La nucléoline est une protéine majeure, phosphorylée et diméthylée, localisée dans les
nucléoles des cellules en croissance exponentielle mais présente en faible quantité dans les cellules
quiescentes. Il a été montré que la nucléoline joue un rôle direct dans la régulation de la biogenèse
des ribosomes (150), aussi bien au niveau de la synthèse et de l'empaquetage de l'ARNr (40, 48,
141) qu'au niveau de l'organisation de la chromatine nucléolaire (93, 111,232). Néanmoins, son
mode d'action n'est que très partiellement élucidé à ce jour, et il se pourrait qu'elle participe
également au transport des sous-unités de ribosomes vers le cytoplasme (39), ainsi que pourrait le
faire la protéine nucléolaire B23 pour la protéine Rev du virus HIV (96).
Domaine
Domaine N-terminal Domaine central C-terminal
--- ►
00
Interaction avec l'histone H1 et la
chromatine; interaction non-spécifique
avec les acides nucléiques; modulation
par la phosphorylation; interactions
protéine-protéine.
Interaction spécifique avec TARN; liaison aux Interactions
ribosomes en voie de maturation; interaction avec avec des
d'autres protéines àRRM. protéines;
(ciblage
nucléolaire?)
FIGURE 7 : Structure et fonctions de la nucléoline
La nucléoline a été purifiée à partir de nucléoles et l'ADNc correspondant séquencé (299).
La protéine possède 713 résidus d'acides aminés chez le hamster et présente plusieurs motifs
structuraux remarquables (Figure 7) que nous aborderons dans les paragraphes qui suivent.
i) Le domaine amino-terminal
Le domaine amino-terminal contient quatre longs segments acides encadrant une région
basique constituée de courts motifs répétés. Ce domaine contient de nombreux consensus de
phosphorylation par des kinases sérine/thréonine. Il semble notamment qu'à l'interphase la
nucléoline soit phosphorylée par la Caseine Kinase II (CKII), alors qu'au cours de la mitose la
kinase cdc2 {Cellular Division Control) prend le relais (23,55). La partie N-terminale augmente
l'affinité de la nucléoline pour TARN (probablement via les régions basiques) et permet
l'établissement d'interactions avec d'autres protéines (essentiellement au moyen des régions acides)
(93). Cette dernière propriété semble associée à sa capacité de moduler la condensation de la
chromatine. Les motifs basiques répétés ont également été mis en évidence dans l'histone H1 (305)
et seraient capables d'adopter des structures en feuillets p. Ces structures peuvent en principe
reconnaître des molécules d'ADN, essentiellement par le sillon mineur et dans des zones riches en
paires A-T (94). Une telle reconnaissance exclut quasiment toute spécificité de séquence au niveau
de la molécule d'ADN reconnue, puisque vu du sillon mineur, un couple A-T n'est pas
différenciable d'un couple T-A (302). Il se pourrait donc que cette région participe à une activité de
reconnaissance de l'ADN de manière non-spécifique.
ii) La partie centrale : les motifs de reconnaissance de l'ARN
Le domaine central est constitué de quatre domaines d'environ 80 résidus répétés appelés
RRMs {RNA Récognition Motifs). Ces motifs ont été mis en évidence dans la plupart des protéines
qui se fixent sur l'ARN et sont remarquablement bien conservés à travers l'évolution (jusqu'à 70%
d’homologie entre la levure et l'homme). Au sein de ces séquences, le motif le plus fortement
conservé est un octapeptide appelé RNPl, identifié dans la plupart des protéines à RRM et
également dans des protéines d'organismes procaryotes se fixant sur l'ADN simple-brin (gp32 et
gp5 des bactériophages T4 et M15, ainsi que le facteur de transcription a de E. coli) (18, 140).
Certaines de ces protéines contiennent plusieurs (jusqu'à 4) domaines RRM similaires mais non
identiques. Il existe en fait plus de ressemblance entre les domaines équivalents de protéines
provenant de différentes espèces qu'entre les domaines différents d'une même protéine, ce qui
suggère une évolution indépendante et donc une fonction distincte pour chacun des domaines (56,
88).
Le rôle joué par les RRMs dans la fixation de l'ARN et de l'ADN simple-brin a été
largement documenté au cours des dernières années. Il semble notamment que l'octapeptide RNPl,
ainsi que RNP2, un autre motif relativement répandu au sein des protéines à RRM, soient en
contact direct avec les nucléotides de la molécule reconnue (158, 211). Toutefois, les domaines
FIGURE 8 : Structure tertiaire du domaine RRM de la protéine
UlsnRNP-A.
