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title: "Le contrôle de l’expression génétique"
book: "Biologie universitaire — 1re année"
subject: biology
language: fr
chapter: 20
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/20-le-controle-de-lexpression-genetique
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# Chapitre 20 — Le contrôle de l’expression génétique

Une bactérie qui pousse sur glucose porte cinq molécules de l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) qui digère le lactose ; donnez-lui du lactose et, en quelques minutes, elle en porte cinq mille. Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatique et un [neurone](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-nervous) portent les mêmes vingt mille [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) et fabriquent des jeux de [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) presque entièrement différents, et jamais l’un ne fabriquera ceux de l’autre. Rien dans le [Chapitre 19](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#ch-b1-gene-expression) n’explique cela : la machinerie de l’expression est la même pour tous les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene). Ce qui diffère, c’est qu’un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) soit lu ou non, à quelle fréquence et pendant combien de temps — décisions prises au promoteur par des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) qui se lient à l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain), et après lui par le sort du messager et de la [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide). Ce chapitre décrit comment les bactéries allument et éteignent leurs [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) selon leur nourriture, comment les eucaryotes commandent les leurs par la chromatine, des [amplificateurs](#def-b1-expression-control-enhancer) lointains et des combinaisons de facteurs, et comment le même contrôle, appliqué à des [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) différents dans des [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) différentes, fait un corps à partir d’un seul [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome).

## 20.1 Pourquoi et où les gènes sont commandés

**Proposition 20.1 (L’expression est régulée, à tous les niveaux).**

Certains [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) sont *constitutifs* — exprimés toujours, à un niveau constant, parce que leurs produits sont toujours nécessaires (les [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) du [ribosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome), les [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) de la [glycolyse](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/15-respiration-cellulaire-et-fermentation#def-b1-respiration-fermentation-glycolysis)). La plupart sont *régulés* : exprimés seulement dans certaines conditions, dans certaines [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell), à certains moments. Le contrôle agit à chaque étape du flux — surtout au démarrage de la transcription, l’endroit le moins coûteux pour décider, mais aussi à la maturation, à l’exportation, à la stabilité et à la traduction du messager, et à la modification et à la dégradation de la [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) — et les temps de réponse vont de la seconde (une [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) modifiée) à la minute (un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) bactérien allumé) et au jour (un état de la chromatine changé).

**Exemple 20.2 (Ne fabriquer les enzymes qu’en cas de besoin).**

La $\beta$-galactosidase, qui scinde le lactose, est un tétramère de quatre chaînes de $1024\,$ résidus : cinq mille copies font $3\,\%$ des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) d’une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) et coûtent $8 \times 10^{7}\,$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) par génération. Une bactérie qui les fabriquerait sans lactose à digérer croîtrait environ un pour cent moins vite qu’une concurrente qui ne le ferait pas, et en quelques centaines de générations serait submergée. La régulation est sélectionnée parce que l’expression coûte cher.

## 20.2 L’opéron lactose

**Définition 20.3 (Opéron, répresseur, opérateur).**

Un *opéron* est un groupe de [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) bactériens transcrits ensemble à partir d’un seul promoteur en un seul messager, et donc commandés ensemble. L’*opéron lactose* d’*E. coli* comprend trois [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) pour l’usage du lactose — *lacZ* ($\beta$-galactosidase), *lacY* (la perméase du lactose, qui l’importe) et *lacA* — derrière un promoteur et un *opérateur*, courte séquence qui chevauche le promoteur. Un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) à part, *lacI*, fabrique le *répresseur lac*, [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) qui se lie à l’opérateur et bloque la polymérase. Le lactose, converti dans la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en allolactose, est l’*inducteur* : il se lie au répresseur, en change la forme, et lui fait lâcher l’opérateur. L’opéron est donc éteint sauf en présence de lactose — un *contrôle négatif* levé par *induction*.

![L’opéron lactose. Sans lactose, le répresseur occupe l’opérateur et la polymérase ne peut pas démarrer ; avec du lactose, l’inducteur détache le répresseur et les trois gènes sont transcrits en un seul messager.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-c94ee2359afa.svg)

*L’[opéron lactose](#def-b1-expression-control-operon). Sans lactose, le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) occupe l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon) et la polymérase ne peut pas démarrer ; avec du lactose, l’inducteur détache le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) et les trois [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) sont transcrits en un seul messager.*

**Proposition 20.4 (Le modèle de l’opéron).**

Les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) lac sont commandés par un [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) diffusible agissant sur un site voisin des [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) : le contrôle est négatif, le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) agit en *trans* (depuis n’importe où dans la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell)), et l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon) agit en *cis* (seulement sur les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) qui le jouxtent).

