4.1- Régulation de l’activité des facteurs de transcription par SUMO
a- Interaction avec les régulateurs transcriptionnels
Plusieurs études ont révélé que les facteurs de transcription et les régulateurs de la chromatine sont des cibles potentielles de SUMO, qui s’avère posséder un effet inhibiteur sur la transcription. L’exemple le plus cité, montrant l’effet inhibiteur de SUMO sur la transcription, est celui de la sumoylation de l'inhibiteur de NF-kB, IκB-α, qui empêche sa dégradation et
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entraîne la suppression de la transcription des gènes NF-kB-dépendante (Desterro et al., 1998). De même, la sumoylation peut transformer des activateurs en répresseurs, tel que p300, dont la sumoylation favorise l’interaction avec HDAC6 (Girdwood et al., 2003). La sumoylation du régulateur transcriptionnel KAP1 renforce sa capacité de répresseur transcriptionnel par recrutement d’HDAC1 et induction d’une structure héterochromatinienne (Schultz et al., 2002). Le rôle de SUMO dans la promotion de l'activation transcriptionnelle est moins fréquent. Dans les lymphocytes T CD4+, la Sumoylation du facteur de transcription CTIP2 permet son interaction avec p300, et entraîne la dérépression des gènes habituellement inhibés par CTIP2 (Dubuissez et al., 2016). Dans d'autres cas, la sumoylation favorise la transcription, non pas en recrutant des coactivateurs, mais en perturbant le recrutement ou l'assemblage de complexes répresseurs. Par exemple, HDAC3 peut supprimer l'activation des gènes médiée par TFII-I, qui lie l'élément initiateur de plusieurs promoteurs. La sumoylation de TFII-I altère son interaction avec HDAC3 (Tu et al., 2015), (figure 40). Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment les modifications par SUMO régulent de manière sélective le recrutement de corépresseur ou de coactivateurs.
b- Inhibition de l’acétylation et de la phosphorylation
En plus d’induire le recrutement de complexes régulateurs négatifs aux facteurs de transcription liés au DNA, SUMO peut entrer en compétition et inhiber d’autres types de modifications post-traductionnelles sur la lysine cible de ces facteurs. Pour exemple, l'acétylation d’HIC1 altère son association avec le composant MTA1 (Metastasis Associated) du complexe répresseur NuRD, réduisant son potentiel de répresseur de gènes. Cependant, la sumoylation du même résidu lysine par compétition avec l’acétylation restaure les fonctions répressives d’HIC1 (Rechem et al., 2010), (figure 40).
Bien que la sumoylation et la phosphorylation se produisent sur des résidus d'acides aminés différents, la sumoylation peut influencer l'état de phosphorylation des résidus voisins. Par exemple, STAT5, qui conduit la transcription des gènes requis au développement et aux fonctions de la cellule immunitaire, est sumoylé sur deux résidus voisins, K696 et K700. La sumoylation de STAT5 inhibe la phosphorylation à proximité de Y694, et entre en compétition avec l'acétylation de K696, empêchant ainsi deux modifications post-traductionnelles favorisant la transcription (Van Nguyen et al., 2012). Comme mentionné précédemment, STAT5 sous sa forme phosphorylée est capable d’augmenter la transcription du VIH-1 par liaison aux sites NF-kB du promoteur LTR et de réactiver le VIH-1 latent. Il est démontré que des traitements à base de benzotriazoles bloquent la sumoylation de STAT5 phosphorylée, augmentant l'activité de STAT5 et son occupation du LTR du VIH-1. Ainsi, les benzotriazoles,
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sont capables de réactiver le VIH-1 latent et peuvent agir comme de potentielles LRAs où la sumoylation de STAT5 serait une cible pour les stratégies d'éradication du VIH-1 (Bosque et al., 2017).
Figure 40 : SUMO contrôle l’activité des facteurs de transcription selon divers mécanismes. (A)
La sumoylation des facteurs de transcription renforce l'inhibition de la transcription, en recrutant des HDAC. (B) La sumoylation de certains facteurs de transcription entraîne le recrutement de coactivateurs (p300), qui stimulent la transcription. (C) SUMO entre en compétition avec l’acétylation de la lysine du facteur cible, ce qui réprime la transcription. (D) SUMO peut interférer avec la phosphorylation de résidus voisins, pour bloquer l’activité des facteurs de transcription (Rosonina et al., 2017).
c- Association à la chromatine
En plus de réguler l'activité des facteurs de transcription par interactions avec des régulateurs transcriptionnels ou par compétition avec d’autres modifications post-traductionnelles, la sumoylation contrôle, à travers divers mécanismes, l'association des facteurs de transcription à la chromatine.
• Les STUbLs entraînent l’ubiquitination des cibles polysumoylées et entraîne leur dégradation (Sp1). Dans d'autres cas, la sumoylation interfère avec l'ubiquitination, empêchant ainsi la dégradation (IκB-α).
• La sumoylation peut avoir des effets directs, en inhibant (Sp1) ou favorisant (PAX6 : Paired Box 6) la liaison des facteurs de transcription à la chromatine
• La localisation cellulaire cytoplasmique ou nucléaire des facteurs de transcription peut être, également, modulée par sumoylation. Par exemple, ZIC3 (Zic Family Member 3) est un répresseur transcriptionnel requis au développement normal du cœur dont la sumoylation est associée à sa rétention nucléaire (pour revue (Rosonina et al., 2017)).
