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Home All issues Volume 26 / No 4 (Avril 2010) Med Sci (Paris), 26 4 (2010) 355-358 Full HTML
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Issue
Med Sci (Paris)
Volume 26, Number 4, Avril 2010
Page(s) 355 - 358
Section Nouvelles
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2010264355
Published online 15 April 2010

Chez les animaux, chaque cellule possède une identité acquise au cours du développement et maintenue au cours du temps. La détermination de cette identité résulte du choix d’exprimer, ou de réprimer, un certain panel de gènes et du maintien de ce choix. La mémoire cellulaire est ancrée dans le noyau par l’apposition puis la lecture de marques épigénétiques sur l’ADN [14] et sur les histones [15]. Composantes majeures de la chromatine, les histones sont sujettes à des modifications post-traductionnelles comme l’acétylation et la méthylation, dont la combinaison constituerait un code épigénétique déterminant l’état transcriptionnel des gènes [1]. La mémorisation de l’état transcriptionnel, bien étudiée dans la régulation des gènes homéotiques (Hox) chez la drosophile [2], implique deux systèmes antagonistes, les répresseurs du groupe Polycomb (PcG) et les activateurs du groupe trithorax (trxG). Les complexes multiprotéiques PcG et trxG modifient des histones et reconnaissent ces modifications, constituant ainsi à la fois la machinerie d’impression des marques épigénétiques et le système de lecture les interprétant (Figure 1A). Ces complexes sont conduits spécifiquement sur leur cible via la présence d’une séquence régulatrice spécifique nommée PRE (PcG/trxG responsive element). Chez la drosophile, les PRE sont bien définis fonctionnellement. Moléculairement, ces séquences sont difficilement reconnaissables, ce qui rend hasardeuse la prédiction de PRE dans le génome, bien que des algorithmes de reconnaissance aient été développés [3]. En dépit de la conservation des facteurs chromatiniens du PcG/trxG et de leur fonction régulatrice chez les métazoaires, aucune séquence cible n’avait été caractérisée fonctionnellement chez les mammifères jusqu’à récemment, établissant un doute sur la conservation de leur mécanisme d’action. C’est pourquoi les travaux de Sing et al. [4], caractérisant un PRE impliqué dans la segmentation du cerveau chez la souris fonctionnellement échangeable chez la drosophile, représente une avancée majeure dans la compréhension du mécanisme d’action des facteurs PcG/trxG chez les mammifères.

thumbnail Figure 1.

Les PRE, modules de régulation épigénétique conservés au cours de l’évolution. A. Modèle d’apposition/reconnaissance des marques épigénétiques par les complexes multiprotéiques composés des protéines du PcG (bleu) et du trxG (violet). La majorité des protéines du PcG/trxG ne se fixent pas directement à l’ADN, mais à la chromatine. Regroupées dans des complexes répresseurs ou activateurs (PRC2 ou TAC1), elles modifient la région N-terminale des histones (ligne courbe noire) par l’addition de groupements méthyl, acétyl, phosphate, ubiquitine… La combinaison de ces modifications et leur position constituent une empreinte épigénétique répressive (disque rouge) ou activatrice (étoile verte) lue par d’autres complexes du PcG/trxG (PRC1, BRM). Un petit nombre de facteurs du PcG/trxG lie directement l’ADN sur les motifs PHO (barre rouge, PHO-B : PHO ou PHOL), GAGA (barre verte, GAF-B: GAF/TRL ou PSQ), ou DSP1 [13] (non figuré) requis pour la reconnaissance et la fonction des PRE. Ils permettent la reconnaissance et l’ancrage des cibles régulées par les facteurs du PcG/trxG, et serviraient d’adaptateurs pour le recrutement des autres protéines du PcG/trxG. B. L’analyse des séquences autour des points de cassure de l’inversion chromosomique kreisler chez la souris révèle une région de 450 bp (rectangle en jaune) conservée chez la souris, l’homme et le poulet. Elle contient des motifs de fixation pour les protéines PHO/PHOL (rouge) et GAF/TRL ou PSQ (vert), motifs habituellement trouvés dans les PRE chez la drosophile, ce qui en fait un candidat pour un PRE chez les mammifères, dénommé PRE-kr. C. Test de validation fonctionnelle d’un PRE chez la drosophile. Le transgène [11] contient la séquence PRE-kr excisable (∆PRE, système Cre-lox, losanges verts) en amont de deux gènes rapporteurs dont l’activité est mesurable chez les larves (lacZ qui code la ß-galactosidase, inductible par le système UAS/Gal4) et les adultes (miniwhite qui est requis pour le dépôt des pigments dans l’œil). La présence du PRE-kr réprime les deux rapporteurs. L’excision du PRE-kr restaure leur expression (en haut). Le PRE-kr perd son activité répressive si la dose d’une des protéines du complexe PRC1 ou de PHO est réduite. Si celle de GAF/TRL est diminuée, l’activité des rapporteurs est encore plus réduite, ce qui suggère que les motifs GAGA sont fonctionnels et requis pour l’activité du PRE. Modifié d’après Sing et al. [4].

