Domaines accessoires, ciblage des enzymes SF

L’hélicase ARN eIF4A est un exemple rare de protéine SF2 dans laquelle la chaîne polypeptidique est limitée au seul cœur catalytique composé des deux modules « RecA-like » (Caruthers et al., 2000). En effet, la majorité des membres de cette famille possède des domaines accessoires. Leur architecture est très diverse et ils peuvent être situés aussi bien en partie N-terminale, à l’intérieur du module « RecA-like » ou à l’extrémité C-terminale de celui-ci. Ces domaines modulent l’activité enzymatique en ciblant la protéine sur un substrat spécifique, ou en modifiant les fonctions catalytiques de celle-ci.

Des fonctions accessoires importantes des enzymes SF2 sont ainsi fournies par des interactions avec des protéines partenaires, et par conséquent, ces moteurs protéiques se retrouvent souvent in vivo à l’intérieur de large complexe macromoléculaire.

(a)

• La protéine RecG

La fonctionnalité du cœur catalytique d’une enzyme SF2 peut être modifiée si la protéine est ciblée sur une structure d’acide nucléique particulière. Ce principe est illustré par la structure de l’hélicase SF2A" RecG, qui catalyse la conversion de fourche de réplication en jonction de Holliday (McGlynn and Lloyd, 2002). La structure du cristal de RecG complexée à un ADN branché tripartite, dont la structure mime une fourche de réplication (Singleton et al., 2001), révèle trois domaines (Figures 8d-e). Le premier domaine est un domaine accessoire qui fournit la spécificité de cette protéine à une structure d’ADN branchée, en se liant à la jonction de la fourche à trois branches. Ce domaine dirige l’ADN double-bin parental (celui qui doit être répliqué) vers les deux derniers domaines « RecA-like » qui composent le cœur catalytique de RecG.

Cette structure permet de proposer un modèle de déroulement des fourches de réplication par la protéine RecG (Figure 10). Dans ce modèle, l’hydrolyse de l’ATP entraîne

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un changement conformationnel entre les deux modules « RecA-like », qui conduit à une translocation de la protéine RecG le long duplex d’ADN parental. La polarité de translocation amène les deux brins fils en direction du domaine accessoire, qui va agir à la manière d’une « cale ». De cette manière, les deux brins néosynthétisés sont désappariés de leur brin matrice successif. Le cycle se répète plusieurs fois de façon à ce que les deux brins néosynthétisés puissent s’apparier ensemble pour former une structure à quatre branches similaires aux jonctions de Holliday.

• La protéine UvrB

Un autre exemple vient de la protéine UvrB, qui intervient dans le mécanisme de réparation par excision-resynthèse de nucléotide chez la bactérie. Cette protéine agit au sein du complexe UvrABC qui reconnaît et coupe spécifiquement des zones d’ADN lésées, qui seront ensuite réparées par des mécanismes de synthèse d’ADN (Van Houten et al., 2005).

Le complexe UvrAB lie spécifiquement un ADN endommagé par l’intermédiaire de la protéine UvrA. La liaison à l’acide nucléique induit l’hydrolyse d’ATP par la protéine UvrB qui provoque un relargage de la protéine UvrA. Le complexe UvrB/ADN recrute alors la nucléase UvrC qui excise la zone lésée en coupant de part et d’autre de la zone recouverte par l’enzyme UvrB.

Le cristal de la protéine UvrB a mis en évidence la présence d’une structure en épingle à cheveux, qui s’échappe du module « RecA-like » N-terminal et s’insert entre les deux brins d’ADN duplex à la manière d’un crochet (Theis et al., 1999). Ce domaine confère à l’hélicase UvrB une spécificité pour la réparation d’ADN endommagé, sa fonction étant de clamper la protéine UvrB aux sites de lésion de l’ADN, formant un complexe stable qui recrute la nucléase UvrC.

• Les protéines recQ-like

De la même façon, les hélicases de la famille RecQ-like contiennent de nombreux domaines accessoires de liaison à l’ADN, qui peuvent être impliqués dans le ciblage vers des substrats particuliers (Bennett and Keck, 2004). Ces hélicases de polarité 3’-5’ jouent un rôle majeur dans le maintien de l’intégrité des génomes en fonctionnant à l’interface des mécanismes de RH et de réplication.

La plupart des membres de la famille RecQ possède, en plus des deux modules « RecA-like », un domaine C-terminal (appelé RecQ-C-terminal) conservé des procaryotes

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jusqu’à l’homme, spécifique de cette famille. La structure du domaine RecQ-C-terminal de la protéine RecQ d’Escherichia Coli montre qu’il est composé de deux éléments, une plateforme composée de quatre hélices ! qui lie un ion Zn2+ via quatre résidus cystéine, et un domaine WH (winged-helix) qui partage des similarités structurales avec plusieurs protéines de liaison à l’ADN (Bernstein et al., 2003).

