Relation structure — fonction des télomères
Comme mentionné ci-dessus, en l’absence de télomérase, les télomères deviennent non fonctionnels, se raccourcissent avec les divisions cellulaires successives et les terminaisons chromosomiques peuvent fusionner en raison de la protection. Les fusions de télomères sont le résultat de la non-homologue-fin-jointure (NHEJ) qui est l’un des mécanismes dominants d’une guérison de rupture de double brin (DSB)., Le résultat de tels événements pourrait être la création de chromosomes portant plus d’un centromères, qui seront probablement regroupés à des pôles opposés pendant la mitose, entraînant une rupture des chromosomes et une instabilité génomique supplémentaire par des événements répétés de fusion – rupture. Chez les vertébrés, le rôle de la protection des extrémités des chromosomes afin d’être distingué des ruptures chromosomiques est attribué à un complexe spécifique de protéines collectivement appelé shelterin. Complexe Shelterin est essentiellement composé de six protéines., Deux membres du complexe shelterin, TRF1 et TRF2 (du facteur de liaison de répétition des télomères 1 et 2) se lient directement à la séquence télomérique double brin, tandis que POT1 se lie à l’adNSS. TRF2 interagit avec et recrute RAP1, tandis que TIN2 médie la liaison TPP1-POT1 au complexe central TIRF1 / TIRF2. POT1 se lie et protège le surplomb d’ADN simple brin 3 des télomères (queue G), tandis que TIN2 relie probablement les complexes de liaison d’ADN simple et double brin, en particulier dans la région de la formation de la boucle D télomérique (figure 3) ., Il semble que ce noyau shelterin complexe est principalement situé à l’extrémité des télomères (également appelé télosome) et sert à la fois dans la stabilisation de la structure de la boucle en t, la protégeant en même temps d’être reconnu comme un dommage à l’ADN et réparé par NHEJ. De plus, shelterin régule l’accès aux processus de restauration de l’ADN télomérique après chaque réplication du génome., En général, le complexe shelterin semble fonctionner comme une plate-forme régulant le recrutement d’une liste croissante de facteurs impliqués dans le remodelage de la chromatine, la réplication de l’ADN, la réparation des dommages à l’ADN, la recombinaison et la fonction télomérase, régulant ainsi l’accès / modification des télomères par divers processus cellulaires (figure 4), récemment examiné dans .
Figure 3.
modèle Schématique du potentiel des télomères plafonnement arrangement par le complexe shelterin., Les protéines du complexe shelterin participent à la protection des télomères, à la réplication et à la régulation de la longueur. Les protéines TRF1 et TRF2 se lient spécifiquement à l’ADN ds télomérique, tandis que POT1 (TPP1) reconnaît l’ADNSS (boucle D stabilisante). TIN2 interconnecte l’adNSS aux complexes de liaison de l’adNSS, stabilisant la structure du télosome. L’ADN télomérique se compose d’une séquence d’ADN répétitive, d’une région duplex et d’un surplomb du brin G de l’adNSS (brin G, orange; brin C, bleu). Le complexe shelterin se lie aux régions duplex et ssDNA par des interactions spécifiques protéine–ADN., La formation de la boucle t implique une invasion de brin du porte-à-faux G pour créer une boucle de déplacement (boucle D). La boucle t est proposée pour masquer l’extrémité chromosomique des capteurs de dommages à l’ADN. Pour des raisons de simplicité, le complexe shelterin est représenté comme un complexe à six protéines dispersé de manière homogène sur les télomères. Voir le texte pour plus de détails.