**Faits expérimentaux.** Jacob et Monod (1959–1961) raisonnèrent à partir de mutants. Des souches mutées dans *lacI* ($I^-$) faisaient l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) avec ou sans lactose (de façon *constitutive*) ; un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) *lacI* normal introduit sur une seconde copie de la région rétablissait la régulation : le produit du [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) est donc un [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) diffusible dont un mutant est privé. Des souches mutées dans l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon) ($O^c$) étaient elles aussi constitutives, mais un second [opérateur](#def-b1-expression-control-operon) normal sur une autre copie ne rétablissait pas la régulation — l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon) ne commande que les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) qui lui sont physiquement attachés : c’est donc un site, non un produit. Une troisième classe ($I^s$) ne pouvait pas être induite du tout, et était dominante : un [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) qui ne fixe plus l’inducteur. Dans l’expérience PaJaMo (1959), un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) *lacI* normal transféré par conjugaison dans une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) $I^-$ éteignit la synthèse de l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) en quelques minutes : le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) agit vite, et sur la transcription — on montra plus tard que le messager a une demi-vie de quelques minutes. ∎

**Définition 20.5 (Contrôle positif : CAP et AMPc).**

Le promoteur lac est faible : même sans [répresseur](#def-b1-expression-control-operon), la polymérase ne démarre que rarement à moins qu’une seconde [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide), la *CAP* ([protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) activatrice par les catabolites), ne soit fixée juste en amont de lui, où elle courbe l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) et maintient la polymérase en place. La CAP ne se lie à l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) que si elle porte de l’*AMP cyclique*, dont le taux dans la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) baisse quand le glucose abonde. L’[opéron](#def-b1-expression-control-operon) n’est donc pleinement allumé que si le lactose est présent *et* le glucose absent : deux signaux, l’un négatif, l’autre positif, sont intégrés à un seul promoteur. Avec les deux sucres, *E. coli* mange d’abord le glucose, marque une pause pendant que l’AMPc monte et que les [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) lac sont fabriquées, puis mange le lactose — c’est la courbe de croissance à deux phases appelée *diauxie*, que Monod décrivit en 1941 et qui le mit sur la route de l’[opéron](#def-b1-expression-control-operon).

![Croissance diauxique d’E. coli sur glucose plus lactose. La culture croît sur le glucose seul, s’arrête quand il est épuisé, et repart sur le lactose après la demi-heure qu’il faut pour induire l’opéron lactose.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-775bb5697d13.svg)

*Croissance diauxique d’*E. coli* sur glucose plus lactose. La culture croît sur le glucose seul, s’arrête quand il est épuisé, et repart sur le lactose après la demi-heure qu’il faut pour induire l’[opéron lactose](#def-b1-expression-control-operon).*

![L’opéron lactose rendu visible : des colonies sur une boîte contenant du X-gal, substrat incolore que la -galactosidase fait virer au bleu. Les colonies bleues expriment lacZ ; les blanches portent un gène cassé — le rapporteur employé dans mille expériences.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/img-27d15b010166.jpg)

*L’[opéron lactose](#def-b1-expression-control-operon) rendu visible : des colonies sur une boîte contenant du X-gal, substrat incolore que la $\beta$-galactosidase fait virer au bleu. Les colonies bleues expriment *lacZ* ; les blanches portent un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) cassé — le rapporteur employé dans mille expériences.*

**Méthode 20.6 (Prédire un phénotype lac).**

1. Écrire le génotype de chaque copie de la région : $I$ , $P$ , $O$ , $Z$ ( $^+$ normal, $^-$ inactif, $O^c$ [opérateur](#def-b1-expression-control-operon) constitutif, $I^s$ [super-répresseur](#def-b1-expression-control-operon) ).
2. Le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) agit en trans : un seul $I^+$ où qu’il soit réprime tout [opérateur](#def-b1-expression-control-operon) normal ; $I^s$ réprime quel que soit l’inducteur.
3. L’ [opérateur](#def-b1-expression-control-operon) et le promoteur agissent en cis : un $O^c$ ne libère que le $Z$ de son propre [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) ; un $P^-$ n’éteint que ses propres [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) .
4. Se demander, avec et sans inducteur, si chaque [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) $Z^+$ est transcrit ; le phénotype est inductible, constitutif ou non inductible selon le cas. Ajouter ensuite du glucose : sans le couple AMPc–CAP, la transcription est faible quoi que fasse le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) .

**Exemple 20.7 (Deux diploïdes partiels).**

$I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : la copie $I^+$ fabrique un [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) qui se lie à l’$O^+$ voisin de $Z^+$ ; inductible — la mutation est complémentée. $I^+\,O^c\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : le seul $Z$ en état de marche se trouve derrière un [opérateur](#def-b1-expression-control-operon) que le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) ne peut pas lier ; constitutif — l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon) normal de l’autre copie ne peut rien, puisqu’il ne commande que le $Z$ cassé.

