L’initiation de la transcription correspond à l’assemblage du complexe transcriptionnel sur le promoteur, à l’ouverture locale de l’ADN et au démarrage de la synthèse d’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.
au démarrage de la synthèse du pré-ARNm, généralement marqué par plusieurs cycles de transcription abortive avant l’établissement d’une élongation productive.
Chez les eucaryotes, cette étape nécessite l’action coordonnée de nombreux facteurs généraux de transcription, de cofacteurs régulateurs et de complexes remodelant localement la chromatine afin de permettre le recrutement stable de l’ARN polymérase II au niveau des gènes transcrits.
Promoteurs transcriptionnels
Chez les eucaryotes, les promoteurs reconnus par l’ARN polymérase II correspondent aux régions d’ADN situées à proximité du site d’initiation de la transcription (TSS, transcription start site) et contiennent différents éléments de séquence capables de recruter (Promoter-proximal pausing of RNA polymerase II: a nexus of gene regulation 2019) :
Promoteurs des gènes transcrits par l’ARN polymérase II
1. Parmi les principaux éléments pouvant être retrouvés dans les promoteurs des gènes transcrits par l’ARN polymérase II figurent différents motifs promoteurs présents selon les gènes et les espèces, notamment dans certains promoteurs fortement régulés chez la levure et les métazoaires :
Structure des promoteurs de l'ARN polymérase II
(Figure : vetopsy.fr d’après Genes & development)l’Initiator (Inr), motif YYANWYY centré sur le nucléotide +1 correspondant souvent au site de démarrage de la transcription (TSS),
les éléments BRE (TFIIB recognition element), BREu (SSRCGCC) et BREd (RTDKKKK) reconnus par TFIIB et impliqués dans le recrutement et l’orientation de l’ARN polymérase II,
le motif DPE (downstream promoter element), RGWYV, localisé en aval du site d’initiation transcriptionnelle et participant à l’activité de certains promoteurs dépourvus de boîte TATA,
différents éléments riches en GC ou en îlots CpG, fréquemment présents dans les promoteurs de gènes constitutivement exprimés chez les mammifères et associés à une chromatine plus accessible.
Remarque : les séquences promotrices sont des suites de nucléotides, mais souvent décrites sous forme de motifs consensus dégénérés avec le code IUPAC :
Y, C ou T,
R, A ou G,
W, A ou T,
V, A, C ou G,
N, n’importe quel nucléotide.
2. La majorité des promoteurs humains ne possède pas de boîte TATA canonique clairement identifiable et repose davantage sur des régions riches en GC ou en îlots CpG associées :
à une déplétion locale en nucléosomes au niveau du site d’initiation de la transcription (TSS), formant une région d’ADN plus accessible aux facteurs de transcription et à l’ARN polymérase II,
Promoteurs des gènes transcrits par les ARN polymérases I et III
Les promoteurs reconnus par les ARN polymérases I et III présentent une organisation différente de celle des promoteurs transcrits par l’ARN polymérase II et nécessitent des facteurs d’initiation spécifiques.
Ces séquences promotrices internes, appelées box A, box B, IE (Intermediate Element) ou box C selon les gènes concernés, servent de sites de reconnaissance pour différents facteurs de transcription nécessaires au recrutement de l’ARN polymérase III.
a. Chez les gènes d’ARNt, les principaux éléments promoteurs correspondent aux box A et box B reconnues par TFIIIC.
Le recrutement de TFIIIC permet ensuite l’assemblage de TFIIIB contenant notamment TBP, BRF1 et BDP1, complexe indispensable au recrutement de l’ARN polymérase III.
b. Les gènes de l’ARNr 5S possèdent quant à eux un promoteur interne de type 1 constitué des éléments box A, IE (Intermediate Element) et box C, reconnu notamment par TFIIIA, qui initie l’assemblage du complexe transcriptionnel.
Remarque : les facteurs TFII (TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF et TFIIH) et TFIII (TFIIIA, TFIIIB et TFIIIC) appartiennent à des machineries transcriptionnelles distinctes associées respectivement aux ARN polymérases II et III.
