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
60
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 d61
62
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/ADPNuclear 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 ADPNPCytoplasmic RNA quality control
Halbach et al 2012 4A4K
4BUJ Ski2-3-8 complex Halbach et al 2013
Brr2
S.cerevisiae 3HIB sec63 domainRNA 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 DNADNA 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