Mécanismes de régulation de la transcription liés à l’activité des protéines

Les protéines du PcG interviennent dans la répression de leurs gènes cibles à différentes échelles. Soit de manière linéaire le long de l’ADN, soit de manière tridimensionnelle, créant ainsi des foyers nucléaires marqués par la présence des complexes du PcG. De façon importante, des études récentes révèlent un rôle inattendu de ces protéines dans l’activation transcriptionnelle

A. Mécanismes impliquant les protéines du PcG dans la répression transcriptionnelle

i) Répression des gènes cibles de manière linéaire

La répression par les protéines du PcG implique la formation de larges domaines marqués par H3K27me3 (SCHUETTENGRUBER et al. 2009) (Figure 17).

En effet, cette marque peut directement empêcher la déposition de sa marque antagoniste H3K27ac et interférer dans le recrutement de la Pol II (CHOPRA et al. 2011).

La déposition de H2AUb par PRC1 peut également interférer avec les processus de régulation de la transcription. En effet, il a été proposé que cette marque contribuait au maintien de la répression transcriptionnelle en empêchant le recrutement de la Pol II (STOCK et al. 2007; ENDOH et al. 2008; ENDOH et al. 2012) ou en bloquant son activité

(ZHOU et al. 2008). Sa présence inhiberait également la tri-méthylation de l’histone

H3K4 (DE NAPOLES et al. 2004; ENDOH et al. 2012). Cependant, le rôle de H2AUb dans la

répression transcriptionnelle par le système Polycomb est encore discuté. En effet, des études plus récentes indiquent que chez la Drosophile, seule une partie des gènes cibles du PcG requière en réalité la présence de la marque H2AUb (GUTIERREZ et al.

2012). La répression de cette classe de gènes semble être étroitement liée avec la présence de PR-DUB, suggérant que cette répression requière une fine balance du niveau de H2AUb.

61 De plus, la cartographie de RING1B et de H2AUb dans des cellules ES de mammifères montre que seule la sous-unité RING1B est nécessaire à la répression des gènes HOX (probablement dû à une activité de la compaction de la chromatine (ESKELAND et al.

2010)) ; alors que H2AUb n’est pas nécessaire à la répression des gènes HOX (ENDOH et al. 2012). Ce dernier point est également appuyé par un papier récent visant à

discriminer entre le rôle de dRING et l’ubiquitination de H2A chez la Drosophile (PENGELLY et al. 2015). Cette étude montre que seule H2AUb est essentielle pour la

viabilité. En effet, les Drosophiles mutantes pour les histones H2A (H2A et H2Av) dont les lysines pouvant être ubiquitinées sont remplacées par des arginines ne sont pas viables. Cependant, les gènes HOX restent réprimés (maintien de H3K27me3) et les embryons ne montrent pas de phénotypes homéotiques comme les mutants du PcG. Ainsi, dRING est important pour le maintien de l’activité tri-méthylase de PRC2 mais pas H2AUb.

Figure 17 : Les complexes du PcG forment de large domaines répressifs marqués par H3K27me3

Capture d’écran réalisée à partir de données de ChIP-seq de différentes protéines et de modifications d’histones dans les cellules S2 de Drosophile (Voir Résultats). La figure indique le domaine PcG formé autour du gène cad (cadum) qui possède trois sites de fixations aux protéines du PcG (indiqués par des flèches bleues). On remarque une forte corrélation entre les protéines du PcG et leurs recruteurs.

62 Récemment, une autre propriété liée à la protéine Pc, a été identifiée. Il s’agit de l’inhibition du dépôt de la marque antagoniste du PcG : H3K27ac (TIE et al. 2016). En

effet, cette dernière est déposée par la protéine CBP (CREB-binding protein) chez la Drosophile et p300 chez les mammifères (TIE et al. 2009; TIE et al. 2016). L’activité

optimale de CBP requière une auto-acétylation en trans du fragment AIL inclut dans le domaine catalytique HAT de l’enzyme (THOMPSON et al. 2004; ARIF et al. 2007;

DELVECCHIO et al. 2013). La protéine Pc contient une petite région conservée, chez ses

orthologues mammalien, dont le cœur KRG (Figure 15) peut interagir avec le domaine AIL de CBP et empêcher son auto-acétylation (TIE et al. 2016) ce qui inhibe l’acétylation

de H3K27. Un autre rôle de PRC1 dans la répression transcriptionnelle a déjà été évoqué lors de la description de ce complexe. En effet, la protéine Psc possède une capacité intrinsèque à compacter les nucléosomes (FRANCIS et al. 2001) (Figure 18). De

la même manière, CBX2 chez les mammifères possède une activité intrinsèque de compaction des nucléosomes (LAU et al. 2017). L’ensemble de ces résultats suggère que

PRC1 peut initier la compaction de la chromatine de manière locale pour induire l’établissement et la propagation de H3K27me3 afin de permettre la formation des domaines répressifs.

