Le cycle des méthyles

Le cycle des méthyles comprend 4 étapes (Figure 17). La première réaction consiste en la synthèse de SAM, composé qui va être utilisé principalement pour permettre les réactions de méthylation cellulaires. Les méthylations SAM-dépendantes conduisent à la formation de SAH qui est convertie en Hcy puis recyclée en méthionine lors du cycle des méthyles.

a- La S-adénosylméthionine synthétase.

La S-adénosylméthionine synthétase (SAMS) (Figure 17, étape 4) catalyse la conversion ATP-dépendante de la méthionine en SAM, Pi et PPi. Chez toutes les plantes étudiées jusqu'à présent la SAMS est codée par une famille multigénique (Schroder et al, 1997). A titre d'exemple 4 gènes codant pour la SAMS ont été identifiés chez Arabidopsis. Aucune des séquences primaires de SAMS d'origine végétale ne possède de peptide d'adressage vers un organite, ce qui suggère une localisation exclusivement cytosolique de cette réaction, comme c'est le cas chez les autres organismes eucaryotes.

b- Les réactions de méthylations.

La SAM est au cœur du métabolisme C1 puisqu’elle est le donneur universel de groupements méthyles au cours des réactions de méthylation. Chez tous les organismes vivants, ces réactions touchent de nombreux métabolites et macromolécules telles que les acides nucléiques et les protéines.

Chez les procaryotes, l’ADN peut être méthylé au niveau des résidus adénine de certaines séquences qui sont alors protégées contre les enzymes de restriction. Ces méthylations participent également aux mécanismes de réparation de l’ADN, à sa réplication et à la régulation de l’expression de quelques gènes (Buryanov et Shevchuk, 2005).

Chez les eucaryotes supérieurs, l’ADN peut être méthylé non pas sur les adénines mais sur les résidus cytosine situés généralement au niveau d’îlots CpG. Cependant, les méthyltransférases de plantes ne ciblent pas spécifiquement ces îlots et ont la capacité d’agir sur des cytosines situées dans d’autres contextes. Les méthylations de l’ADN constituent les modifications chimiques les plus fréquentes des génomes eucaryotes et sont transmises de génération en génération. Chez les plantes, ces méthylations se retrouvent généralement au niveau de séquences répétées et de transposons. Lorsqu’elles interviennent au niveau des régions 5’ non codantes, elles sont, la plupart du temps, associées à une répression de l’expression du gène correspondant (Saze, 2008). Chez les mammifères, les méthylations de l’ADN jouent un rôle très important notamment lors du développement de l’embryon, dans la régulation de l’expression génique et dans l’inactivation du chromosome X. Une altération des méthylations de l’ADN entraîne donc de graves conséquences et est généralement associée au vieillissement de l’organisme et / ou aux premiers stades de l’apparition de cancers (Sulewska et al, 2007).

Outre les méthylations de l’ADN, les régulations épigénétiques peuvent être conduites via des modifications covalentes des histones. En effet, les histones peuvent être méthylées, mais également acétylées, phosphorylées et ubiquitinylées, sur certains résidus présents au niveau des extrémités C et N-terminales. Ces modifications modulent l’état de condensation de la chromatine mais n’entraînent pas obligatoirement une répression de l’expression des gènes concernés (Saze, 2008). En effet, de nombreuses équipes dans le monde étudient actuellement l’effet épigénétique des différentes modifications possibles des histones en fonction de la nature de la modification mais également de la position du résidu modifié. L’ensemble des combinaisons "nature de la modification / résidu modifié" constitue ce que l’on appelle le "code histone".

