Acides nucléiques
Chromatine et régulation épigénétique
Complexes Polycomb et Trithorax

Complexes Polycomb

Les complexes Polycomb constituent une famille conservée de complexes multiprotéiques impliqués dans la répression transcriptionnelle stable et le maintien de la mémoire épigénétique au cours des divisions cellulaires.

Ils participent à l’établissement de domaines chromatiniens réprimés, notamment dans les Polycomb bodies, en modifiant la chromatine et en limitant l’accessibilité transcriptionnelle de nombreux gènes cibles impliqués dans le contrôle :

• du développement embryonnaire,
• de l’identité cellulaire
• des programmes de différenciation.

Les complexes Polycomb agissent de manière antagoniste aux complexes Trithorax impliqués dans le maintien d’états transcriptionnels actifs.

Structure des complexes Polycomb

Les protéines Polycomb-Group (ou protéines PcG) forment principalement deux grands complexes multiprotéiques conservés, PRC1 et PRC2, qui coopèrent pour établir et maintenir des domaines chromatiniens réprimés (The molecular principles of gene regulation by Polycomb repressive complexes 2021).

Complexe PRC2

Le complexe PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) catalyse la triméthylation de l'histone H3 sur sa lysine 27 (H3K27me3), marque épigénétique associée à la répression transcriptionnelle (Histone modification cross-talk and protein complex diversification confer plasticity to Polycomb repression 2026).

1. Ses principales sous-unités comprennent :

• EZH2 (EC 2.1.1.43) ou EZH1, sous-unité catalytique possédant l’activité méthyltransférases,
• SUZ12, nécessaire à l’activité enzymatique et à la stabilité du complexe,
• EED, capable de reconnaître H3K27me3 et de favoriser la propagation de cette marque le long de la chromatine,
• RbAp46/48, impliquées dans l’interaction avec les nucléosomes.

2. Le complexe PRC2 existe également sous différentes variantes, notamment PRC2.1 et PRC2.2, qui partagent les sous-unités catalytiques EZH2 ou EZH1, SUZ12 et EED, mais diffèrent par leurs protéines associées et leurs mécanismes de recrutement sur la chromatine.

Ces différentes variantes permettent une adaptation du recrutement et de l’activité des complexes PRC2 en fonction du contexte chromatinien, du type cellulaire et de l’état transcriptionnel des gènes cibles.

• Les complexes PRC2.1 contiennent notamment des protéines de la famille PCL (Polycomb-like proteins) telles que PHF1/PCL1, MTF2/PCL2 ou PHF19/PCL3, capables d’interagir avec des régions riches en CpG et de favoriser le recrutement du complexe sur certains domaines chromatiniens, notamment au niveau de gènes développementaux réprimés comme les clusters HOX.
• Les complexes PRC2.2 contiennent notamment JARID2 et AEBP2, protéines impliquées dans le recrutement de PRC2 sur la chromatine réprimée et dans la régulation de son activité enzymatique, notamment lors de l’établissement de domaines Polycomb au cours du développement embryonnaire et de la différenciation cellulaire.

Complexe PRC1

Le complexe PRC1 catalyse la monoubiquitination de l’histone H2A sur la lysine 119 (H2AK119ub), modification répressive du code des histones impliquée dans la stabilisation de domaines chromatiniens réprimés.

1. Le complexe PRC1 existe sous plusieurs variantes définies par leur composition et leur mode de recrutement sur la chromatine (Polycomb repressive complex 1.1 coordinates homeostatic and emergency myelopoiesis 2023).

Tous les complexes PRC1 contiennent un noyau catalytique commun comprenant :

• RING1A ou RING1B (également appelée RNF2 ou RING2), E3 ubiquitine-ligases de type RING responsables de l’ubiquitination de l’histone H2A,
• les protéines PCGF (Polycomb group RING finger), famille de protéines PcG, qui déterminent les différentes variantes du complexe et participent à sa stabilité, i.e. MEL18/PCGF2 ou BMI1/PCGF4 dans les complexes PRC1 canoniques, et PCGF1, PCGF3, PCGF5 ou PCGF6 dans les complexes PRC1 non canoniques.

2. Les complexes PRC1 canoniques (cPRC1), PRC1.2 et PRC1.4, contiennent en plus deux autres types de protéines.

a. Les protéines CBX (Chromobox proteins), famille de protéines possédant un chromodomaine capable de reconnaître certaines histones méthylées, notamment ici CBX2, CBX4, CBX6, CBX7 et CBX8, reconnaissent principalement la marque H3K27me3 et favorisent le recrutement du complexe sur les domaines chromatiniens réprimés (Structure–Activity Relationships of Cbx7 Inhibitors, Including Selectivity Studies against Other Cbx Proteins 2016 et A Potent, Selective CBX2 Chromodomain Ligand and its Cellular Activity during Prostate Cancer Neuroendocrine Differentiation 2022).

Remarque : la famille des protéines CBX comprend également les protéines HP1, notamment CBX1/HP1β, CBX3/HP1γ et CBX5/HP1α, qui reconnaissent principalement la marque H3K9me3 associée aux domaines d’hétérochromatine.

