L’élongation et la terminaison de la transcription assurent la synthèse du transcrit primaire, sa maturation co-transcriptionnelle et la libération finale de l’ARN par l’ARN polymérase.
La transcription comprend plusieurs étapes fonctionnellement coordonnées :
au démarrage de la synthèse du pré-ARNm, généralement marqué par plusieurs cycles de transcription abortive avant l’établissement d’une élongation productive.
Après les premiers cycles de synthèse abortive, l’ARN polymérase II entre progressivement dans une phase d’élongation précoce au cours de laquelle la transcription devient plus stable et permet la production d’un pré-ARNm naissant encore associé au complexe transcriptionnel.
1. La transition entre initiation et élongation correspond à l'échappement du promoteur (promoter escape), durant lequel l’ARN polymérase II quitte progressivement la région promotrice et devient capable de progresser efficacement le long du brin matrice d’ADN (Three-step mechanism of promoter escape by RNA polymerase II 2024).
Échappement du promoteur
(Figure : vetopsy.fr d'après Zhan et coll)
a. Cette transition s’accompagne :
d’un allongement progressif de l’hybride ARN-ADN présent dans le centre catalytique de l’enzyme,
d’une stabilisation de la bulle transcriptionnelle,
d’une diminution des cycles d’initiation abortive.
b. L’ARN naissant traverse ensuite le canal de sortie de l’ARN polymérase II tandis que l’ADN transcrit est réapparié derrière l’enzyme.
2. L'échappement du promoteur s’accompagne également d’une réorganisation partielle du complexe de pré-initiation (PIC).
Certains facteurs généraux de transcription impliqués principalement dans l’assemblage initial ou l’ouverture locale du promoteur deviennent progressivement moins stables ou se dissocient partiellement de l’ARN polymérase II, notamment TFIIB, TFIIE et certaines interactions associées à TFIIH.
À l’inverse, certaines composantes du complexe de pré-initiation, notamment TFIID, TFIIA et différentes protéines associées au promoteur, peuvent rester transitoirement associées à la région promotrice afin de faciliter de nouveaux cycles d’initiation transcriptionnelle.
Phosphorylations du CTD de l'ARN polymérase II
(Figure : vetopsy.fr d'après Kwon et coll)
a. La phosphorylation initiale des résidus Ser5 des répétitions heptapeptidiques YSPTSPS, 52 chez l'homme, est principalement assurée par CDK7, la sous-unité kinase CDK7 du module CAK (CDK-activating kinase) associé au complexe TFIIH.
Cette phosphorylation apparaît dès les premières étapes de l’initiation transcriptionnelle, puis reste prédominante au début de l’élongation, où elle favorise le recrutement co-transcriptionnel des premiers complexes impliqués dans la maturation des pré-ARNm.
b. Au cours de la progression de l’ARN polymérase II le long du gène, le profil de phosphorylation du CTD devient progressivement dynamique avec une diminution relative des phosphorylations sur Ser5 et une augmentation graduelle des phosphorylations sur Ser2 par CDK9 du complexe P-TEFb, associées à l’établissement d’un complexe d’élongation productif et au recrutement coordonné de nombreux facteurs nucléaires impliqués dans la maturation co-transcriptionnelle des ARN.
4. Malgré l’échappement du promoteur, l’ARN polymérase II ne progresse généralement pas immédiatement vers une élongation continue sur de longues distances et subit fréquemment une pause transcriptionnelle proximale après la synthèse des premières dizaines de nucléotides du pré-ARNm.
Transcription : initiation et pause
(Figure : vetopsy.fr d'après Core et Adelmann)
Cette étape constitue un point de contrôle majeur de l’expression génique, car elle permet à la cellule de maintenir l’ARN polymérase II dans un état transcriptionnel réversible avant l’entrée en élongation productive.
1. L’établissement de cette pause dépend principalement du complexe DSIF (DRB Sensitivity-Inducing Factor) et du complexe NELF (Negative Elongation Factor).
a. DSIF est constitué principalement des sous-unités SPT4 et SPT5 et se fixe à l’ARN polymérase II peu après l'échappement du promoteur.
La sous-unité SPT5 interagit notamment avec différentes régions de l’ARN polymérase II situées autour du canal central et du canal de sortie de l’ARN naissant, ce qui permet de stabiliser le complexe transcriptionnel au cours de l’élongation précoce.
b. NELF interagit ensuite avec l'ARN polymérase II, DSIF, surtout via SPT5, ainsi qu’avec l’ARN naissant qui émerge du canal de sortie de Pol II.