Malgré une nomenclature similaire, ils ne présentent généralement pas d’homologie structurale directe et remplissent des fonctions différentes dans la reconnaissance des promoteurs et l’assemblage des complexes d’initiation transcriptionnelle.
c. Certains autres gènes transcrits par l’ARN polymérase III, notamment ceux codant certains petits ARN nucléaires impliqués dans la maturation des ARN, comme le snARN U6 du spliceosome, possèdent des promoteurs externes comprenant notamment une boîte TATA et un élément proximal de séquence (PSE) situés en amont du site d’initiation transcriptionnelle.
Assemblage du complexe de pré-initiation transcriptionnelle (PIC)
Le complexe de pré-initiation transcriptionnelle (PIC, pre-initiation complex) correspond à l’assemblage multiprotéique formé au niveau du promoteur des gènes transcrits par l’ARN polymérase II avant le démarrage effectif de la transcription par les TFII (Transcription Factor for RNA polymerase II).
a. TFIID est un complexe multiprotéique comprenant :
TBP (TATA-binding protein), capable de reconnaître la boîte TATA et d’induire une courbure locale importante de l’ADN ;
plusieurs TAF (TBP-associated factors) organisés en lobe A, B et C participant à la reconnaissance d’autres éléments du promoteur, à l’intégration des signaux régulateurs et à ’assemblage du PIC.
Structure de TFIID et association au promoteur
(Figure : vetopsy.fr d'après Patel et coll)
b. De manière simplifiée, on peut considérer que :
le lobe A, qui contient notamment TBP ainsi que plusieurs TAF associés, est très mobile, impliqué dans le positionnement de TBP sur le promoteur et participe à la reconnaissance de la boîte TATA lorsqu’elle est présente,
le lobe B, qui constitue une partie centrale de l’architecture de TFIID, sert de plateforme d’interactions entre plusieurs TAF et contribue à la stabilisation structurale du complexe.
le lobe C, qui interagit fortement avec l’ADN promoteur, contient des TAF capables de reconnaître certains éléments du core promoter (Inr, DPE, MTE selon les promoteurs) et participe à l’ancrage de TFIID sur l’ADN.
c. La fixation de TBP provoque une courbure importante de l’ADN, avec une flexion locale d’environ 80 à 90°, résultant de l’insertion de résidus phénylalanine de TBP entre les paires de bases du petit sillon de la boîte TATA.
Cette déformation modifie localement l’architecture du promoteur et facilite le recrutement progressif des autres facteurs généraux de transcription ainsi que l’assemblage du complexe de pré-initiation.
d. TFIIA stabilise l’interaction entre TBP et l’ADN promoteur et limite certaines interactions inhibitrices affectant TBP.
Modifications des partenaires de liaison du TBP grâce au processus de liaison du promoteur
(Figure : vetopsy.fr d'après Patel et coll)
2. TFIIB se fixe ensuite au voisinage du promoteur et établit un pont moléculaire entre TFIID et l’ARN polymérase II.
FIIF, notamment par l’intermédiaire de son domaine N-terminal (NTD) :
contribue au positionnement de l’ARN polymérase II sur le promoteur et limite les interactions non spécifiques de la polymérase avec l’ADN,
participe à la stabilisation architecturale du complexe de pré-initiation,
contribue au maintien et à l’organisation de l’ADN dans la région du site d’initiation,
favorise les premières étapes de l’initiation transcriptionnelle et la transition vers l’ouverture du promoteur.
TFIIF, en particulier avec son domaine N-terminal (NTD) :
contribue au positionnement de l’ARN polymérase II sur le promoteur et limite les liaisons parasites ou instables ailleurs sur le génome,
participe à l’organisation architecturale du PIC,
aide à stabiliser l’ADN dans la région du site d’initiation,favorise la transition vers l’ouverture du promoteur et les premières étapes de synthèse de l’ARN.
Complexe de pré-initiation de l’ARN polymérase II en interaction
avec le nucléosome +1 et le domaine N-terminal (NTD) de TFIIF
(Figure : vetopsy.fr d'après Wang et coll)
4. TFIIE est recruté après l’arrivée de l’ARN polymérase II et participe principalement au recrutement et à la régulation de TFIIH.
