La machinerie de transcription des gènes de classe III

Les ARN Polymérases sont des complexes de plusieurs sous-unités, partageant un ensemble de protéines homologues. La RNAP des bactéries est la plus simple ; elle est constituée des sous-unités α, présente sous la forme d’un dimère, ω, ß et ß’. Chez les archae, les sous-unités constituant le cœur de l’enzyme sont conservées. Cependant, l’enzyme contient un total de douze sous-unités ; Rpo1 (homologue de ß’), Rpo2 (homologue de ß), Rpo3 (homologue de α), Rpo4, Rpo5, Rpo6 (homologue de ω), Rpo7, Rpo8, Rpo10, Rpo11 (également homologue de α), Rpo12 et Rpo13. Les RNAP eucaryotes sont constituées de protéines homologues aux sous-unités des archae. La RNAP II est constitué de 12 sous- unités, la RNAP I de 14 sous-unités et la RNAPIII de 17 sous-unités. Chacune des sous-unités de la RNAP II est partagée ou codée par un paralogue chez les deux autres RNAP. Les RNAP I et III possèdent en plus des sous-unités spécifiques (Werner et al., 2009).

RNAP I RNAP II RNAP III sous-unités homologues ou communes

Saccharomyces cerevisiae

Sous-unités de Homo sapiens Rpa190 (A190)a Rpb1 Rpc160 (C160, beta'-like) RPC1/RPC155

Rpa135 (A135) Rpb2 Rpc128 (C128, beta-like) RPC 2

Rpc40 (AC40) Rpb3 Rpc40 (AC40, alpha-like) RPAC1/RPA5, RPA39

Rpa14 (A14) Rpb4 Rpc17 (C17) RPC9/CGRP-RC

Rpb5 (ABC27) Rpb5 Rpb5 RPABC1/RPB5, RPB25

Rpb6 (ABC23) Rpb6 Rpb6 (omega-like) RPABC2/RPB6, RPB14.4

Rpa43 (A43) Rpb7 Rpc25 (C25) RPC8

Rpb8 (ABC14.5) Rpb8 Rpb8 RPABC3/RPB8, RPB17

Rpa12 (A12.2) Rpb9 Rpc11 RPC10/RPC11

Rpb10 (ABC10a) Rpb10 Rpb10 RPABC4/RPB7.0

Rpc19 (AC19) Rpb11 Rpc19 (AC19, alpha-like) RPAC2/RPA9, RPA16

Rpb12 (ABC10b) Rpb12 Rpb12 RPABC5/RPB10, RPB7.6

Sous-unités spécifiques de la RNAP-I ou RNAP-III

Rpa34 (A34.5) Rpc31 (C31) RPC7/RPC32 Rpa49 (A49) Rpc34 (C34) RPC6/RPC39 Rpc37 (C37) RPC5 Rpc53 (C53) RPC4/RPC53 Rpc82 (C82) RPC3/RPC62 Nombre de sous-unités 14 12 17

Tableau 3. Sous-unités des ARN Polymérases eucaryotes (d’après Werner et al., 2009). La nomenclature systématique utilisée est celle de SGD, pour les sous-unités de la levure.

Les modèles présentant la structure des ARN Polymérases révèlent la conservation de la forme globale et des principales caractéristiques, comme le sillon, le site actif, les sites de liaison des nucléotides triphosphates, et de l’hybride ADN-ARN, et le tunnel, d’où sort l’ARN naissant. La conservation de ces structures est la conséquence de la conservation entre les ARN Polymérases des mécanismes de base d’élongation. Comme pour la RNAP II, les deux plus grandes sous-unités Rpc1 et Rpc2 forment le site actif de l’enzyme, et le sillon dans lequel s’insère l’ADN.

Chaque RNAP possède un certain nombre de facteurs de transcription, les GTF (General Transcription Factor), requis lors des différentes étapes de la transcription. À l’exception de deux d’entre eux, les GTF diffèrent selon les RNAP, bien qu’ils remplissent des fonctions similaires. TBP est un des GTF commun aux trois RNAP. Le paralogue de TFIIB chez la RNAP III est la sous-unité Brf1 (TFIIB- related factor) présente dans le GTF TFIIIB (Carter and Drouin, 2009; Carter and Drouin, 2010). Les sous-unités spécifiques de la RNAP III seraient en réalité des GTF recrutés de façon permanente aux RNAP. Ce scénario s’appuie sur la comparaison des sous-unités spécifiques de la RNAP III et des GTF de

la RNAP II, mettant en évidence leur homologie. Rpc37/Rpc53 seraient paralogues du GTF TFIIF, tandis que Rpc82/Rpc34 sont paralogues de TFIIE α et TFIIE β respectivement. Cette similarité de structure et de séquence est confirmée par la conservation des fonctions des sous-complexes et des GTF (Carter and Drouin, 2010).

