Nous entamons ici le Chapitre II de l'Introduction, dédié à la régulation transcriptionnelle.

Pour ceux qui veulent un peu de contexte à cette thèse, je le fournis dans cet article: Ma thèse de doctorat en biologie moléculaire - les débuts

Si vous voulez lire depuis le début, le chapitre I sur la structure du génome commence ici (voir la liste des articles précédents plus bas) :

• Régulation transcriptionnelle du rétrotransposon copia de Drosophila melanogaster - première partie

Chapitre II - La régulation de la transcription par l'ARN Polymérase II

La transcription est le principal mécanisme qui relie l'information contenue dans les génomes à l'ensemble des processus biologiques. Du point de vue du chercheur, disposer de la séquence complète d'un génome est important car cela fournit la liste des "briques" (domaines protéiques, ARNs à fonction enzymatique) qui servent à la construction d'un organisme vivant. Mais, comme tendent à prouver les résultats des équipes qui ont déterminé les séquences des génomes de levure, C. elegans et drosophile, ce n'est pas suffisant.

En effet, l'évolution des organismes complexes ne semble pas se faire par une augmentation du répertoire de protéines, mais plutôt par une régulation plus fine de l'expression des gènes (Brenner, 2000). C'est la raison pour laquelle il est indispensable d'étudier les mécanismes qui déterminent où, quand, et pour combien de temps un gène est exprimé.

La transcription est elle même un processus multi-étapes faisant intervenir plusieurs complexes protéiques au niveau de la séquence à transcrire et de ses séquences de contrôle. Le rôle principal est joué par une enzyme, l'ARN polymérase, qui produit un ARN à partir d'une séquence d'ADN et de ribonucléotides triphosphate.

Les principes de base du processus de transcription ainsi que de sa régulation ont d'abord été établis chez les procaryotes et bon nombre de ces principes ont été retrouvés lorsque la technologie de l'ADN recombinant à rendu possible l'étude des phénomènes équivalents chez les eucaryotes.

Cependant, la logique de la régulation de l'expression chez les eucaryotes est fondamentalement différente de celle des procaryotes. La principale cause de cette différence est la manière dont l'information génétique est stockée. Pour comprendre la régulation de la transcription chez les eucaryotes, il est essentiel de prendre en compte le fait que l'ADN se retrouve empaqueté dans la chromatine à l'intérieur du noyau (Struhl, 1999).

L'empaquetage de l'ADN dans la chromatine joue un rôle majeur dans toutes les "transactions moléculaires" impliquant le matériel génétique, y compris le contrôle de l'expression des gènes.

Les modèles classiques d'organisation de la transcription dans le cadre nucléaire montrent la polymérase se fixant au niveau d'un promoteur et suivant ensuite l'ADN le long du gène à transcrire.

Cependant, des résultats récents (Pombo et al., 1999; pour une revue Cook, 1999) tendent à soutenir un modèle alternatif, dans lequel plusieurs polymérases sont immobilisées, rassemblées au niveau de sites nucléoplasmiques fonctionnant comme des "usines de transcription" qui concentrent aussi des activités enzymatiques annexes. Ce modèle souligne un aspect très important : l'emploi d'une stratégie de concentration et co-localisation des molécules, qui sera retrouvée au niveau des processus de régulation. Par ailleurs, il implique l'existence d'une mobilité du substrat.

Etudier la régulation de la transcription revient à déterminer les critères selon lesquels la cellule décide si une séquence codante donnée sera transcrite ou pas, à quel moment et à quelle fréquence.

Pour cela, il nous faut analyser les conditions initiales (c'est ce que nous avons en partie fait dans le premier chapitre de cette Introduction) ainsi que les moyens dont la cellule dispose pour modifier ces conditions.

De manière générale, pour modifier les profils d'expression de chaque gène, au cours du développement et en réponse à des évènements extracellulaires, avec des ressources limitées, il faut employer des mécanismes combinatoires.

Chez les eucaryotes, où cette stratégie est utilisée à tous les niveaux, les gènes sont transcrits par trois types différents d'ARN polymérase : les ARN polymérases I et III transcrivent des gènes codant pour des ARNs à rôle structural ou catalytique. Les gènes qui codent pour des protéines sont transcrits par l'ARN polymérase II (en abrégé "Pol II"). C'est pourquoi nous désignerons ces gènes comme gènes "de classe II".

Dans ce chapitre nous nous intéresserons à la transcription par la Pol II et plus spécifiquement à la manière dont ce processus est régulé dans les organismes eucaryotes. La plupart du temps, cette décision est prise au niveau de l'initiation de la transcription.

