Les histones sont des protéines formées d’un domaine globulaire et d’une queue N- terminale non structurée située à l’extérieur du nucléosome. Les histones vont être affectées par des modifications post-traductionnelles au niveau de leur queue N- terminale.
2.1 Les différentes MPTs des histones
Les histones vont être modifiées par différentes MPTs qui permettent de conférer une signature particulière et spécifique des différentes formes de la chromatine. En effet, au niveau de l’euchromatine ces différentes modifications d’histones vont permettre par exemple, l’accès aux protéines de réparation si la cellule détecte des DSBs ou encore permettre la transcription de gènes spécifiques. De même, ces MPTs vont créer un environnement propre et spécifique au niveau de l’hétérochromatine pour que celui-ci ne puisse pas permettre la transcription de gènes puisque celui-ci correspond à un état silencieux de la molécule d’ADN. Parmi ces différentes MPTs on retrouve principalement l’acétylation/déacétylation des Lysine, la
méthylation/déméthylation des résidus Lysine et Arginine, la
phosphorylation/déphosphorylation des Sérine/Thréonine et Tyrosine et
l’ubiquitination /déubiquitination des Lysine (Table 3). Il existe également des MPTs moins connues car moins étudiées comme la GlcNacylation, la Citrullination qui consiste à la conversion d’une Arginine en acide Citrulline jouant un rôle au cours du développement embryonnaire et pour finir la proline isomérisation. Ces MPTs sont réalisées spécifiquement par différentes classes d’enzymes.
2.2 Les enzymes responsables des MPTs des protéines histones
Tout d’abord, l’acétylation des histones est orchestrée par les histones acétyl transférases HATs et la déacétylation par les histones désacétylases HDAC (Sterner et Berger, 2000) (Table 3). Cette acétylation au niveau des protéines histones est
responsable de la relaxation de la chromatine, évènement nécessaire est indispensable pour la transcription mais aussi pour que la réparation des DSBs puisse avoir lieu.
Ensuite, la méthylation d’histones est à l’origine de plusieurs fonctions au niveau de la chromatine. Elle peut être observée sous la forme de mono, di ou tri méthylation et participer à divers mécanismes. Par exemple, celle-ci est associée à la répression transcriptionnelle au travers la tri-méthylation de la Lysine 9 de l’histone H3 retrouvée sous la marque H3K9me3 par contre au travers la tri-méthylation de la Lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me3) la méthylation est associée à une activation transcriptionnelle. De même, la méthylation des Arginine des histones H3 et H4 promeut l’activation transcriptionnelle de nombreux gènes. Les enzymes responsables de cette MPT sont nombreuses et font partie de la famille des histones méthyl transférases et histones déméthylases (Zhang et Reinberg, 2001) (Table 3).
Ensuite, la phosphorylation des protéines histones est également importante dans le processus de compaction de la chromatine notamment lors de la division du cycle cellulaire via la phosphorylation de la Sérine 10 de l’histone H3 (pH3S10) (Nowak et Corces, 2004), dans la régulation transcriptionnelle et lors de la réparation des DSBs et plus précisément au niveau de la signalisation des DSBs, notamment par la
phosphorylation de la Sérine 139 du variant de l’histone H2AX : H2AX. La
phosphorylation est réalisée par l’action de différentes protéines kinases et la déphosphorylation par des phosphatases (Table 3).
Pour finir, l’ubiquitination des histones et en particulier l’ubiquitination de l’histone H2A et de son variant H2AX joue un rôle central dans la signalisation de la réponse aux DSBs. Cette MPT est réalisée par les enzymes E3 ubiquitines ligases (Table 3). Par exemple, en présence de DSBs, les E3 ligases telles que RNF8 et RNF20 vont être responsables de l’ubiquitination de la Lysine 120 de l’histone H2B, alors que la E3 ubiquitine ligase RING1A va ubiquitinyler la Lysine 119 de l’histone H2A.
Ces différentes MPTs vont réguler la structure de la chromatine par deux mécanismes distincts. Tout d’abord, elles vont jouer sur le degré de compaction de la chromatine par un mécanisme d’inhibition de contact entre les différents nucléosomes et ensuite ces MPTs vont permettent de recruter des protéines non histones impliquées dans
divers mécanismes tels que la transcription ou encore la réparation des dommages à l’ADN.
Table 3 : Classification des principales enzymes responsables des modifications post- traductionnelles des protéines histones (d’après Kouzarides, 2007)
A l’heure actuelle, l’existence d’un dialogue entre ces différentes MPTs a été démontré. En effet, ce dialogue peut exister au sein d’une même protéine histone (dialogue en cis), entre deux histones au sein du même nucléosome (dialogue en trans) et au travers de différents nucléosomes.