Structure schématique de TFHII
(Figure : vetopsy.fr d'après Gibbons et coll)
a. TFIIH possède une double fonction dans la cellule.
En transcription, il participe à l’ouverture du promoteur et à l’activation de l’ARN polymérase II au sein du complexe de pré-initiation.
En réparation de l’ADN par excision de nucléotides (NER), TFIIH est recruté indépendamment du complexe de pré-initiation transcriptionnelle après la reconnaissance de la lésion, notamment par le complexe XPC-RAD23B dans le GG-NER ou par les facteurs CSA et CSB dans le TC-NER, puis intervient dans l’ouverture locale de l’ADN autour du site endommagé. (reconnaissance des lésions).
CDK7 phosphoryle principalement la sérine 5 des répétitions du CTD du domaine RPB1 de POl II lors des premières étapes de la transcription, contribuant à la transition entre l’initiation transcriptionnelle et le début de l’élongation.
Structure du CAK humain et rôle de MAT1
(Figure : vetopsy.fr adaptée d'après Greber et coll)
Remarque : le recrutement et la stabilisation du complexe de pré-initiation peuvent être favorisés par des interactions entre promoteurs et enhancers médiées notamment par les facteurs activateurs, le complexe Mediator et certains mécanismes d’organisation tridimensionnelle de la chromatine (régulation transcriptionnelle et interactions enhancer-promoteur).
Ouverture locale de l’ADN et formation de la bulle de transcription
Après l’assemblage du complexe de pré-initiation, l’ADN promoteur subit une ouverture locale permettant l’exposition du brin matrice utilisé par l’ARN polymérase II.
Structure de l'ARN polymérase II
L’ARN polymérase II est un complexe multiprotéique constitué de douze sous-unités (RPB1 à RPB12) organisé autour d’un large sillon central (cleft) capable d’accueillir l’ADN matrice et le transcrit ARN naissant (Architecture of initiation-competent 12-subunit RNA polymerase II 2003).
1. Les deux plus grandes sous-unités, RPB1 et RPB2, forment le cœur catalytique de l’enzyme et délimitent une pince moléculaire (clamp) entourant l’ADN engagé dans la polymérase.
Le site actif catalytique est localisé au fond du sillon central et contient des ions Mg++ indispensables à la catalyse de la polymérisation des ribonucléotides.
La région clamp peut adopter des conformations ouvertes ou fermées contribuant à l’engagement et à la stabilisation de l’ADN dans la polymérase au cours de la transcription.
Structure de l'ARN polymérase II
(Figure : vetopsy.fr d'après Armache et coll)
2. Plusieurs domaines structuraux mobiles principalement portés par les sous-unités RPB1 et RPB2 participent à la dynamique transcriptionnelle de l’ARN polymérase II.
Les régions Switch 1-3, localisées à proximité du clamp, participent aux réarrangements conformationnels associés à l’ouverture et à la fermeture de la polymérase autour de l’ADN.
Le domaine wall et la région saddle participent à l’organisation du canal transcriptionnel et au trajet de l’ARN naissant vers sa région de sortie (RNA exit).
Le domaine dock constitue une surface d’interaction importante pour plusieurs facteurs généraux de transcription associés au complexe de pré-initiation.
a. D’autres éléments internes du centre catalytique, non représentés ici, participent directement au mécanisme de polymérisation et à la dynamique transcriptionnelle.
Le pont hélicoïdal (bridge helix) participe à la translocation de la polymérase le long de l’ADN après chaque incorporation nucléotidique.
La boucle déclencheuse (trigger loop) intervient dans la sélection des ribonucléotides et dans la catalyse de leur incorporation au sein du transcrit ARN naissant.
Le pore secondaire permet l’entrée des ribonucléotides triphosphates (NTP) vers le site actif catalytique.
b. L’extrémité C-terminale (CTD, C-terminal domain) de la sous-unité RPB1 forme un domaine flexible constitué de répétitions du motif heptapeptidique YSPTSPS selon le code IUPAC.
