Généralités sur la transcription initiée par la polymérase II

II.3.1 Les différentes étapes de la transcription par la polymérase II

La transcription est le mécanisme permettant la synthèse d’un ARN à partir d’une séquence d’ADN. Dans le cas des ARNm, elle est réalisée par l’ARN polymérase II. La transcription est schématiquement divisée en trois étapes : l’initiation, l’élongation et la terminaison (Figure 8) (Liu et al. 2013). Lors de l’initiation, les sites TSS (Transcription Start Site) des promoteurs des gènes transcrits sont reconnus permettant le recrutement de l’ARN polymérase II au niveau des promoteurs des gènes. La polymérase II marquera ensuite une pause pendant laquelle la coiffe sera placée sur l’ARN naissant (Mandal et al. 2004; Kwak & Lis 2013). L’élongation proprement dite va alors démarrer et l’ARN polymérase II va avancer le long du fragment d’ADN en ajoutant les nucléotides à l’ARN en cours de synthèse (Kwak & Lis 2013). Lorsque la polymérase II atteint la fin du gène, les étapes de terminaisons se mettent en place (Porrua & Libri 2015). Pendant la terminaison, un complexe est recruté permettant le clivage de l’ARNm naissant au niveau d’un site de poly-Adénylation (Porrua & Libri 2015). De nombreuses adénines seront alors déposées afin de former la queue poly-A. Cette dernière jouera un rôle important dans la stabilité de l’ARNm et va être impliquée dans le recrutement des facteurs impliqués dans l’export des ARNm vers le cytoplasme (Dunn 2005). La polymérase II, quant à elle, pourra continuer à transcrire sur une courte distance d’environ une centaine de nucléotides avant de se détacher de la chromatine (Porrua & Libri 2015).

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Figure 8 : Etapes de la transcription par l’ARN polymérase II

Lors des étapes de l’initiation, l’ARN polymérase II est recrutée au niveau du promoteur du gène et va commencer à transcrire l’ADN en ARN. Une fois arrivée au niveau du transcription start site, l’ARN polymérase II marque une pause pendant laquelle l’ARN naissant est modifié de manière à ajouter la coiffe sur sa partie N-terminal. Cette pause marque la fin de l’initiation et le début de la phase dite d’élongation qui correspond à l’étape où le gène est véritablement transcrit. Enfin, l’arrivée de l’ARN polymérase II au niveau du site de polyadénylation marque la phase de terminaison où l’ARN est libéré et poly-adénylé. Cette figure est adaptée de la figure 1 de cet article (Egloff & Murphy 2008).

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II.3.2 Rôle de la chromatine sur la transcription

Pour bien comprendre les régulations de la transcription, il faut prendre en compte que dans les cellules, l’ADN est enroulé et compacté au sein de structures appelés histones (Berr et al. 2011). L’ADN et les histones forment des structures appelées nucléosomes qui constituent la chromatine. Les histones sont composés de quatre dimères H2A, H2B, H3 ou H4 possédant des régions chargées interagissant avec l’ADN (Berr et al. 2011). La partie N-terminal des histones est ciblée par de nombreuses modifications post-traductionnelles jouant un rôle important dans de nombreux mécanismes dont la régulation de la transcription (Shogren-Knaak et al. 2006; Ding et al. 2012; Wagner & Carpenter 2012; Fromm & Avramova 2014). Dans cette partie, je me focaliserais uniquement sur les marques ciblées par les protéines dont je parlerai lors de cette thèse.

L’acétylation des histones

L’acétylation des histones est associée à des zones transcriptionnellement actives. Ainsi, cette marques est retrouvée au niveau des gènes transcrits et est absente des gènes qui ne le sont pas (Hebbes et al. 1988).

Cette modification post-traductionnelle est réalisée sur une lysine par des HISTONES ACETYL TRANSFERASES (HAT). La présence de cette acétylation neutralise les charges des nucléosomes et est nécessaire à la décompactions de la chromatine in vitro. Cette décompaction est importante puisqu’elle favorise l’accès de la Polymérase II à l’ADN et augmente ainsi la transcription (Figure 9) (Shogren-Knaak et al. 2006). De plus, les protéines possédants un domaine bromo-domaine pourront reconnaître et fixer les histones acétylés afin de réguler la transcription (Ladurner et al. 2003).

