ARN non-codants

a. Petits ARN non-codants

D éfinition

Les petits ARN non codants (sncARN) sont définis che z les eucaryotes com m e de s ARN d’environ 20 à 30 nucléotid es. Il existe plusie urs typ es de s ncAR N dont la définition re pose sur d e no mb re ux éléme nts tels que le ur taille , leur bio génèse , leur mod e d’action ou le type d e protéine Argona ute (A go) avec lesquelles ils interag issent. Le pre m ie r sncARN, lin-4, a été identifié par crible génétiq ue chez C. elega ns et joue un rôle dans la régulation négative d u niveau d e traduction d e la protéine LIN-14 e ntre le de rnier stad e e m b ryonnaire et le p re m ier sta de la rvaire [Le e et al., 1993 ; W ig htma n et al., 1993]. D epuis plusie urs années , le nom bre d e petits ARN caractérisés ne cesse d’a ugm e nter grâce au séquenç ag e haut-débit d’ARN triés par taille (sm allRNA-s eq ) [Lagos-Q uintana et al., 2001 ; Lau et al., 2001 ; Lee et Am bros, 2001]. Les avancées récente s dans le domaine d u séquenç ag e et de la prédiction bioinformatique [Lai et al., 2003 ; Nam et al., 2005 ; Li et al., 2006 ; H uang et al., 2007] des sncARN a permis la déco uverte de nouvea ux sncAR N, mêm e faiblem ent représentés. Les fonctions des sncARN sont très diverses, allant de la form ation d’hétéch rom atine à la déstabilisation et à la rég ulation tra ductionnelle des ARN m es sagers [Chu et Rana, 2007 ; Filipowicz et al., 2008]. Ils participent égale me nt à d e s processus biologiq ues très divers dont notam me nt le dévelo pp em ent, la différe ntiation des cellules, leur prolifération et leur m ort, le silencing des tra nsposons ainsi q u’a u système imm unitaire anti-v iral. Au m oins trois class es de sncARN sont actuellem e nt caractérisées chez

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les anim aux : les m icro-AR N (miARNs), les petits ARN interférant endog ènes (e ndo-siARNs ou es iARNs ou siARN), et les ARN inte ragiss ant avec les protéines Piwi (piARN). Les miARN étant d es éléme nts régaleurs post-transcriptio nn els, seuls les p iARNs et les siARNs sont considérés com me des rég ulate urs épigénétiques, et c’est donc à ces derniers que nous allons maintenant nous intéress er.

L es petits ARN interféra nt

Les siARNs sont des sncARN de 21 à 2 4 nt prod uits à partir d e longs ARN d ouble brins (dsARN), considérés comm e des précurseurs et issus de transposons, de transgènes , d’éléme nts répétés (siARN endogènes) ou de virus (siARN exogènes). Les dsARN précurse urs des siARN produits par ces éléme nts endogènes ou e xogènes sont coup és par la Ribonucléase RNase III D icer en d uplex de siARNs de 22 à 23 nt de long co mporta nt de ux nucléotides cohés if en 3’[Za more et al., 2000 ; Parrish

et al., 2000 ; Elbas hir et al., 2001 ; B ernstein et al., 2001 ; Song et al., 2003]. Les d uplex de siARN sont pris en charge par d es protéines de la famille AG O s’ass ociant à la partie 3’ d es siARN à l’aide du domaine MID , et à la partie 5’ grâce à un domaine P IW I-AG O -ZW IL LE (PAZ) [Ma et al., 2004, 2005 ; W ang et al., 2009]. Les siARNs ainsi chargés vont guider la protéine AG O ainsi que des com plexes protéiques as sociés (D icer, R2D 2) au niveau d ’ARN com plém entaires d e la séq ue nce d u siARN qui s o nt ainsi m arq ués po ur du sile ncing transcriptionnel, o u une rép ression tra ductio nne lle [Ha m mo nd et al., 2001 ; H utvág ner et Zam ore, 2002 ; Meister et al., 2004]. Chez les plantes , Schizosaccharomyces pom be, T etra hym ena thermophile et Caenorhabditis elega ns, les protéines AG O

guidées pa r des siARN recrutent une ARN polyméra se ARN dépende nt (RdRP), utilisant l’ARN cible com me bas e pour synthétiser un dsRNA converti p ar la protéine D icer en d e nouvea ux siARNs, amplifia nt ainsi l’effet RNAi de ces derniers [D almay et al., 2000 ; Sijen et al., 2001 ; Baulcom be , 2004 ; Motam e di et al., 200 4].

