H1
Figure 1: Présentation schématique d’un nucléosome Le nucléosome est composé d’une paire de chacune des histones H2A,H2B, H3 et H4 autour desquelles s’enroule la double hélice d’ADN.
Grâce à l’histone H1, une conformation plus compacte du nucléosome est obtenue
Figure 2: L’empaquetage de l’ADN
Les nucléosomes forment une chaîne qui s’aggrège en fibre de
chromatine qui est condensée encore une fois pour former l’euchromatine et l’hétérochromatine
D’après Felsenfeld and Groudine (référence 2 )
ADN
Région de l’ADN
Chaîne de nucléosomes
Fibre de chromatine
Euchromatine
Hétérochromatine
Figure 3 : Les complexes ATP-dépendants du remodelage de la chromatine
Dans la partie supérieure, la structure des trois membres fondateurs de chaque famille est représentée.
Dans la partie inférieure, les complexes humains les plus connus contenant chacun un autre membre de la famille des ATPases sont illustrés.
D’après Narlikar et al. (référence 4)
Figure 4: Les modifications des histones.
Ce schéma illustre les queues N-terminales protubérantes de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4. Chaque modification post-traductionnelle est représentée par une couleur et elle est annotée à côté de l’acide aminé concerné. On note que les histones peuvent être phosphorylées (P), acétylées (Ac), ubiquitinylées (Ub) et méthylées (Me).
D’après Felsenfeld and Groudine (référence 2)
Ac
Ac Ac
Ac Ac Ac
Gène cible ACTIF ACTIF
HAT HDAC
Gène cible REPRIME REPRIME
Figure 5: Acétylation/Désacétylation d’histones
Les HAT entraînent une acétylation d’histones, corrélée à un état transcriptionnel actif
Les HDAC provoquent une désacétylation d’histones qui est associée à une condensation de la chromatine et à un état transcriptionnel inactif.
CBP Activation transcriptionnelle
Ac K23
CARM1 Activation transcriptionnelle
Me R26
Pr-SET7 Condensation des chromosomes
Me K20
ATF2 Activation transcriptionnelle
Ac K16
ATF2, PCAF, p300 Activation transcriptionnelle
Ac K8
Hat1, ATF2, p300 Activation transcriptionnelle
Ac K5
PRMT1 Activation transcriptionnelle
Me R3
H4
DOT1L Répression télomérique
Me K79
Aurora-B Condensation des chromosomes
P S28
G9a, EZH2 Répression transcriptionnelle
Inactivation du chromosome X Me
K27
P300/CBP Activation transcriptionnelle
Ac K18
CARM1 Activation transcriptionnelle
Me R17
Gcn5, TAFII250, p300, PCAF, SRC1
Activation transcriptionnelle Ac
K14
Rsk2 Activation transcriptionnelle
P S10
SETDB1, G9a, Eu-HMTase, Suv39H1, EZH2, G9a Répression transcriptionnelle
Hétérochromatine péricentromérique Empreinte génétique
Me
SRC1 Activation transcriptionnelle
Ac K9
SET7/Set9 Activation transcriptionnelle
Me K4
CARM1
? Me
R2
Enzymes Fonction
Modification H3
Tableau 1: Acétylation (Ac), phosphorylation (P) et méthylation (Me) d’histones H3 et H4
Les enzymes indiquées sont celles connues chez l’humain ou chez la souris pour catalyser les modifications d’histones.
N-ARTKQTARKSTGGKAP…QDFKTDL
4 9 10 14 79
Me Me Ac Me
P
Ac
RAVTKYSSSTQA-C
Ub
123 H3H3
H2BH2B
Figure 9 : Interrelations régulatrices entre les différentes modifications des histones H3 et H2B
Les différentes modifications des histones sont indiquées au dessus des acides aminés concernés. Me=methylation, Ac=acétylation, P=phosphorylation, Ub=ubiquitinylation.
Les flèches turquoises indiquent une régulation positive tandis que les traits rouges comportant des boules à leurs extrémités représentent une inhibition.
ADN
Méthylation de novo
Réplication de l’ADN Méthylation de
maintien
Figure 10 : La méthylation de l’ADN : de novo et de maintien
La méthylation de novo s’établit surtout pendant l’embryogenèse précoce, ensuite la méthylation de l’ADN est maintenue au cours des cycles de réplication de l’ADN. La méthylation de maintien s’appuie sur une séquence hémi-méthylée afin de restaurer le profil de méthylation après chaque réplication de l’ADN.