Fait intéressant, il semble qu’il existe plus d’un type de complexe shelterin core et que tous ne font pas nécessairement partie du télosome. Des complexes contenant uniquement du TRF1-TIN2-TPP1-POT1 ou du TRF2-RAP1 ont été détectés., Des données récentes mesurant les quantités absolues et relatives de TRF1 et de TRF2 dans la cellule ont révélé que TRF2 est environ deux fois plus abondant que TRF1, ce qui est compatible avec la détection de TRF2 dans des foyers induits par des dommages à l’ADN dirigés spatialement dans des régions chromosomiques non télomériques. Le recrutement de TRF2 sur les sites de dommages à l’ADN est cohérent avec le fait qu’il joue un rôle critique dans la réponse aux dommages à l’ADN . La complexité du réseau telosome créé est pratiquement basée sur les caractéristiques structurelles uniques des membres shelterin., TRF1 et 2 portent un domaine SAB / MYB par lequel ils reconnaissent tous deux un motif TTAGGGTTA sur l’ADN des télomères ds, une région terminale riche en acide (D/E) et un motif d’amarrage spécifique appelé motif d’homologie TRF (TRFH). Le domaine TRFH médie l’homo-dimérisation de TRF1 ou TRF2 mais interdit l’hétérodimérisation en raison de contraintes structurelles . Un motif FxLxP et un motif Y/FxLxP sont requis pour la liaison TRF1 et TRF2, respectivement. Ces domaines sont appelés motifs de liaison TRFH (TBM). Le résidu d’acide aminé Phe 142 dans le motif TRF1-TRFH est responsable de la liaison TIN2 à travers sa région TBM., Le TIN2-TBM a une affinité significativement plus faible pour la région correspondante de TRF2 (Phe 120) en raison de différences structurelles au voisinage de Phe 120 et est finalement attaché à TRF2 par l’intermédiaire d’une région TRF2 unique près de l’extrémité N de la protéine. Néanmoins, le résidu Phe 120 est crucial pour une interaction spécifique avec d’autres facteurs associés aux télomères tels que la nucléase Apollo, un partenaire de liaison TRF2. La formation complexe entre les membres du noyau de shelterin et les facteurs associés à des motifs de type TBM sont susceptibles d’être également dirigés par des changements dans les affinités de liaison dus à des modifications post-traductionnelles., Un bon exemple est la parsylation TRF1 par la tankyrase, entraînant une diminution significative de l’affinité ADN-TRF1, permettant l’allongement des télomères et la séparation des télomères sœurs en soulageant spécifiquement le complexe de cohésion de TRF1 et TIN2 . Un mauvais équilibre de telles interactions pourrait être préjudiciable à l’intégrité du génome, comme le montrent des niveaux élevés de TIFS formés dans les cellules surexprimant un TBM isolé comme une répétition YRL en tandem. Des résultats délétères analogues ont été obtenus lors de l’expression d’un allèle de substitution TRF2-F120 .,
Des études structurelles récentes de l’un des deux plis OB (liaison oligonucléotide/oligosaccharide) de S. pombe Pot1, qui constituent le site de liaison de l’ADNSSD, ont révélé que la reconnaissance nucléotidique non spécifique de l’ADNSSD est obtenue par des modes de liaison jusqu’ici non identifiés qui compensent thermodynamiquement les substitutions de base par Ainsi, la délimitation détaillée de la structure des membres du shelterin et des facteurs associés devrait améliorer géométriquement notre compréhension des réseaux constitués et de la manière dont la quantité vs., les changements de qualité interfèrent avec les modifications structurelles conduisant à des altérations fonctionnelles, ajustant finement la stabilité du génome. Sans aucun doute, la richesse des informations recueillies a déjà ouvert la voie à l’utilisation d’agents anti-télomérase dans les essais cliniques, avec des résultats attendus robustes.
Outre shelterin et ses partenaires en interaction, un autre complexe important est récemment apparu pour être également impliqué dans la biologie des télomères, le complexe CST. Le complexe CST est composé de CTC1, STN1 (OBFC1) et TEN1, et a été attribué le sauvetage des forks de réplication bloqués pendant la contrainte de réplication., Le complexe CST relie les télomères à la réplication et à la protection du génome indépendamment de la voie Pot1 .
L’accumulation de preuves par de nombreuses publications a démontré de manière tout à fait inattendue que les voies de réponse aux dommages à l’ADN (DDR) et de réparation, bien qu’elles semblent paradoxales, partagent des caractéristiques communes avec les stratégies de maintenance des télomères. Les protéines de réponse précoce de la DDR sont recrutées dans les télomères et des protéines censées fonctionner dans le maintien des télomères ont également été mises en évidence pour être impliquées dans la DDR., Paradoxalement, les facteurs DDR dans les télomères, dans des conditions normales, semblent interférer avec la restauration des télomères et la préservation de la longueur. Ce phénomène distinct est attribué à shelterin coordination de l’accès et de la fonction des facteurs DDR aux télomères. TRF2 peut lier et supprimer ATM, tandis que POT1, une fois lié à la G-queue par TPP1, inhibe ATR. La suppression de l’activité TRF2 provoque l’activation de p53 et d’ATM, conduisant à des foyers induits par dysfonctionnement des télomères (TIFS). Les TIF entraînent des fusions de télomères de bout en bout via la voie NHEJ et leur apparition est corrélée à l’induction de la sénescence ., L’interaction semble être basée sur la quantité de