L’acétylation des lysines

Parmi les modifications de la chromatine, l’acétylation est catalysée par une famille d’enzyme nommées les acetyl-transferases. Celles-ci ont la capacité de transférer un groupement acétyle provenant du coenzyme A au groupe ɛ-amine à l’extrémité de la chaîne latérale de la lysine des queues des histones. Ces modifications sont généralement associées à l’activation de la transcription des gènes. En effet, elles vont fournir un site de fixation aux protéines possédant un bromo-domaine, hautement présent chez les protéines nucléaires interagissant avec la chromatine. L’acétylation est une modification facilement réversible, à l’aide d’histones

47 Figure 20 Les HATs. Morphologie générale de différents membres de chaque famille.

HAT1 (1bob) Esa (1fy7)

48 desacétylases. Ainsi la cellule possède du fait de l’action concomitante de ces deux enzymes un système de régulation de la compaction et donc de l’expression génique.

a) HAT/KAT: acetyltransferase enzyme

Bien que l’impact de l’acétylation des histones sur la transcription fût découvert dans les années 60, l’aspect enzymatique et l’importance des histones acétyle transférases (HAT) dans ces modifications ne furent décrits que plus de 30 ans plus tard (Allfrey and Mirsky, 1964) (Brownell et al., 1996).

A ce jour, 19 acétyltransférases ont été identifiées chez les mammifères et classées en deux familles selon leur localisation cellulaire. Ainsi furent caractérisées les HAT-B cytoplasmiques, catalysant l’acétylation d’histones néo-synthétisées qui seront par la suite importées dans le noyau et les HAT-A nucléaires. Cette première classification fut supplantée par une autre plus précise se basant sur les similarités de séquences. Chacune de ces trois nouvelles familles a montré avoir des préférences pour des substrats différents, et être ainsi impliqué dans des contextes fonctionnels précis (Figure 20) (Kuo and Allis, 1998) (Yuan and Marmorstein, 2013) (Javaid and Choi, 2017).

La famille GNAT (pour N-acetyltransferases related to GCN5) – Ces HATs, vont acétyler préférentiellement les lysines de l’histone H3 en position 14 (K14) et dans une moindre mesure les lysines K8 et K16 de l’histone 4. Les GNATs sont connues pour interagir avec des complexes protéiques activateurs de la transcription. Parmi elle, on peut citer GCN5 qui fait partie de nombreux complexes tels que SAGA. De plus, GCN5 et PCAF ont la capacité de catalyser la propionylation de l’histone H3, mais ne peuvent pas, à l’inverse de la famille P300, hydrolyser des acyl-coA plus long.

La famille P300/CBP – les éléments de cette famille sont considérés comme des régulateurs globaux de la transcription. Ils sont également impliqués dans des réactions variées comme la propionylation, la crotonylation ou encore la butyrilation de la chromatine (Kaczmarska et al., 2017). Les représentants de cette famille sont connus pour leur interaction avec les récepteurs nucléaires (Leo and Chen, 2000).

La dernière famille d’HATs est nommée MYST. Elle tient son nom des différents représentants de cette famille MOZ, Ybf2/Sas3, Sas2 and Tip60. (Marmorstein and Trievel, 2009) le substrat préférentiel de cette famille est l’histone H4. Parmi les enzymes de cette famille, Esa1 possède en plus de la capacité d’acétylation, celle de proponyler l’histone H4 et est également trouvée au sein du complexe NuA4. (Allard et al., 1999)

49 Figure 21 Les HDACs. A) similarités de structures des protéines HDAC de classe I, II et IV : présence d’un repliement α/β (rouge) ainsi que d’un feuillet β de 8 brins parallèles (jaune). B) le tube lipophilique, site actif ou la lysine acétylée va interagir (pdb 2V5W). On observe la présence d’acides aminés non-polaires (jaune) formant le tube ; au fond duquel 3 résidus chargés (bleu=négatif et rouge=positif) vont permettre la stabilisation du complexe par liaison hydrogènes faisant intervenir un atome de zinc. C) détail des interactions impliquant l’ion de zinc au sein du tube. Le substrat ici est un peptide de type Arg-His-Lys(ε-acétyle)-Lys(ε- acétyle) caractéristique du suppresseur de tumeur p53.