Identification d’une séquence PRE putative chez les mammifères

La mutation kreisler (kr) chez la souris conduit à des défauts de l’oreille interne [5] et du rythme respiratoire [6], associés à une altération de la segmentation antéro-postérieure du cerveau postérieur et de la régulation d’Hoxb-3 [7]. Elle affecte le gène MafB qui s’exprime normalement dans les rhombomères r5 et r6, conduisant à une dérépression antérieure de MafB dans le rhombomère r3 (Figure 2). Cette mutation résulte d’une inversion du locus MafB n’affectant pas la région transcrite ni l’enhancer spécifique de r5-r6 (Figure 1B). Le gène voisin, codant la neuronatine, est également dérégulé et exprimé de façon plus postérieure (Figure 2). En accord avec l’implication d’un mécanisme épigénétique à la base de cette dérégulation, l’expression de MafB est rétablie postérieurement en présence d’inhibiteur d’histone déacétylase, et renforcée antérieurement par un traitement avec un inhibiteur de DNA méthyltransférase. L’hypothèse de la présence d’un PRE altéré par l’inversion kr [4] a donc été avancée. Fonctionnellement, l’hypothèse est soutenue par l’observation d’une antériorisation de l’expression de MafB lorsque la dose d’un gène homologue du gène Polycomb (Pc), M33/Cbx2, est réduite. Pourtant, la recherche bioinformatique de PRE dans la région de l’inversion ne permet pas de détecter une séquence candidate. Il faut souligner la perspicacité des auteurs qui ont détecté cependant, autour de l’un des points de cassure de l’inversion, une accumulation de motifs cibles de deux facteurs PcG/trxG liant l’ADN chez la drosophile, Pho (pleiohomeotic)/YY1 d’une part, Pipsqueak et le facteur GAGA (TRL/GAF) d’autre part. La région où ces séquences sont concentrées dans le locus de souris est globalement très conservée chez l’homme (92 %) et chez le poulet (82 %). En dépit de la difficulté à retrouver dans les séquences humaines une conservation des motifs détectés chez la souris, considérant que la variabilité importante des séquences de PRE entre espèces proches ne remettait pas en cause leur fonctionnalité [8], les auteurs ont cependant choisi de tester fonctionnellement les séquences conservées du locus MafB (dénommées PRE-kr) pour leur activité PRE chez la drosophile.

thumbnail Figure 2.

Régulation position-dépendante du locus MafB-Nnat par les complexes PcG et trxG. Les gènes Nnat (en violet) et MafB (en bleu turquoise) sont exprimés de façon différentielle sur l’axe antéropostérieur dans le rhombencéphale normal (partie gauche de la figure) et dans l’inversion kreisler (partie droite de la figure). Les rhombomères n’exprimant aucun des deux gènes sont représentés en gris. Dans le cerveau postérieur d’un embryon sauvage (gauche), l’expression de Nnat (violet) et l’absence d’expression de MafB signent l’identité des rhombomères r3 et r4. La forte expression de MafB spécifie les rhombomères r5 et r6. Les rhombomères r7 et r8 n’expriment aucun de ces deux gènes, probablement sous le contrôle d’un répresseur indépendant des complexes PcG. Dans les embryons kreisler (droite), l’inversion chromosomique est associée à une perte d’expression de Nnat et associée à une expression ectopique de MafB dans r3, profil qui correspond à une postériorisation de r3. L’expression de MafB est perdue dans r5 et r6, alors que Nnat y est exprimé de façon ectopique, ce qui correspond à une antériorisation de ces deux rhombomères. L’inversion des profils d’expression de Nnat et MafB est donc corrélée à l’inversion chromosomique qui flanque ces locus dans le mutant kreisler. D’après les travaux publiés par Sing et al. [4], dans r5 et r6, l’enhancer spécifique S5 (disque bleu foncé) lié à un activateur inconnu (losange vert) permettrait la transcription de MafB de façon dépendante des facteurs du trxG. Dans le mutant kreisler, l’enhancer S5 éloigné du PRE-kr et de l’effet activateur des trxG serait alors inactif. Nnat, en revanche, rapproché du PRE-kr, bénéficierait de l’effet activateur dû aux protéines du trxG. L’expression ectopique de Nnat dans r3 et de MafB dans r7 reste à expliquer, de même que la nature d’un répresseur de l’activité de S5 dans les rhombomères r7 et r8.

