Modifications chimiques de l’ADN et des histones

Concernant l’ADN, la modification chimique la plus caractérisée est la méthylation de la base cytosine en position C5 (cf. revues (Rothbart and Strahl, 2014; Schübeler, 2015)).

Chez les mammifères, cette méthylation affecte presque exclusivement les dinucléotides CpG et est généralement associée à de la chromatine transcriptionnellement inactive. En effet, elle est susceptible de bloquer directement l’accès à l’ADN de facteurs de transcription et/ou aide au recrutement de complexes répresseurs qui modifient le profil de marques post- traductionnelles des histones au niveau des promoteurs des gènes.

L’ADN n’est pas le seul composant du nucléosome à être modifié chimiquement puisque les protéines histones – histones cœurs et histones liens – subissent également des modifications covalentes, ou marques post-traductionnelles (Huang et al., 2014). Il existe une grande variété de modifications, telles que l’acétylation, l’ubiquitination et la sumoylation des lysines, la méthylation des lysines/arginines, la phosphorylation des sérines/thréonines/tyrosines, l’ADP ribosylation, l’isomérisation des prolines, mais la liste énumérée ici n’est pas exhaustive (cf. revue (Rothbart and Strahl, 2014)). Un degré supérieur de variabilité peut même être obtenu pour certaines modifications, comme pour la méthylation des lysines, qui sont susceptibles d’être mono-, di- voire tri-méthylées. Il est également important de noter qu’un acide aminé peut être la cible de différentes modifications, mais que cet acide aminé ne peut porter qu’une seule marque à la fois. Si la

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domaine ATPase

Introduction: Organisation de l’ADN en chromatine plupart des marques identifiées à ce jour affecte les extrémités N- et C-terminales des histones qui sont exposées à la surface du nucléosome, de plus en plus de modifications présentes dans les domaines globulaires ont été découvertes (cf. Figure 12 & revues (Kebede et al., 2014;

Tessarz and Kouzarides, 2014)). Ces modifications peuvent perturber les contacts ADN/histones et histones/histones au sein de la particule nucléosomale, et sont donc susceptibles de contrôler directement la stabilité des nucléosomes (cf. exemples dans revue (Bowman and Poirier, 2015)).

Figure 12 : Quelques exemples de modifications post-traductionnelles des histones présentes dans les cellules humaines. Les acides aminés des domaines globulaires des histones ont été encadrés en jaune. Seules l’acétylation (triangle), la méthylation (carré), l’ubiquitylation (rond) et la phosphorylation (hexagone) ont été représentées. Le vert indique les marques associées à la transcription (importantes pour la transcription de certains gènes et/ou enrichies dans la chromatine transcriptionnellement active), le rouge indique les marques associées à l’inhibition de la transcription (diminuant l’expression de certains gènes et/ou enrichies dans la chromatine transcriptionnellement silencieuse). Le gris indique que le lien entre ces marques et la transcription n’a pas été étudié de façon extensive dans la littérature. Les marques de l’histone lien H1 n’ont pas été schématisées. Données tirées de PhosphoSiteplus et de HIstome. Figure adaptée de (Li, 2012).

Comment les modifications post-traductionnelles des histones régulent les activités cellulaires reste une question qui n’a pas été complétement élucidée. Certaines marques peuvent moduler directement la structure de la chromatine, comme l’acétylation des lysines, qui en neutralisant les charges positives de ces acides aminés, déstabilise leur interaction avec l’ADN, permettant ainsi l’ouverture de la chromatine (Shogren-Knaak et al., 2006), et l’accès à l’ADN des machineries de transcription. En outre, ces dernières décennies ont été identifiés des facteurs cellulaires spécifiques qui mettent en place et/ou éliminent des modifications d’histones spécifiques (appelés enzymes de modification des histones) et d’autres qui

H2A S...K...K...K...L...R...R...K...K.T..Q...KKT...

