Les activateurs et les répresseurs de la transcription

Le séquençage complet du génome humain nous fournit la base pour l’étape prochaine, connaître comment les 20 000 à 25 000 gènes codant pour des protéines sont régulés, quels sont les éléments régulateurs pour chacun d’entre eux et comment la coordination de leur expression est réalisée. Les patrons d’expression génique spécifiques à différents états physiologiques et pathologiques excèdent largement le nombre de facteurs qui lient l’ADN identifiés jusqu’à présent (~2000) (revu par (Maston et al., 2006)). Le contrôle combinatoire par la liaison simultanée de plusieurs facteurs régulateurs à des sites situés à différentes distances des promoteurs assure une régulation à la fois précise et diversifiée de l’expression des gènes (revu par (Remenyi et al., 2004)). Les facteurs qui lient l’ADN constituent en effet l’interface entre l’information génétique et la machinerie transcriptionnelle qui la décode en réponse à des signaux cellulaires transmis par ces facteurs.

Les activateurs sont des protéines modulaires qui ont des domaines typiques tels qu’un domaine de liaison à l’ADN par lequel des séquences spécifiques d’ADN sont reconnues, ainsi qu’un domaine d’activation qui est requis pour l’activation de la transcription. De plus, des domaines de coopérativité assurent l’interaction entre plusieurs activateurs qui peuvent collaborer pour activer la transcription. Les activateurs sont classés en fonction de leur domaine de liaison à l’ADN, chaque classe liant des séquences d’ADN spécifiques. Parmi les différentes classes d’activateurs, on peut citer ceux qui possèdent un domaine de liaison à l’ADN de type forkhead, homeobox, à doigt de zinc riche en cystéine, PIT-ONC-UNC (POU), bHLH (basic helix-loop-helix) et bZIP (basic leucin zipper). Certains activateurs n’appartiennent à aucune de ces classes alors que les membres de certaines classes reconnaissent des séquences d’ADN très divergeantes, puisque les acides aminés importants pour la reconnaissance de l’ADN sont variables d’un membre à l’autre (revu par (Kadonaga, 2004; Pabo and Sauer, 1992)).

Les séquences d’ADN qui sont reconnues par des activateurs sont courtes (6 à 12 pb) et la spécificité de liaison est dictée par quelques bases de ces séquences (4 à 6 pb). Puisque ces séquences sont dégénérées, la spécificité de liaison résulte de la composition spécifique des complexes formés par homo ou hétérodimérisation des activateurs. La séquence d’ADN liée peut jouer des rôles régulateurs très précis. Par exemple, l’affinité de liaison des morphogènes à l’ADN est dépendante de la séquence d’ADN. Ceci à un rôle déterminant afin de générer des patrons d’expression génique corrélés aux gradients des morphogènes pendant le développement (Papatsenko and Levine, 2005). Aussi, les conformations des activateurs changent en fonction des séquences précises liées, ce qui modifie leur capacité régulatrice (ex. les récepteurs nucléaires des hormones stéroïdes) (Geserick et al., 2005).

Les domaines d’activation recrutent la machinerie générale de transcription soit directement soit par l’entremise de coactivateurs. Par ces interactions, les activateurs peuvent stimuler différentes étapes de la transcription. Un des mécanismes d’activation implique le recrutement du PIC par l’interaction avec un ou plusieurs facteurs généraux de transcription (revu par (Ptashne and Gann, 1997)). Les activateurs peuvent aussi stimuler des étapes subséquentes à la formation du PIC comme la réinitiation et l’élongation (Lee and Young, 2000) ou en recrutant des facteurs impliqués dans le remodelage de la chromatine (Lemon and Tjian, 2000). Un exemple pour ce dernier type de régulation est le recrutement du complexe de remodelage de la chromatine Swi/Snf par l’activateur MyoD. Par exemple, l’activation du gène de la myogénine implique la collaboration entre l’activateur ubiquitaire PBX1 qui est lié de façon constitutive à ses séquences régulatrices et l’activateur spécifique au tissu musculaire MyoD, qui lui, attire le complexe Swi/SNF (de la Serna et al., 2005). Certains activateurs stimulent spécifiquement une seule étape de la transcription, alors que d’autres peuvent en stimuler plusieurs. Ainsi, Sp1 et CTF stimulent l’initiation, l’activateur Tat de HIV1 stimule l’élongation, alors que VP16, p53 et E2F1 stimulent l’initiation et l’élongation (Blau et al., 1996).

