La nature polymère des gènes répétés en tandem améliore l'assemblage de l'hétérochromatine constitutive dans la levure à fission

May 28, 2023

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 796 (2023) Citer cet article

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Motivés par nos récentes expériences qui démontrent que les gènes répétés en tandem deviennent de l'hétérochromatine, nous montrons ici une théorie de l'assemblage de l'hétérochromatine en prenant en compte la connectivité de ces gènes le long de la chromatine dans les équations cinétiques de la production de petits ARN et de la méthylation des histones, qui sont les réactions biochimiques clés impliquées dans l’assemblage de l’hétérochromatine. Notre théorie prédit que la nature polymérique des gènes répétés en tandem assure la production régulière de petits ARN en raison de la liaison stable des ARN naissants produits à partir des gènes aux RDRC/Dicers à la surface de la membrane nucléaire. Cette théorie prédit également que le compactage des gènes répétés en tandem supprime la production de petits ARN, ce qui est cohérent avec nos récentes expériences. Cette théorie peut être étendue au petit silençage génique dépendant de l’ARN dans les organismes supérieurs.

La chromatine d'une cellule eucaryote différenciée forme une hétérochromatine qui coexiste avec l'euchromatine. Dans de nombreux types cellulaires, l’hétérochromatine est observée au voisinage de la membrane nucléaire et du nucléole1. La compartimentation des régions d'hétérochromatine a également été démontrée dans des expériences Hi-C2,3. Les gènes d’une euchromatine sont activement exprimés, tandis que les gènes d’une hétérochromatine ne le sont que rarement. La région génomique de l'hétérochromatine constitutive, telle que les régions centromériques et télomériques, ne dépend pas des types de cellules, tandis que l'hétérochromatine facultative peut passer à l'euchromatine et vice versa au cours du développement.

Biophysiquement, on pense que l'hétérochromatine est assemblée par séparation de phase de la chromatine4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. L'hétérochromatine constitutive est caractérisée par la modification post-traductionnelle des queues d'histone, H3K9me2/3, des nucléosomes. Les protéines HP1 se lient sélectivement aux queues d'histone méthylées H3K9 et présentent une séparation de phase liquide-liquide en raison de l'interaction multivalente entre ces protéines. On pense que l'interaction multivalente entre les protéines HP1 liées aux nucléosomes avec H3K9me2/3 est la force motrice de l'assemblage de l'hétérochromatine.

La levure à fission est un système modèle classique utilisé dans des expériences de biologie moléculaire pour étudier l'assemblage de l'hétérochromatine . Une levure à fission possède trois chromosomes, chacun ayant une région centromérique de 40 à 110 kbps (qui sont estimées à 24 à 67 unités Kuhn). Le mécanisme moléculaire de l’assemblage de l’hétérochromatine a été révélé au cours des dernières décennies. La transcription est un événement rare dans les régions hétérochromatiniennes. Néanmoins, la transcription est essentielle car la voie d'interférence ARN (ARNi) est le principal mécanisme moléculaire de l'assemblage et du maintien de l'hétérochromatine centromérique de la levure à fission21,22,23,24 : les complexes RITS se lient aux ARN naissants et recrutent des complexes CLRC pour méthyler les ARN. H3K9 de nucléosomes de l'hétérochromatine25 ou RDRC/Dicers pour produire des petits ARN26. Des expériences récentes suggèrent que la liaison des complexes RITS aux ARN naissants est faiblement dépendante de l'ARN lorsqu'ils méthylent le H3K9 des nucléosomes et dépend de H3K9me2/3 lorsqu'ils produisent de petits ARN27,28 : la méthylation de H3K9 et la petite production d'ARN forment le positif. rétroactions, s’améliorant mutuellement. Des expériences suggèrent que les RDRC/Dicers sont localisés à la surface interne de la membrane nucléaire chez la levure à fission, ce qui implique que la petite production d'ARN (et probablement également la méthylation de H3K9) se produit à proximité de la surface.

Étant donné que la méthylation de H3K9 et la production de petits ARN se produisent pendant la transcription, on peut se demander ce qui se passera si l’on régule positivement la transcription. En effet, la marque hétérochromatine, telle que le niveau de petits ARN, dans les régions centromériques est renforcée par la régulation positive de la transcription31. Pourquoi la transcription forme-t-elle de l'hétérochromatine dans les régions centromériques, mais pas dans les régions euchromatiniennes ? Les régions centromériques sont composées de séquences répétées contenant de nombreux sites d’initiation de la transcription31. Asanuma et ses collègues ont ainsi activé des gènes euchromatiques répétés en tandem dans une région euchromatique pour imiter cette situation et ont découvert que ces gènes répétés en tandem sont des substrats favorables pour l'hétérochromatine médiée par l'ARNi - ARNi induit par la répétition. Cela implique que la séquence répétée et de nombreux sites d’initiation de la transcription constituent la signature génomique clé au niveau de laquelle l’hétérochromatine constitutive est assemblée. Il est bien connu en physique des polymères que les polymères adhèrent à une surface beaucoup plus fortement que leurs monomères en raison de la connectivité des monomères le long de la chaîne polymère, voir Fig. 1. De la même manière, la nature polymère des gènes répétés en tandem peut améliorer la liaison des ARN naissants aux RDRC/dicers à la surface de la membrane nucléaire.