ADN méthylé ADN hémi-méthylé ADN non-méthylé
Région 1 Région régulatrice
Figure 11 : Les deux caractéristiques clefs de la méthylation de l’ADN a. La méthylation de l’ADN verrouille l’expression génique
b. La méthylation de l’ADN est ciblée en des régions spécifiques du génome (région 1 non-méthylée, région 2 méthylé)
Région 2 Gène
a. Verrouillage
b. Ciblage
Répression de la transcription
ADN non-méthylé ADN méthylé
Figure 12: Réaction de transfert d’un groupement méthyl sur l’ADN Les Dnmt catalysent le transfert du résidu méthyl -CH3 à partir du substrat qui est la S-adénosyl-méthionine sur le cinquième carbone pyrimidique des cytosines, converties ainsi en 5-méthyl-cytosine.
D’après Herman and Baylin (référence 91) S-adénosyl-méthionine
+ Dnmt
1616
908
853 1
1
1
1
1 387
391 Dnmt1
Dnmt2
Dnmt3a
Dnmt3b
Dnmt3L
Structure des différentes classes de Dnmt Activité méthyl- transférase
oui
oui
oui
oui
non
Protéines partenaires
HDAC1,2 PML-RAR RP58 HP1 Suv39H1 Dnmt1 Dnmt3L
?
Figure 13: La famille des Méthyltransférases de l’ADN (Dnmt) La structure des Dnmt:
Lorsqu’il y a létalité embryonnaire, la lettre E suivie d’un chiffre indique le jour embryonnaire où a lieu la mort.
Invalidation du gène
chez la souris
Pas de changement du profil de
méthylation Létalité
embryonnaire à E8,5 Hypométhylation globale
Perte des gènes d’empreinte HDAC1,2
Rb MBD2/3 HP1 Suv39H1 PML-RAR RP58 RNApolII PCNA Dnmt3a Dnmt3b
HDAC1 Sumo-1/Ubc9 Dnmt1
Dnmt3L hSNF2H`
Sin3a HDAC1 Dnmt3a Dnmt3b
Létalité post-natale à 4 semaines
Défauts intestinaux et de la
spermatogenèse
Létalité embryonnaire entre E14,5 et 18,5 Déméthylation des séquences satellites mineurs
Létalité embryonnaire à E8,5
Absence d’empreinte génétique maternelle et paternelle
NLS domaine PwwP
domaine PHD domaine catalytique
domaine de fixation au zinc domaine riche en cystéines
Figure 14 : Les protéines liant les CpG méthylés.
MBD1, MBD2, MeCP1, MBD3 et MBD4 sont des protéines à domaine de liaison à l’ADN MBD tandis que Kaiso se lie à l’ADN par ses domaines en doigts de zinc
Structure des MBD Fonction Protéines
Partenaires, Complexes
Invalidation du gènechez la souris
MBD1
MBD2
MeCP2
MBD3
MBD4
Kasio
Co-répresseur
Réparation de l’ADN
Répresseur transcriptionnel dépendant des sites méthylCpG
Complexe Mi2/NuRD
Complexe Mi2/NuRD Dnmt1
Sin3a/HDAC HDAC Suv39H1 HP1
Caténine p120 NcoR (HDAC)
Viable et fertile Défauts du comportement maternel
Létalité
embryonnaire à E6,5
Viable
Défauts neuronaux sévères
(ataxie, mouvements stéréotypés)
Domaine MBD Motif CxxCxxC Répétition riche en glycine et arginine
Domaine POZ Domaine de liaison à
Sin3a/HDAC
Domaine intervenant dans la réparation de l’ADN
Domaine en doigts de Zinc Structure des protéines
Répresseurs transcriptionnels dépendants des sites CpG méthylés
CANCER
Gène suppresseur de tumeur CG
CG
CG
CG
meme
me me me
me
meme REPRIMEREPRIME Dnmt
Inhibiteur de Dnmt
ANTI-CANCER
Gène suppresseur de tumeur CG
CG
CG
CG
ACTIF ACTIF Dnmt
Figure 15 : La méthylation de l’ADN et le cancer
Dans un grand nombre de cancers, il y a hyperméthylation et donc inactivation de gènes suppresseurs de tumeur.
L’utilisation d’un inhibiteur de Dnmt pourrait conduire à nouveau à une déméthylation et donc à une ré-expression des gènes suppresseurs de tumeur.