Le domaine RecQ-C-terminal est essentiel puisqu’il est requis pour une bonne conformation tridimensionnelle des protéines recQ-like, et qu’il est impliqué dans la liaison à l’ADN et à d’autres partenaires protéiques (Berg and Shi, 1996; Brosh et al., 2000; von Kobbe et al., 2003). Par ailleurs, le domaine WH joue un rôle particulier puisqu’il a été montré comme interagissant préférentiellement à des jonctions de Holliday (Zlatanova and van Holde, 1998). Ce domaine pourrait ainsi cibler les protéines RecQ-like vers ce type de structures d’ADN branché qui sont des cibles préférentielles pour ces hélicases (Constantinou et al., 2000; Harmon and Kowalczykowski, 1998; Karow et al., 2000). Les détails structuraux de cette éventuelle interaction ne sont pas connus.

• L’hélicase ARN à boîte DEAD DbpA

Les données biochimiques sur l’hélicase DbpA constituent un autre exemple montrant comment un domaine accessoire d’une hélicase cible un substrat particulier in vivo. La protéine DbpA est une hélicase impliquée dans la maturation des ARN ribosomiques. Elle est la seule membre de la famille des hélicases ARN à boîte DEAD qui montre une activité ATPase spécifiquement induite par de l’ARN ribosomique 23S (Tsu and Uhlenbeck, 1998). Cette particularité est due à une interaction spécifique de DbpA avec la structure en tige- boucle 92 de l’ARNr 23S via un domaine situé à l’extrémité C-terminale du cœur catalytique (Tsu et al., 2001). En accord avec ces résultats, une étude cinétique a montré que l’hélicase DbpA déroule spécifiquement et de manière non-processive un substrat contenant une structure similaire à la tige-boucle 92 de l’ARNr 23S (Diges and Uhlenbeck, 2001).

(b)

Les membres de la famille Swi2/Snf2 (Flaus and Owen-Hughes, 2004) sont capables de déplacer et/ou de remodeler une grande variété d’interaction ADN/protéine (nucléosomes, ARN polymérase, la protéine TBP). En plus de contenir un cœur catalytique de type SF2", les membres de la famille Snf2 peuvent posséder un domaine de liaison direct avec leur cible protéique (Grune et al., 2003). Ainsi, une translocation du moteur protéique SF2" le long du

Figure 11 : Modèle de translocation des enzymes Swi2/Snf2 et implication structurale pour le processus de remodelage ADN/protéine. Une rotation et une translation (flèches) de l’ADN catalysée par le cœur catalytique composé des deux modules RecA-like (orange), associées à une liaison du substrat remodelé (brun) via un domaine accessoire (bleu), entraînent une torsion de l’ADN duplex qui peut conduire à un remodelage.

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duplex ADN dans une direction opposée ou vers le substrat protéique, associée à une interaction entre l’enzyme et le substrat protéique, va entraîner une torsion de l’ADN duplex. Ce phénomène de torsion (schématisé Figure 11) peut jouer un rôle important dans le mécanisme de remodelage nucléoprotéique (Durr et al., 2005; Flaus and Owen-Hughes, 2004).

Une meilleure compréhension de ce processus requiert des connaissances sur la position relative qu’adoptent les domaines d’interaction avec les substrats protéiques, par rapport au cœur catalytique de l’enzyme. Mais pour aucune des enzymes de la famille Swi2/Snf2, de telles informations structurales ne sont disponibles à ce jour. Cependant, la structure du facteur bactérien Mfd révèle la présence d’un moteur protéique de type SF2 couplé à un module d’interaction avec l’ARN polymérase (Deaconescu et al., 2006). Or, ce facteur est impliqué dans le couplage entre la réparation et la transcription, en déplaçant l’ARN polymerase d’un ADN matrice endommagé.

(c)

L’addition de domaines catalytiques complémentaires aux domaines hélicases peut fournir à la protéine motrice de nouvelles activités enzymatiques. Le cas le plus retrouvé chez les enzymes SF2 est l’association d’un domaine nucléase aux deux modules « RecA-like » (par exemple, la protéine WRN (Kamath-Loeb et al., 1998; Shen et al., 1998), la protéine d’archæ Hef (Komori et al., 2004), ou encore les endonucléases de restriction de type I).

Un autre exemple est fourni par la gyrase inverse des bactéries thermophiles. Cette protéine consiste en une fusion des deux modules « RecA-like » avec un domaine topoisomérase de type IA. L’association de ces deux types de domaines permet aux gyrases inverses de catalyser des superenroulements positifs d’ADN de manière ATP-dépendante (Declais et al., 2000; Rodriguez and Stock, 2002).