NELF interagit ensuite avec le complexe ARN polymérase II-DSIF, principalement via la sous-unité SPT5, ainsi qu’avec l’ARN naissant émergeant du canal de sortie de l’ARN polymérase II.
Complexe Integrator et pause proximale de POLR2A
(Figure : vetopsy.fr d'après Razew et coll)
Le module catalytique d’Integrator est positionné à proximité de l’ARN naissant où il peut réaliser des clivages endonucléolytiques associés à l’atténuation transcriptionnelle et à la terminaison précoce de certains transcrits.
Certaines régions périphériques du complexe Integrator peuvent également interagir avec des facteurs de transcription associés à la chromatine, notamment des protéines possédant des domaines à doigts de zinc, contribuant au recrutement ou à la stabilisation d’Integrator sur certains promoteurs spécifiques (Structural basis of the Integrator complex assembly and association with transcription factors 2024).
d. Ces interactions stabilisent un état de pause transcriptionnelle en limitant les réarrangements moléculaires nécessaires à la progression efficace de l’ARN polymérase II le long de l’ADN.
2. La levée de pause dépend principalement du complexe P-TEFb (Positive Transcription Elongation Factor b), constitué de CDK9 et d’une cycline transcriptionnelle, le plus souvent la cycline T.
Transcription : levée de la pause et élongation
(Figure : vetopsy.fr d'après Core et Adelmann)
a. P-TEFb phosphoryle :
les résidus Ser2 du CTD de l’ARN polymérase II,
la sous-unité SPT5 de DSIF,
plusieurs sous-unités du complexe NELF.
b. Ces phosphorylations ont deux conséquences complémentaires.
La phosphorylation de NELF favorise sa dissociation du complexe transcriptionnel, ce qui lève l’état de pause.
La phosphorylation de SPT5 convertit DSIF en facteur positif d’élongation, capable d’accompagner la progression stable et processive de l’ARN polymérase II.
c. La phosphorylation croissante du CTD sur les résidus Ser2, principalement assurée par CDK9 du complexe P-TEFb, favorise le recrutement de nombreux facteurs associés à l’élongation productive et à la maturation co-transcriptionnelle des ARN.
L’ARN polymérase II peut alors progresser efficacement sur de longues régions chromatiniennes et entrer dans une phase d’élongation transcriptionnelle stable.
Élongation productive
Au cours de l’élongation productive, l’ARN polymérase II progresse le long du brin matrice d’ADN en catalysant l’incorporation séquentielle de ribonucléotides complémentaires dans l’ARN naissant.
Le brin matrice est lu dans le sens 3′ → 5′ tandis que le pré-ARNm est synthétisé dans le sens 5′ → 3′.
1. La progression de l’ARN polymérase II s’accompagne du déplacement d’une bulle transcriptionnelle mobile dans laquelle les deux brins d’ADN restent localement séparés sur une courte région.
Contrairement à l’ouverture initiale du promoteur qui dépend principalement de l’activité ATPase/translocase de XPB au sein du complexe TFIIH, le maintien de cette ouverture locale durant l’élongation dépend principalement de la progression de l’ARN polymérase II elle-même et des changements conformationnels associés à son activité catalytique.
À l’intérieur du centre catalytique de l’enzyme, l’ARN nouvellement synthétisé reste transitoirement apparié au brin matrice d’ADN sous la forme d’un court hybride ARN-ADN avant d’être séparé du brin matrice lors de sa sortie du canal de l’ARN.
Derrière l’ARN polymérase II, le brin matrice se réassocie rapidement au brin non matrice, ce qui permet la reformation locale de la double hélice d’ADN au fur et à mesure de la progression du complexe transcriptionnel.
2. La progression de l’ARN polymérase II entraîne des contraintes topologiques importantes sur l’ADN (contraintes topologiques).
Contraintes topologiques associées à l’élongation transcriptionnelle
(Figure : vetopsy.fr d'après Teves et Henikoff)
Le déplacement du complexe transcriptionnel le long de la double hélice génère une accumulation de surenroulements positifs en aval de l’ARN polymérase II, car l’ADN situé devant l’enzyme devient localement surenroulé et plus difficile à ouvrir.
À l’inverse, l’ADN situé en amont du complexe transcriptionnel subit une diminution locale du nombre de tours de la double hélice, ce qui génère des surenroulements négatifs.
Le déplacement de l’enzyme génère généralement une accumulation de surenroulements positifs en aval du complexe transcriptionnel et de surenroulements négatifs en amont.
b. Ces contraintes topologiques sont principalement contrôlées par les topoisomérases, notamment les topoisomérases de type I impliquées principalement dans la relaxation des surenroulements négatifs et les topoisomérases de type II capables d’éliminer efficacement les surenroulements positifs accumulés devant le complexe transcriptionnel ( rôle des topoisomérases).