II.1 L’initiation de la transcription par l'ARN Polymérase II

Plusieurs étapes peuvent être délimitées pendant la transcription. Malgré sa complexité (12 sous unités conservées dans l'évolution), la Pol II ne peut initier la transcription d'aucun gène en l'absence de plusieurs protéines et complexes protéiques appelés "facteurs généraux d'initiation" (GTFs pour "General Transcription Factors"; pour des revues, Buratowski, 1994; Roeder, 1996; Hampsey, 1998 et références incluses).

Les résultats que nous allons exposer dans ce sous-chapitre résument brièvement les principaux moments de l'initiation et mettent en évidence les cibles potentielles des phénomènes de régulation. Ils ont été obtenus le plus souvent par des reconstitutions in vitro d'un environnement quasi-cellulaire contrôlé, à partir de fractions protéiques plus ou moins pures.

Les travaux effectués chez la levure, la drosophile et chez le rat ont mené à la conclusion que les GTFs : TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF et TFIIH sont nécessaires pour l'expression de la plupart des gènes transcrits par la Pol II.

L'initiation de la transcription par la Pol II apparaît comme un processus hautement conservé chez les eucaryotes. Néanmoins, la logique de la stratégie combinatoire est incompatible avec l'existence de composants requis en toute circonstance (Hampsey et Reinberg, 1999). En effet, dans le cas contraire, l'intégration de plusieurs fonctions sur une seule protéine aurait été favorisée dans l'évolution.

La Pol II et les GTFs ont la capacité de transcrire une séquence in vitro, à des faibles niveaux, en partant du "core-promoter". Ceci définit la "transcription basale", concept utile dans l'étude des aspects fondamentaux des mécanismes d'initiation et des processus de régulation.

La caractérisation détaillée des GTFs et des séquences d'initiation a été faite principalement par des travaux extensifs sur des promoteurs modèles comme par exemple AdML (adenovirus major late) ou CYC1 (un promoteur de levure).

II.1.1 Le core-promoter

La comparaison des séquences des gènes de classe II a permis de caractériser des éléments impliqués dans l'initiation et la régulation de la transcription. Parmi eux, il est important de distinguer le "core-promoter" des éléments régulateurs spécifiques (figure 13). Le "core-promoter" contient des séquences qui sont conservées dans un grand nombre des gènes analysés et qui sont nécessaires au positionnement de la Pol II et au choix du site de démarrage (le "cap site" qui définit la position +1).

^{Figure 13 : Différentes classes d'éléments de séquence régulateurs et leurs facteurs associés. Les trois principaux éléments du "core promoter" sont dessinés en vert, couverts par la machinerie de transcription (elypse grise : la Pol II et les GTFs associés).}

Dans les "core-promoters", on peut distinguer plusieurs éléments qui fonctionnent indépendamment ou de manière synergique.

1. Le plus commun d'entre eux est la "boîte TATA" ("TATA box", séquence consensus TATA(A/T)A(A/T), située autour de la position -30). La boîte TATA est reconnue par une protéine, la TATA-box Binding Protein (TBP) qui peut se lier à différentes variantes de la séquence, est bien conservée dans un grand nombre d'espèces de la levure à l'homme et semble avoir une origine très ancienne. De plus, la TBP a été retrouvée dans les PICs (qui seront introduits après) au niveau des promoteurs sans boîte TATA et même dans des complexes fonctionnels des ARN polymérases I et III. Ces données ont conduit certains auteurs à formuler l'hypothèse selon laquelle la TBP serait un facteur de transcription universel et indispensable (Hernandez, 1993). Cependant, des résultats plus récents (Hansen et al., 1997) ont montré que dans certains types cellulaires, la TBP pouvait être remplacée par une autre protéine, la TRF (TBP Related Factor; Buratowski, 1997 pour une revue).
2. Une deuxième séquence riche en pyrimidines, l'Initiateur (Inr, séquence consensus YYAN(T/A)YY, située autour du site de démarrage) joue un rôle important dans le fonctionnement du "core-promoter". En effet, dans certaines conditions, il est suffisant pour assurer la transcription basale de promoteurs comme celui de la TdT (terminal déoxynucleotidyl transférase) de souris (Roeder, 1996). Plusieurs protéines peuvent se lier à la séquence Inr, comme par exemple IBP (Initiator Binding Protein), E2F, TFII-I, USF et YY1. La Pol II et le facteur TFIIB jouent également un rôle important dans la reconnaissance de l'Inr (revu dans Hampsey, 1998).

