La découverte des SMCs

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Chapitre III : Un complexe de la famille des SMCs : la cohésine

B. La découverte des SMCs

Le terme SMC fut employé pour la première fois en 1985 par Larionov et al. lors de l’identification chez la levure S. cerevisiae d’un gène impliqué dans la stabilité des mini-chromosomes centromériques. Ils le nomment alors SMC1 pour « Stability of Mini-Chromosomes » (Larionov et al., 1985). Quelques années plus tard, Niki et ses collaborateurs recherchent par crible génétique des gènes impliqués dans la partition des chromosomes chez la bactérie E. coli. Ils mettent en évidence le gène mukB (du japonais « mukaku » pour « sans noyau », (Hiraga et al., 1989)), codant pour une protéine composée de longues répétitions coiled-coil séparées par un domaine central, et de domaines terminaux capables de lier l’ATP (Niki et al., 1991). L’année suivante cette protéine est visualisée par MET (Niki et al., 1992). Les auteurs décrivent deux conformations pour la protéine : une étirée en forme de bâtonnet (ou de I) ou une repliée en forme de V. Ils concluent que la protéine MukB est capable d’homodimérisation, avec un alignement parallèle des coiled-coil (i.e. les extrémités N-terminales et C-terminales des deux protéines seraient situées de part et d’autre du domaine charnière, voir Figure 15a). Sur la base de sa séquence primaire, il apparaît que la protéine Smc1 de levure possède la même architecture que MukB, composée de répétitions coiled-coils et de domaines terminaux liant l’ATP (Strunnikov et al., 1993). Cette protéine est essentielle pour la ségrégation des chromosomes et son absence provoque un arrêt des cellules en mitose (Strunnikov et al., 1993). En 1994, Hirano et al. identifient sur les chromosomes mitotiques de xénope des protéines homologues à Smc1/MukB (Hirano and Mitchison, 1994). Leur déplétion

engendre la désorganisation massive des chromosomes qui n’apparaissent plus en microscopie à fluorescence comme des fibres distinctes mais forment des amas diffus appelés « puffs ». Les auteurs décrivent alors ces protéines comme impliquées dans la « condensation » des chromosomes. La même année, des protéines homologues aux Smc sont également identifiées chez la levure à fission S. pombe (Saka et al., 1994) et chez le poulet (Saitoh et al., 1994). Dans cette dernière étude, les auteurs mettent en évidence que les sites de liaison et d’hydrolyse d’ATP sont chacun situés dans les deux domaines terminaux des protéines Smc. Afin de permettre la reconstitution d’un site fonctionnel, ils proposent que les coiled-coils s’associent de manière antiparallèle (i.e. qu’un domaine C-terminal soit juxtaposé à un domaine N-terminal, (Saitoh et al., 1994), Figure 15b). Puis sur la base d’alignements de séquences entre le gène SMC1 et les séquences annotées du génome alors disponibles, un second gène codant pour une protéine Smc est identifié chez la levure S. cerevisiae, SMC2 (Strunnikov et al., 1995). Cette protéine, également requise pour la ségrégation des chromosomes, est décrite pour son rôle dans la condensation des chromosomes. Alors que la déplétion de Smc1 n’a que peu d’effets sur la condensation des chromosomes, les auteurs ont proposé l’existence, au sein des protéines Smc, de « sous familles aux fonctions biologiques différentes, même si leur similarité structurale suggère des activités biochimiques primaires communes » (Strunnikov et al., 1995). L’acronyme SMC est alors redéfini

« Structural Maintenance of Chromosomes » (Strunnikov et al., 1995). Les années suivantes, de plus amples investigations permettent une meilleure caractérisation des deux complexes cohésines et condensines. Les condensines sont décrites chez le xénope par Hirano et ses collaborateurs comme un complexe multi protéique composé de deux protéines Smc et de trois protéines auxiliaires. Les auteurs confirment leur rôle par des expériences ex vivo de condensation des chromosomes incubés avec des condensines purifiées (Hirano et al., 1997). Les sous-unités des cohésines sont identifiées dans des cribles génétiques recherchant des facteurs impliqués dans la séparation précoce des chromatides sœurs (Guacci et al., 1997; Michaelis et al., 1997). Cependant, ce n’est qu’en 1998 que Losada et al. caractérisent chez le xénope deux complexes Smc aux propriétés distinctes : les condensines qui condensent le génome lors de la mitose et les cohésines qui sont requises dans des étapes plus précoces du cycle cellulaire afin de maintenir la cohésion des chromatides sœurs (Losada et al., 1998). De manière concomitante, des études de MET confirment l’association antiparallèle des coiled-coils dans les hétérodimères de protéines Smc (Melby et al., 1998). Cependant, il est suggéré que les deux sous-unités interagissent entre elles sur

toute leur longueur (Figure 15b). Il faut attendre 2002 et les études cristallographiques de Haering et al. sur les cohésines pour prouver que le repliement des Smc est intramoléculaire et que les deux sous-unités interagissent seulement via leur domaine charnière ((Haering et al., 2002), Figure 15c).

Cette étude en association avec celle de Gruber et al. menée in vivo permet une découverte majeure dans le domaine des SMC : la cohésine forme un anneau composé d’un hétérodimère de Smc et d’une troisième sous-unité associée aux deux têtes ATPasiques ((Gruber et al., 2003; Haering et al., 2002), Figure 15c). Un nom générique est alors attribué à la troisième sous-unité des complexes SMC, celui de « kleisin » (du grec « fermé ») (Schleiffer et al., 2003). Une protéine kleisin est définie comme composée de deux domaines N et C terminaux globulaires qui interagissent avec les protéines Smc et séparés entre eux par un « linker » moins structuré (Gruber et al., 2003;

Schleiffer et al., 2003). Dès 1999, Uhlmann et al. ont montré que la séparation des chromatides sœurs lors de l’anaphase nécessitait le clivage de la sous-unité kleisin des cohésines (Uhlmann et al., 1999). Puis, dans une seconde étude Uhlmann et al. ont induit le clivage artificiel de la kleisin par la protéase du virus du tabac (TEV) (Uhlmann et al., 2000). Le fait que cela induise la perte de cohésion des chromatides sœurs suggérait que cette dernière était établie par l’embrassement topologique de l’ADN à l’intérieur de l’anneau (Uhlmann et al., 2000). Cette hypothèse d’embrassement topologique a été confirmée par Ivanov et al. en 2005 puis par Haering et al. en 2008 ((Haering et al., 2008; Ivanov and Nasmyth, 2005), Figure 15d). Enfin, en 2014 Gligoris et al. mettent en évidence que la dissociation de l’interface entre la kleisin est Smc3 est nécessaire pour la sortie de l’ADN hors de l’anneau (Gligoris et al., 2014). Le mécanisme de maintenance de la cohésion par les cohésines est alors dévoilé.

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