Des données expérimentales qui permettent d'établir une relation entre
caractéristiques du milieu, expression des gènes et phénotype moléculaire
Conditions expérimentales
Une cyanobactérie (Anabaena variabilis) est cultivée dans un milieu complet contenant NH4+. Elle est ensuite transférée dans un milieu carencé en azote (t0 ). On suit alors l'évolution d'une part de la quantité de l'ARNm de
la nitrogénase et d'autre part de celle de l'ARNm de la phycocyanine (mesurée chacune par rapport à l'ensemble de l'ARN extrait) en fonction du temps. On détermine également régulièrement l'activité cellulaire de la nitrogénase à chaque fois dans les mêmes conditions (mesure de la vitesse de réduction de C2H2 par les cellules). L'observation microscopique permet de suivre la différenciation des hétérocystes, les premiers préhétérocystes étant repérés à t = 8h environ, alors que des hétérocystes matures sont présents à partir de t = 15h.
La nitrogénase est une enzyme qui catalyse la réduction de N2 en NH3 rapidement transformé dans la cellule en NH4+ (mais aussi celle de C2H2 en C2H4 ). Elle est inactivée par O2. Voir compléments.
La phycocyanine est une protéine pigmentaire abondante dans les cellules des cyanobactéries, en partie responsable de leur couleur bleutée. Elle capte certaines radiations lumineuses (par un groupement non protéique" riche" en N) et intervient donc dans la collecte de la lumière lors de la phase photochimique de la photosynthèse. Elle peut également servir de réserve azotée.
R Hischberg publiés in Journal of Bactériology de Mars 1989 . Les unités ne sont pas précisées car leur prise en compte nécessiterait des explications trop complexes pour des élèves.
Interprétation sommaire des résultats
-Aucune cellule des filaments prélevés dans le milieu azoté ne transcrit le gène de la nitrogénase.
L'ARNm de la nitrogénase est détectable après environ 8h de culture dans le milieu carencé alors que des préhétérocystes sont repérables. C'est également à partir de t = 8h que l'activité "nitrogénase" commence à être mesurée. Ensuite, le niveau de l'ARNm et l'activité enzymatique "nitrogénase" augmentent parallélement et en corrélation avec le développement des hétérocystes. Cela suggère que le changement de milieu a induit la transcription du gène qui code la nitrogénase dans les hétérocystes, l'ARNm étant ensuite traduit en nitrogénase. En réalité, lors de la différenciation des hétérocystes, il y a un remaniement du génome qui positionne dans un même opéron 3 gènes codant chacun pour une protéine constitutive du complexe nitrogénase.Voir compléments.
-Lorsque les filaments de la cyanobactérie sont transférés dans le milieu carencé en azote, le niveau de l'ARNm de la phycocyanine diminue rapidement (divisé par 5 en 2 h). Les auteurs ont montré que la vitesse de dégradation de l'ARNm ne change pas. C'est donc la transcription du gène qui doit être bloquée. Il ne doit donc plus y avoir synthèse de phycocyanine (ce qui économise l'azote) jusquà environ t = 5h . Il a, par ailleurs, été montré qu'une enzyme dégrade activement la phycocyanine pendant cette période (mobilisation d'azote). Le niveau de l'ARNm de cette phycobiliprotéine remonte ensuite ( la transcription du gène n'est plus bloquée) alors que les hétérocystes se différencient et qu'ils synthétisent la nitrogénase.
