Corps nucléaires
Corps liés à la régulation transcriptionnelle
2.3 Corps liés à l’organisation de la chromatine
Polycomb bodies, PML body et compartiment périnucléolaire

Vue d’ensemble

Les corps liés à l'organisation de la chromatine regroupent des compartiments nucléaires dynamiques qui modulent l’expression génique en agissant sur l’état de la chromatine et la distribution des facteurs de transcription.

1. Contrairement aux corps ARN-dépendants impliqués principalement dans la maturation post-transcriptionnelle, ces compartiments interviennent au niveau de la régulation transcriptionnelle et de la mémoire épigénétique, en concentrant des complexes multiprotéiques capables d’établir ou de maintenir des états réprimés ou activés.

Ils participent à la compartimentation fonctionnelle du génome, en regroupant des loci spécifiques ou en recrutant des protéines impliquées dans la stabilité génomique et la réponse au stress.

2. Parmi ces compartiments figurent notamment :

• les Polycomb bodies, impliqués dans l’établissement et le maintien de domaines de chromatine réprimée,
• les PML bodies, plateformes nucléaires participant à la régulation transcriptionnelle, à la réponse au stress et à la stabilité génomique,
• le compartiment périnucléolaire (PNC), associé à l’organisation de complexes ribonucléoprotéiques et fréquemment observé dans les cellules transformées.

Polycomb body

Les Polycomb bodies sont des compartiments nucléaires spécialisés ronds ou irréguliers, de 0,3 à 1,0 μm de diamètre, au nombre de 12 à 16 par noyau, enrichis en complexes Polycomb impliqués dans l’organisation spatiale de domaines chromatiniens réprimés et le maintien de la mémoire épigénétique (A view of nuclear Polycomb bodies 2012 et A repetitive elements perspective in Polycomb epigenetics 2012).

Structure et organisation des Polycomb bodies

1. Les Polycomb bodies sont organisés autour de domaines chromatiniens enrichis en complexes Polycomb PRC1 et PRC2 impliqués dans la répression transcriptionnelle stable (The molecular principles of gene regulation by Polycomb repressive complexes 2021).

2. Les domaines Polycomb présents dans les Polycomb bodies sont enrichis en marques répressives associées à la chromatine silencieuse telles que ( code des histones) :

• 

  H3K27me3, triméthylation de l'histone H3 sur sa lysine 27,
• H2AK119ub, monoubiquitination de l’histone H2A sur sa lysine 119.

a. Les complexes PRC1 contribuent à l’organisation structurale des Polycomb bodies, notamment via les protéines PHC capables d’oligomériser plusieurs complexes Polycomb et de favoriser le rapprochement physique de loci chromatiniens réprimés.

Les complexes PRC1 canoniques et non canoniques présentent des mécanismes de recrutement distincts sur la chromatine réprimée.

b. La propagation des domaines enrichis en H3K27me3 par PRC2 favorise la formation de larges régions chromatiniennes réprimées pouvant se regrouper au sein des Polycomb bodies.

Formation et organisation des Polycomb bodies

Les Polycomb bodies participent à l’organisation spatiale des domaines de chromatine réprimée en regroupant plusieurs loci cibles dans des compartiments nucléaires spécialisés et leur formation implique plusieurs mécanismes complémentaires (The molecular principles of gene regulation by Polycomb repressive complexes 2021).

1. Les complexes Polycomb sont recrutés sur des régions spécifiques du génome qui initie la formation de domaines réprimés enrichis en H3K27me3 (figure 1), via :

a. des caractéristiques structurales de la chromatine, notamment :

• les îlots CpG non méthylés reconnus par la protéine KDM2B, qui recrute certains complexes PRC1 non canoniques sur ces régions de l’ADN,
• certains loci développementaux tels que les clusters HOX, dont l’expression est maintenue réprimée dans les cellules où ils ne doivent pas être activés,

b. des facteurs de transcription associés à la répression, tels que YY1, REST ou RUNX1, capables de recruter ou de stabiliser les complexes Polycomb sur la chromatine,

c. des ARN longs non codants (lncARN), comme Xist lors de l’inactivation du chromosome X ou ou HOTAIR sur des domaines chromatiniens spécifiques, notamment des gènes du développement comme les clusters HOX.

