Relaxation des surenroulements de l’ADN au cours de la réplication et de la

Le rôle principal de la Top1 consiste à maintenir l’ADN dans un état topologique relaxé en supprimant les surenroulements générés pendant la transcription et la réplication (Wang, 2002). La Top1 peut relaxer les surenroulements à la fois positifs et négatifs avec toutefois une préférence pour les surenroulements positifs (McClendon and Osheroff, 2006). De par ce rôle, la Top1 va impacter la réplication et la transcription.

1 - Réplication

La Top1 est localisée aux origines de réplication (Abdurashidova et al., 2007; Falaschi, 2009). L’initiation de la réplication nécessite la séparation des brins parentaux de l’ADN. Des surenroulements négatifs sont générés aux origines de réplication. Des surenroulements positifs surviennent devant les fourches de réplication situés à proximité de régions où l’ADN n’est pas libre de tourner puisqu’il est rattaché à une barrière dite « topologique » comme par exemple des sites d’attachements à la matrice nucléaire. Ces surenroulements positifs sont supprimés par la Top1, ce qui permet la progression de la fourche de réplication (Figure 22)

52 (Pommier et al., 2016b). L’élongation de la réplication génère la formation de surenroulements positifs (dans le sens de la double hélice) et négatifs (dans le sens inverse) devant et derrière la fourche de réplication respectivement (Pommier et al., 2016b; Wang, 2002). Ces surenroulements sont enlevés par la Top1 (Figure 22). Le chargement de la Top1 près de la fourche est facilité par le complexe de remodelage de la chromatine BAZ1B- SMARCA5 (Bromodomain adjacent to zinc finger domain 1B - SWI/SNF-related matrix- associated actin-dependent regulator of chromatin A5) (Ribeyre et al., 2016). Dans les cellules HCT116, la déplétion de la Top1 par ShRNA entraîne un ralentissement de la progression de la fourche de réplication (0.7 kb/min dans les HCT116 shTop1 vs 1.1 kb/min dans les HCT116 ShCtrl) et une augmentation de son nombre de pauses ou d’arrêts (Tuduri et al., 2009). Cependant, les cellules HCT116 ShTop1 compensent ces effets inhibiteurs sur l’élongation en augmentant l’initiation de la réplication (Tuduri et al., 2009).

Figure 22 : Rôles de la Top1 dans la réplication. (A) La Top1 supprime les surenroulements positifs (Sc+) lors de

l’initiation de la réplication. (B) La Top1 enlève les surenroulements positifs (Sc+) et négatifs (Sc-) situés respectivement devant et derrière la fourche de réplication pendant l’étape d’élongation de la réplication. (D'après Pommier et al., 2016b).

53 2 - Transcription

Chez la levure, l’absence seule de la Top1 ou de la Top2 n’a pas d’effet sur la transcription des ARNm (ARN messager) et des ARNr (ARN ribosomique) tandis que leur absence concomitante induit une diminution drastique de la synthèse des ARNm et des ARNr (Brill et al., 1987). La Top1 est préférentiellement associée aux gènes hautement transcrits (Khobta et al., 2006; Kroeger and Rowe, 1992; Zhang et al., 1988). La fonction principale de la Top1 dans la transcription est d’enlever les surenroulements crées au cours de l’élongation par son rôle dans la relaxation (Figure 23). Outre cette fonction dépendante de son activité catalytique, la Top1 régule la transcription des ARNm eucaryotes par d’autres mécanismes (Figure 23).

Figure 23 : Rôles de la Top1 dans la transcription. Au cours de la transcription, la progression de l’ARN pol II entraîne

l’accumulation de surenroulements positifs (Sc+) et de surenroulements négatifs (Sc-) induisant la formation de R-loops devant et derrière la bulle de transcription respectivement. Ces surenroulements sont enlevés par la Top1. La Top1 augmente l’initiation de la transcription en favorisant la liaison de TBP (TATA-binding protein) à la TATA box. La Top1 est recrutée au niveau de régions activatrices et permet d’activer des enhancers de façon ligand-dépendant en générant des cassures transitoires simple-brin. TF = Facteurs de transcription (D'après Pommier et al., 2016b).