shelterine et la longueur des télomères, deux paramètres directement liés l’un à l’autre, car lorsque les télomères sont extrêmement courts, ils sont moins susceptibles de former une boucle en t, une réaction catalysée par TRF2 in vitro, et à son tour moins de shelterine est liée . Par conséquent, deux structures majeures de maintenance des télomères sont considérablement réduites (boucle en t et revêtement shelterin), permettant l’activation de la DDR., Pourtant, de manière assez intrigante, les machines NHEJ peuvent également exercer un rôle protecteur au niveau des télomères grâce à l’activité enzymatique de la Tankyrase liée à la promotion de la stabilité de l’ADN-PKcs et à la prévention de la formation d’échanges de chromatides sœurs des télomères (T-SCEs) en tant que produit de la recombinaison inter-télomères
Un autre paradigme associé à deux dimères de MRE11 et RAD50 ., Les protéines MRE11 et RAD50 forment un hétérotétramère qui contient deux domaines de liaison et de traitement de l’ADN qui peuvent relier les extrémités de l’ADN libre . Le complexe MRN se localise aux télomères pendant les phases S et G2 du cycle cellulaire par interaction directe de NBS1 avec TRF2, contribuant vraisemblablement à la formation de la queue G sur le brin télomérique principal et donc à la stabilité des télomères ., Chez l’homme, la mutation du gène NBS1 conduit au trouble d’instabilité chromosomique, le syndrome de rupture de Nimègue 1, associé à une sensibilité accrue aux rayonnements ionisants et à une instabilité chromosomique et à un cancer précoce, même chez les hétérozygotes NBS1+/ -. NBS1 contient un domaine forkhead-associated (FHA), un domaine BRCT (BRCA1 C Terminus), un domaine MRE11-binding, et un domaine ATM-interacting. L’accumulation de preuves démontre que NBS1 interagit avec les télomères et contribue à leur stabilité, au moins dans les cellules humaines et murines., Des expériences d’immuno-fluorescence indirecte ont révélé que NBS1 co-localise avec TRF2 pendant la phase S dans des cellules HeLa cultivées, peut – être en modulant la formation de boucles T. Comme TRF2 a également été trouvé sur des séquences non télomériques, l’impact de la co-localisation de NBS1 avec TRF2 nécessite des éclaircissements supplémentaires. De même, dans les fibroblastes embryonnaires de souris, un recrutement actif de NBS1 dans des télomères dysfonctionnels a été observé . Le complexe MRN semble jouer un double rôle dans la biologie des télomères. L’une consiste à médier, au moins en partie, la réponse ATM conduisant à la formation de TIF après la suppression de TRF2 ., Deuxièmement, par son activité nucléase, il est nécessaire à la formation normale des télomères, car le MRN est impliqué dans le traitement des télomères endommagés en influençant la production du surplomb à partir d’un télomère émoussé créé après la réplication des télomères . Une telle accélération de la formation de la queue G, à la suite d’un dysfonctionnement des télomères / dé-protection, empêche la fusion de brins émoussés principaux de télomères dé-protégés pendant la phase S. Apollo nuclease peut également être recruté et être impliqué dans ce processus., L’interaction directe de NBS1 avec le facteur de liaison de répétition des télomères 1 (TRF1) a été démontrée pour les cellules immortalisées de télomérase négative, ce qui implique que cette interaction pourrait être impliquée dans l’allongement alternatif des télomères. En outre, dans les cellules exprimant la télomérase, le complexe MRN, par régulation à la baisse et élimination de TRF1 (phosphorylation NBS1-dépendante de TRF1 par ATM) peut également favoriser l’accessibilité de la télomérase à l’extrémité 3 des télomères ., L’intercommunication de la réparation de l’ADN avec la stabilité des télomères est une relation établie assez tôt dans l’évolution, comme l’indique le fait que MRE11 et RAD50, ainsi que les protéines kinases ATM et ATR, sont également essentiels pour un bon entretien des télomères chez les plantes .
la Figure 4.
Shelterin facteurs associés également impliqués dans la réponse aux dommages à l’ADN., Détails dans le texte
Récemment, une autre protéine phosphatase, PNUTS (sous-unité de ciblage nucléaire de la phosphatase 1), qui interagit avec TRF2, insère une autre pièce dans le puzzle de la relation DDR et télomère . En outre, détecté par la recherche à l’échelle du génome de protéines contenant du TBM, les trois domaines BRCT portant le facteur DDR proximal MCPH1 interagissent également avec TRF2. Les mutations MCPH1 sont associées à des anomalies du développement et à une incidence accrue de tumeurs ., Les cellules appauvries en MCPH1 présentent une diminution des taux de BRCA1 et de Chk1 et sont défectueuses au point de contrôle G2/M.
Un rôle essentiel dans l’intégrité des télomères est également attribué à BRCA2, un composant clé de la voie de réparation de l’ADN HR. BRCA2 s’associe aux télomères pendant les phases du cycle cellulaire S / G2 et semble faciliter le chargement de la recombinase RAD51 . Par conséquent, une activité HR médiée par BRCA2 est requise pour le maintien de la longueur des télomères. Ces résultats peuvent expliquer, au moins en partie, les télomères plus courts trouvés dans les tumeurs du sein humain mutées par BRCA2., Par conséquent, le dysfonctionnement des télomères peut également être impliqué dans l’instabilité génomique observée dans les cancers du sein et des ovaires déficients en BRCA2 .