4.2- Sumoylation des histones
La modification des histones par SUMO permet de moduler la dynamique de la chromatine et semble jouer un rôle répressif dans la transcription. Chez les mammifères, la sumoylation a été
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détectée, principalement, sur l'histone H4, mais est, également, retrouvée sur les quatre types d’histones. L'histone H3 a été trouvée modifiée par SUMO sur la lysine 19. Etonnamment, le traitement par la trichostatine A (HDACi) augmente la sumoylation de l'histone H3, et, inversement, l’inhibition des HAT (curcumin) réduit cette sumoylation. La sumoylation de H4 augmente son interaction avec HDAC1 et HP1, ce qui évoque un rôle répresseur de la sumoylation des histones. Cependant, SUMO a, aussi, été retrouvé sur des histones H4 acétylées (lysines 5, 8, 12, 16). De plus, la surexpression de p300 augmente la sumoylation d’H4. Bien que ces modifications d’histones semblent contradictoires, il est possible que la sumoylation prenne le dessus sur les effets de l'acétylation (pour revue (Wotton et al., 2017)). D’autres travaux ont examiné la compaction de la chromatine en présence de nucléosomes modifiés par SUMO3 sur H4K12. Cette modification s’est révélée inhiber la compaction des nucléosomes, en empêchant les interactions internucléosomales, et semble favoriser l’accessibilité de la chromatine. Cependant, il convient de noter que ce travail a été effectué avec des nucléosomes uniformément modifiés et qu’in vivo cette modification serait plus sporadique (Dhall et al., 2014). Ainsi, il est possible que la sumoylation des histones joue des rôles différents sur des locus différents ou dans des contextes physiologiques différents. Globalement, notre compréhension de la sumoylation des histones reste limitée. Davantage d’investigations permettront de comprendre l’impact de la sumoylation sur la fonction des histones et le remodelage de la chromatine.
4.3- Sumoylation des facteurs de remodelage de la chromatine
L'impact majeur de la sumoylation sur la modification des histones est, principalement, lié à sa capacité de réguler les complexes associés à la chromatine, et peut conditionner la façon dont les marques d'histones sont déposées.
a- Impact de la sumoylation sur les facteurs de méthylation des histones
L’histone méthyltransférase SETDB1, avec son domaine SIM, est recrutée par le corépresseur KAP-1 sumoylé qui lie à la chromatine par l'intermédiaire de protéines en doigt de zinc KRAB (cette partie sera développée ci-après) (Ivanov et al., 2007). Un autre exemple, la SUMO ligase PIAS1 a été impliquée dans la méthylation du DNA, l’induction de la marque H3K9me et le recrutement d’HP1, conférant un état répressif au locus Foxp3, ce qui limite la différenciation des cellules T régulatrices naturelles dérivées du thymus (Liu et al., 2010).
b- Impact de la sumoylation sur la déméthylation des histones
Comme mentionné précédemment, LSD1 entraîne la répression des gènes par déméthylation des groupes mono ou di-méthyle-H3K4, et fonctionne par coopération avec CoREST1. Il a été
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démontré que le complexe CoREST entraîne la répression SUMO-dépendante des gènes neurones spécifiques dans des cellules non neuronales. Cette répression dépendante de Sumo2/3 est médiée par le SIM retrouvé dans CoREST (Ouyang et al., 2009). Dans une autre étude, il est montré que la sumoylation de la sous-unité BRAF35 du complexe LSD1/CoREST, est nécessaire au maintien de la répression complète des gènes spécifiques aux neurones, régulant ainsi la différenciation neuronale (Ceballos-Chávez et al., 2012).
c- Impact de la sumoylation sur la déacétylation des histones
NuRD (Nucleosome Remodeling and Deacetylation) fait partie des complexes impliqués dans le recrutement des HDACs à la chromatine, et dont le composant de base est l’enzyme de remodelage des nucléosome CHD3 (Chromodomain Helicase DNA-binding). Cette enzyme est capable d’interagir avec KAP1 sumoylé, afin d’entraîner l’extinction de l’expression génique (Ivanov et al., 2007). Le complexe NuRD contient d’autres sous-unités protéiques de liaison aux histones telles que RbAp46/48 (retinoblastoma binding protein 46/48) et p66, des protéines de liaison au DNA méthylé comme MBD2/3 et MTA. Ces sous-unités ont la capacité d’être sumoylées ou contiennent des SIMs leur permettant de renforcer les interactions au sein du complexe NuRD (Mario, 2013). La sumoylation module les HDACs de différentes façons. Comme mentionné, précédemment, la sumoylation de certains co-activateurs transcriptionnels tels que ELK-1 et p300 entraîne, respectivement, le recrutement d’HDAC2 et HDAC6 ou SIRT1. Inversement, peu de cas de déplacements des HDACs par SUMO sont rapportés. On notera que la sumoylation de DNMT3A altère le recrutement d’HDAC1/2 (Mario, 2013). D’autre part, les HDACs peuvent être modulés par sumoylation. HDAC1 est sumoylé sur les lysines K444 et K476 de son extrémité C-terminale, afin de renforcer son activité de répresseur transcriptionnel (David et al., 2002). Cependant, dans un travail plus récent, il a été démontré qu’HDAC1 peut être modifié soit par SUMO1 ou SUMO2, qui ont la capacité d’en modifier la stabilité. La modification par SUMO1 favorise l'ubiquitination et la dégradation d’HDAC1, alors que la modification par SUMO2 améliore sa stabilité dans les cellules cancéreuse du sein (Citro et al., 2013). HDAC4 est, également, modifié par Sumo2 sur la K559, qui est importante dans la répression de l’expression des gènes par déacétylation (Wotton et al., 2017).