54 a. Initiation

La Top1 affecte la transcription de gènes en modifiant la structure de la chromatine. La Top1 maintient une faible densité des histones au niveau du promoteur afin de favoriser le recrutement de l’ARN polymérase II (ARN pol II) et d’induire la transcription. L’effet de la Top1 sur le désassemblement des nucléosomes nécessite la coopération de la protéine remodelante de la chromatine Hrp1 (Durand-Dubief et al., 2010). Le remodelage de la chromatine est également régulé par le complexe SWI/SNF (Switching defective/ Sucrose non fermentor) composées de différentes protéines notamment de l’hélicase ATP-dépendante, SMARCA4. La Top1 est recrutée à la chromatine par SMARCA4 afin de maintenir la stabilité génomique en supprimant les surenroulements négatifs et les structures d’ADN non- B formés en amont de l’ARN pol II (Husain et al., 2016). Par ailleurs, une fraction limité de Top1 forme un complexe avec l’histone chaperonne FACT (facilates chromatin transcription) et la marque H3K4me3 (Histone 3 Lysine 4 triméthylée), associé aux promoteurs actifs à proximité des sites d’initiation à la transcription (TSS). Cette interaction a lieu sur la chromatine des ADN non-B et induit une instabilité génomique par formation de cassures de l’ADN (Husain et al., 2016).

L’initiation de la transcription débute par la reconnaissance au niveau du promoteur de la TATA box par le facteur de transcription TFIID. TFIID se lie à la TATA box par l'intermédiaire de sa sous-unité TBP. Par la suite, d’autres facteurs de transcription, notamment TFIIA, vont recruter l’ARN pol II en formant un complexe multiprotéique autour du promoteur. L’association de la Top1 avec des co-activateurs de la transcription induit la formation du complexe TFIID-TFIIA et accroît sa liaison à la TATA box via TBP, augmentant ainsi l’initiation de la transcription (Figure 23) (Shykind et al., 1997).

La Top1 faciliterait le recrutement de l’ARN pol II au niveau des sites de transcription en interagissant avec les topors (topoisomerase I-binding RS protein), des protéines nucléaires contenant un domaine « ring finger » et possédant des activités E3 ubiquitine et SUMO1 (small ubiquitin-related modifier-1) ligases (Haluska et al., 1999).

Par ailleurs, la Top1 module la transcription en agissant sur les régions activatrices. L’activité catalytique de Top1 permet d’activer des enhancers de façon ligand-dépendant en générant des cassures simple-brin (SSB) transitoires (Figure 23) (Puc et al., 2015).

55 b. Libération des sites de pauses

Suite à l’initiation de la transcription, l’ARN pol II s’arrête après la synthèse d’un ARN naissant de 20 à 60 nucléotides de longueur. Cette étape de pause permet d’assurer une élongation productive et le recrutement de la coiffe et des facteurs d’épissage nécessaire à la maturation de l’ARN (Liu et al., 2015; Sims et al., 2004). L’étape de libération de l’ARN pol II au niveau des sites de pause nécessite son interaction directe avec la Top1. Cet effet résulte de la stimulation de l’activité de relaxation de Top1 suite à la phosphorylation du domaine CTD (carboxyl-terminal domain) de l’ARN pol II par BRD4 (Baranello et al., 2016).

c. Elongation

Pendant l’étape d’élongation de la transcription, la progression de l’ARN pol II entraîne l’accumulation de surenroulements positifs et négatifs devant et derrière les complexes transcriptionnels respectivement (Liu and Wang, 1987). Les surenroulements positifs empêchent la progression de la transcription (Gartenberg and Wang, 1992). Les surenroulements négatifs peuvent générer la formation de structures d’ADN non-B tels que les ADN-Z (double hélice d’ADN enroulée à gauche) (Nordheim et al., 1982) et de R-loops (hybrides ARN-ADN + ADN non apparié) (Drolet, 2006; Drolet et al., 1994) qui peuvent inhiber la transcription (Huertas and Aguilera, 2003). En supprimant les surenroulements positifs et négatifs, la Top1 favorise l’élongation de la transcription (Figure 23).

d. Epissage

La Top1 peut réguler l’épissage grâce à son activité kinase spécifique (Rossi et al., 1996). La phosphorylation de facteurs d’épissage par la Top1 permet la maturation des ARN pré-messagers (Soret et al., 2003). La Top1, dans un mécanisme dépendant du facteur d’épissage ASF/SF2, prévient les interférences entre réplication et transcription et la formation de R-loops, contribuant ainsi au maintien de la stabilité du génome (Tuduri et al., 2009).