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IV. Les Hélicases à ARN chez les Archées

2. Les hélicases Ski2-like

La famille Ski2-like, nommée ainsi par rapport à son premier membre identifié (l’hélicase Ski2

eucaryote) constitue une famille restreinte d’hélicase SF2 retrouvée uniquement chez les

eucaryotes et les archées. Chez les eucaryotes les hélicase Ski2-like interviennent dans de

larges complexes multiprotéiques et jouent un rôle fondamental dans la dégradation, la

maturation et l’épissage des ARNs. Les Ski2-like possèdent 12 motifs conservés dans leur

domaine central SF2 (RecA1 et RecA2) et sont caractérisées par la présence en C-terminal d’un

domaine Winged helix (WH) et d’un domaine Ratchet (Figure 12) (Johnson and Jackson 2013).

Figure 12. Architecture de la famille des Ski2. A- Organisation des domaines des hélicases Ski2-like. Le

nombre d’acides aminés provident de Brr2 Humain, Ski2 et Mtr4 de Saccharomyces cerevisae, Hel308 de

Pyrococcus furiosus et ASH-Ski2 de Pyrococcus abyssi. Les Pfam sont indiqués et les domaines sont à

l’échelle. Les hélicases de la famille Ski2 possèdent un noyau commun composé des domaines RecA1

(orange clair), RecA2 (orange), Winged Helix (WH, en vert clair) et Ratchet (vert). Elles peuvent aussi

présentées des domains accessoires : Helix loop Helix (HlH) ou Helix hairpin Helix (HhH) (rose foncé)

domaine Fibronectine de type III (FN3) (rose clair), β hairpin (bleu). Brr2 contient 2 cassettes. Ses

domaines Ratchet, HhH et FN3 constituent le domaine Sec63 (Pfam: PF02889). Mtr4 et Ski2 ont un

domaine Arch (bleu clair, PF13234) inséré dans le domaine WH. Les domains dont la structure n’a pas été

résolue sont hachurés. La structure de ASH-Ski2 n’est pas connue. Son domaine N-terminal, qui contient

4 cystéines strictement conservées chez les Eyryarchées, pourrait former un domaine Zinc finger (gris).

B- Représentation schématique de l’architecture des hélicases Ski2. L’arrangement architectural est basé

sur des structures connues (Brr2 pdb: , Mtr4 pdb:4qu4, Ski2 pdb:, Hel308 pdb: 2zj2) à l’exception de

ASH-Ski2 qui est basé sur un modèle Phyre2 (25% identité avec Brr2). Les 2 cassettes de Brr2 sont indiquées:

cassette N-terminal (NC) et cassette C-terminal (CC). Les domaines non résolus sont en pointillés. Les

extrémités N et C-terminal ends sont indiquées.

Brr2

Ski2

Mtr4

Hel308

ASH-Ski2

Brr2 Ski2 Mtr4 Hel308 ASH-Ski2 modèle

A

B

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Ces deux domaines sont impliqués dans la liaison aux acides nucléiques et forment un anneau

autours de l’extrémité 3’ de l’ARN ou l’ADN. Les Ski2-like peuvent aussi présenter des

domaines accessoires. Toutes les structures Ski2-like connues à ce jour, en complexe ou liée à

leur substrat, sont listées dans le tableau 3.

Les hélicases de type Ski2 identifiées possèdent une activité de déroulement des duplexes

avec une polarité 3’ vers 5’. L’activité de déroulement et le mécanisme de translocation le long

de l’ARN ou ADN a été proposé à partir de différentes structures cristallographiques de

l'hélicase Hel308 d’ Archeoglobus fulgidus (Büttner et al. 2007; Pyle 2008) (Tanner and Linder

2001; Craig et al. 2017; Gao and Yang 2019). L’hélicase Hel308 d’archée est la seule structure

entière résolue avec un domaine Helix-hairpin-Helix (HhH) en périphérie, qui interagit avec

l’extrémité 3’ de l’ADN pour agir comme un « frein moléculaire » auto-inhibiteur pour

réprimer l’activité de l’hélicase (Büttner et al. 2007; Pyle 2008; Richards et al. 2008).

Les hélicases Ski2 et Mtr4 eucaryotes contiennent une insertion dans le domaine WH, nommé

« Arch » (Halbach et al. 2012; Weir et al. 2010). Ce domaine forme une courbure mobile et se

termine en une région globulaire qui est positionnée au-dessus du site d’entrée de l’ARN.

L’hélicase à ARN Brr2 eucaryote possède aussi le domaine HhH qui, avec le domaine

Fibronectine III (FN3), forme le domaine Sec63 (Vester et al. 2020; Zhang et al. 2009). Le

domaine FN3 est généralement associé aux interactions protéines-protéines mais le rôle du

domaine Sec63 chez Brr2 reste encore incertain. Elle contient deux copies du noyau

hélicase-domaine Sec63. Chez les eucaryotes, Brr2 est impliquée dans l’épissage des pré-ARNm. Elle

permet la conversion du complexe spliceosome pré-catalytique (Complexe B) en complexe

actif (Complexe Bact) (Vester et al. 2020). La structure du domaine N-terminal de Mtr4, Ski2

et Brr2 n’a pas encore été résolue.