Au total, un certain nombre de molécules de réparation de l’ADN, qui font collectivement partie des voies de l’anémie HR, NHEJ, NER et Fanconi, se sont avérées recrutées au niveau des télomères, le TRF2 fonctionnant principalement comme un centre protéique., Dans des conditions normales, la signalisation ATM/ATR, lors de la dé-protection due à la courte longueur des télomères et au « retrait » ultérieur de la cellule (sénescence / apoptose) fait partie du mécanisme de protection normal d’initiation tumorale contre les cellules déstabilisées par le génome. Dans les cellules portant une longueur normale des télomères, il existe des relations inhibitrices entre ces différents systèmes de réparation de l’ADN, empêchant l’activation de l’autre.
Les télomères font partie de la structure de l’hétérochromatine, ce qui signifie que des signaux spécifiques définissent leur emplacement dans le noyau., Bien que l’on s’attende à ce que les télomères soient par définition stables et inertes aux extrémités des chromosomes, il semble néanmoins qu’il s’agisse de complexes nucléoprotéiques dynamiques également impliqués dans le remodelage de la chromatine. Le recrutement de la protéine de liaison à l’hétérochromatine HP1, la tri-méthylation enrichie de l’histone H3 lysine 9 (H3K9) et H4K20 , ainsi que la méthylation des dinucléotides CpG dans les répétitions d’ADN subtélomères soutiennent cette notion. Ces marques hétérochromatiques sont remplacées par des caractéristiques de chromatine ouverte (augmentation de l’acétylation sur les queues d’histones, etc.) lorsque les télomères deviennent plus courts., De tels changements impliquent qu’une longueur minimale des télomères est nécessaire pour maintenir une conformation semblable à l’hétérochromatine aux extrémités des chromosomes, une structure qui peut changer suite à l’attrition des télomères. De plus, les télomères et le complexe shelterin devraient desserrer leur structure serrée pendant la réplication chromosomique et rétablir leur forme compacte après l’achèvement de la duplication de l’ADN. Un relâchement analogue de la structure des télomères devrait être nécessaire dans les cas de restauration des télomères par des mécanismes de réparation de la télomérase ou de l’ADN, bien que éventuellement par des procédures distinctes., Afin d’atteindre cette plasticité, la chromatine doit être remodelée à travers un certain nombre d’enzymes, selon un code histone local . Un certain nombre de modifications d’histones sont impliquées lorsque des interactions distinctes entre la queue d’histone et la protéine favorisent la relaxation ou la compression de la structure complexe des télomères . À titre d’exemple, les expériences de déplétion SIRT6 (une histone H3K9 désacétylase qui module la chromatine télomérique) par interférence ARN ont fourni des preuves d’une augmentation des dommages à l’ADN nucléaire et de la formation de foyers induits par un dysfonctionnement des télomères., Ces expériences ont suggéré que SIRT6 protège les cellules endothéliales des dommages aux télomères et à l’ADN génomique, empêchant ainsi une diminution de la capacité réplicative et l’apparition d’une sénescence prématurée, dans ce cas particulier impliqué dans le maintien des fonctions homéostatiques endothéliales et le retard du vieillissement vasculaire.
Un autre ensemble important de facteurs impliqués dans la biologie des télomères est les produits des gènes ATRX et DAXX, qui sont impliqués dans le remodelage de la chromatine avec l’histone H3.3 ., Des mutations ou des délétions dans ces loci génétiques ont été directement corrélées avec le statut ALT+ sur les lignées cellulaires ou les tumeurs en soi . Selon ces résultats, le dépistage des mutations/expression ATRX/DAXX peut représenter le marqueur le plus fiable à jour pour les tumeurs qui ont choisi la voie ALT TMM.,
Collectivement, c’est le bon assemblage des shelterines dans les télomères qui est essentiel pour la stabilité chromosomique (différencie les extrémités chromosomiques des ruptures de DS d’ADN et empêche la perte d’information génétique par attaque nucléolytique (dégradation induite par l’exonucléase) ou fusions chromosomiques aberrantes et recombinaison indésirable, pendant la durée de vie d’une cellule., Avec une structure appropriée, la coordination fonctionnelle contrôlant la TMM et l’activité de la télomérase est strictement régulée tout au long du cycle cellulaire par un certain nombre de facteurs accessoires impliqués, recrutés de manière transitoire par les complexes / sous-complexes de shelterine .
En dehors de leur rôle protecteur, l’interaction appropriée des shelterins avec les composants des machines de réparation de l’ADN ainsi que les composants de la télomérase et le recrutement de la télomérase, permet la restauration des télomères le cas échéant., L’importance de la structure-fonction correcte des composants shelterin dans la biologie des télomères et la formation du cancer, ainsi que les maladies associées aux télomères, sont illustrées par l’association de la détection de mutation dans TIN2 dans bon nombre de ces cas .