Les feuillets (î et hélices a sont représentés par des flèches et des cylindres
respectivement. Les résidus hydrophobes qui interagissent avec TARN sont
représentés. D'après Hoffman et al. (142)
RRM seuls ne sont pas capables de fixer les molécules d'acides nucléiques, et des séquences
peptidiques avoisinantes de longueur variable sont nécessaires à la reconnaissance. En plus de leur
activité de fixation aux molécules d'acides nucléiques, les RRMs sont capables d'établir des
interactions avec des RRMs d'autres protéines, comme le démontrent les études effectuées sur des
protéines constituantes du snRNP U2 (petite particule ribonucléoprotéique du nucléole) (277).
Des études effectuées avec des algorithmes de prédiction de structure secondaire par
ordinateur montrent une forte analogie entre les RRMs des différentes protéines séquencées,
suggérant que le reploiement tertiaire de ces domaines est également similaire. Par ailleurs, des
études cristallographiques et de RMN (Résonnance Magnétique Nucléaire) effectuées sur la
protéine A de la snRNP U1 ont permis l'élucidation de la structure secondaire de son domaine
RRM (142, 221). Ce dernier est composé de quatre feuillets (3 disposés selon un arrangement
antiparallèle et séparés par deux hélices a (Figure 8). Les deux motifs conservés dans la majorité
des protéines à RRM, RNPl et RNP2, correspondent aux feuillets p2 et p3. Les résidus
aromatiques (Phe et Tyr) exposés à la surface de ces feuillets sont en contact direct avec la
molécule d'acide nucléique (211) et pourraient interagir avec les bases par empilement d'anneaux
aromatiques. Il est intéressant de noter qu'une telle interaction interdit toute reconnaissance
spécifique de la séquence du ligand. Cette dernière fonction serait assurée par la boucle 3 (qui
sépare les feuillets p2 et p3) qui ne fait pas partie des séquences conservées et qui déterminerait
ainsi la spécificité de séquence propre à chaque protéine (27, 277). Ce mode d'interaction avec les
molécules d'acide nucléique semble être relativement répandu dans les protéines ribosomiales
voire dans certains facteurs procaryotiques (250), comme le démontrent des études structurales et
de modélisation. Bien qu'aucune étude de cette nature n'ait été effectuée à ce jour sur la nucléoline
même, il est très probable que ce même reploiement soit à la base de son interaction avec les
molécules d'acide nucléique.
rüL L'extrémité carboxy-terminale
La partie C-terminale de la nucléoline est riche en résidus glycine, phénylalanine et
arginine, d'où son nom de domaine GFR. Des régions semblables ont été retrouvées dans d'autres
protéines capables de s'associer à l'ARN et aux acides nucléiques en général (326). Les
phénylalanines établissent des interactions hydrophobes avec les anneaux conjugués des bases
alors que les arginines (chargées positivement dans les conditions de pH intracellulaire)
interagissent vraisemblablement avec les phosphates du squelette du ligand. Ceci expliquant cela,
il a été montré que le domaine GFR de la nucléoline est capable de se fixer à l'ARN et aux acides
nucléiques en général, mais sans aucune spécificité de séquence (121), les structures secondaires
en double brin favorisant tout de même l'interaction. Dans le cas de la nucléoline, comme il a
fréquemment été montré pour d'autres protéines à domaine GFR, les résidus arginine sont
diméthylés (187). La diméthylation n'altère pas la charge des résidus arginine, mais augmente leur
hydrophobicité, ce qui faciliterait le contact avec les bases d'acides nucléiques et les interactions
protéine/protéine. En effet, outre sa capacité de se fixer à l'ARN, le domaine GFR semble capable
42
d'établir ou tout au moins favoriser les interactions avec d'autres protéines (193). Enfin, à de rares
exceptions près, les protéines à domaine GFR sont localisées dans le nucléole ce qui suggère que
ce type de séquence pourrait jouer un rôle dans le ciblage nucléolaire de la nucléoline.
Des études structurales réalisées au moyen de spectroscopie infrarouge et de dichroïsme
circulaire (114) ont mis en évidence que ce peptide se replie en une structure de tours (3 répétés,
réalisant ainsi une spirale p. Les tours p {l3-turns) sont des structures mettant en jeux quatre résidus
consécutifs, et se caractérisent par le reploiement de la chaîne polypeptidique sur elle même, avec
création d'une liaison hydrogène intramoléculaire entre le premier et le quatrième résidu d'acide
aminé. Ces structures particulières sont souvent utilisées par des processus mettant en jeu des
reconnaissances protéine/protéine ou protéine/acides nucléiques. La structure compacte que
confèrent à la protéine de nombreuses répétitions de p-turns explique probablement le rôle des
résidus glycine (dépourvus de chaîne latérale) dans les répétitions du domaine GFR. En effet, le
motif "RGGF", voir "RGGG" ou encore "FGGR", pouvant former des turns répétés, sont
rencontrés de nombreuses fois dans cette région de la nucléoline. Il semble également que ces
motifs pouvant se chevaucher au niveau de la séquence primaire, il y ait possibilité de formation
de différents p-turns alternatifs pouvant conférer à la spirale une certaine flexibilité. Par ailleurs, la
liaison du domaine GFR à la molécule d'ARN provoque un désempilement des bases ainsi qu'un
déroulement des structures secondaires(93). A un rapport protéine/ARN plus élevé, il y aurait
également apparition de structures condensées au niveau de la molécule d'ARN reconnue (94).