Une propriété remarquable des activateurs est leur capacité d’activer la transcription de façon synergique, c’est-à-dire que l’amplitude de l’activation d’un groupe d’activateurs dépasse celle qui est obtenue par l’addition des effets individuels. La synergie est observée entre plusieurs molécules d’un même activateur ou des activateurs différents. Le mécanisme exact n’a pas encore été élucidé, cependant il a été proposé qu’il résulte des interactions qui se produisent après le recrutement des activateurs sur l’ADN (Maston et al., 2006). Des complexes stables d’activateurs appelés “enhancesomes” stimulent la transcription de façon synergique au niveau de l’activation et non pas de l’interaction avec l’ADN. Par exemple, l’activation du gène IFNβ implique le recrutement du coactivateur CBP/p300 par les domaines d’activation de l’enhancesome formé par NF-kappa B, IRF1, ATF2/c-Jun et HMG I. Chacun des domaines d’activation de ces facteurs est essentiel pour que l’effet synergique se produise, puisque la délétion de n’importe lequel d’entre eux diminue le recrutement de CBP/p300 (Merika and Thanos, 2001).

La régulation transcriptionnelle représente l’équilibre entre l’action des activateurs et des répresseurs et, en conditions spécifiques, une des deux voies est favorisée (revu par (Lee and Young, 2000)). Des indices sur cet équilibre ont été amenés par des études génétiques qui ont montré que des défauts des activateurs sont compensés par des défauts de répresseurs et vice versa. Par exemple, les phénotypes de sensibilité au froid des mutants des sous-unités du Médiateur sont contrecarrés par des mutations des régulateurs négatifs NC2 ou Not (Lee et al., 1998). De plus, dans certaines conditions, des activateurs peuvent agir comme des répresseurs en recrutant des cofacteurs différents. Par exemple, l’activateur VDIR (VDR Interacting Repressor) de la famille bHLH, lie directement les éléments de réponse au recepteur de la vitamine D, recrute le coactivateur p300 et active l’expression du gène α hydrolase en réponse aux signaux activateurs transmis par PKA (Protein Kinase A). Lorsque l’hétérodimère VDR/RXR (Vitamin D Receptor/Retinoid X Receptor) interagit avec VDIR, le coactivateur p300 est dissocié et le corepresseur

HDAC est recruté par VDR/RXR. Ceci mène à la répression transcriptionnelle du gène (Murayama et al., 2004).

Deux classes majeures de répresseurs transcriptionnels ont été identifiées : généraux et spécifiques au gène. Les répresseurs généraux comme MOT1 et NC2 interagissent avec TBP et provoquent sa dissociation de l’ADN ou empêchent le recrutement de l’ARN Pol II sous forme d’holoenzyme par TBP lié à l’ADN (Auble, 2009; Darst et al., 2003). Les répresseurs spécifiques aux gènes interagissent avec les activateurs ou entrent en compétition avec ceux-ci pour la liaison à l’ADN, comme par exemple le répresseur Acr1 et l’activateur ATF/CREB qui se lient aux mêmes séquences d’ADN (Garcia-Gimeno and Struhl, 2000; Vincent and Struhl, 1992). D’autres répresseurs de cette catégorie comme Ssn6- Tup1 sont recrutés par des activateurs et ils recrutent à leur tour des déacétylases de histones qui établissent un environnement chromatinien répressif (Malave and Dent, 2006). Les protéines du groupe Polycomb, qui sont responsables de la répression transcriptionnelle de centaines de gènes chez les eucaryotes supérieurs sont recrutées par des facteurs qui lient l’ADN (ex. PHO, YY1, OCT4) mais aussi par des ARN non-codants comme un motif d’ARN de XIST (X-Inactivative Specific Transcript). Il a été proposé que l’activité des répresseurs transcriptionnels est due à l’inhibition de l’étape d’élongation causée par l’activité d’ubiquitine ligase pour les histones H2A des protéines PRC1 (Polycomb Repressive Complex 1) et par la compaction de la chromatine (revu par (Simon and Kingston, 2009)).

Les déacétylases des histones sont largement impliquées dans la répression transcriptionnelle. Des enzymes avec ce type d’activité, telles que mSin3 et NuRD, sont recrutées par des facteurs qui lient l’ADN ou par de coactivateurs comme SMRT, Groucho, N-Cor (revu par (Hildmann et al., 2007)). mSin3 interagit aussi avec des protéines qui reconnaissent des histones méthylées, comme MeCP2 (Kokura et al., 2001). Chez la levure, le complexe formé par les déacétylases des histones Sir2, Sir3 et Sir4 est impliqué dans la répression transcriptionnelle des télomères (Grozinger and Schreiber, 2002). SirT1 est un membre de la famille des

sirtuines Sir2 qui présente une activité déacétylase dépendante de NAD+ (Imai et al., 2000) et qui régule l’équilibre entre l’euchromatique et l’hétérochromatique en fonction de l’état métabolique de la cellule. Le rôle de SirT1 dans la régulation de la