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Les papillomavirus et la régulation de la transcription

Auteur : Dr. Isabelle BOUALLAGA

Institut Pasteur - Unité "Expression génétique et Maladies", Département de Biologie du Développement, Paris - France.


Chapitre II. Naissance d’un ARN messager.


I. Les éléments essentiels à la transcription basale :

In vitro, les promoteurs ont une activité transcriptionnelle basale due à un recrutement à bas niveau de la polymérase. Cette initiation dépend de la formation d’un complexe multiprotéique, dit de pré-initiation (PIC), sur des séquences précises au sein du gène. La transcription d’un gène correspond à la première étape du processus d’expression de ce gène. In vivo, cette étape est régulée par des mécanismes complexes, et dépend de nombreux éléments de structure du noyau et de l’ADN, ainsi que de nombreux facteurs qui seront brièvement décrits.


I.1. ADN et chromatine :

a. L’ADN nucléaire est sous forme de chromatine :


Le génome humain contient 3 milliards de paires de bases réparties en 23 paires de chromosomes. Non compactés l’ADN chromosomique aurait une taille comprise entre 1,7 et 8,5 cm, la taille totale de l’ADN génomique étant estimée à 2 mètres. L’intervention de protéines structurales permet une compaction de l’ADN à plusieurs niveaux.

Le premier niveau de compaction correspond au nucléosome : les histones H2A, H2B, H3 et H4, présentes chacune en deux exemplaires, forment une structure compacte, autour de laquelle s’enroulent 170 pb. Deux nucléosomes sont espacées par une région d’ADN de 20 à 60 pb, ce qui forme une structure en "collier de perles" (Figure 5A). Les contacts entre l’ADN et les histones impliquent, d’une part des résidus Arginine qui se glissent à l’intérieur du petit sillon, d’autre part des interactions amides avec les phosphates, et enfin des interactions hydrophobes avec les sucres de l’ADN. Les parties Amino-terminales des histones H2B, H3 et H4 et la partie Carboxy-terminale de H2A forment des extensions en dehors du corps compact du nucléosome (Figure 5B). Riches en lysine, et donc hautement chargées, elles seraient responsables de contacts internucléosomaux (Luger et al., 1997 ; Wolffe and Hayes, 1999). L’histone H1, bien que non essentielle à la cellule (délétion viable), stabilise ces structures en reliant 2 nucléosomes (Shen et al., 1995).

Les niveaux supérieurs de condensation de la chromatine résultent de contacts rapprochés entre les nucléosomes qui s’empilent pour former des fibres de 11 nm (diamètre du nucléosome), de 30 nm (solénoïde de 6 nucléosomes/tour, ADN compacté environ 50 fois)… jusqu’à former, lors de la mitose, les structures extrêmement compactes que sont les chromosomes (la compaction est alors d’environ 10.000 fois).



Figure 5 : Chromatine et nucléosomes.
A. Chromatine soluble purifiée à partir d’érythrocytes de poulet, et modélisation tridimensionnelle d’un segment de 9 nucléosomes. D’après (Bednar et al., 1998).
B. Schéma du nucléosome et modifications post-traductionnelles de ses extensions. Le haut et le bas de la superhélice d’ADN sont respectivement colorés en bleu foncé et bleu clair ; les histones H3 en jaune, H4 en magenta, H2A en cyan et H2B en vert, les extensions au-dessous du plan étant plus pâles que les extensions du dessus ; les résidus arginine et lysine sont en rouge. Les sites de modifications bien caractérisés sont indiqués : acétylation (*), méthylation (M), phosphorylation (P), ribosylation (R) et ubiquitination (U). D’après (Wolffe and Hayes, 1999).



Le niveau de condensation de la chromatine d’un noyau interphasique est variable et dépend à la fois de la différenciation de la cellule et de son activité. Ainsi, certaines régions du noyau apparaissent plus denses que d’autres en microscope électronique. Fonctionnellement, il apparaît clairement que la condensation de la chromatine est inversement proportionnelle à son activité transcriptionnelle. La chromatine active transcriptionnellement, ou euchromatine, est peu compactée pendant l’interphase. Au contraire, la chromatine non transcrite, ou hétérochromatine, qui correspond à une compaction plus importante, implique non seulement les histones mais d’autres protéines participant au "squelette" nucléaire.