2. Les complexes PRC1 non canoniques, ou variant PRC1 (vPRC1), peuvent être recrutés précocement sur certains domaines chromatiniens et déposer H2AK119ub, ce qui favorise ensuite le recrutement de complexes PRC2.2 contenant notamment JARID2 et AEBP2 (figures 1 et 2).

3. Les complexes PRC2 participent ensuite à la propagation (“spreading”) de la marque H3K27me3 le long de la chromatine.

La reconnaissance de H3K27me3 par EED stimule l’activité de PRC2 sur les nucléosomes voisins et favorise l’extension progressive des domaines Polycomb (figure 3)

4. Les complexes PRC1 canoniques, ou canonical PRC1 (cPRC1), contenant notamment PCGF2/4 et des protéines CBX, sont recrutés secondairement sur les domaines enrichis en H3K27me3.

Les protéines CBX reconnaissent cette marque et stabilisent l’association de cPRC1 aux domaines chromatiniens réprimés (figure 4)

5. Les protéines PHC possèdent à leur extrémité C-terminale un domaine SAM (Sterile Alpha Motif) capable de former des interactions SAM-SAM entre plusieurs protéines PHC présentes dans différents complexes PRC1.

a. Ces interactions permettent l’assemblage de réseaux oligomériques de complexes PRC1 le long de la chromatine, favorisant :

• le rapprochement physique de loci chromatiniens réprimés et l’établissement de domaines répressifs de grande taille par la concentration locale de facteurs répressifs,
• la compaction locale de domaines Polycomb en Polycomb bodies,
• la stabilisation spatiale de la répression transcriptionnelle dans le nucléoplasme.

b. Un complexe PRC1 isolé peut se lier à un locus réprimé et les interactions entre domaines SAM des protéines PHC réseaux moléculaires capables de rapprocher physiquement des régions chromatiniens éloignées dans le noyau.

Remarque : les protéines PHC ne sont pas représentées explicitement sur cette figure.

Fonctions

Les Polycomb bodies sont des structures dynamiques participant à l’organisation spatiale de domaines chromatiniens réprimés et à la concentration locale de complexes Polycomb dans le nucléoplasme.

Ils peuvent se former, se dissocier ou se réorganiser pour une régulation fine et adaptable de l’expression génique en fonction :

• de l’état transcriptionnel,
• du cycle cellulaire,
• des signaux de différenciation.

1. Les Polycomb bodies favorisent le regroupement spatial de loci chromatiniens réprimés et contribuent à la stabilisation nucléaire de domaines transcriptionnellement silencieux.

2. Les Polycomb bodies présentent une organisation dynamique au cours du cycle cellulaire, assurant la transmission fidèle de l’état transcriptionnel réprimé après chaque division cellulaire.

• Lors de la réplication de l’ADN en phase S, les marques épigénétiques associées aux complexes Polycomb sont partiellement diluées, puis rapidement rétablies sur les chromatides sœurs par le recrutement des complexes PRC1 et PRC2, permettant la restauration des domaines chromatiniens réprimés (The molecular principles of gene regulation by Polycomb repressive complexes 2021).
• Au cours de la mitose, la désorganisation de la chromatine et la disparition de nombreuses structures nucléaires s’accompagnent d’une dissociation partielle des Polycomb bodies, suivie de leur reformation progressive après la reformation de l'enveloppe nucléaire en télophase puis en début de phase G1.

