Le système Hex 52 

Les cellules vivantes ont développées de multiples mécanismes pour éviter que, suite à des erreurs de réplication ou à des dommages, des mutations indésirables s’accumulent dans leur ADN. La réduction des fréquences d'erreur lors de la réplication est due à la fonction éditrice de la polymérase réplicative mais aussi à des systèmes de réparations des mésappariement (aussi appelé « mismatch repair ») (pour revue, voir (Claverys & Lacks 1986)). C’est chez S. pneumoniae qu’a été découverte l’existence d’un système de réparation généralisée des mésappariements, le système Hex (Ephrussi-Taylor, Sicard, & Kamen 1965). L’identification et l’étude de mutants des gènes de ce système chez S. pneumoniae (hexA et

hexB) et, en parallèle, des gènes correspondants du système Mut chez E. coli (respectivement

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mutS et mutL) a permis d’établir que les protéines de ces systèmes avaient été conservées au

cours de l’évolution chez les bactéries, puis des bactéries à l’homme (Claverys et al. 1984)(Wildenberg & Meselson 1975)(Harfe & Jinks-Robertson 2000). En effet, chez l’homme, l’inactivation de gènes homologues des gènes hex/mut (e.g. : hMSH2 pour human MutS Homologue 2 et hMLH1 pour human MutL Homologue 1) est à l’origine de la prédisposition héréditaire aux cancers du côlon (et de plusieurs autres organes), appelés HNPCC (Hereditary Non Polyposis Colorectal Cancer ou syndrome de Lynch II, pour revue, voir (Radman & Wagner 1993). L’abolition de ces systèmes confère un phénotype hyper- mutateur aux cellules alors que leur présence permet de maintenir un taux de mutation très faible, de l’ordre de 10-9 par nucléotide et par réplication (Claverys & Lacks 1986). Ces systèmes sont complémentaires des systèmes de correction lors de la réplication et agissent aussi sur des mésappariements se trouvant loin de la fourche de réplication.

Les premières preuves génétiques de l’existence d’un système de réparation des mésappariements agissant sur les intermédiaires de recombinaison ont été trouvées, chez S.

pneumoniae, en étudiant les variations d’efficacité de différents marqueurs sélectionnés par

transformation (Ephrussi-Taylor et al. 1965)(Lacks 1966). Pour rendre compte de la faible efficacité transformante de certains marqueurs (dits LE pour « Low Efficiency »), il a été proposé que le brin donneur de l’hétéroduplex était préférentiellement éliminé par un système dédié pour pouvoir restituer l’information originelle. Ces marqueurs LE se distinguent d’une autre classe de marqueurs, les marqueurs dits HE (pour « High Efficiency ») pour lesquels la transformation est 10 à 20 fois plus efficace. Ces derniers formeraient un mésappariement peu ou pas reconnu par le système de réparation (Ephrussi-Taylor & Gray 1966). Ces hypothèses furent étayées par la découverte de souches mutantes ayant la capacité de transformer pour des marqueurs LE avec la même efficacité que pour des marqueurs HE (Lacks 1970). Ces mutants, nommés hex (initialement pour « High Efficiency unknown (X) cause » puis pour « Heteroduplex Excision »), sont effectivement déficients pour le système de réparation des mésappariements.

Diverses études génétiques ont permis de mieux qualifier ce système de réparation (pour revue voir (Claverys & Lacks 1986)). Il a été montré que les mutations de transition présentent un très faible taux de transformation car le système Hex reconnait efficacement les deux types de mésappariement au niveau de l’hétéroduplex (G/T et A/C). Ce sont donc des marqueurs LE, c’est le cas par exemple de l’allèle rif23 du gène rpoB (Tiraby & Fox 1973) qui confère la résistance à la rifampicine (RifR) ou de l’allèle str1 du gène rpsL (Sung et al. 2001) qui permet la résistance à la streptomycine (SmR) (cf. Figure 16). En revanche, les

54 mutations de transversion peuvent être peu ou pas reconnues, les marqueurs sont dits HE lorsqu’aucun des mésappariements potentiellement formés au niveau de l’hétéroduplex n’est reconnu par le système Hex, ou IE (pour « Intermediate Efficiency ») lorsque l’un des 2 mésappariements est reconnu (cf. Figure 16). L’allèle str41 du gène rpsL (SmR) est un IE fort (Tiraby & Fox 1973), il est 10 fois plus efficace en transformation que l’allèle rif23.

Figure 15 : Efficacité du système Hex.

