L'ADN des procaryotes est organisé en un chromosome circulaire, super enroulé dans la région nucléoïde du cytoplasme cellulaire.

Les protéines nécessaires à une fonction spécifique, ou qui sont impliquées dans la même voie biochimique, sont codées ensemble dans des blocs appelés opérons. Par exemple, tous les gènes nécessaires à l'utilisation du lactose comme source d'énergie sont codés les uns à côté des autres dans l'opéron du lactose (ou lac), et transcrits en un seul ARNm.

Dans les cellules procaryotes, il existe trois types de molécules régulatrices qui peuvent affecter l'expression des opérons : les répresseurs, les activateurs et les inducteurs. Les répresseurs et les activateurs sont des protéines produites dans la cellule. Les répresseurs et les activateurs régulent tous deux l'expression des gènes en se liant à des sites d'ADN spécifiques adjacents aux gènes qu'ils contrôlent. En général, les activateurs se lient au site du promoteur, tandis que les répresseurs se lient aux régions de l'opérateur. Les répresseurs empêchent la transcription d'un gène en réponse à un stimulus externe, tandis que les activateurs augmentent la transcription d'un gène en réponse à un stimulus externe. Les inducteurs sont de petites molécules qui peuvent être produites par la cellule ou qui se trouvent dans l'environnement de la cellule. Les inducteurs activent ou répriment la transcription selon les besoins de la cellule et la disponibilité du substrat.

Le trp Operon : Un opéron représentatif

Des bactéries comme Escherichia coli ont besoin d'acides aminés pour survivre, et sont capables d'en synthétiser beaucoup. Le tryptophane est un de ces acides aminés que E. coli peut soit ingérer de l'environnement, soit synthétiser en utilisant des enzymes codées par cinq gènes. Ces cinq gènes sont situés l'un à côté de l'autre dans ce qu'on appelle l'opéron tryptophane (trp). Les gènes sont transcrits en un seul ARNm, qui est ensuite traduit pour produire les cinq enzymes. Si le tryptophane est présent dans l'environnement, alors E. coli n'a pas besoin de le synthétiser et l'opéron trp est désactivé. Cependant, lorsque la disponibilité du tryptophane est faible, l'interrupteur contrôlant l'opéron est activé, l'ARNm est transcrit, les protéines enzymatiques sont traduites et le tryptophane est synthétisé.

L'opéra tryptophane. Les cinq gènes nécessaires pour synthétiser le tryptophane chez E. coli sont situés les uns à côté des autres dans l'opéron trp. Lorsque le tryptophane est abondant, deux molécules de tryptophane se lient à la protéine répresseur au niveau de la séquence de l'opérateur. Cela empêche physiquement l'ARN polymérase de transcrire les gènes du tryptophane. Lorsque le tryptophane est absent, la protéine répresseur ne se lie pas à l'opérateur et les gènes sont transcrits.

L'opéron trp comprend trois régions importantes : la région de codage, l'opérateur trp et le promoteur trp. La région codante comprend les gènes des cinq enzymes de biosynthèse du tryptophane. Juste avant la région codante se trouve le site de départ de la transcription. La séquence du promoteur, à laquelle l'ARN polymérase se lie pour initier la transcription, se trouve avant ou "en amont" du site de départ de la transcription. Entre le promoteur et le site de départ de la transcription se trouve la région de l'opérateur.

L'opérateur trp contient le code ADN auquel la protéine répresseur trp peut se lier. Cependant, le répresseur seul ne peut pas se lier à l'opérateur. Lorsque le tryptophane est présent dans la cellule, deux molécules de tryptophane se lient au répresseur trp, ce qui modifie la forme de la protéine répresseur en une forme qui peut se lier à l'opérateur trp. La liaison du complexe tryptophane-répresseur à l'opérateur empêche physiquement l'ARN polymérase de se lier au promoteur et de transcrire les gènes en aval.

Lorsque le tryptophane n'est pas présent dans la cellule, le répresseur ne se lie pas en lui-même à l'opérateur, la polymérase peut transcrire les gènes de l'enzyme et le tryptophane est synthétisé. Comme la protéine du répresseur se lie activement à l'opérateur pour maintenir les gènes éteints, on dit que l'opéron trp est régulé négativement et que les protéines qui se lient à l'opérateur pour faire taire l'expression de la trp sont des régulateurs négatifs.