PML body

Les PML bodies (Promyelocytic Leukemia bodies) sont des compartiments nucléaires sphériques de 0,3 à 1,0 μm de diamètre, présents au nombre de 10 à 30 par noyau, organisés autour de la protéine PML, qui participent à la régulation transcriptionnelle, à la réponse au stress cellulaire et à l’organisation épigénétique du génome (PML Nuclear Bodies 2010).

Structure et composition moléculaire des PML bodies

Les PML bodies sont organisés autour de la protéine PML (Promyelocytic Leukemia protein), qui constitue le composant structural central de ces compartiments.

1. La protéine PML (ProMyelocytic Leukemia), qui forme une charpente protéique par oligomérisation, existe sous plusieurs isoformes issues d’épissage alternatif, permet la formation et la stabilité des PML bodies.

La protéine PML appartient à la famille des protéines RBCC (RING finger-B-box-Coiled-Coil), caractérisées par (Cryo-EM structure of PML RBCC dimer reveals CC-mediated octopus-like nuclear body assembly mechanism 2024)  :

• un domaine RING, domaine impliqué dans les interactions protéiques, souvent associé à des fonctions de régulation par ubiquitination ou SUMOylation.
• des domaines B-box, domaine structural participant aux interactions entre protéines et à l’assemblage de complexes multiprotéiques,
• une région coiled-coil, qui permet son oligomérisation et le recrutement des protéines associées.

2. Les PML bodies recrutent de nombreuses protéines impliquées dans la régulation transcriptionnelle, la stabilité génomique et la régulation épigénétique.

a. C'est le cas notamment ( liste) :

• SP100, protéine associée associée aux PML bodies qui interagit avec la chromatine et participe à la régulation transcriptionnelle et à certaines réponses antivirales,
• DAXX, chaperon d’histones impliqué dans la régulation épigénétique et le dépôt du variant H3.3,
• ATRX, protéine impliquée dans l’organisation de la chromatine et la stabilité génomique,
• p53, facteur de transcription central dans la réponse au stress et la régulation du cycle cellulaire,
• CBP/p300, coactivateurs transcriptionnels possédant une activité histone acétyltransférase.

b. Ces protéines sont recrutées de manière dynamique selon l’état fonctionnel de la cellule.

Formation des PML bodies

1. La formation et l’organisation des PML bodies reposent sur la SUMOylation, une modification post-traductionnelle de la PML qui permet (A Tale of Usurpation and Subversion: SUMO-Dependent Integrity of Promyelocytic Leukemia Nuclear Bodies at the Crossroad of Infection and Immunity 2021) :

• son oligomérisation,
• le recrutement de nombreuses protéines associées via des interactions dépendantes de motifs SIM (SUMO-interacting motifs), assurant l’assemblage et la stabilité de ces compartiments nucléaires (Structural and Functional Roles of Daxx SIM Phosphorylation in SUMO Paralog-Selective Binding and Apoptosis Modulation 2011).

Parmi ces protéines, DAXX est recruté via des interactions dépendantes de la SUMOylation, contribuant à la régulation transcriptionnelle et à l’organisation de la chromatine (Three-dimensional organization of promyelocytic leukemia nuclear bodies 2010).

Remarque : un paralogue spécifique, SUMO-5 peut interagir avec la lysine 160 de la protéine PML et favoriser le recrutement et la croissance des PML bodies, tout en contribuant à leur dynamique et à leur remodelage via des mécanismes impliquant la SUMOylation et l’ubiquitination des protéines associées (SUMO5, a Novel Poly-SUMO Isoform, Regulates PML Nuclear Bodies 2016).

2. La dynamique des PML bodies est régulée par des enzymes telles que RNF4, une E3 ubiquitine ligase de type RING appartenant à la classe des StUBL (SUMO-targeted ubiquitin ligases), spécialisées dans la reconnaissance des protéines poly-SUMOylées et leur ubiquitination en vue de leur dégradation protéasomale, participant ainsi au remodelage de ces compartiments nucléaires (RNF4 is a poly-SUMO-specific E3 ubiquitin ligase required for arsenic-induced PML degradation 2008).