## 20.3 Autres stratégies bactériennes

**Proposition 20.8 (Répression, atténuation et facteurs sigma).**

Les [opérons](#def-b1-expression-control-operon) de biosynthèse sont commandés en sens inverse : l’*[opéron tryptophane](#prop-b1-expression-control-trp)*, cinq [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) pour fabriquer le tryptophane, est transcrit sauf en présence de tryptophane — l’[acide aminé](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-aminoacid) se lie au [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) trp et lui *permet* de se lier à l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon) (c’est un corépresseur). Un second contrôle, plus fin, l’*atténuation*, exploite le couplage de la transcription et de la traduction chez les bactéries : le début du messager code un court peptide portant deux tryptophanes à la suite ; si l’ARNt chargé en tryptophane abonde, un [ribosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome) le traduit vite et l’[ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) qui suit se replie en épingle terminatrice qui arrête la polymérase avant les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) ; si le tryptophane est rare, le [ribosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome) cale sur les [codons](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-code) du tryptophane et l’[ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) se replie autrement, ce qui laisse la transcription continuer. Les bactéries commutent aussi des jeux entiers de [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) en changeant la sous-unité $\sigma$ de leur polymérase : un $\sigma$ de choc thermique la dirige vers les promoteurs des [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) de [chaperons](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#prop-b1-proteins-denaturation) ; un $\sigma$ de sporulation vers ceux de la formation des spores.

## 20.4 Le contrôle chez les eucaryotes

**Définition 20.9 (Facteurs de transcription, amplificateurs).**

Chez les eucaryotes, la polymérase ne démarre jamais seule : les facteurs généraux du promoteur ([Chapitre 19](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#ch-b1-gene-expression)) la recrutent, et le débit est fixé par des *facteurs de transcription* liés à des *séquences régulatrices* — certaines près du promoteur, beaucoup dans des *amplificateurs* qui peuvent se trouver à des milliers de [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix), en amont, en aval ou dans un [intron](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene), dans l’une ou l’autre orientation, et qui agissent en faisant *boucler* l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) pour que les facteurs qui y sont liés touchent le complexe du promoteur par l’intermédiaire de [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) médiatrices. Un facteur de transcription est modulaire : un *domaine de liaison à l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain)* qui reconnaît une courte séquence (familles hélice-tour-hélice, doigt de zinc, glissière à leucines) et un domaine d’*activation* ou de *répression* qui recrute ou bloque la machinerie. Un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) est lu quand la bonne *combinaison* de facteurs est présente : quelques centaines de facteurs, en combinaisons, commandent vingt mille [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene).

![L’action d’un amplificateur. Les activateurs liés à un amplificateur lointain sont amenés au promoteur par le bouclage de l’ADN, et un complexe médiateur relaie leur signal à la polymérase.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-8719e0964180.svg)

*L’action d’un [amplificateur](#def-b1-expression-control-enhancer). Les activateurs liés à un [amplificateur](#def-b1-expression-control-enhancer) lointain sont amenés au promoteur par le bouclage de l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain), et un complexe médiateur relaie leur signal à la polymérase.*

**Proposition 20.10 (La chromatine fait partie du contrôle).**

Un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) emballé dans des [nucléosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-nucleosome) tassés en hétérochromatine ne peut pas être lu : les facteurs ne l’atteignent pas. Les activateurs recrutent des [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) qui *acétylent* les [histones](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-nucleosome), ce qui desserre leur prise sur l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) et marque la région comme ouverte ; les [répresseurs](#def-b1-expression-control-operon) recrutent des [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) qui retirent les groupes acétyle et ajoutent des marques qui compactent la chromatine. Des groupes méthyle ajoutés aux cytosines d’un promoteur l’éteignent durablement, et les marques sont copiées à la réplication, de sorte que la configuration des [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) ouverts et fermés d’une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) est héritée par ses filles — la mémoire par laquelle les filles d’une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatique restent des [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatiques (le volume de troisième année traite en profondeur ces mécanismes *épigénétiques*).

