Les enzymes catalysant les modifications post-­‐traductionnelles des histones 38

Alors  que  les  premières  MPTs  des  histones  ont  été  découvertes  il  y  a  plus  de  50  ans238_,  

l’identification  des  enzymes  catalysant  ces  modifications  et  leur  lien  avec  la  régulation  de   la  transcription  n’ont  été  élucidés  que  30  ans  plus  tard239,240.  Depuis,  un  certain  nombre  de   coactivateurs   transcriptionnels   comme   CBP/p300   ont   été   identifiés   comme   ayant   une   activité   intrinsèque   histone   acétyltransférase   (HAT)241_{.   De   la   même   façon,   plusieurs}  

corépresseurs   de   l’activité   transcriptionnelle,   comme   Rpd3,   ont   été   montré   comme   présentant  une  activité  histone  déacétylase  (HDAC)179.    

Les  enzymes  

Les   enzymes   modifiant   les   histones   sont   classées   par   familles,   avec   entre   autres   les   histone   acétyltransférases   (HATs),   les   histone   déacétylases   (HDACs),   les   histone   méthyltransférase   (HMTs),   les   histone   démethylases   (HDMs),   les   kinases   et   les   phosphatases.  

Les   HATs   peuvent   elles-­mêmes   être   groupées   en   trois   familles   en   fonction   de   leur   domaine   catalytique  :   les   GNATs   (Gcn5   N-­acteyltransferase)   comme   Gcn5,   PCAF   et   Hat1  ;;   la   famille   MYST   nommée   par   ses   membres   fondateurs   MOZ/Morf,   Ybf2,   Sas2   et   Tip60  ;;   et   une   classe   orpheline   ne   possédant   pas   de   domaine   HAT   consensus   comprenant   par   exemple   p300/CBP  et  Taf1242_{.   En   général,   en   opposition   aux   HATs,   les}  

dont  les  membres  sont  apparentés  à  la  protéine  Rpd3  de  levure,  la  classe  II  (HDAC  4-­7,  9   et   10)   est   apparentée   à   la   protéine   Hda1p   de   levure   et   la   classe   IV   contient   un   seul   membre,   HDAC11.   Les   HDACs   de   la   classe   III   quant   à   elles   sont   des   enzymes   dépendantes   du   co-­enzyme   NAD   (nicotinamide   adenine   dinucleotide)   apparentées   à   la   protéine  Sir2  de  levure243_{.  Les  HATs  tout  comme  les  HDACs  font  généralement  partie  de}  

complexes  multiprotéiques  et  la  même  enzyme  peut  participer  à  différents  complexes  aux   fonctions   spécifiques242,244_{.   Les   HATs   et   les   HDACs   ne   ciblent   pas   uniquement   les}  

histones.   En   effet,   elles   catalysent   également   des   modifications   sur   des   protéines   non   histone  dans  le  noyau,  le  cytoplasme  et  la  mitochondrie245.    

La  méthylation  des  histones  a  lieu  principalement  au  niveau  des  histones  H3  et  H4  (Figure   1.15).  Plus  de  60  HMTs,  catalysant  le  transfert  de  groupements  méthyle  du  donneur  SAM   (S-­adenosylmethionine)   à   des   résidus   amines   (lysines   et   arginines),   ont   été   identifiées   chez   l’homme.     L’état   de   méthylation   d’un   résidu   donné   (mono-­,   di-­   ou   tri-­méthylation)   permet  une  régulation  fine  de  sa  fonction  biologique246.  Contrairement  à  d’autres  MPTs,  la   méthylation  peut  jouer  un  rôle  actif  ou  répressif  en  fonction  de  son  état  et  de  sa  position   sur   l’histone.   Deux   grandes   familles   d’HMTs   existent  :   les   methyltransférases   ciblant   les   lysines   (KMT,   pour   lysine   (K)   methyltrasferase)   et   celles   ciblant   les   arginines.   En   particulier,   basé   sur   la   séquence   et   la   structure   de   leur   domaine   catalytique,   les   KMTs   peuvent  être  classifiées  en  deux  sous-­groupes  :  la  famille  DOT1L  (DOT1-­like)  et  la  famille   à  domaine  SET  (Suppressor  of  variegation,  Enhancer  of  zeste,  Trithorax)247_{.  La  réversion}  

de   la   méthylation   quant   à   elle,   a   été   décrite   pour   la   première   fois   en   2004   avec   la   découverte  de  la  déméthylase  de  la  lysine  4  de  l’histone  H3  (H3K4)  LSD1  (lysine  specific   demethylase  1),  aussi  connue  sous  le  nom  de  KDM1A  (lysine  specific  demethylase  1A)248.   Il   existe   deux   grandes   familles   de   déméthylases   de   lysines  définies   par   leur   structure   et   leur   mécanisme   d’action:   la   famille   LSD   et   la   famille   à   domaine   Jumonji249.   Les   activités   HMTs   et   les   HDMs   peuvent   faire   partie   de   complexes   multi-­protéiques   et   également   modifier  des  protéines  non  histones.      

  Figure   1.15:   Les   enzymes   régulant   la   dynamique   des   principales   méthylations   de   lysine  des  histones  H3  et  H4.250      

Différents   résidus   lysine   peuvent   être   méthylées   sur   les   histones   H3   et   H4.   Ces   modifications  sont  réversibles,  des  histone  déméthylases  contrecarrant  l’effet  des  histone   méthyltransférases.    

