I. Mécanismes de régulation de la transcription
I.5. d) Enhancers et promoteurs interagissent à longue distance à travers la formation de boucles d’ADN
I.5.d) Enhancers et promoteurs interagissent à longue distance à travers la formation de boucles d’ADN
Chez les métazoaires, les enhancers peuvent être situés très loin du gène qu’ils régulent. Certains éléments régulateurs de Krox20, par exemple, se trouvent à plusieurs centaines de kb de son promoteur. Pour d’autres enhancers, comme celui responsable de l’expression de Sonic hedgehog (Shh) dans le bourgeon du membre, la distance est de l’ordre du Mb (Sagai et al., 2005). Plusieurs modèles ont été proposés pour expliquer comment des enhancers aussi éloignés pouvaient activer la transcription. Par exemple, l’enhancer pourrait faire naître un signal d’activation qui se propagerait le long de la chromatine jusqu’au promoteur du gène et activerait son expression (Hatzis and Talianidis, 2002; Zhao and Dean, 2004). Sans exclure ce modèle, l’avènement et le développement des techniques 3C ont mis en évidence le rôle déterminant des interactions physiques entre enhancers et promoteur pour promouvoir la transcription, à travers la formation de boucles d’ADN (figure 6a, pour revue : Krivega and Dean, 2012). La formation de boucles chromosomiques a été étudiée en détail sur plusieurs locus de gènes, seuls ou en clusters, tels que les gènes de la globine α et β, la cytokine T helper 2 (TH2) ou l’interféron γ.
La formation de boucles d’ADN semble être nécessaire à la transcription. En effet, plusieurs études ont montré que celle‐ci corrèle précisément avec les contacts enhancers‐promoteur (Lomvardas et al., 2006; Amano et al., 2009) tandis que la perturbation de la formation des boucles, soit par l’inactivation des acteurs intervenant dans le mécanisme soit par l’insertion de séquences insulatrices (voir paragraphe suivant), modifie la production transcriptionnelle (Vakoc et al., 2005; Hou et al., 2008). Il est admis que ce sont les FTs qui promeuvent la formation de boucles d’ADN bien que les protéines impliquées n’aient été identifiées que dans un nombre restreint de cas. Une démonstration plutôt élégante de cette implication a été réalisée par l’équipe de Dimitris Thanos (Nolis et al., 2009). Dans cette étude, l’enhancer du gène IFNβ, situé normalement à proximité du promoteur, a été déplacé plusieurs kbs en amont où il n’est plus capable d’induire la transcription. Cette capacité est restaurée par l’introduction d’un site de fixation au FT SP1 à proximité du promoteur qui s’accompagne de la formation d’une boucle d’ADN entre le promoteur et l’enhancer. L’ajout de sites de fixation SP1 « parasite » entre l’enhancer et le promoteur va réduire cette induction transcriptionnelle en promouvant la formation de boucles non productives. La
Figure 6. Organisation spatiale au sein et entre les unités transcriptionnelles
a: la formation d’une boucle d’ADN, stabilisée par les complexes Mediator, cohésine et le CTCF, permet
l’association entre l’enhancer et le promoteur du gène Oct4 et sa transcription dans les cellules embryonnaires souches. D’après Ong et Corces, 2011.
b: modèle de transcription dans une usine à transcription avec des Pol II (croissants verts) immobilisées.
L’ADN est déplacé au fur et à mesure qu’il est lu par les Pol II. Les promoteurs des gènes sont représentés par des flèches coudées. L’ARN nouvellement synthétisé (jaune) est ensuite extrudé. D’après Sutherland et Bickmore, 2009.
a
stabilisation des boucles d’ADN fait intervenir la cohésine, un complexe protéique plus connu pour son rôle de maintien de la cohésion entre les chromatides sœurs au moment de la mitose, le complexe Mediator et la protéine CTCF dont nous reparlerons pour son rôle d’insulateur (Kagey et al., 2010).
Les mécanismes d’action par lesquels la formation de boucles promeut la transcription ne sont pas encore clairement élucidés aujourd’hui. Une première hypothèse est que cela favoriserait la concentration locale en facteurs recrutant la Pol II ou que la Pol II pourrait être transférée de l’enhancer au promoteur. À ce titre, il est intéressant de noter qu’une portion importante des enhancers est liée à la Pol II et transcrite à faible niveau (Kim et al., 2010). Il semble également que la formation de boucles soit associée à la relocalisation des gènes transcriptionnellement actifs au sein du noyau, typiquement depuis la périphérie vers des zones plus centrales (Chambeyron and Bickmore, 2004). Cette relocalisation est un prérequis à la transcription et implique des protéines ayant un rôle dans la formation de boucles, telles que Ldb1 (Song et al., 2010). Les gènes relocalisés rejoignent des compartiments spécialisés dans le noyau qui sont enrichis en Pol II : les usines à transcription (figure 6b). D’une façon rappelant la répression par les Polycomb, les gènes hautement co‐ exprimés s’associent au sein des mêmes usines à transcription indépendamment de leurs positions dans le génome. Par exemple, les gènes régulés par le facteur KLF1, dont la globine β, co‐localisent au sein d’usines spécialisées enrichies en facteurs KLF1 (Schoenfelder et al., 2010). Cette étude montre aussi que KLF1 est nécessaire au regroupement de ces gènes au niveau des usines à transcription, soulignant le rôle actif des FTs dans ce phénomène.
Récemment découvertes, les usines à transcription viennent redéfinir notre conception de la transcription chez les métazoaires. Ainsi, plutôt que des Pol II libres dans le noyau qui viendraient s’assembler au niveau des gènes s’exprimant, ce sont plutôt les locus des gènes activés transcriptionnellement qui migreraient vers des compartiments spécialisés dans la transcription et spécifiques des FTs qui les régulent. Il est même proposé que les Pol II seraient immobiles dans les usines à transcription et que ce sont les matrices ADN des gènes qui seraient enfilées dans les Pol II au fur et à mesure de la transcription. Bien entendu, il est possible que ces deux mécanismes coexistent au sein des noyaux eucaryotes.
I.5.e) Les insulateurs séparent les territoires chromatiniens et confinent l’action des