Régulation de l’expression génique chez les eucaryotes

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1 Régulation de l’expression génique chez les eucaryotes
EOG 2015_2016

2 introduction

3 Plus d’une centaine de tissus
Quelques dizaines de tissus chez les plantes Plus d’une centaine de tissus chez les animaux

4 Jankowsky & Harris, 2015

5 Il y a donc une très forte régulation de
50% des ARNm par cellule correspondent à : - 250 ARNm différents chez la levure - 900 des ARNm différents chez le cervelet humain - 10 des ARNm différents chez le foie humain Il y a donc une très forte régulation de l’expression des gènes dans les cellules

6 introduction 1- La RNA polymérase II

7 L’ARN polymérase 2 CTD : C-terminal repeat domain = échafaudage
Haag & Pikaard, 2011

8 CTD phosphorylation patterns dictate which factors associate with RNAPII. RNAPII (gray oval) is depicted at four positions along a gene, and at each position its CTD (wavy line) is a different color to indicate different phosphorylation states: Gray indicates nonphosphorylated repeats; green indicates Ser5P repeats; red indicates Ser2,5P repeats (doubly phosphorylated); and blue indicates Ser2P repeats. CTD phosphorylation patterns dictate which factors associate with RNAPII. RNAPII (gray oval) is depicted at four positions along a gene, and at each position its CTD (wavy line) is a different color to indicate different phosphorylation states: Gray indicates nonphosphorylated repeats; green indicates Ser5P repeats; red indicates Ser2,5P repeats (doubly phosphorylated); and blue indicates Ser2P repeats. Proteins bound to a type of repeat are indicated in the same color as the repeat. Note that some proteins remain bound as RNAPII changes position on the gene; the repeats to which they are bound (obscured by the protein) are assumed not to change phosphorylation state. Thus, for example, the CTD of “initiating RNAPII” is proposed to comprise two types of repeat: nonP and Ser5P. Analogous reasoning applies to RNAPs at other positions on the gene. As pointed out in the text, the exact number and position of each type of repeat is not known [indicated by “(& …)”]. Hemali P. Phatnani, and Arno L. Greenleaf Genes Dev. 2006;20: Copyright © 2006, Cold Spring Harbor Laboratory Press

9 Initiation de la transcription
Etape clef de la transcription Processus complexe : Facteurs de transcription spécifiques RNA polymérase II Facteurs de transcription généraux Le complexe Mediator.

10 Initiation de la transcription
Processus complexe : Facteurs de transcription spécifiques RNA polymérase II Facteurs de transcription généraux Le complexe Mediator. Sélection du gène Complexe de Pré-initiation

11 Initiation de la transcription
Facteurs de transcription spécifiques RNA polymérase II Facteurs de transcription généraux Le complexe Mediator. Complexe de pré-initiation (PIC) Il se construit au niveau du site TSS Allen & Taatjes, 2015

12 2- les différents niveaux de régulation des transcrits
introduction 2- les différents niveaux de régulation des transcrits

13 Noyau Cytoplasme 7 Protéine Active/inactive Protéine active 8 5 9 2 1
3 Transcrit primaire ADN ARNm 9 ARNm ARNm 6 4 4 : dégradation de l’ARNm 5 : localisation des transcrits 6 : édition 7 : régulation de la synthèse protéique 8 : régulation de l’activité protéique 9: régulation de la dégradation protéique 1 : régulation de la transcription 2 : régulation de la maturation 3: régulation de l’exportation

14 II- Régulation de la transcription
A- l’architecture de la chromatine

15 Boucles de chromatine = repliements intrachromosomiques
Fanucch & Shibayama & Mhlanga, 2014 Boucles de chromatine = repliements intrachromosomiques Ces boucles peuvent se retrouver dans des compartiments du noyau

16 Hubs de chromatine active
Locus control region (LCR) Hubs de chromatine active Pombo & Dillon, 2015

17 Hubs de chromatine active
Locus control region (LCR) « Enhancer » peuvent se retrouver : - en amont ou en aval - à des distances variables ( 50 à 100kb) Hubs de chromatine active Comment se fait la régulation ? Pombo & Dillon, 2015