**Faits expérimentaux.** Dans les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) polytènes géants des larves de drosophile (mille copies de chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) côte à côte, striées), les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) en cours de transcription apparaissent en *puffs* là où la chromatine s’est déployée ; l’ecdysone, l’hormone qui déclenche la mue, fait apparaître un jeu précis de puffs en quelques minutes et d’autres quelques heures plus tard, dans un ordre fixe — la transcription vue directement, et commutée par un signal. Des [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) déplacés par un remaniement chromosomique auprès de l’hétérochromatine sont éteints dans certaines [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) et pas dans d’autres, et l’état est hérité par leurs filles. ∎

![Un chromosome polytène d’une glande salivaire de drosophile : strié, avec deux puffs là où la chromatine s’est ouverte pour la transcription. Les puffs apparaissent et disparaissent à mesure que des gènes sont allumés et éteints.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/img-fccaea43354d.jpg)

*Un [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) polytène d’une glande salivaire de drosophile : strié, avec deux puffs là où la chromatine s’est ouverte pour la transcription. Les puffs apparaissent et disparaissent à mesure que des [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) sont allumés et éteints.*

**Exemple 20.11 (Un signal devient un profil d’expression).**

Le cortisol entre dans une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatique et se lie à son récepteur, [facteur de transcription](#def-b1-expression-control-enhancer) maintenu inactif dans le [cytosol](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-organelle) ; le complexe gagne le noyau, se lie à une séquence de quinze bases présente auprès d’une centaine de [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) — dont ceux de la [néoglucogenèse](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/16-biosyntheses-et-cellule-integree#def-b1-biosyntheses-integration-gluconeogenesis) ([Chapitre 16](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/16-biosyntheses-et-cellule-integree#ch-b1-biosyntheses-integration)) — et recrute des acétylases et le médiateur : en une heure, les [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) de la synthèse du glucose sont en fabrication. La même hormone dans un lymphocyte, dont la chromatine ouverte expose un autre jeu de ces séquences, allume des [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) qui tuent la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell). Un signal, un récepteur, deux réponses : la différence est dans les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) qui étaient accessibles.

## 20.5 Après la transcription, et la fabrication d’un corps

**Proposition 20.12 (Le contrôle au-delà du promoteur).**

Une [cellule eucaryote](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-prokeuk) décide aussi comment un transcrit est épissé (l’épissage alternatif donne à un muscle et à un cerveau des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) différentes à partir d’un seul [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene)), s’il est exporté, combien de temps il dure (des demi-vies allant de la minute pour les messages des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) régulatrices au jour pour celui de l’hémoglobine, fixées par des séquences des régions non traduites qui lient des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) et de petits [ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) régulateurs), et s’il est traduit (les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) carencées en fer bloquent la traduction du message de la ferritine par une [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) fixée à son extrémité $5'$, et la libèrent quand le fer est présent). La [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide), une fois faite, est commandée par sa modification et par sa dégradation ([Chapitre 13](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#ch-b1-enzymes)). Chaque niveau plus tardif est plus rapide et plus local que le précédent, et plus coûteux : la transcription décide de ce que la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) peut faire, les niveaux ultérieurs de ce qu’elle fait maintenant.

**Proposition 20.13 (L’expression différentielle fait un corps).**

Chaque [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) d’un [organisme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/1-lorganisme-un-systeme-en-interaction-avec-son-environnement#def-b1-organism-environment-organism) pluricellulaire porte le même [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) ; les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) diffèrent parce qu’elles en expriment des sous-ensembles différents. Les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) de *ménage* — quelques milliers pour le métabolisme, le [ribosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome), le [cytosquelette](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) — sont allumés dans toute [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) ; les autres sont allumés dans certaines [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) et éteints dans d’autres selon les combinaisons de [facteurs de transcription](#def-b1-expression-control-enhancer) que chaque [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) porte et les états de chromatine dont elle a hérité. Le précurseur d’un globule rouge allume la globine et éteint presque tout le reste ; un [neurone](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-nervous) allume ses canaux et ne se divise plus jamais. La *différenciation* est l’acquisition d’un profil d’expression stable, et le *développement* (volume de deuxième année) est le processus par lequel des signaux entre [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) établissent ces profils aux bons endroits.

**Faits expérimentaux.** Un noyau prélevé sur une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) différenciée de grenouille et placé dans un ovule dont le noyau propre a été retiré peut diriger le développement d’un têtard entier (Gurdon, 1962 ; rappel du volume du lycée) : la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) différenciée n’avait perdu aucun [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene), elle les avait seulement éteints, et le [cytoplasme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) de l’ovule a réarmé les interrupteurs. Les [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) d’un type cellulaire, séparées sur gel, diffèrent de celles d’un autre type ; ses messagers, une fois séquencés, forment un sous-ensemble du [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) qui lui est propre ; et une poignée de [facteurs de transcription](#def-b1-expression-control-enhancer) introduits dans une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) de peau peuvent la reprogrammer en [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) souche ou en [neurone](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-nervous). ∎

**Exemple 20.14 (Un gène lu dans deux organes).**

Le [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) de l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) qui fabrique du glucose à partir du glucose-6-phosphate est exprimé dans le foie et dans le rein et dans aucun autre [tissu](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-tissue) : son promoteur porte des sites pour des facteurs présents là seulement, et dans les autres [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) ce promoteur est méthylé et sa chromatine fermée. Un muscle, qui porte le [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) intact, ne peut pas libérer de glucose dans le sang ([Chapitre 16](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/16-biosyntheses-et-cellule-integree#ch-b1-biosyntheses-integration)) — non faute du [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene), mais parce que le [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) n’est pas lu. Le [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) est le même ; l’expression fait l’[organe](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/2-organisation-fonctionnelle-dun-mammifere#def-b1-mammal-organization-organ).