Ces enzymes modulent l’état de torsion de l’ADN afin de permettre la poursuite de la transcription et de limiter les tensions mécaniques au sein de la chromatine.
3. L’élongation transcriptionnelle se déroule dans le contexte de la chromatine et nécessite une adaptation permanente de l’organisation des nucléosomes.
Maintien de l’organisation nucléosomique lors de l’élongation transcriptionnelle
(Figure : vetopsy.fr d'après Žumer et coll)
a. La progression de l’ARN polymérase II à travers les nucléosomes implique le recrutement de nombreux facteurs d’élongation, chaperonnes d’histones et complexes de remodelage chromatinien capables de déstabiliser transitoirement les interactions histone-ADN afin de permettre le passage du complexe transcriptionnel puis de réassembler localement la chromatine derrière l’enzyme (Cryo-EM structures of RNA polymerase II–nucleosome complexes rewrapping transcribed DNA 2023).
Cette réorganisation locale réduit temporairement les interactions entre les histones et l’ADN, permettant la progression du complexe transcriptionnel sans nécessiter le démantèlement complet du nucléosome.
Après le passage de l’ARN polymérase II, FACT favorise la réassociation des dimères H2A/H2B et contribue au réassemblage local du nucléosome.
Ce mécanisme limite la perte d’histones, préserve l’organisation de la chromatine et participe au maintien des informations épigénétiques associées aux nucléosomes.
4. L’élongation productive est étroitement couplée à de nombreux processus nucléaires associés au devenir des ARN naissants, en particulier les phosphorylations dynamiques du domaine CTD de l’ARN polymérase II qui permettent le recrutement progressif et coordonné de nombreux complexes protéiques directement sur le complexe transcriptionnel qui favorisent notamment :
certaines étapes de surveillance des ARN, notamment le recrutement de facteurs impliqués dans le contrôle qualité des transcrits, l’élimination des ARN aberrants et leur adressage vers les voies nucléaires de dégradation,
L’ARN polymérase II agit ainsi comme une plateforme moléculaire coordonnant simultanément la synthèse du pré-ARNm et les principaux événements nucléaires associés à sa maturation et à son devenir cellulaire.
1. Les répétitions heptapeptidiques YSPTSPS du domaine CTD (C-terminal domain) de la sous-unité RPB1 de l’ARN polymérase II, subissent des phosphorylations dynamiques qui servent de plateforme de recrutement à de nombreux facteurs nucléaires associés à la maturation des ARN.
Le coiffage du pré-ARNm est favorisé, au début de la transcription, par le recrutement des complexes impliqués par les phosphorylations dominantes sur Ser5 par CDK7 du module CAK (CDK7, cycline H et MAT1) du complexe TFIIH au début de la transcription.
L’épissage, le clivage du pré-ARNm et la polyadénylation, sont ensuite favorisés, au cours de l’élongation productive, par le recrutement coordonné de nombreux facteurs associé aux phosphorylations sur les résidus Ser2 principalement assurées par CDK9 du complexe P-TEFb.
2. Les différentes étapes de maturation débutent ainsi souvent avant même la fin complète de la transcription du gène et ce couplage co-transcriptionnel permet une coordination spatiale et temporelle étroite entre la synthèse du pré-ARNm et sa maturation nucléaire.
1. Chez la majorité des gènes codant des protéines, l’ARN polymérase II ne s’arrête pas immédiatement après la synthèse de la future extrémité 3′ du pré-ARNm mais poursuit transitoirement la transcription en aval du gène (Mechanisms of RNA Polymerase II Termination at the 3′-End of Genes 2025).
a. Lorsque le signal de polyadénylation du pré-ARNm, généralement la séquence AAUAAA ou une variante proche, est reconnu par les complexes de maturation associés au domaine CTD (C-terminal domain) de l’ARN polymérase II, notamment CPSF (Cleavage and Polyadenylation Specificity Factor), CstF (Cleavage Stimulation Factor) et différents facteurs de clivage associés, le pré-ARNm naissant est clivé au niveau de son extrémité 3′ ( clivage de l’extrémité 3′ des pré-ARNm).
b. Ce clivage sépare alors :
le pré-ARNm destiné à être maturé, désormais libre avec une extrémité 5′ coiffée et une extrémité 3′ qui sera polyadénylée,
un ARN résiduel,en aval du site de clivage, toujours relié à l’ARN polymérase II qui continue transitoirement sa progression le long de l’ADN.
c. Des facteurs associés au complexe CPA, notamment les sous-unités de CFIIm, PCF11 (Protein 1 homolog of Cleavage Factor II) et CLP1 (Cleavage and Polyadenylation Factor I Subunit 1), participent également au couplage entre maturation de l’extrémité 3′ des pré-ARNm et terminaison de la transcription.
