Les complexes récepteurs nucléaires-ADN

Les structures actuellement disponibles montrent une architecture moléculaire des complexes et illustrent l'adaptabilité des récepteurs tout en révélant certaines caractéristiques communes telles que leur conformation ouverte en forme de L avec une position asymétrique des domaines de liaison du ligand. Les données structurales informent sur le rôle important du promoteur et de la protéine qui s'articule dans l'organisation spatiale des domaines de liaison de l'ADN et du ligand. Elles donnent des informations importantes sur la manière dont l'ADN dicte la topologie du complexe et son asymétrie, remodelant ainsi les surfaces d'interaction en fonction des différents éléments de réponse.

L'étude du rôle de la phosphorylation dans le processus d'activation de RAR a fourni une première illustration de ce concept (Gaillard et al., 2006). Leurs partenaires (RXR ou USP) appartiennent à la classe I et forment des homodimères stables en l'absence de récepteurs nucléaires de classe II (Billas et al., 2001; Bourguet et al., 1995). Les récepteurs nucléaires interagissent avec les corépresseurs, les coactivateurs et d'autres cofacteurs protéiques qui participent à la transduction du signal de la machinerie transcriptionnelle (Bulynko and O’Malley, 2011). Plus de 300 cofacteurs primaires ou secondaires ont été identifiés (www.nursa.org), mais leurs rôles n’ont pas été complètement élucidés. Un modèle général propose que les récepteurs nucléaires non stéroïdiens forment des hétérodimères avec les RXR. En l'absence de ligand, les hétérodimères sont associés à des complexes corépresseurs avec une activité histone-désacétylase qui modifient la chromatine pour établir et maintenir un état transcriptionnel réprimé (Glass and Rosenfeld, 2000; Nagy et al., 1999).

En ce qui concerne l'étude structurale de récepteurs nucléaires comprenant l'essentiel du complexe, c'est-à-dire DBD et LBD, trois structures cristallines d'hétérodimères sont actuellement connues (PPARy/RXRα/ADN ; LXRβ/RXRα/ADN et RXRα/RARβ/ADN) (Chandra et al., 2008, 2017; Lou et al., 2014). Deux structures en solution de cryo-microscopie électronique (cryo-ME) sont également disponibles pour VDR/RXRα/ADN et USP/EcR/ADN (Maletta et al., 2014; Orlov et al., 2012). Une dernière structure en solution (RARα/RXRα/ADN/Med1) à basse résolution déterminé par SAXS/SANS/FRET (Rochel et al., 2011). Une structure cristalline d'homodimère (HNF-4α/HNF- 4α/ADN) lié à son ADN cible est également disponible (Chandra et al., 2013). Une dernière structure à basse résolution (ERα/SRC-3b/CARM1/p300/ADN), obtenue par cryo-microscopie électronique d'un complexe bien plus gros est également disponible (Yi et al., 2015, 2017). Les résultats illustrent la diversité des récepteurs nucléaires tout en révélant des caractéristiques communes à l'architecture moléculaire des complexes. Certaines corrélations fonctionnelles apparaissent.

Figure 22 : Complexes de récepteurs nucléaires avec leur ADN. A : Structure d'un hétérodimère USP/EcR/ADN (PDB : 4UMM

structure cryo-ME (Maletta et al., 2014)). B : Structure d'un hétérodimère VDR/RXRα/ADN (structure cryo-ME (Orlov et al., 2012)). C : Structure d'un hétérodimère PPARy/RXRα/ADN (PDB : 3DZU (Chandra et al., 2008)). D : Structure d'un hétérodimère LXRβ/RXRα/ADN (PDB : 4NQA (Lou et al., 2014)). E : Structure d'un homodimère HNF-4α/HNF-4α/ADN (PDB : 4IQR (Chandra et al., 2013)). F : Structure d'un hétérodimère RARα/RXRα/ADN/Med1 (structure SAXS/SANS/FRET (Rochel et al., 2011)). (Adaptée de Beinsteiner and Moras, 2015).