Catabolite Activator Protein (CAP) : Un activateur transcriptionnel

Tout comme l'opéron trp est régulé négativement par les molécules de tryptophane, il existe des protéines qui se lient aux séquences du promoteur et qui agissent comme des régulateurs positifs pour activer les gènes. Par exemple, lorsque le glucose est rare, la bactérie E. coli peut se tourner vers d'autres sources de sucre pour se ravitailler en carburant. Pour ce faire, il faut transcrire de nouveaux gènes pour traiter ces sucres alternatifs. Lorsque le taux de glucose baisse, l'AMP cyclique (cAMP) commence à s'accumuler dans la cellule. La molécule cAMP est une molécule de signalisation qui intervient dans le métabolisme du glucose et de l'énergie chez E. coli. L'AMP cyclique qui s'accumule se lie à la protéine activatrice de catabolite (CAP), une protéine qui se lie aux promoteurs d'opérons qui contrôlent le traitement des sucres alternatifs. Lorsque l'AMPc se lie à la CAP, le complexe se lie ensuite à la région promotrice des gènes qui sont nécessaires pour utiliser les sources de sucres alternatives. Dans ces opérons, un site de liaison à la PAC est situé en amont du site de liaison de l'ARN-polymérase dans le promoteur. La liaison à la CAP stabilise la liaison de l'ARN polymérase à la région du promoteur et augmente la transcription des gènes codant les protéines associées.

Activation transcriptionnelle par la protéine CAP. Lorsque le taux de glucose baisse, E. coli peut utiliser d'autres sucres comme carburant mais doit pour cela transcrire de nouveaux gènes. Lorsque les réserves de glucose deviennent limitées, les niveaux d'AMPc augmentent. Ce cAMP se lie à la protéine CAP, un régulateur positif qui se lie à une région promotrice en amont des gènes nécessaires à l'utilisation d'autres sources de sucres.

Le lac Operon : Un opéron inductible

Le troisième type de régulation des gènes dans les cellules procaryotes se fait par le biais d'opérons inductibles, qui possèdent des protéines qui se lient pour activer ou réprimer la transcription en fonction de l'environnement local et des besoins de la cellule. L'opéron lac est un opéron inductible typique. Comme mentionné précédemment, E. coli est capable d'utiliser d'autres sucres comme sources d'énergie lorsque les concentrations de glucose sont faibles. L'une de ces sources de sucre est le lactose. L'opéron lactique code les gènes nécessaires à l'acquisition et au traitement du lactose dans l'environnement local. Le gène Z de l'opéron lac code la bêta-galactosidase, qui décompose le lactose en glucose et en galactose.

Toutefois, pour que l'opéron lac soit activé, deux conditions doivent être remplies. Premièrement, le niveau de glucose doit être très bas ou inexistant. Deuxièmement, le lactose doit être présent. Ce n'est que lorsque le glucose est absent et que le lactose est présent que l'opéron lactique est transcrit. En l'absence de glucose, la liaison de la protéine CAP rend la transcription de l'opéron lactique plus efficace. Lorsque le lactose est présent, son métabolite, l'allolactose, se lie au répresseur lac et modifie sa forme de sorte qu'il ne peut pas se lier à l'opérateur lac pour empêcher la transcription. Cette combinaison de conditions est logique pour la cellule, car il serait énergétiquement inutile de synthétiser les enzymes pour traiter le lactose si le glucose était abondant ou si le lactose n'était pas disponible. Il convient de mentionner que l'opéron lactique est transcrit à un taux très faible même lorsque le glucose est présent et le lactose absent.

Régulation de l'opéron lactique. La transcription de l'opéron lactique est soigneusement régulée de sorte que son expression ne se produit que lorsque le glucose est limité et que le lactose est présent pour servir de source de carburant de substitution.
Chez E. coli, l'opéron trp est activé par défaut, tandis que l'opéron lac est désactivé. Pourquoi pensez-vous que c'est le cas ?

Si le glucose est présent, alors la PAC ne parvient pas à se lier à la séquence du promoteur pour activer la transcription. Si le lactose est absent, alors le répresseur se lie à l'opérateur pour empêcher la transcription. Si l'une de ces conditions est remplie, la transcription reste bloquée. Ce n'est que lorsque le glucose est absent et que le lactose est présent que l'opéron lactique est transcrit.

D'après Prokaryotic Gene Regulation