Ce domaine subit des phosphorylations dynamiques au cours du cycle transcriptionnel et sert de plateforme de recrutement pour de nombreux facteurs impliqués dans l’initiation, l’élongation et la maturation co-transcriptionnelle des ARN.
3. Les sous-unités RPB4 et RPB7 forment un sous-complexe périphérique impliqué dans la stabilité structurale et certaines interactions régulatrices de l’ARN polymérase II.
Remarque : les autres sous-unités de l’ARN polymérase II participent principalement à la stabilité structurale, à l’assemblage du complexe et aux interactions avec différents facteurs transcriptionnels ou régulateurs impliqués dans l’initiation, l’élongation, la réparation de l’ADN et la terminaison de la transcription (Never a dull enzyme, RNA polymerase II 2023).
1. XPB appartient à la famille des ATPases SF2 et utilise l’énergie issue de l’hydrolyse de l’ATP pour se déplacer le long de l’ADN double brin.
Contrairement aux hélicases réplicatives qui déroulent progressivement de longues régions d’ADN lors de la réplication, XPB induit principalement une ouverture locale et transitoire limitée au promoteur transcriptionnel en exerçant des contraintes mécaniques sur l’ADN double brin associé au complexe de pré-initiation.
Ces contraintes topologiques provoquent alors une déstabilisation locale des liaisons hydrogène entre les deux brins d’ADN au voisinage du site d’initiation transcriptionnelle.
Centre actif de l’ARN polymérase II dans le complexe de pré-initiation (PIC)
(Figure : vetopsy.fr d'après Wang et coll)
2. Cette activité induit la transition du complexe de pré-initiation fermé (closed complex), dans lequel l’ADN promoteur reste encore sous forme bicaténaire, vers un complexe ouvert (open complex) caractérisé par l’ouverture locale d’une courte région du promoteur (Structural visualization of key steps in human transcription initiation 2013).
Le brin matrice (TS ou template strand) est alors dirigé vers le centre catalytique de l’ARN polymérase II, où il traverse le sillon central de la polymérase jusqu’au site actif contenant les ions métalliques catalytiques Mg++ (Metal A).
Le brin non matrice (NS ou non-template strand) est quant à lui temporairement déplacé à l’extérieur du centre catalytique, ce qui permet l’exposition des bases du brin matrice nécessaires à l’appariement avec les ribonucléotides triphosphates (NTP).
Le pont hélicoïdal (bridge helix), localisé à proximité immédiate du site actif, participe ensuite à la dynamique de translocation de la polymérase au cours des premiers cycles de synthèse de l’ARN.
La région N-terminale de la sous-unité RPB6 (Rpb6 NTT) participe à la stabilisation locale de l’ADN ouvert au niveau de la bulle transcriptionnelle et au maintien du brin matrice dans le centre catalytique de l’ARN polymérase II.
Le domaine B-reader de TFIIB est localisé à proximité immédiate du centre catalytique de l’ARN polymérase II, où il participe au positionnement du brin matrice et aux premières étapes de l’initiation transcriptionnelle.
Schéma du centre actif de l’ARN polymérase II dans le complexe de pré-initiation (PIC)
(Figure : vetopsy.fr d'après Wang et coll)
L’ARN polymérase II peut alors incorporer les premiers ribonucléotides complémentaires du brin matrice et initier la synthèse du transcrit ARN.
La polymérase synthétise l’ARN selon une direction 5′ → 3′ en lisant le brin matrice dans le sens 3′ → 5′.
Assemblage du complexe de pré-initiation transcriptionnelle (PIC)
(Figure : vetopsy.fr d'après Tsutakawa et coll)
ARN abortifs
Les premiers cycles de synthèse restent souvent instables et peuvent conduire à la production de très courts ARN abortifs relargués par l’ARN polymérase II.
1. Comme ils ne possèdent ni coiffe 5', ni structure protectrice, ni association stable avec les protéines impliquées dans la maturation des ARN, telles que les facteurs d’épissage ou les protéines de liaison aux ARN (RBP), ces ARN abortifs sont reconnus comme des transcrits incomplets et rapidement éliminés par les mécanismes nucléaires de surveillance des ARN.
code des histones),