Validation fonctionnelle du PRE-kr chez la drosophile

L’intérêt d’utiliser la drosophile pour démontrer la conservation évolutive de séquences régulatrices a déjà fait ses preuves. Par exemple, la similitude fonctionnelle entre régulation par empreinte parentale chez les mammifères et régulation par les PRE a pu être montrée en tirant parti d’un transgène composite qui associe la séquence testée à deux systèmes rapporteurs dont l’activité est mesurable chez les larves et les adultes [9, 11] (Figure 1C). Un PRE typique de drosophile, placé dans ce transgène, possède une série de propriétés : 1) il réprime l’expression des deux rapporteurs ; 2) cette répression est levée lorsque la dose d’une protéine du PcG est réduite ; 3) la présence du PRE dans le transgène crée au site d’insertion chromosomique un nouveau site de liaison pour les protéines du PcG/trxG. Sing et al. ont retrouvé ces trois propriétés pour le PRE-kr du gène MafB (Figure 1C), indiquant que les séquences de souris se comportent comme un PRE chez la drosophile.

Caractérisation du PRE-kr chez la souris

Les PRE chez la drosophile permettent le maintien de l’expression génique, sans conférer par eux-mêmes un pattern d’expression spécifique. Ils sont associés à des séquences enhancer dont ils maintiennent l’état activé ou réprimé. Le gène MafB contient un enhancer (S5) qui confère à lui seul une expression spécifique des rhombomères r5 et r6. Cette expression est réprimée si on associe à S5 le PRE-kr. Un autre élément est donc nécessaire à la régulation de MafB pour permettre à S5 d’être actif en dépit de l’effet silencer du PRE. Un élément RARE (retinoic acid receptor binding element) suffit à permettre l’activation de l’enhancer S5 en présence du PRE. Une dose suffisante d’acide rétinoique (RA) permettrait donc l’activation de l’enhancer dans les rhombomères 5 et 6 en levant l’effet répresseur du PRE. En accord avec cette hypothèse, l’ajout de RA, qui dans des cellules en culture active le gène MafB, supprime la fixation de protéines du PcG Bmi1 et SUZ12 sur le PRE-kr, et diminue le niveau de méthylation H3K27me3, marque épigénétique associée à la répression génique. Enfin, la présence de copies ectopiques de PRE-kr dans le génome conduit à la formation de sites de liaison additionnels pour la protéine Bmi1. L’ensemble des propriétés d’un PRE, telles qu’elles ont été définies chez la drosophile, est donc retrouvé chez la souris pour la séquence PRE-kr.

Conclusion

La majorité des travaux récents sur les facteurs PcG/trxG ont été axés sur les marques épigénétiques apposées sur les gènes cibles, mais la question du recrutement sur ces cibles et la nature des facteurs liant directement l’ADN était difficilement abordable en l’absence de connaissance de séquences PRE modèles chez les mammifères. Un PRE caractérisé devrait permettre d’améliorer le pouvoir prédictif encore limité des algorithmes proposés pour l’identification de nouveaux PRE chez les mammifères. Notablement, l’activation du PRE-kr dépend chez la drosophile du facteur TRL/GAF, dont l’orthologue n’est pas connu chez la souris. La conservation des motifs de liaison de TRL/GAF et Pipsqueak dans le PRE-kr suggère cependant l’existence d’un facteur liant ces motifs, homologue de TRL/GAF et/ou de Pipsqueak, qui reste à caractériser chez les mammifères. Les enjeux de ces travaux sont multiples si on considère les pathologies humaines. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour la compréhension de défauts de mémoire épigénétique possiblement impliqués dans des pathologies du système nerveux [12].