Figure 16: Coopération des Dnmt, MBD, HDAC et HKMT
pour obtenir une structure chromatinienne fermée et une répression de la transcription génique
a. Les MBD recrutent les HKMT et/ou HDAC au niveau des sites CpG méthylés de l’ADN et entraînent une désacétylation et une méthylation d’histones
b. Les Dnmt interagissent et coopèrent avec les HKMT et les HDAC. Il y a méthylation de l’ADN ainsi que désacétylation et méthylation des histones
HDACHDAC
me me me
me
Gène CG
CG
CG CG
me me
me me me
me
meme REPRIMEREPRIME HKMT
HKMT
me me me
me
DnmtDnmt
Chromatine ferm Chromatine fermééee Transcription r
Transcription rééprimprimééee b.
a.
me me me
me
Gène
CG CG
CG
me me
me me me
me
REPRIME REPRIME
me meme me
Chromatine ferm Chromatine fermééee Transcription r
Transcription rééprimprimééee
HDAC
HDAC HKMTHKMT MBD
MBD
meme CG
Renforcement de l’état épigénétique
HDAC HDAC
Gène cible
CG CG
me me me
me REPRIMEREPRIME DnmtDnmt
PML-RAR PML-RAR
Gène cible
CG CG
REPRIME REPRIME Dnmt
Dnmt Rb
Rb, RB58, RB58
Ac a.
b.
Figure 17: Ciblage des Dnmt par des facteurs de transcription a.Ciblage d’une Dnmt et de son activité méthyltransférase sur un gène cible du facteur de transcription PML-RAR (RARβ) et induction de la répression génique par la méthylation du promoteur du gène en question.
b. Ciblage d’une Dnmt sur un gène cible du facteur de transcription Rb ou RP58 et induction de la répression génique par un mécanisme indépendant de la méthylation de l’ADN (par désacétylation d’histones)
gène actif gène réprimé
Figure 18 : Les boucles de la régulation épigénétique de la transcription.
L’état transcriptionnel d’un gène dépend de l’équilibre entre les répresseurs et les activateurs de la transcription.
Le gène actif pour la transcription est marqué, entre autres, par des histones acétylés en H3-K9.
Le gène réprimé est lui marqué par des histones désacétylées et méthylées en H3-K9 et par une méthylation de son ADN.
La méthylation de l’ADN a un effet positif sur la désacétylation et la méthylation en H3-K9.
L’acétylation en H3-K9, associé à un gène actif a, par contre, un effet négatif sur la méthylation de ce même résidu H3-K9.
D’après Jaenisch and Bird (référence 3 )
439 1
45 63 129 143 320 328 355 368 410
C-Myc
Domaine N-terminal Domaine Central Domaine de liaison à l’ADN
MBI MBII NLS b HLH LZ
MBI
MBII
NLS
Myc-Box I
Signal de nucléarisation
b
LZ HLH
Région basique Hélice-tour-hélice Leucine Zipper Myc-Box II
Figure 19 : La structure de la protéine Myc et ses isoformes a. La structure de la protéine c-Myc
b. Les isoformes de c-Myc
c. Les autres membres de la famille Myc
-141 439
C-Myc1
C-Myc2 C-Myc-S
N- Myc L-Myc S-Myc B-Myc
464
365
429
179
a.
b.
c.
1
1
1
1
Myc Max
CACGTG
TRAPP
GCN5 ou pCAF hSTP3
hADA 2,3
TAF 15,20, 30,31 PAF 65a,b Autres …..
S(T)AGA
TRAPP Tip48 Tip49 Tip60 p400 BAF53 Autres ….
Tip60 Complexes
d’histone acetyl-transférases
SNF5 (INI1) BRG1 ou hBRM BAF155
BAF170 BAF57 BAF53a Autres …
SWI/SNF
CBP/p300
Remodelage de la chromatine
ATP-dépendant
Figure 20 : Les co-activateurs de Myc
Les facteurs soulignés sont les partenaires directs de Myc. Chaque carré colorié indiqué à côté d’une protéine fait référence à une activité particulière :
Activité hélicase Activité HAT
Activité ATP-ase de remodelage
Figure 21: La régulation transcriptionnelle par le réseau Myc/Max/Mad a. Activation de la transcription par Myc-Max et les HAT
b. Répression de la transcription par Mad/Max et les HDAC D’après Pelengaris et al. (référence 168)
a. Acétylation
b. Désacétylation
Myc Max
TF TF
Site consensus
Figure 22: Myc agit comme répresseur de la transcription TF: Facteur de transcription (Miz1, Sp1, …)
p15p21
Figure 23: Le rôle de Myc dans le contrôle du cycle cellulaire a. Activation de la transcription par Myc-Max de la cycline D2 et la CDK4 b. Répression de la transcription par Myc/Miz des CDKI p21 et p15 D’après Pelengaris et al. (référence 168)
Domaine POZ (Poxyvirus et Doigts de Zinc) Structure en Doigt de zinc
POZ
803
Figure 24: La structure de la protéine Miz-1
P15, p21, nramp, AdMlR, Cyclin D1
Stimuli externes (TGFβ, TPA, UV)
TF Miz Miz-1-1
Site consensus
Miz-1Miz-1
Site consensus
TF XTF p300
X
Figure 25: La régulation transcriptionnelle par Miz-1 soit en absence de TF (haut) soit en présence deTF (bas)
TF : Facteur de transcription antagoniste de Miz-1 : Myc ou TopBP1 ou HCF-1
Les stimuli externes entraînent une répression de l’expression des TF. Miz-1 est libéré de son antagoniste et donc peut activer la transcription. En revanche, la croix rouge indique une perte du contrôle de l’expression de TF, comme c’est le cas dans la cellule devenue cancéreuse.