(ivl Fonctions et régulation
De nombreuses études réalisées in vivo et in vitro suggèrent une implication directe de la
nucléoline dans la régulation de la biogenèse des ribosomes (114). Il apparaît notamment que sa
maturation spontanée en des polypeptides tronqués du coté N-terminal est requise pour que
l'élongation des ARN ribosOmiaux puisse avoir lieu (40,54, 114). Ce clivage protéolytique de la
nucléoline est contrôlé par son niveau de phosphorylation par la CKII qui, en phase exponentielle
de croissance, phosphoryle la nucléoline et permet sa maturation (22, 41). Le polypeptide
protéolysé n'est pas capable de bloquer l'élongation des ARNr néosynthétisés, ce que semble faire
la protéine entière, et l'expression des gènes ribosomiaux peut s'accomplir efficacement (114).
La fixation de la nueléoline sur les ARN ribosomiaux provoque également des
modifications au niveau de la strueture secondaire des ligands. Ces modifications semblent
influencer non seulement le processus de maturation des pré-ARNr, mais également l'habillage et
l'empaquetage des ARN matures dans les sous-unités ribosomiques. Ces dernières étapes
pourraient être favorisées par les interactions protéine-protéine que la nucléoline est capable
d'établir (114).
Outre sa fonction de reconnaissance de l'ARNr, la phosphorylation de la nucléoline
modulerait également son interaction avec la chromatine. En effet, la nucléoline se trouve associée
à des séquences riches en A/T de l'espaceur non-transcrit de la chromatine nucléolaire (94, 232)
ainsi qu'aux NORs des chromosomes métaphasiques (111). L'interaction de la nucléoline avec la
chromatine est accompagnée d'une décondensation de cette dernière, conséquence probable d'un
déplacement de l'histone H1 pour laquelle la nucléoline présente une affinité élevée (93). Cette
affinité implique le domaine N-terminal, composé de répétitions de motifs acides et basiques; la
phosphorylation de cette région par la CKII pendant l'interphase favoriserait l'effet
décondensateur, lequel rendrait les gènes cibles accessibles au complexe transcriptionnel. Par
contre, la phosphorylation des répétitions basiques de type TPXK par la kinase cdc2 durant la
mitose, provoquerait la formation de complexes nucléoline-Hl capables de condenser les acides
nucléiques cibles et d'atténuer ainsi l'expression des gènes qui s'y trouvent (160).
Par ailleurs, il se pourrait que l'ARN polymérase I, qui transcrit spécifiquement les gènes
ribosomiaux, soit recrutée par la nucléoline. En effet, quand ces gènes ribosomiques sont
transfectés dans une cellule d'une autre espèce et amplifiés, ils sont transcrits par la polymérase II.
Dans ces conditions, la nucléoline n'est pas détectée sur les chromosomes métaphasiques au niveau
du groupe des gènes transfectés (84).
Enfin, il a été montré que la nucléoline est capable de transporter des anticorps qui la
reconnaissent de façon spécifique vers le noyau (39). Ceci suggère que cette protéine pourrait
jouer le rôle de transporteur des protéines ribosomiques du cytoplasme vers le noyau, et
éventuellement, des sous-unités ribosomiales du noyau vers le cytoplasme.
Bien que les fonctions de la nucléoline puissent à première vue paraître disparates, il nous
semble qu'il existe un dénominateur commun à ces différents rôles. En effet, tous les processus
auxquels participe la nucléoline semblent impliquer sa propriété de reconnaître certaines régions
d'acides nucléiques. La spécificité de cette reconnaissance est maintenant admise au niveau des
ARN. Par contre, les études menées jusqu'à présent n'avaient pu faire état d'observations
semblables au niveau de l'ADN (48, 275, 276). Il semble toutefois peu probable que la
reconnaissance de l'ADN se fasse de façon non-spécifique vu l'importance de ces interactions. Le
parvovirus MVM a été le premier modèle qui suggère qu'une certaine spécificité de séquence
pourrait être impliquée dans la reconnaissance nucléoline-ADN.
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