## 20.6 Exercices

**Exercice 20.1 ★.**

Nommer les éléments de l’[opéron lactose](#def-b1-expression-control-operon) et donner l’état de l’[opéron](#def-b1-expression-control-operon) avec et sans lactose, avec et sans glucose.

**Solution de Exercice 20.1.**

*lacI* ([gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) du [répresseur](#def-b1-expression-control-operon)), promoteur, [opérateur](#def-b1-expression-control-operon), *lacZ*, *lacY*, *lacA*, et le site CAP. Sans lactose : éteint ([répresseur](#def-b1-expression-control-operon) fixé). Lactose et glucose présents : à peine allumé ([répresseur](#def-b1-expression-control-operon) détaché, mais pas de couple AMPc–CAP). Lactose sans glucose : pleinement allumé. Aucun des deux sucres : éteint.

**Exercice 20.2 ★.**

Expliquer la différence entre un produit de [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) qui agit en trans et un site qui agit en cis, avec un exemple de chacun tiré de l’[opéron](#def-b1-expression-control-operon).

**Solution de Exercice 20.2.**

Un produit qui agit en trans est une molécule diffusible qui peut agir sur n’importe quelle copie de sa cible dans la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) : le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon). Un site qui agit en cis est une séquence d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) qui n’affecte que les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) qui lui sont physiquement liés : l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon).

**Exercice 20.3 ★.**

D’après la figure de la [diauxie](#def-b1-expression-control-cap), lire la durée de la latence et les temps de doublement sur chaque sucre.

**Solution de Exercice 20.3.**

Latence d’environ $36\,\mathrm{min}$ (de $2\,\mathrm{h}$ à $2.6\,\mathrm{h}$) ; doublement en $20\,\mathrm{min}$ sur glucose, en $30\,\mathrm{min}$ sur lactose.

**Exercice 20.4 ★.**

Définir [amplificateur](#def-b1-expression-control-enhancer), [facteur de transcription](#def-b1-expression-control-enhancer) et [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) de ménage.

**Solution de Exercice 20.4.**

[Amplificateur](#def-b1-expression-control-enhancer) : séquence régulatrice, souvent lointaine, qui augmente la transcription d’un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) quand des facteurs s’y fixent. [Facteur de transcription](#def-b1-expression-control-enhancer) : [protéine](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) munie d’un domaine de liaison à l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) et d’un domaine d’activation ou de répression, qui règle la transcription. [Gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) de ménage : [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) exprimé dans toute [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) à un niveau constant.

**Exercice 20.5 ★★.**

Donner le phénotype (inductible, constitutif, non inductible) de : $I^-$ ; $O^c$ ; $I^s$ ; $I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$ ; $I^s\,O^+\,Z^+ /
I^+\,O^+\,Z^+$ ; $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$.

**Solution de Exercice 20.5.**

$I^-$ : constitutif. $O^c$ : constitutif. $I^s$ : non inductible. $I^-/I^+$ : inductible (le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) $I^+$ agit en trans). $I^s/I^+$ : non inductible ($I^s$ dominant). $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$ : inductible — le seul $Z$ en état de marche est derrière un [opérateur](#def-b1-expression-control-operon) normal.

**Exercice 20.6 ★★.**

Comparer les [opérons lactose](#def-b1-expression-control-operon) et tryptophane : ce que la petite molécule fait au [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) dans chacun, et pourquoi la logique est inverse.

**Solution de Exercice 20.6.**

Lac : le sucre (l’inducteur) se lie au [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) et le *détache* de l’[opérateur](#def-b1-expression-control-operon) — les [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) sont faites quand leur substrat est présent. Trp : l’[acide aminé](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-aminoacid) (le corépresseur) se lie au [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) et lui *permet* de se lier — les [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) sont faites quand leur produit est absent. Les voies cataboliques sont allumées par leur entrée, les voies anaboliques éteintes par leur sortie.

**Exercice 20.7 ★★.**

Un mutant ne sait pas fabriquer d’AMPc. Prédire sa croissance sur glucose, sur lactose seul et sur les deux, ainsi que le taux de $\beta$-galactosidase dans chaque cas.

