Signaux de pause et d’arrêt du complexe d’élongation de la transcription

d’initiation. Bien que les mécanismes de contrôle de l’initiation de la transcription soient très nombreux et variés (pour revue : (Saecker et al., 2011)), aucun lien direct n’a à ce jour été établi avec la terminaison Rho-dépendante, ce qui n’est pas le cas des mécanismes décrits ci- dessous.

1) Signaux de pause

et d’arrêt du complexe d’élongation de la

transcription

Le CET alterne entre des phases d’élongation et des pauses provoquées par différents signaux. Ces pauses sont très importantes pour la régulation des gènes car elles permettent la synchronisation de l’action de l’ARNP avec celles des cofacteurs se fixant aux différents composants du CET (ARN, ARNP, ADN). Les signaux de pause facilitent également la formation de l’ « expressome » bactérien (Kohler et al., 2017) et contribuent au repliement natif de l’ARN en cours de transcription (repliement co-transcriptionnel) (Larson et al., 2014; Pan and Sosnick, 2006). Des évènements de pause de l’ARNP sont également parties intégrantes des signaux d’arrêt et de terminaison décrits plus loin (Greive and von Hippel, 2005; Roberts et al., 2008).

Un premier type de pause est lié au passage du CET d’un état de « pré-translocation » à un état de « post-translocation » (Figure 6 et 15①). Cette transition nécessite un remodelage des liaisons entre protéines et acides nucléiques au sein du CET afin que ce dernier puisse se repositionner sur l’ADN en position i+1. Ce remodelage est parfois perturbé,

ce qui entraîne un état de pause « élémentaire » du complexe d’élongation (ePEC) en « pince ouverte » en raison de l’écartement transitoire du domaine «  clamp » (Figure 15②) (Zhang and Landick, 2016).

Figure 15 : Modèle de pause élémentaire des CET. ① CET dans un processus normal d’élongation durant lequel l’addition de nucléotide s’effectue suivant des oscillations de la boucle « Trigger Loop » (TL) près du site actif. La liaison du nucléoside triphosphate à l’ADN matrice initie le mouvement de la TL et le positionnement du NTP et du Mg2+ _{dans le site actif.} ② CET dans un état de pause élémentaire avec des changements

structuraux : un écartement transitoire du domaine «  Clamp », modification de la « Bridge helix », piège de la

base i+1 de l'ADN. L’état de pause élémentaire peut conduire à un état de pause prolongée ou d’arrêt suite à un

backtracking ③ ou à la formation d’une structure ARN en tige boucle dans le canal de sortie ④. La formation de la structure ARN cause l’ouverture du canal (en écartant les domaines «  Clamp » et «  Flap »), la conformation improductive de la boucle TLet l’éloignement entre les nucléotides i+1de l’ARN et de l’ADN.

Figure issue de (Zhang and Landick, 2016).

Cet état de pause est généralement très court avant que le CET finisse par adopter une configuration correcte en position i+1. Il est néanmoins favorisé par certaines séquences.

Ainsi, deux équipes ont mis en évidence un motif consensus pouvant induire une pause « élémentaire » du CET : ’-G-10Y-1G+1- ’ (Larson et al., 2014; Vvedenskaya et al., 2014)

(Figure 16). Les auteurs proposent que ce motif est thermodynamiquement défavorable à un repositionnement du CET en position i+1 pour plusieurs raisons :

❖ _{Le CET aurait du mal à ouvrir le double brin d’ADN en position i}+1 à cause de la paire

❖ _{La dissociation de l’hybride ADN:ARN au niveau du canal de sortie en position i}-10

serait défavorisée par la paire rG-10 /dC-10 (Figure 16).

❖ _{Enfin, l’élément ’-r}YrG- ’/ ’-dR-dY- ’ en position i-1 et i+1 défavoriserait la

translocation de l’ARNP en position i+1 (ce qui n’es pas le cas avec un motif ’-rR-

rY/ ’-dY-dR- ’).

Figure 16 : Séquence consensus de pause élémentaire alignée avec la bulle de transcription. Les éléments retrouvés majoritairement sont rG-10, rY-1 et rG+1. Figure issue de (Larson et al., 2014).

