateur ou séquence opérateur.

Le gène opérateur est toujours situé à côté du ou des gènes de structure dont il est chargé de réguler l'expression, tandis que le gène répresseur code pour une protéine appelée «répresseur» qui se lie à l'opérateur et empêche sa transcription.

La transcription est réprimée lorsque le répresseur est lié au gène opérateur. De cette manière, l'expression génétique des gènes codant pour les enzymes nécessaires à l'assimilation du lactose n'est pas exprimée et ne peut donc pas métaboliser ledit disaccharide.

Schéma fonctionnel de l'opéron lactose à travers ses différents éléments de contrôle. Il s'agit de l'opéron «modèle» utilisé par les professeurs de biologie pour enseigner le fonctionnement de ces gènes (Source: Tereseik. Travail dérivé de l'image G3pro. Traduction espagnole par Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

Actuellement, on sait que la liaison du répresseur à l'opérateur empêche, avec des mécanismes stériques, que l'ARN polymérase se lie au site promoteur de sorte qu'elle commence à transcrire les gènes.

Le site promoteur est le «site» que l'ARN polymérase reconnaît pour se lier et transcrire des gènes. Comme il ne peut pas se lier, il ne peut transcrire aucun des gènes de la séquence.

Le gène opérateur se situe entre une région génétique de la séquence connue sous le nom de promoteur et les gènes de structure. Cependant, Jacob et Monod n'ont pas identifié cette région à leur époque.

On sait maintenant que la séquence complète qui comprend le ou les gènes de structure, l'opérateur et le promoteur, est par essence ce qui constitue un "opéron".

Classification des opérons

Les opérons sont classés en seulement trois catégories différentes qui dépendent de la façon dont ils sont régulés, c'est-à-dire que certains sont exprimés en continu (constitutifs), d'autres nécessitent une molécule ou un facteur spécifique pour être activés (inductibles) et d'autres sont exprimés en continu jusqu'à que l'inducteur est exprimé (répressible).

Les trois types d'opérons sont:

Opéron inductible

Les opérons de ce type sont régulés par des molécules de l'environnement telles que les acides aminés, les sucres, les métabolites, etc. Ces molécules sont appelées inducteurs. Si la molécule qui agit comme un inducteur n'est pas trouvée, les gènes de l'opéron ne sont pas activement transcrits.

Dans les opérons inductibles, le répresseur libre se lie à l'opérateur et empêche la transcription des gènes trouvés dans l'opéron. Lorsque l'inducteur se lie au répresseur, un complexe est formé qui ne peut pas se lier au répresseur et ainsi les gènes de l'opéron sont traduits.

Opéron répressible

Ces opérons dépendent de molécules spécifiques: acides aminés, sucres, cofacteurs ou facteurs de transcription, entre autres. Ceux-ci sont connus sous le nom de corepressors et agissent de manière totalement opposée aux inducteurs.

Ce n'est que lorsque le corépresseur se lie au répresseur que la transcription s'arrête et ainsi la transcription des gènes contenus dans l'opéron ne se produit pas. Ensuite, la transcription d'un opéron répressible ne s'arrête qu'avec la présence du corépresseur.

Opéron constitutif

Ces types d'opérons ne sont pas réglementés. Ils sont constamment transcrits activement et, en cas de mutation affectant la séquence de ces gènes, la vie des cellules qui les contiennent peut être affectée et, en général, déclencher une mort cellulaire programmée.

Exemples

L'exemple le plus ancien et le plus largement reconnu de la fonction d'un opéron est l'opéron lac (lactose). Ce système est responsable de la transformation du lactose, un disaccharide, en monosaccharides glucose et galactose. Trois enzymes agissent dans ce processus:

- la β-galactosidase, responsable de la conversion du lactose en glucose et galactose.

- Lactose perméase, responsable du transport du lactose du milieu extracellulaire vers l'intérieur de la cellule et

- Transcétylase, qui appartient au système, mais a une fonction inconnue

L'opéron trp (tryptophane) d'Escherichia coli contrôle la synthèse du tryptophane, ayant l'acide chorismique comme précurseur. Dans cet opéron se trouvent les gènes de cinq protéines qui sont utilisées pour la production de trois enzymes:

- La première enzyme, codée par les gènes E et D, catalyse les deux premières réactions de la voie du tryptophane et est connue sous le nom d'anthranilate synthétase

- La deuxième enzyme est le glycérolphosphate et catalyse les étapes suivantes en anthranilate synthétase

- La troisième et dernière enzyme est la tryptophane synthétase, responsable de la production de tryptophane à partir du phosphate d'indole-glycérol et de la sérine (cette enzyme est un produit des gènes B et A)

Références

1. Blumenthal, T. (2004). Opérons chez les eucaryotes. Briefings in Functional Genomics, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD et Santana Calderón, A. (2000). Principes de la génétique. Principes de la génétique.
3. Osbourn, AE et Field, B. (2009). Opérons. Sciences de la vie cellulaire et moléculaire, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K. et Beckwith, J. (1969). Isolement de l'ADN de l'opéron lac pur. Nature, 224 (5221), 768-774.
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