Les hélicases Mtr4 et Ski2, sont associées à l’exosome nucléaire ou cytoplasmique

respectivement. Elles facilitent le recrutement et l’adressage des substrats ARN en déroulant

les structures secondaires d’ARN et en libérant les complexes RNP pour rendre accessible

l’extrémité 3’ des substrats à l’exosome à ARN (Falk et al. 2017; Weick et al. 2018; Halbach et

al. 2012). Mtr4 interagit directement avec les sous unités Mpp6 et Rrp6 de l’exosome à ARN

et intervient dans les complexes TRAMP, PAXT et NEXT impliqués dans la dégradation des ARN

nucléaires (Patrick et al. 2017; Bernstein et al. 2008; Weick et al. 2018; Meola et al. 2016). Ski2

est associé à l’exosome à ARN par le complexe Ski composé des protéines Ski3, Ski8 et Ski7 et

Figure 13. Distribution taxonomique des hélicases Ski2-like Hel308 et ASH-Ski2 à travers la phylogénie

des archées.

A sg ar d

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sont impliquées dans la dégradation des ARNm dans le cytosol. Il a récemment été montré

que le complexe Ski interagit directement avec la sous unité 40S du ribosome (Halbach et al.

2012; Halbach et al. 2013; Schmidt et al. 2016; Zinoviev et al. 2020).

Hel308 (aussi nommée Hjm) est une hélicase à ADN, retrouvée chez les archées et les

eucaryotes, qui est impliquée dans la réplication de l’ADN. Même si une étude chez Pyrococcus

horikoshii montre qu’elle est capable de lier des substrats ARN (Zhang et al. 2008), les données

chez Methanothermobacter thermautotrophicus, Sulfolobus tokodaii et chez l’homme

démontrent qu’Hel308 cible préférentiellement les fourches de réplication (Guy and Bolt

2005; Tafel et al. 2011; Li et al. 2008). Son activité « unwinding » de polarité 3’ vers 5’ chez

l’homme est stimulée par la présence de la protéine de réplication RPA (Tafel et al. 2011). Des

données montrent que chez Sulfolobus Tokodaii, Hel308 interagit avec l’endonucléase

spécifique des jonctions de holliday, Hjc (Li et al. 2008) et que chez Sulfolobus islandicus

Hel308 interagit avec l’ATPase PINA impliquée dans les jonctions de Holliday (Zhai et al. 2018).

Chez les archées, des études phylogénomiques, en collaboration avec l’équipe de G. Fichant,

permettent de montrer que la famille des hélicases Ski2 chez les archées se divisent au moins

en deux grands groupes : le groupe homologue à Hel308 et un groupe spécifique nommé

« archaeal specific helicase » (ASH) ou encore ASH-Ski2 qui possède en plus des domaines

caractéristiques des Ski2-like, un domaine en N-terminal composé de quatre cystéines

strictement conservée (Figure 13).Hel308 est codée dans l’ensemble des génomes d’archées

contrairement à ASH-Ski2 retrouvée dans la majorité des Euryarchées et Asgards et dans

certaines DPANN. L’activité et la fonction d’ASH-Ski2 n’est pas encore connue. Mes travaux

de thèse ont en partie consisté à décrire les activités enzymatiques de ASH-Ski2 de P. abyssi.

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Protéines Organismes Pdb Substrats Complexes Fonctions Références

Mtr4

S.cerevisiae 2XGJ RNA/ADP

Nuclear RNA quality control

Wier et al 2012

4QU4 Taylor et al 2014

4U4C Trf4-Air2 TRAMP complex Falk et al 2014

5VZJ Mpp6-Nuclear Exosome Wasmuth et al 2017

5OKZ

Mpp6-Nuclear Exosome Falk et al 2017

5OOQ Nop53 Falk et al 2017

6FSZ Exosome Schuller et al 2018

Human 6D6Q, 6D6R

Exosome bound to RNA Weick et al 2018

6C9O ZCCHC8-CTD Puno and Lima 2018

6IEG Wand et al 2019

6IEH with NRDE2 Wand et al 2019

6RO1

NVL and ZCCHC8 Lingaraju et al 2019

Ski2

S.cerevisiae 4A4Z ADPNP

Cytoplasmic RNA quality control

Halbach et al 2012 4A4K

4BUJ Ski2-3-8 complex Halbach et al 2013

Brr2

S.cerevisiae 3HIB sec63 domain

RNA splicing

Zhang et al 2009

3IM1,3IM2

sec63 domain Pena et al 2009

5DCA Prp8 jab1 domain Absmeier et al 2015

5GAN, 5GAO, 5GAP

U4/U6-U5 tri snRNP Nguyen et al 2016

3JCM U4/U6-U5 tri snRNP Wan et al 2016

5NRL B complex Plaschka et al 2016

5GM6 Bact complex Yan et al 2016

5LQW Bact complex Rauhut et al 2016

5LJ5 C complex Galej et al 2016

5M52 Prp8 Absmeier et al 2017

H.sapiens 4F91 Santos K.F et al

2012 4KIT Prp8 Jab1/MPN domain

3JCR U4/U6-U5 tri snRNP Agagonov et al 2016

5O9Z B complex Bertram et al 2017

5XJC C* complex Zhang et al 2017

5YZG C complec Zhan et al 2018

5Z57 Bact complex Zhang et al 2018

C.termophilum 6QWS Absmeier et al 2020

6QV4 ATPγS

6QV3 ADP

Hel308

A. fulgidus 2P6R DNA

DNA replication

Buttner et al 2007 2P6U

P.horikoshii 2Z41 Zhang et al 2008

S.solfataricus 2VA1 Richards et al 2008

2ZJA ADPNP

2ZJ8, 2ZJ2

Oyama et al 2009

2ZJ5 ADP

S.islandicus 5YWW

Zhai et al 2018

Tableau 3. Structures des hélicases Ski2-like. Les structures résolues de Mtr4, Brr2 et Hel308

en présence de substrats ou en complexes avec d’autres protéines et les numéros d’accession

pdb sont listés.

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