2.3 Quelques exemples de MPTs des histones ayant un rôle dans la réparation de DSBs
► MPTs au niveau de l’histone H4 : les données de la littérature permettent de distinguer 3 protéines associées à l’histone H4. On distingue les méthylases L3MBTL1 (Lethal(3)malignant brain tumor-like protein) (Acs et al., 2011) et JMJD2A (Jumonji domain 2A)(Mallette et al., 2012) et la protéine ZMYND8 [Zinc Finger MYND (myeloid, Nervy, and DEAF-1) domain Containing 8].
Pour pouvoir décrire l’action de ces différentes protéines, prenons l’exemple de la protéine 53BP1. Comme décrit précédemment, la protéine 53BP1 est importante dans la réparation par NHEJ. En effet, de nombreuses études démontrent que celle-ci est recrutée au niveau des DSBs via la méthylation de la Lysine 20 de l’histone H4 orchestrée par la méthylase L3MBTL1 (Botuyan et al., 2006). D’autre part, le recrutement de 53BP1 est également régulé par la dégradation de la protéine JMJD2A qui en absence de dommages à l’ADN est fixée au niveau de la marque H4K20me. En effet, en présence de DSBs, les E3 ubiquitines ligases RNF8 et RNF168 vont ubiquitinyler JMJD2A permettant son « décrochage » de la marque H4K20me et sa dégradation ce qui facilite le recrutement de la protéine 53BP1 (Figure 24) (Mallette et al., 2012).
Figure 24 : Représentation schématique du recrutement des protéines 53BP1 et BRCA1 via les modifications post traductionnelles de l’histone H4
En ce qui concerne la protéine ZMYND8, en présence de DSBs, celle-ci recrute le complexe répresseur NuRD (Nucleosome and Remodeling deacetylase) au niveau des DSBs pour permettre la réparation des dommages soit par NHEJ soit par HR. En effet, le complexe NuRD va désacétyler la Lysine 16 de l’histone H4 ce qui favorisera le recrutement de la protéine 53BP1 et ainsi la réparation par NHEJ (Gursoy-Yuzugullu et al., 2015). De même, une étude a montré le rôle de ces deux protéines dans la réparation par recombinaison homologue grâce à l’activité de répresseur transcriptionnel du complexe NuRD (Gong et al., 2015). En effet dans cette étude, les auteurs montrent que ZMYND8 est recrutée au niveau de l’acétylation de l’histone H4 permettant le recrutement du complexe NuRD qui inhibera la transcription de gènes cibles favorisant ainsi la recombinaison homologue (Figure 25).
La phosphorylation est également retrouvée au niveau de l’histone H4 en réponse aux DSBs. En effet, en 2005 une étude effectuée chez la levure Saccharomyces cerevisiae a montré que la protéine kinase CK2 (casein kinase II) phosphorylait la Sérine 1 de l’histone H4 ce qui permettrait de réparer les dommages par NHEJ bien que ceci n’ait pas été formellement prouvé (Cheung et al., 2005).
Figure 25 : Représentation schématique du recrutement et du rôle de la protéine ZMYND8 en présence de DSBs
► MPTs au niveau de l’histone H2A : Une étude publiée en 2000 a démontré chez la levure Saccharomyces cerevisiae qu’en présence de DSBs, la Sérine 129 de l’histone H2AX était phosphorylée par la protéine kinase Mec1 et que cette phosphorylation était importante pour la réparation par NHEJ (Downs et al., 2000).
De plus, suite à l’induction de DSBs par des rayons ultraviolets, l’ubiquitine ligase Ring2 va ubiquitinyler l’histone H2A d’une manière dépendante de la kinase ATR démontrant ainsi un rôle de cette MPT dans la réponse aux dommages à l’ADN (Bergink et al., 2006).
Deux autres ubiquitines ligases sont également impliquées dans la réparation des DSBs. Il s’agit de l’ubiquitine E3 ligase RNF8 et de l’ubiquitine E3 ligase RNF168. RNF8 va jouer un rôle en collaborant avec la protéine MDC1. En effet, RNF8 va être recrutée par la forme phosphorylée (par la kinase ATM) de la protéine MDC1 au niveau des DSBs permettant ainsi l’ubiquitination de l’histone H2A. Cette forme ubiquitinylée au niveau de l’histone H2A et H2AX va se propager au niveau des DSBs et permettre l’amplification du signal qui sera à l’origine du recrutement de protéines de réparation telles que BRCA1 et 53BP1 (Mailand et al., 2007; Doil et al., 2009). La protéine 53BP1 peut également être recrutée par l’intermédiaire de l’ubiquitination des Lysine 13 et 15 de l’histone H2A effectuée par RNF168.