142
Les mécanismes génétiques et épigénétiques potentiellement
143 liant sur les résidus modifiés influençant la transcription des gènes, la réparation de l’ADN, la réplication et la condensation de la chromatine (Liu et al, 2005 ; pour revue Li et al, 2007 ; pour revue Kouzarides, 2007 ; pour revue Berger, 2007). La combinaison des différentes modifications entraine une réponse spécifique (Strahl et Allis, 2000 ; Jenuwein et al, 2001 ; Ray-Gallet et al, 2005). Par exemple : l’acétylation de la Lys14 de l’histone H3 inhibe la méthylation de la Lys9 de l’histone H3 (pour revue Zhang et al, 2001), l’ubiquitinylation de la Lys123 de l’histone H2B influe sur la méthylation de la Lys4 de l’histone H3 (Briggs et al, 2002).
L’acétylation des histones est réalisée par l’intervention d’un complexe multiprotéique comprenant des enzymes histones acetyltransférases (HAT) et des coactivateurs. Ces complexes permettent l’interaction des facteurs de transcription avec l’ADN et le couplage d’autres complexes protéiques essentiels à la transcription (Sterner et Berger, 2000 ; pour revue Narlikar et al, 2002 ; pour revue Utley et Côté, 2003). Les histones sont toutes susceptibles d’être acétylées au niveau de résidus Lys chargés positivement et positionnés en région N-terminale. La neutralisation de la charge du résidu par l’acétylation réduit les forces d'interaction électrostatique et donc l'affinité entre les histones et l’ADN nucléosomique, permettant l’ouverture de la structure chromatinienne. La chromatine est plus relâchée et l’ADN devient accessible. L’acétylation joue un rôle dans l’activation de la transcription des gènes, la réparation de l’ADN, la réplication et la condensation de la chromatine. Parmi les Lys acétylées, la Lys 9 et la Lys 14 de l’histone H3 (H3K9Ac ; H3K14Ac) sont impliquées dans l’activation transcriptionnelle (pour revue Li et al, 2007 ; pour revue Kouzarides, 2007 ; pour revue Berger, 2007). L’acétylation des Lys sur les régions N-terminales des histones par des HAT semble nécessaire à la mobilisation de complexes peptidiques présentant des sous- unités à bromodomaine entrainant le recrutement de coactivateurs transcriptionnels au niveau des séquences promotrices régulatrices (Hassan et al, 2002).
La méthylation/déméthylation des histones se fait par l’intervention d’enzymes, les histones méthyltransférases (HMT) et les histones déméthylases (HDM) sur des résidus Arg et Lys. Longtemps considérées comme des modifications stables, elles sont au contraire dynamiques, répondant aux signaux de l’environnement et sont impliquées dans divers processus incluant la régulation de la transcription des gènes, la réparation de l’ADN, la mitose et l’assemblage de l’hétérochromatine (Rice et Allis, 2001 ; Bannister et al, 2002). Les
144 méthylations des résidus Lys4 (mono, di et triméthylation), Lys9 (monométhylation) Lys36 (triméthylation) et Lys79 (monométhylation) de l’histone H3 jouent un rôle essentiel dans l’activation de la transcription des gènes. La Lys9 méthylée joue aussi un rôle de répresseur de la transcription des gènes. Les triméthylations des résidus Lys27 et Lys9 de l’histone H3 répriment la transcription des gènes et la triméthylation de la Lys20 de l’histone H4 rend les gènes silencieux. La méthylation sur les résidus Arg2, Arg17 et Arg26 de l’histone H3 et l’Arg3 de l’histone H4 ont un rôle dans l’activation de la régulation de la transcription des gènes (pour revue Berger, 2007 ; pour revue Kouzarides, 2007 ; pour revue Li B et al, 2007 ; Barski et al, 2007 ; pour revue Kim et al, 2009).
