2-2) Transcription des gènes ribosomiques

Comme mentionné plus haut, la transcription des gènes ribosomiques est l’étape initiale de la biogenèse des ribosomes. Cette transcription est modulée en fonction du cycle cellulaire, ainsi les gènes ribosomiques s’expriment au cours de l’interphase, avec une modulation du niveau de transcription entre la phase G1 / G2, et un arrêt de la transcription au cours de la mitose (Hadjiolov 1985; Hernandez-verdun 2006a; Hernandez-verdun 2006b; Hernandez-Verdun 2011). Au niveau moléculaire, les séquences ribosomiques transcriptionnellement actives se présentent sous forme d’un « arbre de Noël » (figure III-13), initialement décrit dans les ovocytes d’amphibiens puis dans les autres espèces (Raška et al. 2004).

81 Dans cette structure en arbre de Noël, le "tronc" correspond à une séquence ribosomique et les "branches" correspondent aux pré-ARN ribosomiques naissants de tailles différentes. Ce gradient de taille résulte de la progression de l’élongation de la transcription générant des transcrits de longueurs variables. A l’extrémité de ces branches (extrémités 5’des transcrits naissants) s’observent des RNP aussi appelées « boutons terminaux » impliqués dans la maturation des transcrits.

La transcription des gènes ribosomiques implique l’ARN polymérase I qui agit de manière coordonnée avec plusieurs cofacteurs transcriptionnels. La transcription de ces gènes peut se résumer en trois étapes: l’initiation, l’élongation et la terminaison.

Initiation de la transcription

L’initiation de la transcription nécessite le recrutement de trois facteurs principaux de la machinerie transcriptionnelle dans la région promotrice des loci d'ADNr. Il s'agit de l’ARN polymérase I, le facteur SL1/TIF-IB ("selectivity factor 1" chez l'homme; ou "transcription initiation factor IB" chez la souris) et le facteur de transcription UBF qui forment ainsi le complexe de pré-initiation de la transcription (pre-initiation complex en anglais, ou PIC) (Hannan et al. 1998; Reeder 1999; Moss and Stefanovsky 2002; Grummt 2003; Comai 2004; Russell and Zomerdijk 2005; Russell and Zomerdijk 2006; Grummt 2010).

L’assemblage de ce complexe s’effectue de manière stochastique à partir de facteurs libres et diffusibles (Dundr et al. 2002). C'est la fixation d’UBF et du complexe SL1/TIF-IB sur le domaine UCE du promoteur des gènes ribosomiques qui permet le recrutement de l’ARN polymérase I et de cofacteurs transcriptionnels (figure III-14) (Learned et al. 1986; Clos et al. 1986). En effet, SL1/TIF-IB présente dans sa composition une protéine TBP (TATA-binding protein) et trois TAFs (TBP-associated factors) qui vont favoriser les interactions entre l’ARN polymérase I et la région promotrice des gènes ribosomiques (Zomerdijk et al. 1994; Heix et al. 1997). Ces TAFs sont à l’origine de la sélectivité de la polymérase I pour le promoteur des Figure III-13: Chromatine nucléolaire fixée in situ et observée en microscopie electronique. Etalement de Miller montrant une structure en “arbre de Noël” d’une cellule de souris. Les flèches désignent les boutons terminaux aux extremités 5’ des transcrits naissants. Modifiée à partir de Raška et al. 2004.

