Rôles de PARP1 dans la transcription

PARP1 est impliquée dans la régulation des ARNm mais également dans celles des ARNr. En effet, elle intervient dans le maintien de l’hétérochromatine de l’ADNr et module la maturation des ARNr et l’assemblage du ribosome (Boamah et al., 2012; Dantzer and Santoro, 2013; Guetg et al., 2012). Dans ce manuscrit, je développerai uniquement le rôle de PARP1 dans la régulation transcriptionnelle des ARNm.

III.2.3.1 En l’absence de dommages de l’ADN

PARP1 est impliquée dans la régulation de la transcription de nombreux gènes. Deux études se sont intéressées à l’effet de l’inhibition de PARP1 sur l’expression des gènes par analyse microarray sur le génome entier (Frizzell et al., 2009; Ogino et al., 2007). La première étude a montré que la déficience de PARP1 dans les cellules souches embryonnaires et de foie

100 murines altèrent l’expression de 9,6% et 3,3 % des gènes respectivement (facteur de 2-fold minimum) (Ogino et al., 2007). La proportion de gènes inhibés est plus importante dans les deux modèles (2/3 de gènes inhibés contre 1/3 de gènes surexprimés). Les gènes dont l’expression est régulée par PARP1, dépendent du type cellulaire et sont impliqués dans de nombreux processus cellulaires tels que la transcription, le contrôle du cycle cellulaire, le métabolisme et la transduction de signaux cellulaires. La seconde analyse a révélé que l’inhibition de PARP1 par shRNA dans les cellules tumorales mammaires MCF-7 modifie l’expression de 8,7% des gènes (Frizzell et al., 2009). Parmi la liste des gènes pour lesquels la régulation de l’expression est la plus importante, la moitié sont surexprimés, alors que l’autre moitié sont inhibés. Les gènes dont l’expression est grandement altérée sont impliqués dans le métabolisme, la régulation de la structure cellulaire et la réponse au stress.

Plusieurs mécanismes impliqués dans la régulation de la transcription des gènes par PARP1 ont étés décrits. L’effet de PARP1 sur la modulation de l’expression génique peut être dépendant ou indépendant de son activité catalytique en fonction du gène concerné (Frizzell et al., 2009). Krishnakumar et al., ont déterminé la localisation de PARP1 dans les différentes régions du génome par la méthode ChIP-chip (Krishnakumar et al., 2008). PARP1 est enrichie dans les régions situées à proximité du site d’initiation de la transcription et est associée aux gènes transcriptionnellement actifs. Plus récemment, Gibson et al. ont rapporté un enrichissement de la PARylation médiée par PARP1 au niveau des promoteurs des gènes transcriptionnellement actifs, caractérisé par la présence élevée de la marque H3K4me3 (Gibson et al., 2016). Bien que plus faiblement que dans les régions promotrices, la PARylation médiée par PARP1 est augmentée dans le corps des gènes actifs et dans les régions enhancers par rapport aux régions contrôles. A l’inverse, PARP1 non PARylée est fortement associée à la chromatine à l’état répressif (Gibson et al., 2016).

PARP1 peut modifier l’expression des gènes en modulant la structure et la composition de la chromatine. La PARylation des core histones par PARP1 augmente l’accessibilité à la chromatine et favorise la transcription (Figure 42) (Martinez-Zamudio and Ha, 2012). PARP1 exclue l’histone H1 du promoteur et permet de maintenir la chromatine sous forme ouverte (Figure 42) (Krishnakumar and Kraus, 2010). La liaison de PARP1 au promoteur est corrélée positivement à l’expression génique tandis que celle de H1 est corrélée négativement (Krishnakumar et al., 2008). Dans les gènes transcriptionnellement actifs, la déplétion de

101 PARP1 rétablit la liaison de l’histone H1 au promoteur et inhibe la transcription (Krishnakumar et al., 2008).

PARP1 régule l’expression génique par des mécanismes épigénétiques. L’enzyme facilite le recrutement de la machinerie transcriptionnelle à la chromatine en maintenant un niveau élevé de la marque H3K4me3 au niveau du promoteur des gènes positivement régulés via la PARylation de KDM5B par PARP1 (Figure 42) (Krishnakumar and Kraus, 2010). De plus, il se pourrait que PARP1 augmente l’expression génique en inhibant la méthylation de l’ADN via la PARylation de l’enzyme DNMT1 (Figure 42) (Reale et al., 2005).

Figure 42 : Rôles de PARP1 dans la régulation de la chromatine et l’augmentation de l’initiation de la transcription.

PARP1 exclue l’histone linker H1 du promoteur et PARyle les core histones. PARP1 maintient un niveau élevé d’histones H3K4me3 en PARylant KDM5B. La PARylation de DNMT1 par PARP1 pourrait inhiber la méthylation de l’ADN. Ces différents mécanismes augmentent la relaxation de le la chromatine et facilitent l’initiation de la transcription (Adapté de Ray Chaudhuri and Nussenzweig, 2017).