Il a également été démontré que de nombreuses protéines autres que les histones sont méthylées in vivo. Ces méthylations peuvent être portées par des résidus lysine et arginine internes à la séquence protéique mais ces modifications post-traductionnelles peuvent également intervenir au niveau des extrémités N et C-terminales des protéines. Même si le nombre de protéines méthylées est très important, à ce jour, le rôle de ces méthylations reste encore mal connu. Des études menées sur différentes protéines semblent tout de même indiquer que les méthylations protéiques touchent un grand nombre de fonctions au sein de la cellule. Ainsi, il semble que ces modifications interviennent lors de la transduction de signaux, de la prolifération cellulaire, de la synthèse de myéline (Paik et al, 2007). Il apparaît également que les protéines de choc thermique sont méthylées en situation de stress, que la méthylation des cytochromes c augmente leur stabilité in vivo. Les interactions protéine / protéine, ARN / protéine et protéine / membrane lipidique sont également influencées par les méthylations protéiques (Grillo et Colombatto, 2005).

Le métabolisme lipidique est lui aussi très largement concerné par les méthylations SAM- dépendantes. En effet, la phosphatidylcholine, qui est le phospholipide majeur des membranes biologiques, est synthétisé à partir de phophatidyléthanolamine par 3 réactions successives de méthylations (Vance et al, 1998).

D’autres réactions de méthylation sont spécifiquement présentes chez les plantes. Par exemple des réactions de méthylation sont nécessaires pour la formation de certains pigments photosynthétiques, comme les chlorophylles (Block et al, 2002), pour la synthèse de certains

constituants de la paroi comme les pectines (Goubet et al, 1998) et les lignines (Zhong et al, 1998). La biosynthèse des tocophérols (vitamine E) et des plastoquinones fait également intervenir des méthyltransférases SAM-dépendantes (Cheng et al, 2003).

Dans la plupart des situations physiologiques, le 5-CH3-THF est le dérivé de THF le plus

abondant au sein de la cellule, ce qui suggère que la demande en unités CH3 est très importante et

que les réactions de méthylations représentent le flux principal d’unités C1. A titre d’exemple, des expériences d’incorporation de méthionine radioactive chez Lemna montrent que seulement 19 % de la méthionine marquée se retrouve dans les protéines (Mudd et Datko, 1986). En revanche 75 % de la méthionine marquée est utilisée dans les réactions de transméthylation. Les méthylations lors de la synthèse des dérivés de l’éthanolamine, choline, phosphocholine et phosphatidylcholine, représentent 46 % de ces réactions, les méthylations des pectines 18 %, les méthylations de la chlorophylle 8 %, les méthylations des acides nucléiques 2 à 5 % et les réactions de méthylation des acides aminés 2 %.

Le nombre et la diversité des réactions de méthylations SAM-dépendantes au sein de la cellule expliquent que le génome d’Arabidopsis présente plus de 100 gènes codants pour des méthyltransférases.

c- La S-adénosylhomocystéine hydrolase.

La SAH produite au cours des réactions de méthylation est un inhibiteur compétitif des méthyltransférases SAM-dépendantes et doit donc être éliminée rapidement. Cette élimination est assurée par la S-adénosylhomocystéine hydrolase (SAHH) (Figure 17, étape 6) qui catalyse l’hydrolyse de la SAH en Hcy et adénosine. In vivo et dans des conditions physiologiques, l’équilibre thermodynamique de la réaction catalysée par la SAHH va majoritairement dans le sens de la synthèse d’Hcy (Pereira et al, 2007). Chez Arabidopsis, deux gènes codent pour des SAHH qui ne possèdent pas de séquence d’adressage identifiable et sont donc vraisemblablement localisées dans le cytosol.

d- Les méthionine synthases cytosoliques.

La MS intervient pour clore le cycle des méthyles en assurant une synthèse de méthionine à partir de l'Hcy régénérée dans le cytosol (Figure 17, étape 3). L'enzyme qui intervient dans le cycle des méthyles est différente de celle qui participe à la synthèse de novo de la méthionine puisqu'elle est située dans le cytosol. La MS cytosolique, dont il existe deux isoformes chez

Arabidopsis, possède une activité cobalamine-indépendante qui fonctionne exclusivement avec

les formes polyglutamates du 5-CH3-THF (Ravanel et al, 2004).