La  première  kinase  phosphorylant  une  protéine  histone  a  été  identifiée  en  1968251_{.  Depuis,}  

des   phosphorylations   ont   été   identifiées   sur   l’ensemble   des   histones,   les   plus   caractérisées   étant   celles   de   l’histone   H3.   Ces   modifications   sont   catalysées   par   des   kinases  distinctes  qui  sont  principalement  spécifiques  à  certains  résidus,  bien  qu’un  résidu   puisse   être   phosphorylé   par   plusieurs   kinases252.   Le   rôle   mécanistique   précis   de   la   phosphorylation  des  histones  dans  la  régulation  de  la  structure  de  la  chromatine  n’est  pas   encore  complètement  élucidé.  Elle  semble  néanmoins  jouer  un  rôle  dans  la  transcription,   la  réparation,  la  mitose  et  l’apoptose.  Par  exemple,  la  phosphorylation  de  la  serine  10  de   l’histone   H3   (H3S10)   par   différentes   kinases   est   importante   pour   la   régulation   de   l’activation   génique.   En   effet,   la   phosphorylation   de   ce   résidu   par   les   kinases   MSK   (mitogen-­  and  stress-­activated  kinase)  1  et  2  et  par  la  kinase  RSK2  (ribosomal  S6  kinase)   joue   un   rôle   dans   l’activation   de   gènes   de   réponse   précoce   à   la   stimulation   par   des   mitogènes  comme  c-­fos  et  c-­jun253–255_{.  Par  ailleurs,  la  phosphorylation  de  H3S10  médiée}  

par  IKK-­α  (IκB  kinase-­α)  a  lieu  au  niveau  de  promoteurs  répondant  à  la  voie  NF-­κB  suite   à  la   stimulation   par   des   cytokines256_{.   De   plus,   cette   phosphorylation   peut   être   catalysée}  

par  la  kinase  Pim1  au  niveau  de  gènes  cibles  de  Myc,  contribuant  ainsi  à  leur  activation   transcriptionnelle   après   stimulation   par   des   facteurs   de   croissance257_{.   Le   rôle   des}  

Recrutement  des  activités  enzymatiques  

La   combinaison   précise   de   modifications   d’histones   spécifiques   à   un   locus   donné   est   contrôlée   par   le   ciblage   des   enzymes   catalysant   ces   modifications   à   une   région   du   génome  et  par  la  spécificité  intrinsèque  de  ces  enzymes  pour  un  substrat  donné.  Dans  le   cas   de   la   transcription,   le   ciblage   des   MPTs   sur   les   nucléosomes   dépend   d’interactions   entre   des   enzymes   modifiant   les   histones   et   des   régulateurs   transcriptionnels   se   liant   spécifiquement  à  certaines  séquences  de  l’ADN.    

À   titre   d’exemple,   le   complexe   HAT   de   levure   SAGA   interagit   avec   les   domaines   d’activation  d’un  grand  nombre  d’activateurs  transcriptionnels  spécifiques,  permettant  ainsi   de   cibler   l’activité   HAT   à   des   régions   promotrices   spécifiques   in   vivo258–260_{.   De   la   même}  

façon,  des  récepteurs  nucléaires  hormono-­dépendants  non  liés  à  leur  ligand  interagissent   avec   des   complexes   HDAC,   comme   NCoR   (nuclear   receptor   corepressor)   et   SMRT   (silencing   mediator   for   retinoid   and   thyroid   hormone   receptors),   pour   diriger   l’activité   histone   déacétylase   au   niveau   de   certains   gènes   afin   de   réguler   la   répression   de   leur   expression261.   En   plus   d’être   ciblées   par   l’intermédiaire   de   régulateurs   spécifiques,   les   HMTs   de   levure   Set1   et   Set2   peuvent   s’associer   directement   à   l’ARN   Pol   II   afin   de   catalyser   la   méthylation   des   lysines   4   et   36   de   l’histone   H3   (H3K4   et   H3K36),   respectivement,  au  cours  de  l’élongation262–265_.  

Une   stratégie   très   différente   utilise   des   courts   ARNs   non   codants   pour   diriger   la   méthylation  de  la  lysine  9  de  l’histone  H3  (H3K9)  au  niveau  de  la  chromatine  localisée  à   proximité  des  centromères.  Ce  mécanisme  est  le  mieux  décrit  chez  la  levure  S.  pombe  où   les  régions  centromériques,  caractérisées  par  des  séquences  répétées,  sont  transcrites  à   de   faibles   niveaux266,267.   Les   ARNs   résultant   sont   alors   pris   en   charge   par   la   machinerie   d’interférence  à  l’ARN  qui  les  transforme  en  courts  ARN  non  codants  (siARNs)  capables   de  s’associer  au  complexe  RITS  (RNA-­induced  transcriptional  silencing  complex)268,269.  Le   nouveau   complexe   ribonucloprotéique   ainsi   formé   est   ciblé   au   niveau   des   répétitions   centromériques   par   l’intermédiaire   de   complémentarités   de   séquences   ARN-­ARN   avec   des  transcrits  centromériques  naissants  ou  ARN-­ADN  centromérique  et  permet  de  recruter   l’HMT  Clr4p  à  ces  régions270,271_{.  La  méthylation  d’histone  qui  en  suit  mène  au  recrutement}  

de   protéines   comme   l’homologue   de   HP1   (heterochromatin   protein   1)   qui   contrôle   la   formation   de   structures   d’hétérochromatine   hautement   condensées   nécessaires   à   la   fonction   des   centromères272_{.   Un   mécanisme   similaire   existe   chez   les   mammifères,}