TFIIE est impliqué dans l’initiation de la transcription et la transition de l’initiation à l’élongation (Tanaka et al., 2009). Le sous-complexe Rpc31/Rpc34/Rpc82 situé au niveau de la pince (clamp) aurait également un rôle dans l’initiation de la transcription. Rpc34 est impliqué dans le recrutement de la RNAP III au promoteur, via son interaction directe avec Brf1, et dans la formation du complexe ouvert de transcription (Brun et al., 1997).

Bien que TFIIF et le sous-complexe Rpc53/Rpc37 soient tout deux impliqués dans l’élongation de la transcription, ils exercent des effets opposés. TFIIF, comme ses homologues de la RNAPI, RPA34.5 et RPA49 augmente la processivité (Kuhn et al., 2007). Le sous-complexe Rpc37/Rpc53 ralentit la progression de la polymérase, permettant ainsi la reconnaissance du terminateur (Landrieux et al., 2006). Récemment, Kassavetis et al. ont démontré que ce sous-complexe joue également un rôle dans l’initiation et l’élongation. Rpc37/Rpc53 sont de plus, requis en coopération avec la sous-unité Rpc11, pour la réinitiation de la transcription (Kassavetis et al., 2010).

Le sous-complexe Rpc17/Rpc25, homologue du sous-complexe Rpb4/Rpb7 de la RNAP II, constitue la tige. Il est également essentiel à l’initiation de la transcription, via la reconnaissance de Brf1 par Rpc17. Il interagit de plus avec l’ARN naissant, suggérant un rôle de Rpc17/Rpc25 dans le couplage de la transcription et du repliement de l’ARN naissant (Jasiak et al., 2006).

Figure 3. Modèle de la structure de la RNAP III, par cryo-électron microscopie chez S. cerevisiae (d’après Fernandez-Tornero et al., 2007).

pointillé. Les interactions entre les sous-unités de la RNAP III et Brf1 durant la transcription sont schématisées par des flèches.

Les facteurs généraux de l’ARN polymérase III

L’initiation précise de la transcription par la RNAP III requiert au minimum trois facteurs de transcription : TFIIIA, TFIIIB, TFIIIC.

M. musculus RNAPIII sous-unités S. cerevisiae RNAPIII sous-_unités

TFIIIA TFIIIA

TFIIIB

TBP

Bdp1 (TFIIIB150) Bdp1 (TFIIIB90)

Brf1 (TFIIIB90) ou Brf2 (TFIIIB50) Brf1 (TFIIIB70)

TFIIIC TFIIIC220 Tfc3 (tau 138) TFIIIC102 Tfc4 (tau 131/PCF1) TFIIIC63 Tfc1 (tau 95) TFIIIC110 Tfc6 (tau 91) TFIIIC90 Tfc8 (tau 60) TFIIIC35 Tfc7 (tau 55)

Tableau 4. Sous-unités protéiques des facteurs de transcription chez les mammifères, illustrés par la souris (Mus musculus), et chez la levure Saccharomyces cerevisiae.

Le complexe TFIIIC est composé de six sous-unités (Dumay-Odelot et al., 2007; Huang and Maraia, 2001). TFIIIC reconnaît le complexe TFIIIA-ADN, dans le cas du promoteur de type I. L’espacement entre les boites A et B est variable. TFIIIC peut s’adapter à cette distance variable car il est composé de deux sous-domaines reliés par un linker relativement flexible, nommés τA et τB chez la levure. L’architecture des sous-unités de TFIIIC est relativement bien conservée de la levure à l’homme (Orioli et al., 2011a). Le domaine τB est composé des sous-unités Tfc8/TFIIIC90, Tfc6/TFIIIC110 et Tfc3/TFIIIC220. Il se lie à la boîte B, via la sous-unité TFIIIC220, tandis que les deux autres sous-unités constitueraient une plateforme nécessaire à la liaison de Tfc8/TFIIIC220 (Mylona et al., 2006). Le domaine τA est composé des sous-unités Tfc4/TFIIIC102, Tfc1/TFIIIC63 et Tfc7/TFIIIC35. Ce domaine se lie à la boîte A, par l’intermédiaire de TFIIIC63 et de TFIIIC35. TFIIIC90 forme un pont entre ces deux domaines. La liaison de TFIIIC au domaine A est partie intégrante du mécanisme de mise en place du complexe de préinitiation (PIC), tandis que la liaison de TFIIIC à la boîte B doit être considérée comme un mécanisme d’activation. Le domaine τB n’est pas responsable du recrutement de TFIIIB, sa liaison est indépendante de la distance par rapport au TSS (Orioli et al., 2011a).

TFIIIC peut se lier à la chromatine in vitro. Le complexe TFIIIC humain porte une activité Histone Acetyl-transferase (HAT) pour trois de ses sous-unités, TFIIIC90 et TFIIIC110, TFIIIC220 (Geiduschek and Kassavetis, 2001; Hsieh et al., 1999; Kundu et al., 1999 ). Ce type d’activité n’a pas été démontré chez la levure.

Sous-unités H.

sapiens Commentaires

TFIIIC220 TFIIIC220 lie l’ADN, au niveau de la boîte B, en coopération avec TFIIIC110. TFIIIC102 TFIIIC102 s’associe avec Brf1, TBP et TFIIIC63. Sous-unité de TFIIIC la plus _conservée.