1 5 9 13 22 29 36 95 99 101 104 118 119 120

H2B ^....K....K.SKK...K...S.K.SY...K...L...K...K...K....K

5 12 141516 20 32 34 3637 46 100 108 116 120 125

H4 S.R.K..K...K...K...K...TK...S...K...Y....K...K..G...

1 3 5 8 12 16 20 3031 47 59 72 77 91 94

H3 .RTK.T.RKST..K..RK....K..RKS...KK...YR..T...KS...K...KT...K...K...G...

2 3 4 6 8 9 1011 14 1718 23 262728 36 37 4142 45 5657 64 7980 115 122 132

Introduction: Organisation de l’ADN en chromatine reconnaissent des marques d’histones particulières (appelées protéines effectrices) (cf.

Tableau 3 & revue (Bannister and Kouzarides, 2011)). L’identification de ces facteurs a permis de grandes avancées dans notre compréhension des mécanismes de contrôle des fonctions cellulaires par les marques d’histones. Ainsi est apparu dans les années 2000 le concept du « code histone », appliqué principalement dans le contexte de la régulation de l’activité transcriptionnelle (Jenuwein and Allis, 2001). Ce code, reposant initialement sur l’observation d’interactions synergiques et antagonistes entre différentes modifications, correspondrait à une combinaison de marques d’histones interprétée par des protéines effectrices, qui en régulant l’état de compaction de la chromatine, contrôlerait l’expression des gènes.

Marque Mise en place par Eliminée par Reconnue par domaine Acétylation HAT (Histone Acétyl

Transférase)

HDAC (Histone Dé-

Acétyl Transférase) Bromo, PHD (Plant Homeo)

Méthylation HMT (Histone Méthyl Transférase)

HDMT (Histone Dé- Méthyl Transférase)

Chromo, PHD, Tudor, MBT (Malignant Brain Tumor), ZF-CW (Zinc Finger with conserved Cys and Trp residues), PWWP (named after a conserved Pro-Trp-Trp-Pro motif), ADD (ATRX-DNMT3- DNMT3L), répétitions Ankyrines, BAH (Bromo-Associated

Homology)

Phosphorylation Kinase Phosphatase BRCT (BRCA1 C-Terminal), 14-3- 3, BIR (Baculovirus IAP repeats) Ubiquitylation Ubiquitine ligase DUB (dé-ubiquitylase) UBD (Ubiquitin Binding)

Tableau 3 : Enzymes et domaines de reconnaissance associés aux principales marques post-traductionnnelles des histones. Données tirées de (Bannister and Kouzarides, 2011;

Rothbart and Strahl, 2014).

De plus, comme les marques d’histones sont réversibles, le code histone possède une remarquable plasticité nécessaire au bon fonctionnement cellulaire. Par exemple, les histones nouvellement synthétisées possèdent un profil particulier d’acétylation, qui semble favoriser leur import nucléaire, mais une fois incorporées dans la chromatine, notamment au cours de la réplication, ces histones sont dé-acétylées assurant ainsi la maturation de la chromatine répliquée (Alabert et al., 2014; MacAlpine and Almouzni, 2013). La plasticité du code histone permet également une modulation rapide de l’information épigénétique des cellules en cas de changement d’environnement ou en réponse à un stress cellulaire (l’exemple des modifications des histones en réponse aux dommages de l’ADN générés par une irradiation aux UVC sera décrit en partie 3.2).

Cependant, le concept de code histone basé sur la seule combinaison de modifications post-traductionnelles a ses limitations car en l’état actuel des données, il est souvent difficile de prédire l’effet de la perte d’une marque d’histone sur la structure et la fonction de la

Introduction: Organisation de l’ADN en chromatine chromatine (cf. revues (Rando, 2012; Rothbart and Strahl, 2014)). D’autres éléments contribuent à l’organisation structurale et fonctionnelle de la chromatine comme la présence symétrique ou asymétrique des modifications au sein de la particule nucléosomale (Voigt et al., 2012) ou l’incorporation de formes variantes d’histones.