Aptitude des levures à métaboliser le lactose
et
programme génétique
Les expérimentations (cultures en milieu liquide) réalisées en classe montrent que les levures Kluyveromyces fragilis et Kluy. lactis sont capables de produire de la biomasse et de se diviser en ne prélevant dans leur environnement que du lactose comme source de carbone, ce qui n'est pas le cas de la levure Saccharomyces cerevisiae.Comment expliquer que Kluyveromyces fragilis et Kluyveromyvces lactis soient aptes à utliser le lactose alors que Saccharomyces ce.ne l'est pas?
Données
1°/ Pour que le lactose disaccharide extracellulaire, puisse être utilisé par une cellule de levure, 2 modèles sont envisageables:
- une protéine (perméase) intégrée à la membrane plasmique joue le rôle de transporteur de lactose, elle fait entrer le glucide dans le milieu intracellulaire où une lactase (b galactosidase) catalyse l'hydrolyse du disaccharide en galactose et glucose, monosaccharides qui sont immédiatement pris en charge par le métabolisme cellulaire (modèle maltose chez Saccharomyces cerevisiae)
- une lactase est sécrétée , elle catalyse l'hydrolyse du lactose extracellulaire et les hexoses libérés entrent dans la cellule par des transporteurs (modèle saccharose chez Saccharomyces.cerevisiae).
2°/Quand on cultive Kluyveromyces lactis (ou fragilis) dans le milieu de culture liquide YNB+ lactose ( tube 2 dans nos expérimentations), il y a croissance de la population mais un test b galactosidase réalisé sur le milieu (avec ONPG) est toujours négatif (principe du test : voir TP b galactosidase de E.coli ).
3°/ Plusieurs souches de Saccharomyces cerevisiae initialement incapables de se développer sur lactose (phénotype Lac-) ont été transformées, elles sont devenues aptes à métaboliser ce disaccharide (phénotype Lac+).Ces levures transgéniques expriment deux gènes de structure du génome de Kluyveromyces lactis (également présents chez K.fragilis) tranférés par l'intermédiaire d'un vecteur plasmidique.

Exploitation des données : relation gènes-protéines-aptitude à métaboliser le lactose
Quel modèle peut-on retenir pour expliquer l'aptitude de Kluyveromyces (lactis ou fragilis) à utiliser le lactose. Expliquer pourquoi ce modèle ne fonctionne pas avec Saccharomyces cerevisiae. Bien faire apparaître la relation entre gènes, protéines et phénotypes.
Pour construire et argumenter le modèle, exploiter les données fournies et interroger les sites suivants:
- Genolevures pour le génome de Kluyveromyces lactis (génome entièrement séquencé en 2004, celui de Kluyveromyces fragilis est moins bien connu)
- Yeastgenome pour le génome de Saccharomyves cerevisiae (génome entièrement séquencé en 1996).

  • Informations tirées des données

Kluyveromyces (lactis ou fragilis) métabolise le lactose mais ne sécrète pas de b galactosidase. Le disaccharide doit donc entrer dans la cellule par intervention d'une perméase puis il doit être hydrolysé en glucose et galactose dans le milieu intracellulaire où ces hexoses sont immédiatement transformés. Cela suggère la présence dans le génome de ces levures de 2 gènes de structure, l'un qui code une lactose perméase et l'autre une lactase (b galactosidase). On peut supposer que ces 2 gènes sont absents du génome de Saccharomyces et que ce sont eux qu'il faut transférer (avec les séquences régulatrices) dans la cellule de cette levure pour lui conférer l'aptitude à métaboliser le lactose.

  • Exploitation de banques de données génomiques: confirmation du modèle

- Les données (D. Sherman, P. Durrens, F. Iragne, E. Beyne, M. Nikolski, JL. Souciet) mises en ligne par Genolevures Consortium confirment la présence, dans le génome de Kluyveromyces lactis des gènes LAC4 et LAC12 qui codent respectivement une lactase (b galactosidase) et une lactose perméase. Les loci de ces gènes sont localisés dans la région télomérique du bras court du chromosome II (B). Voir document.
Ces protéines sont également synthétisées par Kluyveromyces fragilis.
Rq/ Les 2 gènes de structure sont séparés par une région de 2,6 Kpb impliquée dans la régulation de la transcription (en sens inverse) des 2 gènes qui sont induits de la même façon par le lactose (et le galactose) et identiquement réprimés quand le milieu contient du glucose. Ces 2 gènes sont corégulés par l'intermédiaire de la zone intergénique (promoteur) qui comprend 4 "upstream activation sites" identiques ou UAS ( 2 devant chaque gène) , sites de fixation d'un activateur protéique (codé par le gène LAC9) fortement produit en présence de lactose (et galactose) , son effet étant maximal quand les 4 UAS sont occupés . La répression par le glucose est mal comprise.

- L'interrogation de la banque de données du site "yeastgenome" confirme l'absence, dans le génome de Saccharomyces cerevisiae, de gènes codant pour une lactose perméase ou pour une lactase (b galactosidase). Voir document.

Schéma synthétique: expression des 2 gènes qui confèrent l'aptitude à une levure du genre Kluyveromyces, à métaboliser le lactose
Pour faire apparaître la notion (et non le mécanisme) de régulation activatrice des 2 gènes à partir du signal galactose, survolez l'image avec la souris.
Auteur, professeur SVT: Auclair Jean Jacques
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