Introduction
Toutes les cellules d’un organisme possèdent le même génome, mais elles ne fabriquent pas toutes les mêmes protéines. Une cellule musculaire produit de la myosine, une cellule pancréatique fabrique de l’insuline, une cellule nerveuse synthétise des neurotransmetteurs. Cela s’explique par le contrôle de l’expression génétique : lors de la transcription, un gène est copié en ARN. Certains gènes codent pour des protéines via un ARN messager (ARNm, copie d’un gène traduite ensuite en protéine), tandis que d’autres donnent naissance à des ARN fonctionnels : ARN ribosomiques (ARNr, constituants des ribosomes), ARN de transfert (ARNt, adaptateurs qui apportent les acides aminés lors de la traduction) ou microARN (courts ARN régulateurs qui contrôlent l’expression des gènes). Cette régulation est indispensable à la différenciation cellulaire et à l’adaptation des organismes.
L’expression différentielle des gènes et la spécialisation cellulaire
Le génome est identique dans toutes les cellules, mais seuls certains gènes sont activés. Cette expression différentielle permet la diversité fonctionnelle des cellules.
Au cours du développement embryonnaire, des cellules initialement identiques se spécialisent en activant certains gènes et en en réprimant d’autres. Ainsi, une cellule musculaire exprime les gènes nécessaires à la contraction, tandis qu’une cellule nerveuse exprime ceux liés à la communication synaptique. Ces choix d’activation sont stabilisés par des mécanismes épigénétiques, comme la méthylation de l’ADN ou les modifications des histones, qui modulent durablement l’accessibilité des gènes.
À retenir
La différenciation cellulaire repose sur l’activation sélective de gènes, renforcée par des mécanismes épigénétiques qui fixent l’identité des cellules.
La régulation de l’expression génétique et l’adaptation des organismes
L’expression génétique peut être régulée à différents niveaux : au stade de la transcription, de la traduction ou encore de l’activité post-traductionnelle des protéines. Ces contrôles permettent une adaptation fine aux besoins de la cellule et de l’organisme.
Un exemple quotidien est celui du bronzage. L’exposition au soleil stimule dans les mélanocytes la transcription du gène de la tyrosinase, enzyme clé de la synthèse de mélanine. La production accrue de ce pigment protecteur illustre l’influence directe d’un facteur environnemental sur l’expression génétique.
Chez les bactéries, l’opéron lactose, modèle historique décrit par Jacob et Monod en 1961, illustre comment un organisme active ou réprime des gènes en fonction de la présence de nutriments. En présence de lactose, les gènes de son métabolisme sont activés ; en son absence, ils sont éteints. Ce modèle appartient aux procaryotes et ne s’applique pas directement aux cellules eucaryotes, mais il illustre le principe fondamental de régulation par l’environnement.
Dans le système immunitaire, la régulation est aussi manifeste. Lors d’une infection, les lymphocytes activés déclenchent la transcription de gènes codant pour des cytokines comme l’IL-2 ou les interférons. Ces protéines orchestrent la réponse immunitaire en stimulant la prolifération et la communication entre cellules de défense.
À retenir
La régulation de l’expression génétique agit à plusieurs niveaux. Elle permet l’adaptation aux signaux de l’environnement, comme la production de mélanine au soleil ou la réponse immunitaire par les cytokines.
Conclusion
Le contrôle de l’expression génétique explique pourquoi toutes les cellules d’un organisme, bien que partageant le même ADN, n’ont pas les mêmes fonctions. En modulant la transcription en ARNm, la traduction et l’activité des protéines, les organismes assurent à la fois leur différenciation et leur adaptation. Cette régulation peut être réversible, comme dans la réponse immunitaire (activation puis extinction de gènes de cytokines), ou au contraire stable, comme dans la différenciation des cellules musculaires. L’expression génétique constitue donc un mécanisme central qui relie le génotype aux phénotypes moléculaires, cellulaires et macroscopiques, tout en permettant un équilibre entre plasticité et stabilité.