TFIIIC63 Se lie à la boîte A des promoteurs de type II. Avec TFIIIC35, elle forme un _{sous-complexe. Se lie à Brf1, TBP, TFIIIC102 et Rpc62.} TFIIIC110 Se lie au terminateur. TFIIIC110 et TFIIIC220 forment un sous complexe, et se _{lient en coopération, à la boîte B. TFIIIC110 possède une activité HAT.}

TFIIIC90 TFIIIC90 forme le pont reliant les deux domaines τA et τB. Se lie à TBP. TFIIIC90 possède une activité HAT.

TFIIIC35 Se lie à la boîte A des promoteurs de type II.

Tableau 5. Description des rôles des six sous-unités du complexe TFIIIC (d’après Schramm and Hernandez, 2002).

TFIIIA est constitué d’un unique polypeptide de 38 kDa, contenant neuf domaines à doigt de zinc (Geiduschek and Kassavetis, 2001). Le rôle essentiel de TFIIIA est le recrutement de TFIIIC au promoteur des gènes d’ARN 5S.

La protéine responsable du recrutement de la RNAP III au promoteur est TFIIIB, car elle contacte l’ARN polymérase directement. TFIIIB a été défini initialement chez la levure S. cerevisiae. TFIIIB est composé de trois sous-unités la TATA-box protéine TBP, une sous-unité TFIIB-related factor BRF (Hernandez, 1993) et la sous-unité nommée B’’ ou Bdp1 (B double prime) (Kassavetis et al., 1995 ; Ruth et al., 1996). L’homologue humain de B’’ présente une forte similarité avec le facteur de la levure au niveau du domaine SANT, essentiel à la transcription chez la levure.

TBP était considéré comme un facteur de transcription universel, puisqu’il est impliqué dans les trois classes de transcription (Hernandez, 1993). Cependant, plusieurs paralogues de TBP ont été identifiés, TRF1, TRF2, TRF3. Leur découverte indique que la transcription de certains gènes pourrait être indépendant de TBP. TRF1, exprimé de façon ubiquitaire chez Drosophila melanogaster est spécifique des insectes. TRF1 est impliqué dans la transcription des gènes de classe III (Isogai et al., 2007). TRF1 est également responsable de la transcription de snARNs de classe II. TRF2, retrouvé chez plusieurs espèces

classe II. (Reina and Hernandez, 2007). TRF3, également nommé TBP2, est également retrouvé chez divers métazoaires, de l’humain au poisson. TRF3 est impliqué dans la différentiation des myoblastes de souris, dans l’hématopoïèse chez le Xénope (Muller et al., 2010). Son activité serait restreinte aux gènes de classe II, pourtant le fort degré de conservation entre son domaine C-terminal et celui de TBP suggère qu’il puisse être impliqué dans la transcription des gènes de classe III.

Brf1 possède une structure similaire à TFIIB. Son extrémité N-terminale contient un domaine à Zinc de liaison à l’ADN. Ce complexe TFIIIB est impliqué dans la transcription de tous les types de gènes de classe III chez la levure. Chez l’humain, deux formes différentes de TFIIIB ont été identifiées (Teichmann and Seifart, 1995). La forme hTFIIIBα (h, human) est recrutée aux promoteurs de type III, tandis que la forme hTFIIIBβ est recrutée aux promoteurs de type intragénique. TFIIIBβ contient l’isoforme Brf1. TFIIIBα contient un isoforme de BRF, nommée TFIIIB50 ou Brf2 (Teichmann et al., 2000). Brf2 diffère essentiellement de Brf1 au niveau du domaine C-terminal. TBP et Bdp1 sont requis pour la transcription des promoteurs de type I, II et III.

Le promoteur de type III requiert des facteurs spécifiques, sans équivalents chez la levure. Le PSE est lié par le complexe SNAPc (snRNA Activating Protein complex), appelé également PTF (PSE Transcription Factor) ou PBP (PSE-Binding Factor) (Waldschmidt et al., 1991; Yoon et al., 1995). Le complexe SNAPc se lie indistinctement aux éléments PSE des gènes de classe II et III (Hernandez, 2001). SNAPc est un complexe composé de cinq sous-unités (Henry et al., 1998), SNAP19, SNAP43, SNAP45, SNAP50 et SNAP190. La cinquième sous-unité SNAP19 n’a pas été identifié dans le complexe PTF (Yoon et al., 1995). Le DSE est lié par les protéines Oct1 à la séquence octamère (Murphy et al., 1992) et Staf ou SPF (SPH1 binding Factor) au motif SPH (Schaub et al., 2000), facilitant l’interaction de SNAPc au PSE (Hernandez, 2001). Oct1 est le membre fondateur de la famille des protéines à domaine POU. Cette famille est caractérisée par ce domaine POU, structure bipartite consistant en un domaine spécifique POU, et un homéodomaine POU (POUH), reliés par un domaine flexible (Hernandez, 2001).