Recrutement des complexes de modification de la chromatine par des ARN chez les

mammifères

Chez les mammifères, des ARN permettent de recruter sur la chromatine des protéines à chromodomaine ainsi que des complexes de modification de la chromatine, et ce au cours de différents mécanismes de régulation de l’expression des gènes (Figure 26).

1 Exemple de l’interaction des protéines Cbx avec les ARN

Les protéines Cbx2, 4, 6, 7 et 8, qui sont les homologues de la protéine Polycomb (PC) de drosophile, possèdent des chromodomaines très conservés. Chaque chromodomaine présente pourtant des affinités différentes pour plusieurs marques épigénétiques ainsi que pour les ARN. Cbx4, 6, 7 et 8 fixent notamment les ARN in vitro alors que Cbx2 ne le peut pas. Bien qu’aucune spécificité de séquence dans les ARN fixés par ces protéines n’ait été identifiée in vitro, elles possèdent une plus grande affinité pour les ARN simple-brin que pour les ARN double-brin ou l’ADN double-brin (Bernstein et al., 2006). De plus, une mutation des résidus aromatiques du chromodomaine indispensables à la fixation des lysines tri-méthylées ne perturbe pas la fixation aux ARN, indiquant que la région du chromodomaine nécessaire pour leur reconnaissance est différente de celle nécessaire à la reconnaissance des lysines tri-méthylées (Bernstein et al., 2006).

Le chromodomaine de Cbx7 est en particulier important pour sa localisation sur le chromosome X inactivé chez la femelle, la mutation ponctuelle d’un des résidus aromatiques entraînant la délocalisation de Cbx7 de ce chromosome (Bernstein et al., 2006). Chez les mammifères, l’un des deux chromosomes X de la femelle est inactivé. Un niveau de transcription global identique à celui du mâle, qui ne possède qu’un seul chromosome X, est ainsi atteint. Ce mécanisme implique un ARN non-codant appelé Xist, qui est produit par le chromosome à inactiver et qui le recouvre intégralement. L’accumulation de Xist sur le chromosome X est suivie d’une disparition de l’ARN Pol II et des marques épigénétiques activatrices, puis du recrutement des complexes PcG PRC2 et PRC1 qui déposent la marque répressive H3K27me3 (Wutz, 2011e). Les protéines EZH2 et SUZ12 du complexe PRC2, bien qu'elles ne possèdent pas de chromodomaine, interagissent directement avec un motif

particulier de Xist appelé repA, suggérant que cet ARN est directement impliqué dans le recrutement de PRC2 sur le chromosome X (Figure 26A) (Zhao et al., 2008). Cbx7 fait partie des protéines PcG localisées sur le chromosome X inactif, et en est délocalisée après un traitement à la RNase (Bernstein et al., 2006). Ceci suggère que son recrutement dépend aussi de son interaction avec l’ARN Xist. Cbx7 est également impliquée dans la répression du locus INK4b/ARF/INK4a par le long ARN non-codant ANRIL, qui est un ARN de plusieurs kilobases anti-sens de INK4a/ARF. ANRIL est fixé par le chromodomaine de Cbx7 et est requis pour le recrutement de PRC2 sur INK4b/ARF/INK4a, permettant ainsi la répression des gènes

p14/ARF, p16/CDKN2A et p15/CDKN2B (Figure 26B) (Kotake et al., 2011; Yap et al., 2010).

2 Rôle général des ARN dans le recrutement des complexes PcG et TrxG

D’une façon similaire aux exemples des ARN Xist et ANRIL, de nombreux autres longs ARN non-codants permettent le recrutement de complexes PcG et TrxG sur la chromatine, même s’il n’a pas toujours été prouvé qu’ils interagissent spécifiquement avec des protéines à chromodomaine. Par exemple, l’ARN non-codant HOTAIR est transcrit par le locus HOXC et permet le recrutement des complexes PRC2 et LSD1/coREST/REST en trans sur le locus

HOXD, induisant ainsi sa répression (Figure 26C) (Rinn et al., 2007; Tsai et al., 2010). L’ARN

HOTTIP est transcrit par le locus HOXA et recrute MLL en cis, qui tri-méthyle l’histone H3 sur

la lysine 4 et active la transcription sur ce locus (Wang et al., 2011). De même, dans le mécanisme de l’empreinte parentale, les longs ARN non-codants Air et Kcnq1ot1 sont transcrits par les locus à inactiver et y recrutent différents modificateurs de la chromatine tels que le complexe PRC2 ou la méthylase G9a, qui dépose la marque répressive H3K9me3 (Figure 26D) (Nagano and Fraser, 2009).