Le mode d’action de ces systèmes Hex et Mut est relativement bien connu (cf. Figure 17). MutS (et, par homologie, HexA) reconnait et fixe le mésappariement (Priebe et al. 1988)(Su & Modrich 1986). Chez E. coli, MutL permet la discrimination entre le brin parental et le brin portant la mutation en recherchant un site hémi-méthylé (Grilley et al. 1989). En effet, la méthylation intervient après un certain temps après la réplication, ainsi le brin néo- synthétisé (qui potentiellement porte des mutations dues à des erreurs de réplication) reste non-méthylé plusieurs minutes après la réplication. MutL recrute alors MutS qui coupe le brin non-méthylé (Au, Welsh, & Modrich 1992). L’ADN de S. pneumoniae n’étant pas méthylé, HexB recherche une interruption de la continuité d’un des brins d’ADN (Prudhomme et al.

55 1989). Il y a alors élimination d’une large zone du brin portant la mutation (2000 à 3000 nucléotides) par une nucléase non-identifiée et re-synthèse d’ADN (Claverys & Lacks 1986).

56 Le spectre de reconnaissance des mésappariements est pratiquement identique pour les systèmes Hex et Mut. Ils sont tous deux actifs efficacement sur les mésappariements de type transition, certains mésappariements de type transversion et frameshift mais pas sur les délétions et insertions. Bien que la base moléculaire de la reconnaissance du mésappariement n’ait pas été déterminée, il semble que les mésappariements provoquant des petites modifications par rapport à la structure hélicoïdale normale de l’ADN soient reconnus, alors que ceux qui causent de gros écarts ne le soient pas (Claverys & Lacks 1986).

Chez S. pneumoniae, comme chez de nombreux autres organismes, il existe une protéine présentant un fort pourcentage d’identité avec HexA, il s’agit d’HexA2. En fait, les protéines de la famille MutS sont divisées en 2 groupes : MutS-I et MutS-II. Il est admis qu’une duplication du gène mutS serait à l’origine de l’apparition de mutS2 (Eisen 1998). Le groupe MutS I comprend les protéines MutS bactériennes et leurs homologues eucaryotes MSH1, MSH2, MSH3 et MSH6. Ces protéines sont toutes impliquées dans la réparation des mésappariements. En revanche, MutS2 appartient à la famille MutS-II avec MSH4 et MSH5. Jusqu’à il y a très peu de temps, on savait seulement que les protéines MutS2 n’étaient pas impliquées dans la réparation des mésappariements (Björkholm et al. 2001)(Rossolillo & Albertini 2001)(Vijayvargia & Biswas 2002). Par analogie avec les fonctions de MSH4 et MSH5, il avait été proposé qu’elles pourraient faciliter les crossing-over ou avoir un rôle dans la ségrégation des chromosomes (Eisen 1998). Cependant, le manque d’homologie entre MutS2 et MSH4/MSH5 permettait de penser que la fonction de MutS2 pourrait être complètement différente (Culligan et al. 2000). Récemment, 2 études menées chez H. pylori ont, d’une part confirmé l’absence de rôle de MutS2 dans la réparation des mésappariements et, d’autre part, montré que cette protéine limite la recombinaison homologue et homéologue (Kang, Huang, & Blaser 2005)(Pinto et al. 2005).

Ainsi, les systèmes de réparation généralisée des mésappariements, dont le système Hex, sont normalement dédiés à la correction des erreurs réplicatives et sont souvent présentés comme des inhibiteurs puissants de la recombinaison intra et inter-espèces (Claverys & Lacks, 1986)(Matic, Taddei, & Radman 1996). La situation est loin d’être aussi tranchée pour ce qui concerne le système Hex chez S. pneumoniae. Il est effectivement capable de reconnaître un mésappariement ponctuel sur l’hétéroduplex formé entre chromosome receveur et ADN exogène (Gasc, Sicard, & Claverys 1989) et de provoquer l’élimination de ce dernier, réduisant ainsi jusqu’à 20 fois sa fréquence d’intégration (Claverys & Lacks 1986). Toutefois, le système Hex est facilement saturé (inhibé) par un excès de mésappariements et n’empêche donc pas systématiquement les échanges intra et

57 interspécifiques par transformation (Tiraby, Fox, & Bernheimer 1975)(Humbert et al. 1995). Par ailleurs, aucune induction des gènes hexA et hexB n’a été détectée lors du développement de la compétence, alors que l’expression du gène recA est augmentée d’un facteur 3 à 5 pour favoriser la recombinaison homologue (Humbert et al. 1995)(Mortier-Barrière et al. 1998)(Dagkessamanskaia et al. 2004). Divers paramètres susceptibles d’affecter la transformation génétique semblent donc avoir été ajustés chez S. pneumoniae de manière à lui conférer une plasticité génétique accrue, élément clé de son adaptabilité à l’environnement.