La mise en place des nouveaux nucléosomes débute en phase S, juste après la réplication des brins. Le degré de compaction d’un gène est dépendant de deux éléments dépendant de l’activation transcriptionnelle : d’une part des modifications covalentes des histones qui s’y associent, et d’autre part du remodelage de ces structures.


b. Le remodelage de la chromatine est essentiel à l’initiation de la transcription :

L’accessibilité de l’ADN aux facteurs de transcription ainsi qu’aux complexes initiateurs est un élément essentiel dans l’activation de la transcription. Les éléments architecturaux de la chromatine limitant cet accès, un "remodelage" de la chromatine est nécessaire, pour l’activation de la transcription. Le terme remodelage définit tous les événements qui altèrent la sensibilité aux nucléases d’une région de la chromatine (Aalfs and Kingston, 2000). Ce remodelage nécessite ou non une source d’énergie (ATP), et peut impliquer des modifications post-traductionnelles des histones et en particulier de leurs extensions. Les événements aboutissant au remodelage sont variables selon les promoteurs. De façon générale, l’activation de la transcription implique la fixation d’un facteur de transcription qui recrute le complexe de remodelage. La machinerie transcriptionnelle en phase d’élongation contient une activité histone acétyltransférase (elongator) ; elle pourrait donc, elle aussi, participer au remodelage (Cho et al., 1998 ; Orphanides and Reinberg, 2000).

A l’heure actuelle, une dizaine de complexes regroupés en deux grandes familles sont impliqués dans le remodelage dépendant de l’ATP, l’une basée sur les protéines SWI/SNF, et l’autre sur la protéine ISWI (Figure 6) (Aalfs and Kingston, 2000). Les deux complexes agissent sur l’accessibilité à l’ADN en faisant glisser les histones sur l’ADN, SWI/SNF pouvant, en plus, changer significativement la topologie de l’ADN enroulé autour des nucléosomes. Cette particularité pourrait être due à une différence dans la reconnaissance de leur substrat: ISWI reconnaît et se fixe essentiellement sur les nucléosomes, et agit notamment via les extensions des histones, créant ainsi un nucléosome plus mobile, alors que SWI/SNF peut se fixer de façon affine à l’ADN nu et déplacer ainsi physiquement les nucléosomes (Aalfs and Kingston, 2000). Cependant, la spécificité de chacun des complexes dans l’activation d’un gène donné n’est pas évidente.



Figure 6 : Deux familles de complexes de remodelage de la chromatine.
La sous-unité ATPase des complexes SWI/SNF est en vert, celle des complexes ISWI en bleu. Les sous-unités conservées dans les complexes SWI/SNF sont en violet, et ACF1 conservé parmi CHRAC, ACF et huACF est en bleu clair. Les sous-unités grisées ne semblent pas conservées. D’après (Aalfs and Kingston, 2000).



Différentes modifications post-traductionnelles des histones et notamment de leurs extensions semblent impliquées dans le remodelage (Figure 5B) (Berger, 2001). La plus étudiée est l’acétylation, les coactivateurs de la transcription étant associés à des activités acétyltransférases, alors que les co-répresseurs sont associées à des déacétylases. L’acétylation des histones sur les lysines aboutit à une neutralisation des charges positives des histones, qui pourrait induire une interaction plus faible de l’ADN avec les histones. D’autres modifications semblent impliquées dans la régulation de la transcription : phoshorylations (notamment nécessaires lors de la condensation associée à la mitose), méthylations (importantes pour éteindre l’expression de certains gènes dans un contexte cellulaire spécifique), et même ubiquitinations (en relation avec TAFII250) (Figure 5). De plus, de nombreuses données sont en faveur d’une régulation combinée de ces modifications : par exemple, la phosphorylation de la sérine 10 de l’histone H3 augmente l’acétylation par GCN5 de la lysine 14 (Cheung et al., 2000; Lo et al., 2000) ; d’autre part, la méthylation de la lysine 9 de la même histone, inhibe la transcription, en inhibant la phosphorylation de la sérine 10 (Rea et al., 2000).

Deux modèles non exclusifs peuvent expliquer l’effet de ces modifications sur la transcription. D’une part, les changements biochimiques apportés par ces modifications (charge, encombrement stérique) peuvent altérer les interactions entre les nucléosomes, mais aussi à l’intérieur même du nucléosome, les interactions entre l’ADN et les histones (Annunziato and Hansen, 2000). D’autre part, l’addition de groupements sur les histones pourrait aboutir à une modification de la surface d’interaction, et donc un recrutement différentiel de cofacteurs, et notamment des complexes de remodelage (Strahl and Allis, 2000).

Le remodelage de la chromatine libère donc l’accès aux promoteurs, ce qui permet la formation d’un complexe dit de pré-initiation (PIC), comprenant l’ARN polymérase et ses différents cofacteurs.


I.2. Le complexe de pré-initiation de la transcription (PIC).

II. Les éléments régulateurs.

III. L’architecture nucléaire organise la transcription.


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