82 gènes ribosomiques. En parallèle, UBF entraîne une courbure de l'ADN par le biais de ses domaines HMG (Bazett-Jones et al. 1994; Copenhaver et al. 1994). Cette courbure favoriserait le recrutement de SL1/TIF-IB au niveau du promoteur (Stefanovski et al. 2001). UBF interagit aussi avec SL1/TIF-IB via son domaine C-terminal (Tuan et al. 1999) ce qui assurerait non seulement la stabilité d'UBF (Friedrich et al. 2005) mais favoriserait aussi sa dimérisation. Les domaines HMG d’UBF seraient eux à l’origine de son interaction avec l’ARN polymérase I (Russell and Zomerdijk 2005; Russell and Zomerdijk 2006). L’ARN polymérase I s’associe par ailleurs à d'autres co-facteurs transcriptionnels, notamment des enzymes responsables de modifications épigénétiques (notamment G9a), entraînant une modification de la chromatine au niveau des gènes ribosomiques actifs (Russell et Zomerdijk, 2005 ; Grummt, 2010). Lors du recrutement de la polymérase I, UBF interagit également avec certains de ces co-facteurs, notamment PAF53 et PAF49 (Pol-I associated factors) ce qui participe à la stabilisation de ce complexe PIC (Hanada et al. 1996; Panov et al. 2006).

L’initiation de la transcription des gènes ribosomiques impliquerait également le site T0 situé en amont du promoteur proximal qui recruterait le facteur de transcription TTF-1 (transcription termination factor 1) interagissant avec l’histone acétyltransférase PCAF Figure III-14: Schéma montrant l’organisation structurale d’un gène ribosomique chez la souris et résumant les facteurs de base nécessaires à l’initiation et la terminaison de la transcription. La ligne verte correspond aux séquences en amont du site d’initiation de la transcription, incluant le promoteur de la séquence d’ADNr, et le terminateur T0 en amont. La ligne rouge correspond aux sequences en aval de la région codante contenant les éléments terminateurs T1–10. L’image suivante montre les facteurs de transcription de base, un schéma du complexe d’initiation de la transcription (UBF, TIF-IB et l’ARN polymérase I), et 2 protéines, TTF-I (transcription termination factor) and PTRF (polymerase and transcript release factor) qui sont requises pour l’arrêt de la transcription. Source: Grummt 2003.

83 (p300/CBP associated factor) afin d'acétyler SL1. Ceci aurait pour conséquence de fortifier la liaison de SL1 avec la région promotrice au niveau du CPE (Muth et al. 2001). Denissov et al. (2011) ont d'ailleurs proposé un modèle de transcription des gènes ribosomiques selon lequel SL1 aurait le rôle de liaison entre le promoteur, la région en amont du promoteur et le terminateur, et serait entouré par une forme cylindrique rotative d’ADNr transcrit. L'inhibition de la fixation de SL1 par l'addition d'une molécule, CX-5461, diminue d'ailleurs fortement la transcription des ADNr dans les lignées de cellules cancéreuses humaines (Drygin et al. 2011).

Terminaison de la transcription

La production des pré-ARNr se termine au niveau des sites de terminaison situés en aval de la région codante. Le mécanisme de terminaison de la transcription se déroule en deux étapes et implique principalement deux facteurs : TTF-1 et PTRF (pol I and transcript release factor) (figure III-14). Il y a d'abord arrêt de l'élongation de transcription via la fixation de TTF-1 (Evers et al. 1995; Evers and Grummt 1995); ensuite le facteur PTRF entraîne la terminaison de la transcription par dissociation de l’ARN Polymérase I et du transcrit de la matrice (Mason et al. 1997; Jansa et al. 1998; Jansa and Grummt 1999).

Une fois transcrit, les pré-ARN néosynthétisés (ARN ribosomiques 47S) vont progresser du centre du nucléole vers le cytoplasme. Des études combinant l’incorporation de BrUTP dans ces ARN et la microscopie électronique ont montré que l’accumulation de ces transcrits dans le GC mais aussi dans le DFC après 15 à 30 minutes d’incorporation (Cheutin et al. 2004; Thiry et al. 2009). Après 30 et 45 minutes d’incorporation, ils sont uniquement détectables dans le GC. La localisation des transcrits devient cytoplasmique au bout d'une heure; les transcrits sont alors intégrés dans des structures correspondant aux particules pré- ribosomiques; ce ne sont cependant pas les ARN ribosomiques 47S nouvellement transcrits qui entrent dans la composition des ribosomes. Ils vont d'abord subir une maturation. Cette maturation débute dans le DFC et s’achève dans le GC, accompagnant la migration des transcrits.