La sous-unité PCF11 du complexe CFIIm, décrite précédemment dans le complexe CPA, interagit avec le domaine CTD phosphorylé de l’ARN polymérase II et participe au détachement progressif du complexe transcriptionnel après le clivage du pré-ARNm.
2. Après le clivage du pré-ARNm, l’ARN résiduel synthétisé en aval du site de coupure possède une extrémité 5′ libre accessible à des exoribonucléases nucléaires.
Chez les eucaryotes, l’exoribonucléase XRN2 se fixe sur l’extrémité 5′ libre de cet ARN résiduel, puis le dégrade progressivement dans le sens 5′ → 3′ en suivant le transcrit toujours associé à l’ARN polymérase II.
3. Deux modèles principaux ont historiquement été proposés pour expliquer la terminaison de la transcription par l’ARN polymérase II.
a. Selon le modèle torpedo, dont le mécanisme exact est encore à l'étude, la progression de XRN2 le long de l’ARN résiduel permet à l’exoribonucléase d’atteindre progressivement l’ARN polymérase II, ce qui contribue à la déstabilisation du complexe transcriptionnel et à la dissociation finale de l’enzyme de l’ADN.
b. Selon le modèle allostérique, la reconnaissance du signal de polyadénylation et le recrutement des complexes impliqués dans la maturation de l’extrémité 3′ du pré-ARNm induisent également des modifications conformationnelles du complexe transcriptionnel.
Ces changements affectent notamment les interactions entre l’ARN polymérase II, le domaine CTD et différents facteurs d’élongation, ce qui réduit progressivement la stabilité du complexe d’élongation.
c. Les modèles torpedo et allostérique sont actuellement considérés comme complémentaires et la terminaison de la transcription par l’ARN polymérase II résulte probablement de la combinaison de plusieurs mécanismes associant clivage du pré-ARNm, dégradation de l’ARN résiduel et déstabilisation progressive du complexe transcriptionnel (cf. figure ci-dessus).
Terminaison de la transcription par l’ARN polymérase I et II
1. La terminaison de la transcription par l’ARN polymérase I repose principalement sur la reconnaissance de séquences terminatrices, séquences nucléotidiques spécifiques de l’ADN appelées Sal box, localisées en aval des gènes ribosomiques (ma
Chez les mammifères, le facteur TTF-I (Transcription Termination Factor I) se fixe à ces séquences et contribue à l’arrêt de l’ARN polymérase I ainsi qu’à la dissociation du complexe transcriptionnel.
Cette terminaison permet d’empêcher la poursuite excessive de la transcription au-delà des unités ribosomiques et contribue au recyclage de l’ARN polymérase I pour de nouveaux cycles de transcription dans le nucléole.
2. La terminaison de la transcription par l’ARN polymérase III est généralement plus simple que celle observée pour l’ARN polymérase II.
Elle dépend principalement de courtes séquences riches en thymidines présentes sur le brin non matrice de l’ADN.
Lors de la transcription de ces séquences, l’ARN produit contient plusieurs résidus uridine consécutifs qui déstabilisent localement l’hybride ARN-ADN au sein du complexe transcriptionnel. Cette instabilité favorise alors l’arrêt de la transcription et la dissociation de l’ARN polymérase III.
Devenir des ARN après la transcription
La transcription des ARN par les ARN polymérases nucléaires constitue la première étape de l’expression génique et s’intègre dans un ensemble coordonné de mécanismes nucléaires et cytoplasmiques associés au devenir des ARN.
Chez les eucaryotes, les ARN naissants subissent de nombreuses étapes qui conditionnent leur stabilité, leur localisation et leur fonction cellulaire :
Toutes ces étapes sont étudiées dans des chapitres spécifiques accessibles par les liens internes associés aux différents mécanismes impliqués dans le devenir des ARN.
Activation, répression et régulation de la transcription
Les mécanismes de la transcription décrits dans initiation, élongation et terminaison de la transcription, présentent principalement l’organisation générale de la transcription et de la synthèse des ARN.
1. Ces mécanismes peuvent être soumis, sous l’action de facteurs régulateurs, de coactivateurs, de corépresseurs et de multiples complexes associés à la chromatine, à :
2. De nombreux mécanismes de régulation transcriptionnelle modulent l'expression des gènes impliquant l’organisation de la chromatine, les interactions entre promoteurs et éléments régulateurs distants ainsi que l’architecture tridimensionnelle du génome.
contraintes topologiques).