**Solution de Exercice 20.7.**

Sur glucose : croissance normale (le glucose n’a pas besoin de CAP). Sur lactose seul : presque pas de croissance — sans AMPc, la CAP ne peut pas activer le promoteur lac, de sorte que l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) reste à quelques pour cent du niveau induit même avec le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) détaché. Sur les deux : croissance sur glucose, puis arrêt ; pas de seconde phase. [Enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) faible dans tous les cas.

**Exercice 20.8 ★★.**

Expliquer pourquoi l’atténuation est impossible chez les eucaryotes, à partir de l’architecture de la [cellule eucaryote](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-prokeuk).

**Solution de Exercice 20.8.**

L’atténuation exige que le [ribosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome) traduise le messager pendant que la polymérase le transcrit encore, de sorte que la position du [ribosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome) façonne l’[ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) situé derrière la polymérase. Chez les eucaryotes, la transcription se fait dans le noyau et la traduction dans le [cytosol](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-organelle), et le message n’est traduit qu’une fois mûri et exporté.

**Exercice 20.9 ★★.**

Un [amplificateur](#def-b1-expression-control-enhancer) est déplacé de $5\,\mathrm{kb}$ en amont de son [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) à $5\,\mathrm{kb}$ en aval et retourné ; le [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) est toujours exprimé. Expliquer ce que cela montre du fonctionnement des [amplificateurs](#def-b1-expression-control-enhancer).

**Solution de Exercice 20.9.**

Les [amplificateurs](#def-b1-expression-control-enhancer) agissent à distance, dans l’une ou l’autre orientation et de part et d’autre du [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) ; ils ne peuvent donc pas agir en étant lus ni en plaçant directement la polymérase ; ils agissent en fixant des facteurs qui touchent le promoteur par une boucle d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain), ce pour quoi la distance et l’orientation importent peu.

**Exercice 20.10 ★★★.**

Cinq mille tétramères de $\beta$-galactosidase de $4096\,$ résidus coûtent combien d’[ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) (quatre par résidu) ? Le budget d’une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) par génération est d’environ $1 \times 10^{10}\,$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp). Calculer le désavantage de croissance d’un mutant constitutif, et le nombre de générations pour que sa part d’une population mixte passe de la moitié au centième.

**Solution de Exercice 20.10.**

$5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) : $0.8\,\%$ du budget. Taux de croissance abaissé de $0.8\,\%$ : par génération, la part du mutant est multipliée par $2^{-0.008} = 0.9945$. De $1:1$ à $1:99$ : $0.9945^n = 1/99$, $n = \ln 99/0.00555 = 830$ générations — quelques semaines de culture continue.

**Exercice 20.11 ★★★.**

On compare une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatique et un [neurone](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-nervous) d’une même personne : même [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome), [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) différentes, et chaque division de la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatique donne des [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatiques. Expliquer, à l’aide de la chromatine, des facteurs et de l’hérédité des marques, comment la différence est faite et comment elle est maintenue.

**Solution de Exercice 20.11.**

Chaque type cellulaire porte un jeu propre de [facteurs de transcription](#def-b1-expression-control-enhancer), qui se lient aux [amplificateurs](#def-b1-expression-control-enhancer) de ses [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) et recrutent des acétylases qui en ouvrent la chromatine, tandis que les [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) des autres types sont méthylés et tassés dans une hétérochromatine qu’aucun facteur ne peut atteindre. Les facteurs entretiennent mutuellement leur expression (un réseau à états stables), et les marques de la chromatine sont copiées à la réplication, de sorte que les filles héritent à la fois des facteurs et des régions ouvertes et fermées. Le [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) est le même ; le [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) accessible ne l’est pas, et l’inaccessibilité est héritée.

**Exercice 20.12 ★★★.**

« Une bactérie lit son environnement ; une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) d’un corps lit son histoire. » Discuter en un paragraphe les deux sortes de contrôle, leurs signaux, leurs échelles de temps et leur réversibilité.

**Solution de Exercice 20.12.**

Les contrôles d’une bactérie sont accordés au milieu : un sucre, un [acide aminé](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-aminoacid), une température lie un [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) ou un [facteur sigma](#prop-b1-expression-control-trp) et la réponse est complète en quelques minutes, puis annulée dès que le signal disparaît — l’expression suit l’environnement. Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) d’un corps répond elle aussi à des signaux, mais ses décisions principales ont été prises au cours du développement et verrouillées dans la chromatine : ce qu’elle peut exprimer a été fixé par les facteurs dont elle a hérité et par les marques de son [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain), changées seulement par la division et pour l’essentiel irréversibles. La bactérie est une lectrice du présent ; la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) différenciée a une mémoire, et cette mémoire est son identité.