La cartographie de l’état chromatinien du génome humain entier a permis l’analyse des profils de triméthylation des Lys4 et Lys27 de l’histone H3 (H3K4Me3 et H3K27Me3) (Mikkelsen et al, 2007 ; pour revue Barski et al, 2007 ; pour revue Schuettengruber et al, 2007) et donne une description de l’état cellulaire en classant les promoteurs en fonction de leur activité (actifs, réprimés ou entre les deux états) au cours du développement embryonnaire. Les marques H3K4Me3 sont catalysées par des protéines du groupe Trithorax (TrxG) (Byrd et Shearn, 2003 ; Dou et al, 2005 ; Wysocka et al, 2005 ; pour revue Schuettengruber et al, 2007) et sont détectées dans les régions promotrices de gènes fortement transcrits. En revanche il semblerait que le taux de H3K4Me3 diminue au niveau des sites d'initiation de la transcription (entre -200 et +50) corrélant alors avec le déplacement du nucléosome associé aux gènes actifs. Le taux de H3K4Me3 est également corrélé avec le taux d’expression des gènes associés (Roh et al, 2005-2006 ; Bernstein et al, 2005 ; Kim TH et al, 2005 ; pour revue Barski et al, 2007. Mikkelsen et al, 2007). La modification H3K27Me3 est catalysée par des protéines du groupe Polycomb (PcG) (Cao et Zhang, 2004 ; pour revue Schuettengruber et al, 2007). Leur présence est en étroite correspondance avec la répression de la transcription des gènes (Boyer et al, 2006 ; Lee et al, 2006 ; Roh et al, 2006). Dans les cellules souches embryonnaires, H3K4Me3 et H3K27Me3 colocalisent au sein de promoteurs dits « bivalents », prêts à être activés ou réprimés suivant le destin future de la cellule suggérant l'implication de ces marques dans la différenciation cellulaire (Bernstein et al, 2006 ; Roh et al, 2006 ; Mikkelsen et al, 2007 ; pour revue Barski et al, 2007). Les promoteurs bivalents montrent une faible activité malgré la présence de H3K4Me3, insinuant que les effets répressifs de l’activité des PcG sont généralement dominants sur l’activité ubiquiste des
145 TrxG (Mikkelsen et al, 2007). Certaines études qualifient cette balance entre H3K4Me3 et H4K27Me3 de modèle « Yin-Yang ».
1.6.1.2 !53"3AB35E878C#188
Dans le génome mammalien, les plantes et les champignons, la méthylation de l’ADN est une modification covalente que peuvent subir toutes les bases azotées de l’ADN. La cytosine est la base la plus fréquemment modifiée par méthylation. Pour cela, il est nécessaire qu’elle soit suivie d’une guanine, formant ainsi un dinucléotide CpG. Cette modification consiste en l’ajout d’un groupement méthyl (CH3) sur le carbone 5 à la place de l'atome d’hydrogène. Entre 70 et 80% des cytosines du génome situées dans des dinucléotides CpG sont concernées par la méthylation. Les dinucléotides CpG sont distribués de façon inégale dans le génome humain et sont en général concentrés au niveau de régions appelées ilots CpG, dans lesquelles ces dinucléotides ne sont généralement pas méthylés. La méthylation de l’ADN est un processus héritable et hautement dynamique durant le développement embryonnaire, la réplication, la réparation de l’ADN, la transcription des gènes, la condensation de la chromatine et la mitose (Gardiner-Garden et Frommer, 1987 ; Bird, 2002 ; pour revue Suzuki et Bird, 2008 ; pour revue Kim JK et al, 2009 ; pour revue Deaton et Bird, 2011 ; Lienert et al, 2011). La méthylation de l’ADN s'effectue grâce à l’intervention d’une famille d’enzymes, les DNA méthyltransférases (DNMT) qui permettent également le maintien des profils de méthylation lors de la réplication de l'ADN (Goll et Bestor, 2005 ; Klose et Bird, 2006 ; pour revue Garcia-Carpizo et al, 2011). La distribution des profils de méthylation au sein du génome est très spécifique de chaque tissu et type cellulaire. Cette distribution joue un rôle dans la régulation de l’expression des gènes. La méthylation des CpG au sein des régions régulatrices et promotrices d’un gène s'accompagne le plus souvent d'une répression transcriptionnelle. La présence du groupement méthyl sur les CpG empêcherait l’interaction entre les gènes et les protéines effectrices, telle que l’ARN polymérase II, la transcription étant alors réprimée (Lienert et al, 2011 ; pour revue Deaton et Bird, 2011).