D’autre part, PARP peut moduler la transcription de gènes en régulant directement des facteurs de transcription ou des corégulateurs de la transcription. Par exemple, après traitement des cellules au lipopolysaccharide (LPS), PARP1 lie et PARyle la sous-unité p65 de la protéine NF-κB, stimulant ainsi son activité transcriptionnelle et l’augmentation de l’expression de gènes pro-inflammatoires (Hassa et al., 2008; Liu et al., 2012).

102 PARP1 participe à la régulation de l’élongation des ARNm en PARylant les sous-unités du facteur inhibiteur de l’élongation de la transcription (NELF : negative elongation factor), NELF-A et NELF-E (Figure 43) (Gibson et al., 2016). Le facteur NELF est impliqué dans l’étape de pause de l’ARN polymérase II, permettant d’assurer une élongation productive. L’ARN polymérase II se met en pause après synthèse d’un ARN naissant de 20 à 60 nucléotides (Figure 43A). La libération de l’ARN polymérase II du site de pause est médiée via le recrutement du complexe positif de l’élongation de la transcription (P-TEFb) et à la dissociation concomitante de NELF (Liu et al., 2015). La PARylation de NELF-E par PARP1 inhibe sa liaison à l’ARN et entraîne ainsi la libération de l’ARN polymérase II du site de pause (Figure 43B et C) (Gibson et al., 2016). L’inhibition de PARP1 par shRNA ou avec l’inhibiteur de PARP PJ34 augmente le taux d’ARN pol II en pause et diminue le taux d’ARN pol II dans le corps du gène. Ce résultat suggère que la PARylation par PARP1 est nécessaire à la libération de l’ARN pol II. Par ailleurs, la PARylation de NELF-E par PARP1 est dépendante de la phosphorylation de NELF par la kinase CDK9 (Cyclin-dependent kinase 9) du complexe P-TEFb (Figure 43B) (Gibson et al., 2016). Au niveau du promoteur, la présence de la PARylation médiée par PARP1 et de CDK9 est corrélée à de faibles taux d’ARN polymérases en pause (Gibson et al., 2016). Ainsi, il semblerait que la PARylation de NELF- E par PARP1 renforce l’effet de P-TEFb sur la libération de l’ARN pol II du site de pause vers une élongation productive pour un sous-ensemble de gènes régulés par NELF-E.

Figure 43 : Rôle de PARP1 dans la régulation de l’élongation de la transcription de gènes. (A) L’ARN pol II (Pol II) se

met en pause après synthèse d’un ARN naissant de 20 à 60 nucléotides. L’ARN pol II est maintenu en pause par les facteurs NELF-E et DSIF (DRB sensitivity-inducing factor). (B) Le complexe P-TEFb phophoryle l’ARN pol II, NELF-E et DSIF. NELF-E sous forme phosphorylé est PARylée par PARP1 et se dissocie de l’ARN pol II. L’ARN pol II est alors libéré du site de pause. (C) L’ARN pol II entre en élongation productive (Adapté Adelman and Lis, 2012).

103 III.2.3.2 Au niveau du dommage de l’ADN

Suite à un dommage de l’ADN, PARP1 peut être impliquée dans la répression transcriptionnelle des gènes (Awwad et al., 2017; Chou et al., 2010). Cette répression semble être associée au rôle de PARP1 dans la réparation de l’ADN de gènes hautement transcrits afin de prévenir l’interférence entre la machinerie transcriptionnelle et le processus de réparation de l’ADN. Parmi les mécanismes décrits, l’activation de PARP1 suite à une DSB inhibe la transcription des gènes en recrutant les complexes répressifs modifiant la chromatine NuRD (nucleosome remodeling and deacetylase) et PcG (Polycomb Group) au site du dommage (Chou et al., 2010). Récemment, il a été montré qu’en réponse à une DSB, PARP1 inhiberait la transcription en recrutant NELF-E au niveau des sites de la cassure dans des gènes hautement transcrits (Awwad et al., 2017). Lorsque NELF-E est associée à la DSB, elle se trouve sous une forme peu PARylée et est donc active. Ainsi, NELF-E prolonge la pause de l’ARN pol II et permet la réparation de la DSB (Awwad et al., 2017).

Toutefois, il se pourrait qu’en réponse à un dommage, PARP1 participe à l’activation transcriptionnelle de gènes induits par les dommages, tels que GADD34. Récemment, il a été montré qu’en condition normale, PARP1 pouvait être associée à PARP13 et HSF1 dans un complexe tertiaire notamment au niveau du promoteur des gènes. Ce complexe est maintenu par HDAC1 (Histone deacetylase 1) qui inactive PARP1 par déacétylation. Après survenue d’une DSB, la levée de l’inhibition par HDAC1 et la PARylation de PARP1 entraînent sa dissociation du complexe PARP13-HSF1. En conséquence, PARP1 est redistribuée du promoteur vers le corps du gène GADD34, PARyle la chromatine et augmente l’expression de GADD34 (Fujimoto et al., 2017).