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

introduction

Plus d’une centaine de tissus http://lidicel.free.fr/ Quelques dizaines de tissus chez les plantes http://www.wonderwhizkids.com Plus d’une centaine de tissus chez les animaux

Jankowsky & Harris, 2015

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

introduction 1- La RNA polymérase II

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

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;20:2922-2936 Copyright © 2006, Cold Spring Harbor Laboratory Press

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Récepteur des estrogènes Fanucch & Shibayama & Mhlanga, 2014

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

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

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

lenhard & Sandelin & Carninci, 2012

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

Srivastava & Ahn, 2015

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

Mediator de levure Yang & Li & Qu, 2015

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

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

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

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;87:3425-3434

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;87:3425-3434

Yang & Li & Qu, 2015

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

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

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

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

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

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

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

Allen & Taatjes, 2015

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

Allen & Taatjes, 2015

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

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

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

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

Enhancers Chez mammifères, il y a 10 000 à 50 000 de enhencers potentiels Heinz et al.,2015

Zhu et al., 2015

Zhu et al., 2015

Zhu et al., 2015

III- Régulation de l’épissage

Naftelberg et al., 2015

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)

IV- Régulation post-tanscriptionnelle microRNA (miRNA)