Introduction - La superfamille des récepteurs nucléaires

Les structures de solution ont été déterminées à l'aide d'approches intégratives combinant des méthodes de diffusion aux petits angles, de diffraction de rayons X (SAXS) et de neutrons (SANS), de techniques optiques comme le FRET avec des molécules marquées et de microscopie électronique (cryo-ME). A savoir que la méthode cryo-ME utilisée pour la détermination de la structure analyse une solution gelée qui préserve l'échantillon dans un état fonctionnel. Le SAXS et le SANS sont des méthodes structurales puissantes pour étudier les protéines multi-domaines flexibles en solution en évitant les artefacts de compression des cristaux (Petoukhov et al., 2013). Ils fournissent des enveloppes moléculaires pouvant être interprétées au niveau moléculaire lorsque des structures à haute résolution des domaines individuels sont disponibles, ce qui est le cas pour de nombreux récepteurs nucléaires, par contre il n'y a pas de structures à haute résolution pour les différents cofacteurs. Ces méthodes permettent donc de répondre sans ambiguïté à la question de la topologie correcte globale d'un complexe en solution. En outre, ils fournissent des informations supplémentaires importantes telles que la présence ou non d'un conformère en solution unique ou largement dominant et sa corrélation avec les modèles moléculaires proposés. La cristallographie fournit des informations à haute résolution sur la partie ordonnée des molécules mais repose sur l'existence de bons cristaux diffractant. La structure cristalline capture la conformation la plus favorable à la croissance cristalline et la structure cristalline fournit ainsi un instantané du conformère sélectionné. Ce dernier ne peut représenter qu'une petite fraction des conformères de la solution car le processus de cristallisation peut piéger et stabiliser une conformation non dominante en solution. En fait, des cas ont été rapportés dans la littérature où un contaminant, présent à moins de 5% de la préparation protéique, était cristallisé (Vesely et al., 2009).

Ces structures cristallines et la plupart des autres, telles que celles des récepteurs complets, ont été obtenues avec des séquences d'ADN consensus, extrêmement rares dans des séquences fonctionnelles réelles de promoteurs cibles. La première preuve structurelle de l’importance de la séquence réelle a été fournie par la structure cristalline des DBD USP/EcR liés aux demi-sites avec une répétition inversée espacée de 1 paire de bases (IR1), un élément de réponse ADN palindromique naturel. La comparaison de la structure avec celle obtenue en utilisant un élément de réponse consensus a montré comment le récepteur nucléaire EcR s'adapte aux modifications structurelles induites par l'ADN. Une partie de l'extension C-terminale (CTE) du DBD de EcR se replie en une hélice α dont l'emplacement dans le petit sillon ne correspond à aucun des emplacements précédemment observés (Jakób et al., 2007).

Dans un contexte cellulaire, les récepteurs nucléaires recrutent plusieurs coactivateurs séquentiellement pour activer la transcription. Ce recrutement « ordonné » permet d'effectuer les

différentes étapes nécessaires à la transcription. Le récepteur aux œstrogènes (ER) recrute le coactivateur primaire SRC-3 (Steroid Receptor Coactivator-3; coactivateurs des récepteurs stéroïdiens-3) et les coactivateurs secondaires, p300 / CBP et CARM1 (Histone AcetylTransferase p300 / CREB-Binding Protein et Coactivator-Associated Arginine Methyltransferase 1). Le recrutement de CARM1 est en retard par rapport à la liaison de SRC-3 et de p300 avec ER. Il existe un lien étroit entre les coactivateurs recrutés précocement et tardivement. Le recrutement séquentiel de CARM1 ajoute non seulement une activité arginine méthyltransférase au complexe, mais modifie également l'organisation structurelle du complexe ADN/ERα/SRC-3/p300 préexistant. Il induit un changement de conformation de la protéine p300 et augmente significativement l'activité histone acetyltransferase (HAT) de p300 sur les résidus de l'histone H3-K18, ce qui favorise l'activité de la méthylation de CARM1 sur les résidus H3-R17 pour améliorer l'activité transcriptionnelle (Yi et al., 2017).

Figure 23 : Modèle de la structure ADN/ERα/SRC-3/CARM1/p300 sur un segment de chromatine (Reproduit de Yi et al.,

Introduction - Le récepteur nucléaire orphelin ERR apparenté à ER