## 20.7 Problème : la diauxie

**Problème 20.1.**

Problème du week-end — la courbe de croissance à deux phases de Monod reconstruite cellule par cellule : glucose épuisé, lactose induit, enzymes comptées, mutants prédits et coût de la régulation évalué, jusqu’au facteur d’induction de la $\beta$-galactosidase

Une culture d’*E. coli* part de $10^7$ [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) par millilitre dans un milieu contenant $0.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de glucose et $1.0\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de lactose. Sur glucose, les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) doublent toutes les $20\,\mathrm{min}$, sur lactose toutes les $30\,\mathrm{min}$ ; une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) a besoin de $1.5 \times 10^{-12}\,\mathrm{g}$ de sucre par division ($180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ pour le glucose ; le lactose, $342\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$, compte pour deux glucoses). Les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) non induites contiennent 5 molécules de $\beta$-galactosidase ; pleinement induites, $5000$. L’induction prend $30\,\mathrm{min}$. L’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) est un tétramère de $4\times 1024$ résidus ; chaque résidu coûte 4 [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) ; le budget [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) d’une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) est de $10^{10}$ par division et ses [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) pèsent $1.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}$ ($110\,\mathrm{Da}$ par résidu).

**Partie I — La phase glucose.**

1. Calculer le glucose disponible par millilitre, en grammes.
2. Combien de divisions par millilitre peut-il soutenir ?
3. En partant de $10^7$ [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) , combien y a-t-il de [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) quand le glucose est épuisé ? (Une division fait une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) de plus.)
4. Combien cela fait-il de doublements, et combien de temps dure la phase glucose ?
5. Pendant cette phase, quel est l’état de l’ [opéron lactose](#def-b1-expression-control-operon) , et pourquoi, en termes moléculaires ( [répresseur](#def-b1-expression-control-operon) et CAP) ?

**Partie II — Le basculement.**

6. Quand le glucose est épuisé, qu’est-ce qui monte à l’intérieur des [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) et à quoi cela se lie-t-il ?
7. Le lactose était présent depuis le début. Pourquoi l’ [opéron](#def-b1-expression-control-operon) était-il néanmoins presque éteint pendant la phase glucose ?
8. Pendant les $30\,\mathrm{min}$ de latence, chaque [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) fabrique ses $5000$ [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) . Calculer le nombre de molécules d’ [enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) faites par seconde et par [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) , ainsi que le nombre de résidus par seconde.
9. Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) contient $20\,000$ [ribosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome) à $20\,$ résidus par seconde. Quelle fraction de sa traduction est consacrée à la $\beta$ -galactosidase pendant la latence ?
10. Calculer la masse de $5000$ tétramères et la fraction des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) de la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) qu’ils représentent.
11. Calculer le facteur d’induction.
12. Pourquoi la perméase ( *lacY* ) est-elle aussi nécessaire que l’ [enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) pour croître sur lactose, et qu’advient-il d’un mutant *lacY* $^-$ mis en présence de lactose ?

**Partie III — La phase lactose.**

13. Calculer le lactose disponible par millilitre en équivalents glucose, en grammes.
14. Combien de divisions supplémentaires cela soutient-il, et quel est le nombre final de [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) ?
15. Combien de temps dure la phase lactose ?
16. Dresser la chronologie : phase glucose, latence, phase lactose, total.
17. Expliquer pourquoi le temps de doublement est plus long sur lactose (deux raisons : l’une tenant à l’étape enzymatique, l’autre à la perméase).

**Partie IV — Mutants et coûts.**

18. Un mutant $I^-$ : décrire sa courbe de croissance sur le même milieu et son taux d’ [enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) tout du long.
19. Un mutant CAP $^-$ : décrire sa courbe et son taux d’ [enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) .
20. Un mutant $O^c$ dans un milieu à lactose seul : une différence avec le type sauvage ? Et dans un milieu à glucose seul ?
21. Calculer le coût en [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) , par génération, de la fabrication de $5000$ tétramères, et la fraction du budget de la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) .
22. Si cette fraction allonge le temps de génération de la même fraction, de combien le taux de croissance du mutant $I^-$ reste-t-il en retard sur celui du type sauvage sur glucose ?
23. En partant d’effectifs égaux, au bout de combien de générations sur glucose le mutant ne fait-il plus que le dixième de la population ? ( $r^n =  0.1/0.9$ avec $r$ le rapport des taux de croissance par génération, soit $2^{-\delta}$ pour un retard $\delta$ en doublements.)
24. Expliquer pourquoi, malgré tout, les mutants $I^-$ sont fréquents dans les souches de laboratoire cultivées sur lactose.
25. Énoncer le résultat : le facteur d’induction de la $\beta$ -galactosidase, le coût de sa fabrication inutile en fraction du budget [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) , et la durée totale de l’expérience de [diauxie](#def-b1-expression-control-cap) . diauxic experiment.