En terme d e fonctions biologiques en lie n avec des régulations épigénétiq ues, che z la plante Arabidops is thaliana, d es siARNs de 24 nucléotides régule nt la m éthylation de l’AD N de novo ainsi que sa mainte na nce au niveau des s ites CHH , en étant dépe nda nt de de ux RNA polyméras es II (RNA Pol II) spécifiques des pla ntes : R NA Pol IV et RNA Pol V [Ream et al., 2009 ; Matzk e et M osher, 2014]. C hez S. pombe, une d élétio n d’un des gènes ago 1+, dcr1+ ou rd p1+ – codant resp e ctivem ent pour des protéines AG O , D icer et RdRP – provoque une diminutio n de la form ation d’hétérochro matine au niveau des régio ns périce ntromériq ues, accompag née d’une réd uction globale de la méthylation de la Lysine 9 des histones H 3 (H3K 9m e1/2/3). Certains organism es co mm e les mam mifères ou D . mela nogaster ne s e m ble nt pas prés enter d e RdRP. C epe ndant ces orga nism es prése ntent une a utre

classe de petits ARN non-codants, les PIW I-inte ractions RNAs (piARNs) [Holoch et Moazed, 2015].

L es piwi interacting RNA

Les éléme nts génétiq ues m obiles tels que les transposons sont une menace constante pour l’intégrité du génome . Les piARN pro tège nt nota mm ent les cellules germ inales contre les transposons au cours de la formation de gamète s et lors de la fécondation afin de limiter la dissémina tion de ce s élém ents dans le géno m e d’organism es anima ux très divers co mme les m ouches , les poissons ou les

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mam m ifères. Les piARNs sont des sncARN de 25 à 33 nucléotides d e long, d ép e nda nt de la class e de protéine PIW I à laq uelle ils s’associent [Meiste r, 2013]. Les piARNs dérive nt de différe nts transposons dans le génom e, correspo ndant alors à des clusters de piARNs . Ces sncARN sont caractérisés par une grande dive rsité de séq ue nces couvrant de larges portions de ces différents trans posons [Siomi et al., 2011]. Les clusters d e piAR N sont transcrits de manière sens ou anti-se ns et les longs ARN s imple b rins prod uits à partir d e ces clusters servent de bas e de pro ductio n pour les p iARNs. D eux étap es principales sont im pliquées dans la pro duction des piARNs. La voie primaire de synthèse est chargée de prod uire les piARNs primaires dont la production est ensuite décu plée par un cycle d’am plification appe lé la boucle ping-pong [Siomi et al., 2011]. Au cours de la voie de synthèse p rimaire de bio génèse des piARNs, les longs ARN iss us des transposons sont d’a bord clivés par la nucléase Zucchini (Zuc) [Ipsaro et al., 2012 ; Nishimasu et al., 2012 ; Voigt et al., 2012], généra nt la term inaison 5’ des piARNs primaires . Les étap es de m aturation d e ces piARNs primaires ne sont pas encore bien connues, bie n que différents acte urs aie nt été id entifiés [ Siomi et al., 2011 ; Czech et Ha nno n, 2016]. Au m êm e titre que les siARNs, les piARNs contrib uent à des régulations épigénétiques, notam m ent en contrib uant à l’héritabilité épigénétique. Cette idée a été émis e pour la prem ière fois dans une étude dém ontra nt la nécess ité des piARNs au cours de la reprod uction, e n assurant le silencing de s transposons et la fertilité de la d escendance [Bre nneck e et al., 2008]. Chez la D rosophile au nivea u de l’hétéroch romatine, PIW I p eut être dirig ée contre une région d ’AD N génom iq ue ciblée par le piARN auquel elle est ass ociée. Lors de la reconnaissance d e cette région, PIW I recrute le rem o dele ur d e la chrom atine HP1α, q ui recrute q uant à lui l’histone m éthyltra nsféras e Su(var)3 -9 qui va alors déposer un groupe méthyle s ur la L ysine 9 de l’histone H3 pro che d e cette régio n [Bro we r-T oland et al., 2007 ; Hua ng et al., 2013]. Comm e expliq ué précéd e mm ent, cette marque va inhiber la fixation de l’ARN Pol II, inhiba nt de fait la transcription d e la régio n complém entaire d u piARN. Au niveau d e l’euchro matine, PIW Iest cap able de cibler d es transcrits naiss ant par com plém e ntarité avec la séquence d u piARN et de promouvoir le dépôt d’H 3K 9me1, soit par recruteme nt d’HP1α puis Su(var)3-9, soit par recrute me nt direct de cette d ernière ; ceci perm et une fois à nouvea u d’inhibe r la transcriptio n de la région ciblée, et cela dém ontre le lien existant entre piARN s et m écanismes épigénétiq ues [Bro wer-T ola nd et al., 2007 ; Huang et al., 2013 ; Ross et al., 2014].