A)

50 Malgré leurs divergences de séquences, toutes les protéines présentent une grande homologie structurale pour leur domaine HAT. Comme on peut le voir en figure 20, ce domaine est composé de trois feuillets β antiparallèles suivis d'une hélice α sous les brins β pour Esa1, Gcn5, HAT1. On retrouve également au cœur de ce domaine le cofacteur acétyl-CoA nécessaire à la réaction d’acétylation. Néanmoins, les régions adjacentes de ce domaine sont structurellement divergentes donnant lieu à la divergence des fonctions régulatrices de ces protéines (Yan et al., 2000)(Kaczmarska et al., 2017).

a) HDAC: deacetylase activity

L’activité de désacétylation a été découverte en 1969 par Inoue et Fujimoto, par la suite de nombreuses études biochimiques ont permis de caractériser précisément cette famille de protéines. Aujourd’hui, 18 différentes HDAC ont été décrites et classées en deux superfamilles et quatre classes selon leur similarités de séquence (Inoue and Fujimoto, 1969) (Seto and Yoshida, 2014).

(1) Superfamille des Arginase/Desacetylase

Cette première superfamille est composée des HDAC de classe I, II et IV. En effet, en 1997, Leipe et Landman ont proposé que les HDACs eucaryotes aient pour origine un ancêtre commun procaryote similaire à l’acétyle polyamine amidohydrolase capable de cibler et désacétyler un groupement aminoalkyl d’une composé lié à l’ADN permettant in fine la régulation de l’expression de gène (Leipe and Landsman, 1997). Ces informations laissent penser que le substrat primaire de ces HDACs pourrait ne pas être des histones. Les protéines de cette superfamille proviennent non seulement d’un ancêtre commun mais présentent également une similarité de structure et de fonction (Gregoretti et al., 2004).

La classe I de cette superfamille est composée des HDAC1, 2, 3 et 8. Elle a été nommée « Rpd3-like » du fait de la similarité de séquence avec la protéine Rpd3 trouvée chez Saccharomyces cerevisae, et possèdent entre 400 et 500 résidus (Yang et al., 1996). Ces protéines sont exprimées de façon ubiquitaire mais exclusivement dans le noyau cellulaire. Ces quatre enzymes présentent toutes une activité caractéristique de désacétylation néanmoins, cette activité est faible en l’absence d’association avec d’autres protéines. Ces enzymes sont donc majoritairement retrouvée au sein de complexes protéiques permettant de réguler leur activité mais également de les localiser au niveau du site cible. Ainsi HDAC 1 et 2 sont retrouvées dans

51 Figure 22 Régulation de la compaction de la chromatine ; équilibre entre HAT et HDAC. Adapté de Current and Emerging Treatment Strategies for Cutaneous T-cell Lymphoma, Frederick Lansigan et. al. Drugs, February 2010.

52 les complexes NuRD, Sin3, CoREST alors que HDAC 3 est spécifique des complexes SMRT et NCoR (Ayer, 1999)(Wen et al., 2000).

Les HDAC 4-7 et 9 appartiennent quant à eux à la classe II. Les enzymes de cette classe présente une similarité avec la protéine Hda1 découverte chez Saccharomyces cerevisae. (Fischer et al., 2002) (Grozinger et al., 1999) Ainsi, bien que le cœur catalytique soit structuralement proche de celui des enzymes de classe I, il est important de noter la présence d’un domaine supplémentaire unique. Au-delà de cette dissimilarité de séquence, cette classe est exprimée de manière tissu-spécifique dans le cerveau, le cœur et le muscle squelettique sous forme de protéines cytoplasmiques puis recrutés dans le noyau ultérieurement. Parmi cette classe on discerne également deux sous-classes dont la sous-classe IIb comprenant HDAC6 et 10 qui possèdent un second site catalytique qui semble fonctionner de façon indépendante. (Kao et al., 2002)

La dernière classe nommée classe IV ne comprend qu’un seul représentant HDAC11 qui partage des similarités avec les deux premières classes présentées. C’est également l’une des dernières HDAC identifiée en 2002 and elle n’a été que faiblement caractérisée (Gao et al., 2002).