P15, p21, nramp, AdMlR, Cyclin D1
Promoteur proximal
P21 OFFOFF C G
MizMiz
C G me
MycMyc
Dnmt3a Dnmt3a
Figure 26: Modèle de répression du gène p21 par l’oncoprotéine Myc.
Myc recrute la méthylation de l’ADN sur le promoteur proximal de p21pour verrouiller l’expression du gène p21. Myc/Dnmt3a se lient à l’ADN via le facteur Miz-1.
Figure 27: Coopération des Dnmt3 et HDAC au niveau de l’allèle réprimé d’un gène d’empreinte
Dnmt3L jouerait le rôle d’une plate-forme qui recrute les HDAC et les Dnmt. Ainsi, les HDAC permetteraient une désacétylation d’histones et Dnmt3a et Dnmt3b méthylent l’ADN. Ensemble les HDAC et les Dnmt provoqueraient une compaction de la chromatine et une répression de la transcription.
HDAC HDAC HDAC HDAC Dnmt3L Dnmt3L HDAC
HDAC
Gène d’empreinte CG
CG
CG CG
me me
me me me
me
meme REPRIMEREPRIME Dnmt3a
Dnmt3a
Chromatine ferm Chromatine fermééee Transcription r
Transcription rééprimprimééee Dnmt3b
Dnmt3b Ac
Ac Ac
HDAC Dnmt Ac
Ac Ac
Ac Ac Ac
C-G
Gène cible Actif Actif
C-G
Gène cible R
Rééprimpriméé me
Figure 28: Répression transcriptionnelle par l’interaction Dnmt/HDAC engendrant la désacétylation d’histones et parfois la méthylation de l’ADN.
Répression épigéntique
Figure 29: Coopération des Dnmt avec les autres protéines intervenant dans le remodelage de la chromatine
Les flèches doubles indiquent la coopération et l’interaction entre les différentes protéines. Les flèches rouges indiquent en particulier les coopérations faisant intervenir les Dnmt. Dans les boîtes se trouvant à côté de chaque protéine sont indiquées la fonction de chacune des protéines.
HDACHDAC
DnmtDnmt HKMTHKMT
HP1HP1
MBDMBD Co-rCo-réépresseurpresseur
Remodelage ATP-dépendant de la chromatine
Méthylation d’
histones (H3-K9)
Hétérochromatine (H3-K9 méthylé)
Méthylation de l’ADN
Sites méthylés de l’ADN Désacétylation
d’histones
Figure 30 : L’état de méthylation des îlots CpG dans la région
promotrice d’un gène suppresseur de tumeur dans la cellule normale et dans cellule cancéreuse.
Les petites boules représentent chacune un dinucléotide CpG non-méthylé (blanc) ou méthylé (noir). Dans le cancer il y a un ciblage inadéquat des Dnmts au niveau du promoteur d’un gène suppresseur de tumeur. Le ciblage des Dnmt sur ce promoteur fait intervenir une ou des protéines encore non-identifiées (référées ici comme facteur ?)
D’après Herman and Baylin (référence 91)
Promoteur proximal
Gène cible p21 OFFOFF C G
Miz-1 Miz-1
C G me
MycMyc
Dnmt3a Dnmt3a
Figure 31: Modèle des mécanismes de répression induits par Myc.
Myc se fixe à l’ADN via un facteur de transcription (par exemple Miz-1) dont il réprime son activité :
a. Par un mécanisme passif d’interférence. Myc empêche Miz-1 de recruter le co-activateur CBP/p300
b. Par un mécanisme actif. Myc recrute le co-répresseur Dnmt3a.
La répression du gène p21 se fait, en partie, par la méthylation de sa séquence promotrice.
CBP/p300
a. b.
