L' opéron lac est un groupe de gènes structuraux dont la fonction est de coder des protéines impliquées dans le métabolisme du lactose. Ce sont des gènes qui sont ordonnés consécutivement dans le génome de presque toutes les bactéries et qui ont été étudiés avec un effort particulier dans la bactérie «modèle» Escherichia coli.
L'opéron lac était le modèle utilisé par Jacob et Monod en 1961 pour proposer des arrangements génétiques sous forme d'opéron. Dans leurs travaux, ces auteurs ont décrit comment l'expression d'un ou plusieurs gènes pouvait être «activée» ou «désactivée» suite à la présence d'une molécule (le lactose, par exemple) dans le milieu de croissance.
Schéma général de l'opéron lac. Tereseik. Travail dérivé de l'image G3pro. Traduction espagnole par Alejandro Porto.
Les bactéries qui poussent dans des milieux de croissance riches en composés carbonés ou en sucres autres que le lactose, comme le glucose et le galactose, possèdent de très faibles quantités de protéines nécessaires à la métabolisation du lactose.
Ensuite, en l'absence de lactose, l'opéron est "désactivé", empêchant l'ARN polymérase de transcrire le segment de gène correspondant à l'opéron lac. Lorsque la cellule «détecte» la présence de lactose, l'opéron est activé et ces gènes sont transcrits normalement, ce que l'on appelle «activer» l'opéron.
Tous les gènes de l'opéron sont traduits en une seule molécule d'ARN messager et, par conséquent, tout facteur qui régule la transcription de cet ARN messager de l'opéron lac régulera directement la transcription de tout gène qui lui appartient.
Découverte
La théorie de Jacob et Monod s'est développée dans un contexte où l'on en savait très peu sur la structure de l'ADN. Et c'est seulement huit ans avant que Watson et Crick aient fait leur proposition sur la structure de l'ADN et de l'ARN, de sorte que les ARN messagers étaient à peine connus.
Jacob et Monod avaient déjà montré dans les années 1950 que le métabolisme bactérien du lactose était génétiquement régulé par deux conditions très spécifiques: la présence et l'absence de lactose.
Les deux scientifiques avaient observé qu'une protéine aux caractéristiques similaires à une enzyme allostérique était capable de détecter la présence de lactose dans le milieu et qu'une fois le sucre détecté, la transcription de deux enzymes était stimulée: une lactose perméase et une galactosidase.
On sait aujourd'hui que la perméase joue un rôle dans le transport du lactose dans la cellule et que la galactosidase est nécessaire pour «casser» ou «couper» la molécule de lactose en glucose et galactose, de sorte que la cellule peut profiter de ce disaccharide dans ses parties constitutives.
Dans les années 1960, il avait déjà été déterminé que la lactose perméase et la galactosidase étaient codées par deux séquences génétiques adjacentes, respectivement la région Z et la région Y.
Lac operon fait partie du génome de la bactérie Escherichia coli. Source: NIAID, via Wikimedia Commons
Enfin, en 1961, Jacob et Monod ont présenté un modèle génétique composé de cinq éléments génétiques:
- Un promoteur
- Un opérateur et
- les gènes Z, Y et A.
Tous ces segments sont traduits en un seul ARN messager et comprennent les parties essentielles pour définir pratiquement n'importe quel opéron bactérien dans la nature.
Analyse génétique et expériences
Jacob, Monod et leurs collaborateurs ont mené de nombreuses expériences avec des cellules bactériennes qui avaient des mutations qui rendaient les souches incapables de métaboliser le lactose. Ces souches ont été identifiées par le nom de la souche et la mutation correspondante qu'elles possédaient.
De cette manière, les chercheurs ont pu identifier que des mutations dans les gènes lacZ, qui code pour la β-galactosidase, et lacY, qui code pour la lactose perméase, produisaient des bactéries de type lac, c'est-à-dire des bactéries incapables de métaboliser le lactose..
A partir de la «cartographie génétique» à l'aide d'enzymes de restriction, la localisation des gènes dans les différentes souches a ensuite été déterminée, ce qui a permis d'établir que les trois gènes lacZ, lacY et lacA se retrouvent (dans cet ordre) sur le chromosome bactérien dans un groupe de gènes adjacents.
L'existence d'une autre protéine, appelée protéine répressive, qui n'est pas nécessairement considérée comme "partie" de l'opéron, a été élucidée par des mutations dans un gène appelé lacI-. Il code pour une protéine qui se lie à la région «opérateur» de l'opéron et empêche la transcription des gènes de la β-galactosidase et de la lactose permease.
On dit que cette protéine ne fait pas partie des gènes qui composent l'opéron lac, puisqu'ils sont en réalité situés «en amont» de ce dernier et sont transcrits en différents ARN messagers.
Schéma de l'opéron lac (Source: Barbarossa sur Wikipedia néerlandais via Wikimedia Commons)
Les souches bactériennes qui possèdent la mutation lacI- expriment «constitutivement» les gènes lacZ, lacY et lacA, ce qui se produit indépendamment de la présence ou de l'absence de lactose dans l'environnement extracellulaire.
Beaucoup de ces observations ont été corroborées par le transfert des gènes lacI + et lacZ + dans une cellule bactérienne qui ne produisait pas les protéines codées par ces gènes dans un milieu sans lactose.
Puisque les bactéries "transformées" de cette manière ne produisaient l'enzyme ß-galactosidase qu'en présence de lactose, l'expérience a confirmé que le gène lacI était important pour la régulation de l'expression de l'opéron lac.
Fonction
L'opéron lac régule la transcription des gènes nécessaires aux bactéries pour assimiler le lactose comme source de carbone et d'énergie. Cependant, la transcription de ces gènes n'a lieu que lorsque la principale source d'énergie correspond aux glucides de type galactoside.
Dans les cellules bactériennes, il existe des mécanismes qui régulent l'expression des gènes de l'opéron lac lorsqu'ils sont en présence de glucose ou de tout autre sucre plus facile à métaboliser.
La métabolisation de ces sucres implique leur transport vers l'intérieur de la cellule et leur décomposition ou transformation ultérieure.
Le lactose est utilisé comme source d'énergie alternative pour les bactéries, les aidant à survivre même après l'épuisement d'autres sources d'énergie dans l'environnement, comme le glucose.
Le modèle lac operon a été le premier système génétique de ce type à être élucidé et a donc servi de base à la description de nombreux autres opérons dans le génome de différents types de micro-organismes.
Avec l'étude de ce système, beaucoup de progrès ont été réalisés dans la compréhension du fonctionnement des protéines de type «répresseur» qui se lient à l'ADN. Des progrès ont également été réalisés dans la compréhension des enzymes allostériques et de la manière dont elles agissent de manière sélective lors de la reconnaissance de l'un ou l'autre substrat.
Une autre avancée importante découlant de l'étude de l'opéron lac a été l'établissement du rôle crucial que jouent les ARN messagers dans la traduction des instructions trouvées dans l'ADN et aussi comme étape préliminaire à la synthèse des protéines.
Références
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