Ces éléments favoriseraient un état de « pré-

translocation » et défavoriseraient l’état de « post- translocation ». Les auteurs ont recensé 20 000 sites

possibles de pause élémentaire chez E. coli et démontré que ce motif consensus était conservé dans diverses lignées bactériennes (Larson et al., 2014). La séquence G-10Y-1G+1 est

notamment présente près des sites RBS, ce qui permettrait de favoriser le repliement correct de l’ARN naissant et limiterait la synthèse d'ARN jusqu'à ce que la traduction débute (Larson et al., 2014). Les pauses élémentaires sont généralement très courtes mais peuvent initier une transition vers des états inactivés plus durables résultant d’un remodelage marqué du CET (Weixlbaumer et al., 2013). Nous pouvons distinguer deux catégories principales de signaux d’inactivation durable :

❖ Les signaux de pause (de type I ou II) à partir desquels l’ARNP peut retrouver spontanément une configuration active ; cette réactivation peut être facilitée par certains cofacteurs (NusA et NusG par exemple).

❖ Les signaux d’arrêt caractérisés par une inactivation irréversible de l’ARNP en absence de cofacteurs ré-activateurs (GreA et GreB par exemple).

Les signaux de pause de type I requièrent la formation d’une structure tige-boucle (hairpin) de 14 nt au sein du transcrit dont 5 nt peuvent se positionner dans le canal de sortie de l’ARNP. Cette structure va déplacer la base ARNi-10 de sa poche de liaison Sw3

(Figure 5) et interagit avec le domaine « flap » (Figure 15-④), ce qui inhibe la fermeture de la pince et inactive transitoirement l’ARNP (Figure 15-④ et Figure 17-①) (Greive and von Hippel, 2005; Washburn and Gottesman, 2015).

Les signaux de pause de type II impliquent une « rétro-translocation » de l’ARNP le long de l’ADN (backtracking), ce qui positionne l’extrémité ’ de l’ARN dans le canal d’entrée des NTP (appelé canal secondaire) et obstrue ce dernier (Figure 15-① et Figure 17 ②). Il arrive parfois que la rétro-translocation piège le CET dans un état stable dont il ne peut échapper spontanément. Cet état est qualifié d’arrêt. Dans ce cas, la récupération du registre catalytique requière l’intervention de facteurs extérieurs qui vont aider l’ARNP à ré- avancer le long de l’ADN ou bien couper la portion d’ARN occupant le canal d’entrée des NTP. Le phénomène d’arrêt peut être favorisé par une incorporation erronée ou une carence en nucléotides (Nudler et al., 1997).

Figure 17 : Signaux de pause et de terminaison lors de l’élongation de la transcription. L’entrée dans un état de pause élémentaire transitoire (ePEC) peut conduire à une inactivation du CET plus durable voire irréversible. Différents cas sont distingués : ① pause de type I, induit par la formation d’une structure ARN en tige-boucle dans le canal de sortie de l’ARNP ; ② pause de type II liée à un recul de l’ARNP le long de l’ADN (backtracking) conduisant à une extrusion de l’extrémité ’ du transcrit dans le canal secondaire ; ③ terminaison intrinsèque induite par la formation d’un motif ARN en tige-boucle à proximité de l’extrémité ’ du transcrit ; ④ terminaison facteur-dépendante nécessitant l’intervention d’un facteur tel que Rho pour démanteler le CET. Figure inspirée de (Weixlbaumer et al., 2013).

Il existe un dernier type de pause dite « proximale » (ou -dépendante), induite par le facteur σ et localisée près des promoteurs (Mooney et al., 2005). Lors de l’initiation de la transcription, le facteur σ en interaction avec l’ARNP se disloque pour permettre le passage du complexe en phase d’élongation (voir partie B-I-1, page 9). Bien que les domaines σ 1.1 _et

σ3.2 _{soient exclus} de l’interaction avec l’ARNP à ce stade, σ reste parfois lié quelque temps au

CET via son domaine σ2 _{(Kapanidis et al., 2005; Mooney et al., 2005)et peut ainsi encore}

reconnaitre certaines séquences ADN ressemblant aux promoteurs. Cette interaction peut induire une pause du CET jusqu’au démantèlement complet du facteur σ. Il a été proposé que les signaux de pause proximale favorisent le couplage entre la transcription et la traduction (Mooney et al., 2005; Mooney et al., 2009a).