La première structure par cristallographie aux rayons X d'une protéine de type HDAC (HDLP) obtenue en 1999 fournit le premier aperçu du mécanisme moléculaire des désacétylases (Finnin et al., 1999). Comme on peut le voir sur la figure 21, la poche du site actif est extrêmement conservée au sein de la classe I, II et IV. De plus, toutes les enzymes de ces classes présentent également une topologie similaire composée d’un repliement α/β ainsi que d’un feuillet β de 8 brins parallèles (Lauffer et al., 2013) (Vannini et al., 2007)(Dowling et al., 2008)(Schuetz et al., 2008).

Du fait de leur similarité structurale il est facilement compréhensible que ces trois classes partagent le même mécanisme enzymatique dépendant de la présence de zinc. (Figure 22) Elles vont en effet, catalyser l’hydrolyse du groupement acétyle de l’acétyle-lysine de protéines histones ou non libérant ainsi un composé acétate et lysine. Au sein du nucléosome, cette modification va altérer la structure de la chromatine et réprimer la transcription. De plus, l’action des HDAC va rendre les résidus lysine disponible à d’autres modifications telles que la méthylation, l’ubiquitination, la sumoylation etc… Le rôle de ces enzymes est donc également de réguler indirectement ces modifications (Tan et al., 2011).

53 Figure 23 Les remodeleurs et leurs mécanismes d’action. (A) Représentation des différents mécanismes de régulation de la chromatine par les remodeleurs ATP-dépendant. Le premier mécanisme caractéristique des sous familles ISWI et CHD, permet la mise en place des histones de manière à positionner les nucléosome régulièrement. SWI/SNF sont connus pour posséder de nombreuses fonctions permettant de réguler l’accès à la chromatine. Enfin INO80 est connu pour son rôle dans l’échange d’histones au sein de nucléosome déjà formés. Cette classification des remodeleurs est simplifiée ; en effet, certains membres des familles INO80, ISWI et CHD possèdent également un rôle dans l’accès à la chromatine. (B) Représentation de chaque sous unité représentative de chaque sous-famille avec un cœur catalytique composé de deux lobes séparés par une région d’insertion, ce domaine est nommé Tr pour domaine ATPase-translocase. Adapté de Mechanisms of action and regulation of ATP-dependent chromatin-remodelling complexes Clapier C. et. al. Nature Reviews Molecular Cell Biology (2017). (C) Structure du cœur de du complexe INO80 en jaune et orange sont entourés les deux lobes de la sous-unité ATPase interagissant avec le nucléosome. Adaptée de Structural basis for ATP-dependent chromatin remodelling by the INO80 complex, Eustermann et. al. Nature (2018).

A)

54 (1) Deoxyhypusine synthase like NAD/FAD-binding domain superfamily

Cette superfamille fut elle aussi créée en raison de la similarité de ses représentants avec une protéine découverte chez Saccharomyces cerevisae Sir2 impliquée dans la répression de la transcription et conservée de la bactérie à l’Homme (Brachmann et al., 1995). Les enzymes de cette famille sont une classe d’enzyme donc l’action de désacétylation dépend d’un cofacteur NAD. Ces enzymes restent encore peu connues par rapport aux autres HDAC, mais présentent une caractéristique remarquable, à savoir la présence d'une seconde activité enzymatique mono-ADP-ribosyltransférase (Frye, 1999).