Des liens fonctionnels ont été mis en évidence entre la méthylation de l’ADN, la séquence de l’ADN et les modifications des histones. Ils contribueraient à l’établissement du profil de méthylation au sein du génome mammalien durant les différents processus affectant la cellule chez l’embryon et chez l’adulte et à l’apparition des méthylation de novo (Tamaru et
146 Selker, 2001 ; Jackson et al, 2002, Lienert et al, 2011 ; pour revue Deaton et Bird, 2011). La transcription des gènes diminue lorsque la méthylation des CpG sur les régions promotrices s'étend et que les marques d’inactivité des histones se déposent (H3K27Me3). En revanche, l’augmentation du taux de transcrits d’un gène corrèle avec la diminution de la méthylation au sein des régions promotrices et l’augmentation des marques d’activités sur les histones (H3K4Me3, H3K9/14Ac) (Lienert et al, 2011 ; Laursen et al, 2011 ; pour revue Deaton et Bird, 2011).
La modification H3K4Me3 est une marque d’activité transcriptionnelle dépendant de séquences d’ADN riches en CpG même en absence de l’ARN polymérase II. La densité des CpG au sein des ilots est corrélée avec le taux d’H3K4Me3. A elle seule, cette densité influence la modification de l’état chromatinien (Thomson et al, 2010 ; Illingworth et al, 2010).
Les ilots CpG constituent deux groupes : 50% sont situés en 5’ au niveau des promoteurs proximaux des gènes associés et la moitié restante constitue les ilots CpG
« orphelins » situés aux niveaux intergénique et intragénique. Il y a une corrélation entre la distribution des sites d'initiation de la transcription dans le génome et la position des ilots CpG. Ces observations sont compatibles avec l’idée que les promoteurs possédant des ilots CpG adoptent un état permissif transcriptionnel où l’initiation de la transcription peut s’effectuer dans une région d'une centaine de paires de bases. L’accrochage de l’ARN polymérase II est favorisé par un certain nombre de facteurs ubiquistes comme SP1 dont les éléments de réponse sont riches en bases C et G et donc plus fréquents dans les ilots CpG.
L’ARN polymérase II phosphorylée sur la Ser5, présente au site d'initiation de la transcription, s’y fixera préférentiellement même lorsque le gène associé est inactif (Carninci et al, 2006 ; Core et al, 2008 ; Seila et al 2008 ; Juven-Gershon et al, 2008 ; Landolin et al, 2010 ; pour revue Deaton et al, 2011).
147 Figure 7
Les modifications épigénétiques des histones et de l’ADN
Les chromosomes visibles au cours de la mitose sont les formes condensées de la chromatine. La condensation est permise par l’intervention de protéines comme les histones H1 et le nucléosome formée de deux copies des histones H2A, H2B, H3 et H4 (B). L’ADN s’enroule de 1.65 tour (146 pb) autour du nucléosome (C). L’ADN est organisée en double hélice et est formée de phosphate, de désoxyribose et de quatre bases : A/T/G/C.
La méthylation de l’ADN (A) est l’ajout d’un groupement méthyle sur le carbone 5 de la cytosine. Les modifications des histones (B) constituant le nucléosome sont de plusieurs types : les lysines et les arginines peuvent être méthylées ou acétylées, les sérines peuvent subir des phosphorylations.
L’histone H3 (en vert, B) peut subir des méthylations sur la Lys 4, des méthylations et des acétylations sur les Lys 9 et 27, des acétylations sur la Lys14.
B
C A
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