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

Références

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  3. Ringrose L, Rehmsmeier M, Dura JM, Paro R. Genome-wide prediction of Polycomb/Trithorax response elements in Drosophila melanogaster. Dev Cell 2003; 5 : 759–71. [Google Scholar]
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© 2010 médecine/sciences - Inserm / SRMS

Liste des figures

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Les PRE, modules de régulation épigénétique conservés au cours de l’évolution. A. Modèle d’apposition/reconnaissance des marques épigénétiques par les complexes multiprotéiques composés des protéines du PcG (bleu) et du trxG (violet). La majorité des protéines du PcG/trxG ne se fixent pas directement à l’ADN, mais à la chromatine. Regroupées dans des complexes répresseurs ou activateurs (PRC2 ou TAC1), elles modifient la région N-terminale des histones (ligne courbe noire) par l’addition de groupements méthyl, acétyl, phosphate, ubiquitine… La combinaison de ces modifications et leur position constituent une empreinte épigénétique répressive (disque rouge) ou activatrice (étoile verte) lue par d’autres complexes du PcG/trxG (PRC1, BRM). Un petit nombre de facteurs du PcG/trxG lie directement l’ADN sur les motifs PHO (barre rouge, PHO-B : PHO ou PHOL), GAGA (barre verte, GAF-B: GAF/TRL ou PSQ), ou DSP1 [13] (non figuré) requis pour la reconnaissance et la fonction des PRE. Ils permettent la reconnaissance et l’ancrage des cibles régulées par les facteurs du PcG/trxG, et serviraient d’adaptateurs pour le recrutement des autres protéines du PcG/trxG. B. L’analyse des séquences autour des points de cassure de l’inversion chromosomique kreisler chez la souris révèle une région de 450 bp (rectangle en jaune) conservée chez la souris, l’homme et le poulet. Elle contient des motifs de fixation pour les protéines PHO/PHOL (rouge) et GAF/TRL ou PSQ (vert), motifs habituellement trouvés dans les PRE chez la drosophile, ce qui en fait un candidat pour un PRE chez les mammifères, dénommé PRE-kr. C. Test de validation fonctionnelle d’un PRE chez la drosophile. Le transgène [11] contient la séquence PRE-kr excisable (∆PRE, système Cre-lox, losanges verts) en amont de deux gènes rapporteurs dont l’activité est mesurable chez les larves (lacZ qui code la ß-galactosidase, inductible par le système UAS/Gal4) et les adultes (miniwhite qui est requis pour le dépôt des pigments dans l’œil). La présence du PRE-kr réprime les deux rapporteurs. L’excision du PRE-kr restaure leur expression (en haut). Le PRE-kr perd son activité répressive si la dose d’une des protéines du complexe PRC1 ou de PHO est réduite. Si celle de GAF/TRL est diminuée, l’activité des rapporteurs est encore plus réduite, ce qui suggère que les motifs GAGA sont fonctionnels et requis pour l’activité du PRE. Modifié d’après Sing et al. [4].
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Régulation position-dépendante du locus MafB-Nnat par les complexes PcG et trxG. Les gènes Nnat (en violet) et MafB (en bleu turquoise) sont exprimés de façon différentielle sur l’axe antéropostérieur dans le rhombencéphale normal (partie gauche de la figure) et dans l’inversion kreisler (partie droite de la figure). Les rhombomères n’exprimant aucun des deux gènes sont représentés en gris. Dans le cerveau postérieur d’un embryon sauvage (gauche), l’expression de Nnat (violet) et l’absence d’expression de MafB signent l’identité des rhombomères r3 et r4. La forte expression de MafB spécifie les rhombomères r5 et r6. Les rhombomères r7 et r8 n’expriment aucun de ces deux gènes, probablement sous le contrôle d’un répresseur indépendant des complexes PcG. Dans les embryons kreisler (droite), l’inversion chromosomique est associée à une perte d’expression de Nnat et associée à une expression ectopique de MafB dans r3, profil qui correspond à une postériorisation de r3. L’expression de MafB est perdue dans r5 et r6, alors que Nnat y est exprimé de façon ectopique, ce qui correspond à une antériorisation de ces deux rhombomères. L’inversion des profils d’expression de Nnat et MafB est donc corrélée à l’inversion chromosomique qui flanque ces locus dans le mutant kreisler. D’après les travaux publiés par Sing et al. [4], dans r5 et r6, l’enhancer spécifique S5 (disque bleu foncé) lié à un activateur inconnu (losange vert) permettrait la transcription de MafB de façon dépendante des facteurs du trxG. Dans le mutant kreisler, l’enhancer S5 éloigné du PRE-kr et de l’effet activateur des trxG serait alors inactif. Nnat, en revanche, rapproché du PRE-kr, bénéficierait de l’effet activateur dû aux protéines du trxG. L’expression ectopique de Nnat dans r3 et de MafB dans r7 reste à expliquer, de même que la nature d’un répresseur de l’activité de S5 dans les rhombomères r7 et r8.
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