Pour qu'une cellule fonctionne correctement, les protéines nécessaires doivent être synthétisées au bon moment et au bon endroit.

Toutes les cellules contrôlent ou régulent la synthèse des protéines à partir des informations codées dans leur ADN. Le processus qui consiste à activer un gène pour produire de l'ARN et des protéines est appelé expression génétique. Que ce soit dans un organisme unicellulaire simple ou dans un organisme multicellulaire complexe, chaque cellule contrôle quand et comment ses gènes sont exprimés. Pour que cela se produise, il doit y avoir des mécanismes chimiques internes qui contrôlent quand un gène est exprimé pour produire de l'ARN et de la protéine, quelle quantité de la protéine est fabriquée et quand il est temps d'arrêter de fabriquer cette protéine parce qu'elle n'est plus nécessaire.

La régulation de l'expression des gènes permet d'économiser de l'énergie et de l'espace. Il faudrait une quantité importante d'énergie pour qu'un organisme exprime chaque gène à tout moment, il est donc plus efficace sur le plan énergétique de n'activer les gènes que lorsqu'ils sont nécessaires. En outre, le fait de n'exprimer qu'un sous-ensemble de gènes dans chaque cellule permet d'économiser de l'espace car l'ADN doit être déroulé de sa structure étroitement enroulée pour être transcrit et traduit. Les cellules devraient être énormes si chaque protéine était exprimée dans chaque cellule en permanence.

Le contrôle de l'expression des gènes est extrêmement complexe. Les dysfonctionnements de ce processus sont préjudiciables à la cellule et peuvent entraîner le développement de nombreuses maladies, dont le cancer.

Expression du gène procaryote contre expression du gène eucaryote

Pour comprendre comment l'expression des gènes est régulée, nous devons d'abord comprendre comment un gène code pour une protéine fonctionnelle dans une cellule. Ce processus se produit à la fois dans les cellules procaryotes et eucaryotes, mais de manière légèrement différente.

Les organismes procaryotes sont des organismes unicellulaires dépourvus de noyau cellulaire, et leur ADN flotte donc librement dans le cytoplasme cellulaire. Pour synthétiser une protéine, les processus de transcription et de traduction se produisent presque simultanément. Lorsque la protéine résultante n'est plus nécessaire, la transcription s'arrête. Par conséquent, la principale méthode pour contrôler quel type de protéine et quelle quantité de chaque protéine est exprimée dans une cellule procaryote est la régulation de la transcription de l'ADN. Toutes les étapes suivantes se déroulent automatiquement. Lorsque davantage de protéines sont nécessaires, la transcription s'intensifie. Par conséquent, dans les cellules procaryotes, le contrôle de l'expression des gènes se situe principalement au niveau de la transcription.

Les cellules eucaryotes, en revanche, possèdent des organites intracellulaires qui ajoutent à leur complexité. Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est contenu dans le noyau de la cellule et y est transcrit en ARN. L'ARN nouvellement synthétisé est ensuite transporté hors du noyau dans le cytoplasme, où les ribosomes traduisent l'ARN en protéine. Les processus de transcription et de traduction sont physiquement séparés par la membrane nucléaire ; la transcription ne se fait qu'à l'intérieur du noyau, et la traduction ne se fait qu'à l'extérieur du noyau dans le cytoplasme. La régulation de l'expression des gènes peut se produire à tous les stades du processus. La régulation peut se produire lorsque l'ADN est déroulé et détaché des nucléosomes pour lier les facteurs de transcription (niveau épigénétique), lorsque l'ARN est transcrit (niveau transcriptionnel), lorsque l'ARN est traité et exporté vers le cytoplasme après sa transcription (niveau post-transcriptionnel), lorsque l'ARN est traduit en protéine (niveau translationnel) ou après la fabrication de la protéine (niveau post-traductionnel).

Réglementation en matière de procaryotes et d'eucaryotes. La transcription et la traduction procaryotes se produisent simultanément dans le cytoplasme, et la régulation se produit au niveau de la transcription. L'expression des gènes eucaryotes est régulée lors de la transcription et du traitement de l'ARN, qui ont lieu dans le noyau, et lors de la traduction des protéines, qui a lieu dans le cytoplasme. Une régulation supplémentaire peut se produire par le biais de modifications post-traductionnelles des protéines.

Les différences dans la régulation de l'expression des gènes entre les procaryotes et les eucaryotes sont résumées dans le tableau. La régulation de l'expression des gènes est examinée en détail dans les modules suivants.

Évolution de la régulation des gènes

Les cellules procaryotes ne peuvent réguler l'expression des gènes qu'en contrôlant la quantité de transcription. Au fur et à mesure de l'évolution des cellules eucaryotes, la complexité du contrôle de l'expression des gènes a augmenté. Par exemple, avec l'évolution des cellules eucaryotes est venue la compartimentation de composants cellulaires et de processus cellulaires importants. Une région nucléaire qui contient l'ADN s'est formée. La transcription et la traduction ont été physiquement séparées en deux compartiments cellulaires différents. Il est donc devenu possible de contrôler l'expression des gènes en régulant la transcription dans le noyau, mais aussi en contrôlant les niveaux d'ARN et la traduction des protéines présentes à l'extérieur du noyau.

La majeure partie de la régulation des gènes est effectuée pour conserver les ressources cellulaires. Cependant, d'autres processus de régulation peuvent être défensifs. Les processus cellulaires tels que ceux développés pour protéger la cellule contre les infections virales ou parasitaires. Si la cellule pouvait rapidement interrompre l'expression d'un gène pendant une courte période, elle serait capable de survivre à une infection alors que d'autres organismes ne le pourraient pas. Par conséquent, l'organisme a développé un nouveau processus qui l'a aidé à survivre, et il a pu transmettre ce nouveau développement à sa progéniture.

D'après Regulation of Gene Expression