**Solution de Problème 20.1.**

**1.** $0.5\times 10^{-3}\times 180 = 0.09\,\mathrm{g}/\mathrm{L} =
9 \times 10^{-5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$. **2.** $9\times 10^{-5}/1.5\times 10^{-12} = 6 \times 10^{7}$ divisions. **3.** $10^7 + 6 \times 10^{7} = 7 \times 10^{7}$ [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) par mL. **4.** $7 = 2^n$ : $n = 2.8$ doublements, soit $56\,\mathrm{min}$. **5.** Éteint : le lactose (l’allolactose) a détaché le [répresseur](#def-b1-expression-control-operon), mais le glucose maintient l’AMPc bas, de sorte que la CAP n’est pas fixée et que le promoteur est presque muet ; de plus la perméase est rare, si bien que peu de lactose entre. **6.** L’AMPc monte et se lie à la CAP, qui se lie au promoteur. **7.** Le contrôle négatif était levé mais le contrôle positif manquait : un promoteur faible sans CAP démarre rarement ([répression catabolique](#def-b1-expression-control-cap)). **8.** $5000/1800 = 2.8$ tétramères par seconde ; $2.8\times 4096 =
11\,400$ résidus par seconde. **9.** Capacité $20\,000\times 20 = 4 \times 10^{5}$ résidus par seconde : $3\,\%$ des [ribosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/19-lexpression-genetique-transcription-et-traduction#def-b1-gene-expression-ribosome). **10.** $5000\times 4096\times 110\times 1.66\times 10^{-24} =
3.7 \times 10^{-15}\,\mathrm{g}$ : $2.5\,\%$ des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) de la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell). **11.** $5000/5 = 1000$. **12.** Le lactose ne peut pas traverser la membrane sans la perméase ; un mutant *lacY*$^-$ a l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) mais pas de substrat à l’intérieur et ne croît pas sur lactose (et s’induit mal, puisque l’inducteur est fabriqué à partir du lactose dans la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell)). **13.** $1.0\times 10^{-3}\times 342 = 0.342\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$, qui valent $2\times 180 = 360\,\mathrm{g}$ de glucose par mole, soit $0.36\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ $= 3.6 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$. **14.** $3.6\times 10^{-4}/1.5\times 10^{-12} = 2.4 \times 10^{8}$ divisions ; total final $7 \times 10^{7} + 2.4 \times 10^{8} = 3.1 \times 10^{8}$ par mL. **15.** $3.1/0.7 = 4.4 = 2^n$ : $n = 2.1$ doublements, soit $64\,\mathrm{min}$. **16.** Glucose $56\,\mathrm{min}$, latence $30\,\mathrm{min}$, lactose $64\,\mathrm{min}$ : $150\,\mathrm{min}$ en tout. **17.** Le lactose doit d’abord être hydrolysé, étape enzymatique supplémentaire dont la vitesse limite l’approvisionnement en glucose ; et la perméase emploie le gradient de protons pour l’importer, coût que le transport du glucose ne paie pas. **18.** $I^-$ : [enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) à $5000$ tout du long (constitutif, une fois le glucose épuisé ; sur glucose la CAP la limite encore, de sorte que le niveau est intermédiaire) ; sa latence est plus courte ou nulle, de sorte que la courbe montre une pause plus faible ; le coût le ralentit légèrement sur glucose. **19.** CAP$^-$ : croît sur glucose jusqu’à $7 \times 10^{7}$, puis s’arrête : l’[opéron lactose](#def-b1-expression-control-operon) ne peut pas être activé, l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) reste vers 5 molécules, et le lactose n’est jamais employé. **20.** Sur lactose seul : aucune différence de taux d’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) une fois induit (les deux pleinement allumés) et pratiquement aucune en croissance ; l’$O^c$ n’évite que le délai d’induction. Sur glucose seul : l’$O^c$ fabrique l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) inutilement (dans la mesure où la CAP le permet), le type sauvage non. **21.** $5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) : $0.8\,\%$ de $10^{10}$. **22.** Temps de génération allongé de $0.8\,\%$ : taux de croissance abaissé de $0.8\,\%$, $\delta = 0.008$ doublement par génération. **23.** $r = 2^{-0.008} = 0.99447$ ; $r^n = 0.111$ : $n =
\ln 0.111/\ln 0.99447 = 2.20/0.00555 = 400$ générations. **24.** Sur lactose, l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) est de toute façon nécessaire, de sorte que le mutant ne paie rien et gagne la latence : il n’est pas contre-sélectionné et il l’est parfois positivement ; et les souches de laboratoire sont cultivées pour la commodité, non pour la compétition. **25.** Facteur d’induction 1000 (de 5 à $5000$ molécules) ; la synthèse inutile coûte $0.8\,\%$ du budget [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) ; l’expérience dure environ deux heures et demie.