Fonctions des PML bodies

1. Les PML bodies constituent des plateformes nucléaires impliquées dans la régulation transcriptionnelle, l’organisation épigénétique et la réponse au stress cellulaire, dont le nombre et la distribution varient selon l’état transcriptionnel, le type cellulaire et les conditions physiologiques (Exploration of nuclear body-enhanced sumoylation reveals that PML represses 2-cell features of embryonic stem cells 2021 et Multimodal Light Microscopy Approaches to Reveal Structural and Functional Properties of Promyelocytic Leukemia Nuclear Bodies 2018).

a. Les PML bodies contribuent à la régulation épigénétique en recrutant des protéines associées à la chromatine et en participant à l’établissement ou au maintien d’états transcriptionnels spécifiques.

b. Les PML bodies jouent un rôle important dans la réponse aux dommages de l'ADN (DDR) et au stress cellulaire en recrutant des protéines impliquées dans la réparation de l’ADN, la sénescence et l’apoptose.

Lors de dommages à l’ADN, la kinase ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated) phosphoryle KAP1 (KRAB-Associated Protein 1), induisant des modifications de la chromatine associées à une augmentation du nombre de PML bodies, suggérant un lien fonctionnel entre organisation chromatinienne et dynamique des PML bodies (KAP1 depletion increases PML nuclear body number in concert with ultrastructural changes in chromatin 2011).

c. Les PML bodies participent à la régulation du cycle cellulaire et à la stabilité génomique, notamment via l’interaction avec des protéines telles que p53 et ATRX, impliquées dans le contrôle des points de contrôle.

2. Les PML bodies sont des structures dynamiques dont l’organisation varie au cours du cycle cellulaire (PML Bodies in Mitosis 2019).

• Lors de la mitose, la désorganisation de l’enveloppe nucléaire s’accompagne d’une dissociation partielle des PML bodies.
• Après la reformation de l'enveloppe nucléaire en fin de mitose, les PML bodies se reforment progressivement, permettant la restauration de leurs fonctions nucléaires.

Compartiment périnucléolaire

Le compartiment périnucléolaire (PNC, Perinucleolar Compartment) est un compartiment nucléaire situé à la surface du nucléole, de 0,3 à 1,0 μm de diamètre, généralement présent au nombre de 1 à 4 par noyau.

1. Les PNC contiennent (liste dans The Perinucleolar Compartment 2010) :

• PTBP1 (Polypyrimidine Tract Binding Protein1), appelé aussi hnRNP I ou PTB, protéine de liaison à l’ARN impliquée dans l’épissage et la régulation post-transcriptionnelle (Polypyrimidine Tract Binding Protein (hnRNP I) Is Possibly a Conserved Modulator of miRNA-Mediated Gene Regulation 2012),
• des ARN transcrits par l'ARN polymérase III, notamment Y RNA, l'ARN de la RNase P et l'ARN RNase MRP,
• des protéines de liaison à l’ARN (RBP) associées à des complexes ribonucléoprotéiques contenant des ARN transcrits par l’ARN polymérase II telles que CUG-BP/hNab50, Raver1/2, ROD1 et la nucléoline.

2. Les PNC ne constituent pas des sites actifs de transcription, mais des compartiments d’accumulation et d’organisation de petits ARN et de complexes ribonucléoprotéiques (The perinucleolar compartment: structure, function, and utility in anti-cancer drug development 2024).

• Les PNC sont principalement observés dans les cellules transformées, c’est-à-dire des cellules ayant acquis des altérations génétiques ou épigénétiques conduisant à une prolifération incontrôlée et à des caractéristiques tumorales.
• Leur présence est corrélée au degré de malignité et au potentiel métastatique, ce qui en fait un marqueur cellulaire potentiel des cellules cancéreuses agressives.

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