La marque est retirée par des HISTONES DEACETHYLASES (HDAC). Ces protéines induisent donc la compaction de la chromatine et jouent un rôle inhibiteur sur la transcription (Murfett

et al. 2001; Probst et al. 2004; Yu et al. 2011). HDA6 est impliquée dans la répression

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Figure 9 : Lien entre l’acétylation des histones, la condensation de la chromatine et l’expression des gènes

L’acétylation va être ajoutée par les histones acétyltransférases (HAT) au niveau des résidus lysines présentes sur les queues des histones. Cette modification inhibe la compaction des histones en hétérochromatine. La chromatine décondensée facilite l’accès à l’ARN polymérase II permettant ainsi l’expression des gènes. Le retrait de l’acétylation est réalisé par des histones déacéthylases (HDAc). Cette figure est tirée de la figure 4 de cet article (Verdin & Ott 2014). La méthylation de la lysine quatre de l’histone H3 (H3K4me -0, -1, -2, -3)

La lysine quatre de l’histone H3 (H3K4) peut être décorée par des méthylation dont le nombre varie entre 0 et 3. Cette lysine peut donc présenter quatre états différents. Chez Arabidospis

thaliana, les études sur l’état global de la chromatine en regard de l’expression des gènes qui

y sont associés montrent que les marques H3K4me2/3 sont généralement retrouvées au niveau du TSS des gènes activement transcrits (Santos-Rosa et al. 2002; Roudier et al. 2011). Il a été montré que les histones méthyl-transférases responsable de la mise en place de la marques étaient recrutées au moment de la pause de la polymérase II au niveau du TSS (Ng

et al. 2003; Ding et al. 2012). Elles permettent de favoriser le passage de la phase d’initiation

à la phase d’élongation et sont donc impliquées dans l’activation de la transcription (Ding et

al. 2012).

L’enlèvement de la marque est réalisée par des histones déméthylases qui ont été classées en deux catégories suivant la réaction catalysée par l’enzyme (Xiao et al. 2016). La première catégorie contient les LYSINES-SPECIFIC-DEMETHYLASEs (LSD) (Greenberg et al. 2013) et la seconde correspond aux protéines JUMONJI dont fait partie JMJ14 qui est l’objet de mon

45 travail (Jeong et al. 2009; Yang et al. 2010; Deng et al. 2015). En enlevant les marques favorisant la transcription, les LDS et les JMJ sont en général associées à de la répression transcriptionnelle.

La méthylation des cytosines

La méthylation des cytosines est une marque ciblant l’ADN. Cette marque est associée à de la répression transcriptionnelle lorsqu’elle est située au niveau du promoteur des gènes (Gendrel et al. 2002; Kankel et al. 2003; Li et al. 2011). Chez les plantes, la méthylation va pouvoir avoir lieu dans trois contextes nucléotidiques différents. Les cytosines pourront être trouvées en contexte C-G, C-H-G ou C-H-H avec H pouvant être une adénine, une cytosine ou une thymine (Feng et al. 2010). Chez les plantes, les cytosines méthylées sont présentes majoritairement au niveau des transposons et des séquences répétées (Feng et al. 2010). Des cytosines méthylées en contexte CG sont aussi retrouvées au niveau du corps du gène et sont absentes des régions proche du TSS (transcription start site) ou de la zone terminatrice de la transcription (Feng et al. 2010). Cette méthylations intra-géniques serait présente pour empêcher le démarrage de transcriptions à partir de promoteurs cryptiques situés dans la phase ouverte de lecture du gène (Feng et al. 2010).

Chez les plantes la méthylation do novo est majoritairement mise en place par la protéine DRM2 lors de la RdDM (Naumann et al. 2011). Une fois mise en place, elle est maintenue par plusieurs enzymes. MET1 est impliquée dans la maintenance des cytosines en contexte CG. CMT3 est impliquée dans la maintenance des cytosines en contexte CHG (Cokus et al. 2008) alors que CMT2 possède un effet important sur les méthylation CHH (Stroud et al. 2013a). Chacune de ces enzymes dépend de la protéine DDM1 qui va permettre aux méthyltransférases l’accès à l’hétérochromatine (Zemach et al. 2013).

Les méthylations sont retirées grâce aux protéines de la famille DEMETER (ROS1, DML2 et DML3) (Choi et al. 2002; Gong et al. 2002) par un mécanisme entrainant l’excision et le remplacement de la cytosine méthylée (Law & Jacobsen 2010).

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