Les protéines CBX constituent ainsi une superfamille de protéines lectrices (readers) de marques histones méthylées impliquées dans l’organisation de domaines chromatiniens répressifs.

b. Les protéines PHC1/2, anciennement HPH1/2, famille de protéines PcG impliquées dans l’oligomérisation des complexes Polycomb via leurs domaines SAM (Sterile Alpha Motif), favorisent le rapprochement spatial de loci chromatiniens réprimés et l’organisation structurale de domaines Polycomb au sein des Polycomb bodies.

c. Les protéines SCMH1 et SCML1/2 (Sex comb on midleg homolog proteins) sont des protéines associées principalement aux complexes PRC1 canoniques et impliquées dans la stabilisation des domaines Polycomb, l’organisation de la chromatine réprimée et le maintien de la répression transcriptionnelle.

3. Les complexes PRC1 non canoniques (ncPRC1), notamment PRC1.1, PRC1.3, PRC1.5 et PRC1.6, se distinguent principalement par la présence des protéines RYBP ou YAF2, capables de stabiliser le complexe et de favoriser son recrutement sur la chromatine indépendamment de la reconnaissance de H3K27me3 par les protéines CBX des complexes PRC1 canoniques.

a. D’autres protéines associées aux complexes PRC1, notamment KDM2B, BCOR, SKP1, USP7 ou AUTS2 selon les variantes considérées, participent au recrutement chromatinien, à la stabilité des complexes ou à des fonctions spécialisées de régulation transcriptionnelle.

Certaines sous-unités, notamment L3MBTL2 associée au complexe PRC1.6 peuvent être régulées par SUMOylation, modification susceptible d’influencer la stabilité et l’activité transcriptionnelle du complexe (SUMOylation of the polycomb group protein L3MBTL2 facilitates repression of its target genes 2014).

b. Les complexes PRC1 non canoniques participent souvent au recrutement initial des complexes Polycomb sur certains domaines chromatiniens et peuvent déposer précocement la marque H2AK119ub avant l’établissement de domaines enrichis en H3K27me3.

4. Le complexe PR-DUB (Polycomb Repressive DeUBiquitinase) comprend principalement la déubiquitinase BAP1 (BRCA1-associated protein 1) associée aux protéines ASXL1 ou ASXL2 (Additional sex comb-like proteins).

• Le complexe PR-DUB catalyse la déubiquitination de H2AK119ub déposée par les complexes PRC1 et participe au contrôle dynamique des domaines Polycomb ainsi qu’à la régulation fine des niveaux d’ubiquitination de l’histone H2A (PR-DUB preserves Polycomb repression by preventing excessive accumulation of H2Aub1, an antagonist of chromatin compaction 2022).
• Cette activité contribue au maintien correct de l’organisation des domaines chromatiniens réprimés et à la stabilité fonctionnelle des complexes Polycomb.

Coopération des complexes Polycomb

Les complexes PRC1 et PRC2 coopèrent par des mécanismes de rétroaction positive permettant l’établissement et la propagation de domaines chromatiniens réprimés.

• 

  La marque H3K27me3 déposée par PRC2 favorise le recrutement de complexes PRC1 canoniques via les protéines CBX capables de reconnaître cette modification du code des histones.
• Inversement, la monoubiquitination H2AK119ub déposée par certains complexes PRC1 favorise le recrutement et la stabilisation de complexes PRC2 sur la chromatine.

Cette coopération contribue à la propagation (spreading) des domaines Polycomb, à la compaction de la chromatine et à la limitation de l’accessibilité des facteurs de transcription et de l’ARN polymérase II aux gènes réprimés.

Fonctions biologiques

1. Les complexes Polycomb assurent le maintien stable de domaines chromatiniens réprimés au cours des divisions cellulaires et participent à la mémoire épigénétique.

Ils régulent notamment (The molecular principles of gene regulation by Polycomb repressive complexes 2021) :

• les gènes du développement embryonnaire, notamment les clusters HOX,
• le maintien des cellules souches,
• les transitions de différenciation cellulaire.

2. Les modèles instructif et adaptatif de mémoire épigénétique sont étudiés plus en détail dans la page régulation épigénétique.

Antagonisme entre Polycomb et Trithorax

Les complexes Polycomb agissent de manière antagoniste aux complexes Trithorax (TrxG), impliqués dans le maintien de domaines chromatiniens actifs et de programmes transcriptionnels exprimés au cours du développement et de la différenciation cellulaire (Genome Regulation by Polycomb and Trithorax: 70 Years and Counting 2017).

1. Alors que les complexes Polycomb favorisent l’établissement de domaines chromatiniens réprimés notamment via H3K27me3 et H2AK119ub, les complexes Trithorax regroupent plusieurs complexes activateurs de la chromatine capables de :

• déposer des marques activatrices du code des histones, notamment H3K4me3,
• recruter des complexes de remodelage chromatinien ATP-dépendants comme SWI/SNF favorisant le maintien d’une chromatine transcriptionnellement active.

2. Chez les mammifères, les complexes Trithorax regroupent plusieurs familles de complexes activateurs de la chromatine, notamment (Polycomb and Trithorax Group Proteins: The Long Road from Mutations in Drosophila to Use in Medicine 2020) :

• les complexes COMPASS (Complex of Proteins Associated with Set1) et COMPASS-like contenant les méthyltransférases KMT2/MLL (SET1A/B, MLL1/2, MLL3/4), responsables principalement de la méthylation activatrice H3K4me3,
• les complexes de remodelage chromatinien ATP-dépendants dérivés de SWI/SNF, comme les complexes BAF et PBAF, capables de modifier l’organisation des nucléosomes et de favoriser le maintien d’une chromatine transcriptionnellement active.

Épigénétique