Enfin, il est à noter que les protéines du PcG jouent également un rôle plus global dans la répression des gènes. En effet, la principale activité du PRC2 est de di-méthyler H3K27 (FERRARI et al. 2014). La marque H3K27me2 représente environ 70% des

modifications de H3K27 alors que H3K27me3, est bien moins abondante et dépend fortement du type cellulaire (PETERS et al. 2003; EBERT et al. 2004; JUNG et al. 2010;

FERRARI et al. 2014). Ainsi, le rôle répressif du PRC2 est bien plus global qu’attendu

puisque H3K27me2 prévient de manière globale l’expression ectopique des gènes mais limite également l’expression de gènes dont l’activité transcriptionnelle est forte (LEE

et al. 2015).

Figure 18 : Régulation de la transcription par les protéines du PcG à différentes échelles.

(Ci-après) Au niveau linéaire, les protéines du PcG sont recrutées au niveau de régions spécifiques et induisent une compaction de la chromatine ainsi que la déposition de la marque répressive H3K27me3. Les protéines du PcG peuvent également créer des boucles d’interactions entre des éléments distaux (ici enhancer en vert et promoteur en jaune). A plus grande échelle, les régions génomiques fixées par les protéines du PcG interagissent fortement et créent des TAD (Topologycally Associating Domains). Ces TAD peuvent également interagir entre eux pour former des foyers nucléaires visibles au microscope. En rouge des TAD actifs qui ségrégent de façon différentielle des TAD associés à l’activité du PcG. Figure tirée de (ENTREVAN

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ii) Répression des gènes cibles de manière tridimensionnelle (ENTREVAN et al. 2016)

En plus de leur effet local sur la chromatine, les protéines du PcG peuvent également créer des interactions à distances avec des régions régulatrices de l’ADN créant ainsi des boucles (entre leurs sites de fixations et les promoteurs, enhancers et insulateurs (LANZUOLO et al. 2007; COMET et al. 2011)). Ces boucles d’interactions sont visibles en

microscopie où l’on observe une accumulation des protéines du PcG au niveau de foyers nucléaires appelés PcG foci (HERNANDEZ-MUNOZ et al. 2005; GONZALEZ et al. 2014) (Figure 18). En plus d’une interaction en cis entre les sites de fixation des protéines du PcG (à l’intérieur d’un même domaine), on observe également des interactions à plus longues distances en trans ce qui a pour effet d’accroitre la répression médiée par ces protéines (BANTIGNIES et al. 2003; BANTIGNIES and CAVALLI 2011; LI et al. 2013;

SCHUETTENGRUBER and CAVALLI 2013). Une étude récente réalisée sur les cellules ES a révélé que RING1B jouait un rôle majeur dans l’interaction tridimensionnelle formant un réseau entre les promoteurs de certains gènes HOX (SCHOENFELDER et al. 2015). Le

retrait de RING1B provoque une perte d’interactions promoteur-promoteur accompagnée d’une activation de ces gènes.

iii) Rôle des protéines du PcG dans l’organisation nucléaire (ENTREVAN et al. 2016)

Comme nous l’avons vu précédemment, les protéines du PcG induisent un niveau de complexité supplémentaire qui émerge à plus grande échelle, par la formation de TAD. Les TAD ne sont pas des structures rigides. L’étude de la régulation des gènes HOX chez les mammifères montre que ces structures sont très dynamiques (NOORDERMEER et al.

2011; MALLO and ALONSO 2013; NOORDERMEER et al. 2014; VIEUX-ROCHAS et al. 2015)

(Figure 19). Au cours du développement, les gènes HOX sont maintenus réprimés et sont regroupés dans le noyau au sein de TAD marqués par H3K27me3. Au fur et à mesure du développement, les gènes passent des TAD réprimés à des TAD actifs marqués par H3K4me3. La réorganisation des TAD corrèle donc avec le changement des modifications d’histones. Il est cependant impossible de distinguer si la perte de H3K27me3 induit cette réorganisation ou si le changement d’organisation des TAD induit la perte de H3K27me3.

Le complexe PRC1 et plus particulièrement la protéine Ph joue probablement un rôle clef dans la formation des TAD, notamment par son domaine SAM. Ce domaine a préalablement été décrit dans la présentation des protéines du PcG. Ce domaine permet l’oligomérisation de Ph (ISONO et al. 2013; WANI et al. 2016). Deux études

récentes mettent en évidence le rôle fonctionnel de Ph dans la modulation de l’architecture chromatinienne. Boettinger et al., ont montré que les TAD associés à la répression par le PcG étaient plus compacts que ceux associés à la chromatine active

65 ou nulle (BOETTIGER et al. 2016). Cette propriété est perdue en absence de Ph. Une

étude parallèle révèle que la perturbation des propriétés de polymérisation du domaine SAM de Ph corrèle avec une dispersion des foyers nucléaires et une activation de l’expression génique (WANI et al. 2016). Ces résultats suggèrent que l’organisation

des protéines du PcG en foyers nucléaires est médiée par le domaine SAM de Ph. .

B. Mécanismes impliquant les protéines du PcG dans l’activation