18 Hubs de chromatine active
Locus control region (LCR) Hubs de chromatine active Pombo & Dillon, 2015

19 Hubs de chromatine active
Locus control region (LCR) Hubs de chromatine active Si nous introduisons toute cette région ailleurs dans le génome nous obtiendrons la même structure de hub Ecologie génique Pombo & Dillon, 2015

20 Récepteur des estrogènes
Fanucch & Shibayama & Mhlanga, 2014

21 La formation des boucles est un prérequis pour l’expression des trois gènes

22 II- Régulation de la transcription
B- les différents types de promoteurs

23 Rôle du promoteur : Permettre le positionnement correct du complexe d’initiation de la transcription

24 lenhard & Sandelin & Carninci, 2012

25 Certains facteurs de régulation peuvent se
lenhard & Sandelin & Carninci, 2012 50 à 100 nt retient le PIC (pré-initiation complex) 500 à 2000 nt Fixe les complexes de régulation spécifique (Transcription Factor Binding Sites) Certains facteurs de régulation peuvent se fixer sur le 1er intron

26 Sélection du gène pour l’expression :
Soit un TF spécifique soit plusieurs TF spécifiques lenhard & Sandelin & Carninci, 2012

27 Promoteurs 2000 - 2009 Low CG High CG îlots CpG
Pas d’îlots CpG chez les plantes

28 Promoteurs 2010 Low CG (type I et II) High CG (type III) îlots CpG
Un seul TSS (étroit) High CG (type III) îlots CpG TSS multiples (large) Apport des CAGE (Cap analyse gene expression)

29 Gènes de tissus différenciés adultes Gènes de « ménage »
Etroit Type Gènes de tissus différenciés adultes Gènes de « ménage » Gènes très fortement exprimés Gènes de développement ou de différenciation Large lenhard & Sandelin & Carninci, 2012

30 Promoteurs Low CG (type I et II) High CG (type III) îlots CpG
Un seul TSS (étroit) Expression dans des tissus spécifiques. Svt identifié en amont des familles de gènes High CG (type III) îlots CpG TSS multiples (large) Gènes régulés par le développement et très exprimés

31 Nucléosomes désordonnés sur l’ensemble du promoteur
RNA Pol II seulement quand le gène est exprimé Nucléosomes désordonnés lenhard & Sandelin & Carninci, 2012

32 Nucléosomes désordonnés sur l’ensemble du promoteur
RNA Pol II seulement quand le gène est exprimé H3K4me3 au niveau de la TATA Nucléosomes ordonné Région d’ADN nu H3K4me3 touchent les îlots CpG lenhard & Sandelin & Carninci, 2012

33 Nucléosomes désordonnés sur l’ensemble du promoteur
RNA Pol II seulement quand le gène est exprimé H3K4me3 au niveau de la TATA Nucléosomes ordonné Région d’ADN nu H3K4me3 touche les îlots CpG Nucléosomes ordonné Région d’ADN nu H3K4me3 sur les îlots CpG Qui rentrent dans la séquence codante Prêt (ready to go) lenhard & Sandelin & Carninci, 2012

34 Srivastava & Ahn, 2015

35 II- Régulation de la transcription
C- la régulation via le complexe Mediator

36 Mediator de levure Yang & Li & Qu, 2015

37 Comparaison des « Mediator »
Yang & Li & Qu, 2015

38 Comparaison des « Mediator »
Les complexes sont conservés mais pas les séquences primaires de ces complexes Yang & Li & Qu, 2015

39 Comparaison des « Mediator »
Le médiator interagit avec RNA Pol II et chaque s/unité est capable d’interagir avec des TF C’est un réseau de régulation complexe Yang & Li & Qu, 2015

40 Le complexe Mediator fait le lien entre les différentes
Model for transcriptional activation of adenovirus early promoters by L-E1A. Le complexe Mediator fait le lien entre les différentes protéines fixées sur le promoteur Model for transcriptional activation of HAdv early promoters by L-E1A. Based on our results, we suggest that the L-E1A CR3 trans-activation region targets the mediator complex to the viral early promoters through the mediator subunit MED23. The mediator complex is proposed to activate early gene transcription by targeting SEC (bottom), TBP/TFIID (top), and possibly other enhancer binding factors (EBF) to viral early promoters. S. Vijayalingam, and G. Chinnadurai J. Virol. 2013;87:

41 Le mediator intègre les signaux envoyés par les différentes protéines
Model for transcriptional activation of adenovirus early promoters by L-E1A. Le mediator intègre les signaux envoyés par les différentes protéines Model for transcriptional activation of HAdv early promoters by L-E1A. Based on our results, we suggest that the L-E1A CR3 trans-activation region targets the mediator complex to the viral early promoters through the mediator subunit MED23. The mediator complex is proposed to activate early gene transcription by targeting SEC (bottom), TBP/TFIID (top), and possibly other enhancer binding factors (EBF) to viral early promoters. S. Vijayalingam, and G. Chinnadurai J. Virol. 2013;87:

42 Yang & Li & Qu, 2015

43 MED nécessaire à la formation du PIC et interagit avec RNA Pol II
MED sert d’échaffaudage MED interagit avec des TF Activation de la transcription Allen & Taatjes, 2015

44 PIC RNA Pol II ne se fixe pas sur le promoteur mais interagit avec MED
MED aide au recrutement des TF généraux Ouverture de la chromatine

45 PIC Pour que RNA Pol II quitte le site d’initiation
RNA Pol II ne se fixe pas sur le promoteur mais interagit avec MED Pour que RNA Pol II quitte le site d’initiation il faut que la CTD soit phosphorylé par la CDK7 de TFIIH MED aide au recrutement des TF généraux Ouverture de la chromatine

46 PIC L’élongation de la transcription nécessite
RNA Pol II ne se fixe pas sur le promoteur mais interagit avec MED MED aide au recrutement des TF généraux L’élongation de la transcription nécessite L’intervention du module CDK8 du MED

47 Ré-initialisation de la transcription
Plus rapide car le PIC ne se dissocie pas immédiatement PIC RNA Pol II ne se fixe pas sur le promoteur mais interagit avec MED MED aide au recrutement des TF généraux

48 Interaction TF-MED25 chez At
Yang & Li & Qu, 2015

49 L’analyse de mutants de s/unités de MED a permis d’identifier le rôle de MED
Yang & Li & Qu, 2015

50 Allen & Taatjes, 2015

51 Mediator Levure : MED peut bloquer l’assemblage des nucléosomes dans la région d’assemblage du PIC Rôle dans le maintien de l’ADN nu

52 Allen & Taatjes, 2015

53 II- Régulation de la transcription
D - les « enhancers »

54 Enhancers -Séquences d’ADN comportant des sites de fixation pour des TF - Situées à quelques centaines de nt ou quelques Mb des TSS - Les nucléosomes fixés sur ces séquences présentent des modifications des histones Pas de enhancer chez la levure

55 Enhancers Inactif : séquence enterrée dans une chromatine compactée
Amorcé (primed) : TF fixé, sans nucléosomes (hypersensible à la DNAse I) mais pas transcrit Prêt à (poised) : idem amorcé mais avec des marques épigénétiques de répression Actif : fonctionnel

56 Enhancers NCR : nucleosome –remodelling complex
MLL3or4 : Mixed-lineage leukemia protein LDTF : TF CTF: collaborating TF HDM Histone demethylase MED : Mediator SDTF : Signal –dependent TF Heinz et al.,2015

57 Enhancers Chez mammifères, il y a à de enhencers potentiels Heinz et al.,2015

58 Zhu et al., 2015

59 Zhu et al., 2015

60 Zhu et al., 2015

61 III- Régulation de l’épissage

62 Naftelberg et al., 2015

63 Épissage alternatif - séquences régulatrices en cis :
La régulation se fait par des : - séquences régulatrices en cis : - « enhancer » d’épissage exoniques -  « silencer » d’épissage exoniques - « enhancer » d’épissage intronique -  « silencer » d’épissage intronique En fonction de la position de la séquence et de la manière dont elle va affecter le site d’épissage - Facteurs protéiques agissant en trans en se fixant sur les séquences régulatrices Ex les protéines riche en sérine et arginine (protéines SR)

64 IV- Régulation post-tanscriptionnelle
microRNA (miRNA)

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