Un troisième élément, le DPE (downstream promoter element), situé à environ 30 pb en aval du site d'initiation de la transcription, a été décrit à partir de l'étude de promoteurs de Drosophile sans boîte TATA (Burke et Kadonaga, 1996). Les auteurs ont ultérieurement montré que le DPE était conservé chez l'homme (Burke et Kadonaga, 1997). Au niveau des promoteurs étudiés, le DPE fonctionne de manière synergique avec l'Initiateur et semble pallier à l'absence de boîte TATA.

Il faut noter que dans l'ensemble, les gènes codant des protéines possèdent une grande variété d'architectures au niveau de leur core-promoter : certains ont uniquement une boîte TATA mais un grand nombre présentent en plus un Inr alors que d'autres ont un Inr mais pas de boîte TATA. Enfin, certains autres n'ont ni boîte TATA ni Inr et leurs éléments importants sont indéfinis (cité dans Smale et al., 1998).

Plusieurs études ont montré que les promoteurs à boîte TATA et ceux qui en sont dépourvus possèdent des activités régulatrices distinctes (figure 26; Ohtsuki et al., 1998).

Immédiatement en amont du "core-promoter" (entre –50 et –200 par rapport au site d'initiation de la transcription) on trouve souvent des combinaisons de sites de liaison (en bleu dans la figure 13) pour certains facteurs spécifiques de séquence mais relativement ubiquitaires comme Sp1, NF-I/CTF et NF-Y/CBF. Des nombreux études associent cette région avec le "core-promoter" sous le nom commun de "promoteur".

Nous sommes arrivés à la page 52/213. Dans la partie suivante, nous allons parler de l'assemblage du complex de pre-initiation, le PIC ("pre-initiation complex")

Brenner, S. (2000). Genomics. The end of the beginning. Science 287, 2173-2174.

Buratowski, S. (1994). The Basics of Basal Transcription by RNA Polymerase II. Cell 77, 1-3.

Burke, T.W. and Kadonaga, J.T. (1996). Drosophila TFIID binds to a conserved downstream basal promoter element that is present in many TATA-box-deficient promoters. Genes Dev. 10, 711-724.

Burke, T.W. and Kadonaga, J.T. (1997). The downstream core promoter element, DPE, is conserved from Drosophila to humans and is recognized by TAFII60 of Drosophila. Genes Dev. 11, 3020-3031.

Cook, P.R. (1999). The Organization of Replication and Transcription. Science 284, 1790-1795.

Hampsey, M. (1998). Molecular Genetics of the RNA Polymerase II General Transcription Machinery. Microbiol.Mol.Biol.Rev. 62 , 465-503.

Hampsey, M. and Reinberg, D. (1999). RNA polymerase II as a control panel for multiple coactivator complexes. Curr Opin Genet Dev 9, 132-139.

Hansen, S.K., Takada, S., Jacobson, R.H., Lis, J.T., and Tjian, R. (1997). Transcription properties of a cell type-specific TATA-binding protein, TRF. Cell 91, 71-83.

Hernandez, N. (1993). TBP, a universal eukaryotic transcription factor ? Genes Dev. 7, 1291-1308.

Ohtsuki, S., Levine, M., and Cai, H.N. (1998). Different core promoters possess distinct regulatory activities in the Drosophila embryo. Genes Dev 12, 547-556.

Pombo, A., Jackson, D.A., Hollinshead, M., Wang, Z., Roeder, R.G., and Cook, P.R. (1999). Regional specialization in human nuclei: visualization of discrete sites of transcription by RNA polymerase III. EMBO J. 18, 2241-2253.

Roeder, R.G. (1996). The role of the general initiation factors in transcription by RNA polymerase II. Trends Biochem.Sci. 21, 327-335.

Smale, S.T., Jain, A., Kaufman, J., Emami, K.H., Lo, K., and Garraway, I.P. (1998). The Initiator Element : A Paradigm for Core Promoter Heterogeneity within Metazoan Protein-coding Genes. Cold Spring Harb.Symp.Quant.Biol. 63, 21-31.

Struhl, K. (1999). Fundamentally different logic of gene regulation in eukaryotes and prokaryotes. Cell 98, 1-4.

Si vous voulez lire depuis le début, la chapitre I sur la structure du génome, est divisé en six articles:

• Régulation transcriptionnelle du rétrotransposon copia de Drosophila melanogaster - première partie
• Régulation transcriptionnelle du rétrotransposon copia de Drosophila melanogaster - seconde partie
• Régulation transcriptionnelle du rétrotransposon copia de Drosophila melanogaster - troisième partie
• Régulation transcriptionnelle du rétrotransposon copia de Drosophila melanogaster - quatrième partie
• Régulation transcriptionnelle du rétrotransposon copia de Drosophila melanogaster - cinquième partie
• Régulation transcriptionnelle du rétrotransposon copia de Drosophila melanogaster - sixième partie

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