b. Longs ARN non-coda nts

Certains ncARN font plus de 200 nucléotides et ne codent pas po ur d es protéines et sont ainsi considérés com me de longs ARN non-codants (lncA RN). C es derniers ont été découverts grâce aux avancées da ns le domaine du séquenç ag e ha ut-débit et de l’a nalyse d es donnée s de RNA-seq [Birney

et al., 2007 ; Ulveling et al., 2011 ; Rinn et C hang, 2012 ; G uttman et Rinn, 2012]. Ainsi, des transcrits ayant des pro priétés similaires aux ARN messag ers [G uttma n et al., 2009 ; D errie n et al., 2012] ont été identifiés, sans toutefois avoir la capacité d’être trad uits en protéines [Merce r et al., 2008 ; Clark et al., 2012 ; Yoon et al., 2 015]. D e par le ur d éfinitio n larg e sans lien e ntre leur structure et leur fonction, les lncARNs sont hétérogènes en terme de biogénès e [Zhang et al., 2014], de stabilité [K aus hik et al., 2013], d’a bondance [G uttm an et al., 2009 ; D errien et al., 2012] et d ’évolution [Hiriart et Verdel, 2 013 ; D iederichs, 201 4 ; Saayma n et al., 2014 ; T sai et al., 2015], et sont ainsi sup posés hétérogènes da ns

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leur m od e d e fonctionne m e nt [K handelwal et al., 2015]. B ie n q u’il soit difficile de déte rminer la proportio n des lncARNs qui es t fonctionnelle, des dizaines de lncARN (parmi les m illiers qui s ont annotés dans les géno m es) sont aujourd ’hui caractéris és com me jouant un rôle d ans la régulatio n de progra m m es géniques [Ma et al., 2013 ; Fatica et Bozzoni, 201 4].

Concerna nt le ur biogénèse , les lncARN pa rtag ent de nombreus es caractéristiq ue s avec celle des ARN message rs, comm e le ur synthès e par la RNAP II. Certains lncARNs ou class es de lncARN sont en revanche régulés différem me nt des ARNm ta nt au niveau de leur biog énèse, que de le ur maturation ou de leur dégra dation. Ce rtains lncARN peuvent être synthétisés de m a nière sens ou anti-sens par la RNAP IIau niveau de régions inte rgéniques, exo niques, au nivea u d e gènes, de p rom ote urs, d’e nhance r. Au nivea u d e régions introniques, ils so nt synthétisés par l’ARN poléymerase IV nucléaire au polyp eptide uniq ue (s p RNAP IV) [K ha nd elwal et al., 201 5]. C oncernant la localisation des lncARN dans la cellule, ce rtains d’e ntre eux p euve nt se retro uver a u nivea u d e la chro matine, d e do maines subnucléaires , du nucléoplasm e ou du cytoplas me, e t com porte nt donc des localisations bie n plus variées que les ARNm [Q uinn et C hang, 2016]. L’un des exe mples parm i les m ieux caractérisés de l’im plication d e lncARN d ans des mécanis m es épigénétiq ues correspond a u rôle d u « X inactive specific transcript » (Xist), orchestra nt l’inactivation d’un d es de ux chromosom es X (XC I) des fe m elles chez les m am mifères [Partridge et al., 2002 ; Verdel et al., 2004]. Le X ist fut tout d’abord ide ntifié car il est transcrit au niveau d u X inactivé, m ais pas au niveau d u X actif [T ill et al., 2007 ; El-Shami et al., 2007]. Puis il a été démontré que sa séque nce ne poss édait pas de cadre ouvert d e lecture [Motam edi

et al., 2004 ; El-Sham i et al., 2007], qu’il était localisé d ans le noyau [B ü hler et al., 2006] e n forma nt un uniqu e com partim e nt nucléaire recouvra nt le X inactif [Bü hler, 2009]. La délétion du Xist a ensuite permis de m ontrer un échec de l’initiation du XC I[Sugiyam a et al., 2007 ; Motame di et al., 2008]. La modification de la séque nce du Xist par délétion entraine une supp ression du rôle de silencing de la transcriptio n [Moazed , 2011] tandis que la modification de la localisation du X ist au niveau nucléaire em pêche égalem ent so n silencing. En outre, son ex pre ssion ectopique sur d’a utre s chromosomes est suffisante à entrainer un silencing de l’e xpression des gènes de ce s chromosom es [Horn et al., 2005 ; Hong et al., 2005]. C es études ont donc mo ntré que le lncARN Xist est une molécule d’ARN fonctionnelle re quis e pour le silencing de la tra nscription des gènes as sociés au chrom osom e X chez les m am mifères, en étant ass ocié à des enrichisse m ents de marq ues histones com m e H 3K 27m e3, et donc à des méca nismes épigénétiques. T out comm e le Xist, d’autres lncARN ont de larges effets sur l’express ion des gènes, sug géré par diverses études de perte de fonction [Zhang et al., 2008 ; G erace

et al., 2010 : 4 ; Li et al., 2011 ; Zaratieg ui et al., 2011]. C ’est nota mm ent le cas de HID 1 chez Arabidops is thaliana, un lncARN de 236nt im pliq ué da ns le processus photo morp hogéniq ue [W a ng et al., 2014]. Les m uta nts p our ce lncARN p rése ntant un phénotype hypop hotomorp hogénique en lumière rouge continue, H ID 1 serait capable d’inhiber l’expression du gène PIF3, un régulateur clé de la photomorp hog énèse m o dula nt la réponse d e la plante à la lumière, en se liant au promoteur de ce dernier [W an g et al., 2014 ; Liu et al., 2015].

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