A

C

B

D

E

Figure 26 : Exemples de recrutement des complexes PcG sur la chromatine par des ARN non-codants chez les mammifères

A : Recrutement du complexe PRC2 par l’ARN Xist et son motif répété RepA au cours de l’inactivation du chromosome X. Xist adresse PRC2 sur son propre locus et sur l’ensemble du chromosome. Tsix est un second ARN non-codant anti-sens de Xist impliqué dans la répression de la transcription de celui-ci par le X actif.

B : Interaction entre CBX7 et l’ARN ANRIL. CBX7 permet de recruter le complexe PRC2 sur le locus des gènes INK4b/ARF/INK4a, induisant ainsi la répression de ces derniers.

C : Interaction entre le complexe PRC2 et l’ARN HOTAIR transcrit par le locus HOXC. Cette interaction permet le recrutement de PRC2 sur le locus HOXD en trans et induit sa répression.

D : Recrutement du complexe PRC2 au locus Kcnq1 par l’ARN Kcnq1ot1 au cours de la mise en place de l’empreinte parentale. Ce modèle est similaire à celui proposé pour Xist mais est restreint à un locus précis. Les gènes soumis à l’empreinte parentale et réprimés par PRC2 sont représentés en rouge. Les gènes qui ne sont pas soumis à l’empreinte parentale sont représentés en vert.

E : Recrutement du complexe PRC2 par des petits ARN transcrits à partir d’un promoteur spécifique en amont de celui d’un gène cible de PRC2.

Une analyse à large échelle des ARN fixés par le complexe PRC2 a été réalisée dans des cellules souches embryonnaires murines grâce à une immunoprécipitation d’EZH2 suivie d’une analyse globale des ARN co-précipités. Cette étude a permis d’identifier plus de 9000 ARN. Ceux-ci sont de nature très variable, comprenant des ARN anti-sens, intergéniques, associés aux promoteurs ou non-annotés (Zhao et al., 2010). Une autre étude focalisée sur des transcrits courts a mis en évidence une population d’ARN d’une taille de 50 à 200 nucléotides, transcrits par un promoteur en amont de celui des promoteurs des gènes réprimés par les complexes PcG et s’associant à SUZ12 via une structure en boucle. Ces ARN seraient impliqués dans le recrutement de PRC2 sur ses cibles (Figure 26E) (Kanhere et al., 2010). Chez l’homme, une autre équipe s’est concentrée sur les longs ARN non-codants intergéniques comme HOTAIR. Environ 3300 ARN de ce type ont été identifiés, 20% d’entre eux étant fixés par PRC2 et une quantité importante par d’autres complexes de modification de la chromatine comme le complexe coREST. La perte de fonction de ces ARN par ARN interférence conduit à la dérégulation de certains gènes (Khalil et al., 2009). Il est proposé que tous ces ARN soient impliqués dans le recrutement des complexes de modification de la chromatine sur leurs cibles.

Enfin, la protéine de l’hétérochromatine HP1, qui contient un chromodomaine, est également capable de fixer les ARN. Cette propriété semble nécessaire à la localisation de HP1 sur la chromatine puisqu’un traitement à la RNase induit une délocalisation de HP1 de l’hétérochromatine ainsi que de l’euchromatine (Muchardt et al., 2002; Piacentini et al., 2003). Toutefois cette fixation est dépendante d’une région charnière située entre le chromodomaine et le domaine chromo-shadow (Muchardt et al., 2002).

Transcription des gènes Hox

Activité des séquences régulatrices Transcription des séquences régulatrices Ubx Abd-A Abd-B abx/pbx bxd/pbx iab-2 iab-3 iab-4 iab-5 iab-6 iab-7 iab-8/9 bxd bxd iab-5 iab-7 iab-3 iab-4 iab-5 iab-6 iab-7 iab-8 iab-4/5 iab-6/7 iab-8/9 Petruk et al., 2006 Rank et al., 2002 Bae et al., 2002 Sanchez-Herrero et al., 1989

Figure 27 : Expression des ARN codants et non-codants dans le locus BX-C au cours de l’embryogenèse

Schématisation des 14 parasegments d’un embryon de 2-3 heures (stade 5) avec le pôle antérieur à gauche. Les trois gènes Hox du complexe BX-C sont différentiellement exprimés dans les parasegments 5 à 14. Chaque gène est représenté d’une couleur spécifique et l’intensité de la couleur correspond à son niveau d’expression. Chaque élément régulateur, quand il est actif dans un parasegment, est représenté par un cercle de couleur identique au gène qu’il contrôle, le gris correspondant à l’état inactif de l’élément. Par exemple, abx/pbx est actif dans les parasegments 5 à 14 et y contrôle l’expression d’Ubx. L’expression des différents ARN non-codants exprimés par les éléments régulateurs est représentée par des barres. La présence des transcrits correspond à l’activité des séquences régulatrices