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Un mécanisme inédit de régulation des origines de réplication

 

En modifiant les propriétés biologiques de la cycline E, la protéine SUMO serait capable de réguler négativement l'activation des origines de réplication nécessaires à la duplication du matériel génétique. Ce mécanisme détaillé dans la revue Nature Communications a été mis au jour par des chercheurs du Centre de recherche de biochimie macromoléculaire (CNRS/Universités Montpellier 1 et 2), de l'Institut de génomique fonctionnelle (CNRS/Inserm/Universités Montpellier 1 et 2) et de l'Institut de génétique moléculaire de Montpellier (CNRS/Universités Montpellier 1 et 2). Il ouvre de nouvelles pistes à explorer pour lutter contre le cancer, maladie souvent associée à une dérégulation de la cycline E.

 

Au début de chaque division cellulaire, la totalité du matériel génétique doit être dupliquée sans erreur. Pour cela, un grand nombre d'origines de réplication sont mises en place sur les chromosomes avant le démarrage de la phase de synthèse de l'ADN (phase S). Cependant, seul un petit nombre d'entre elles sont utilisées pour assurer la duplication totale du matériel génétique, qui nécessite chez les mammifères entre 30 000 et 50 000 événements d'initiation à chaque cycle cellulaire. Tout au long de la phase S, des points de contrôles garantissent que la fréquence d'initiation est correcte pour permettre la duplication totale du génome. Il a été récemment montré que les origines de réplication non utilisées, dites « dormantes », ont également un rôle important à jouer dans la création de nouveaux points de démarrage en cas de problème. Bien que la plupart des facteurs impliqués dans le processus d'initiation soient maintenant connus, aucune donnée ne permet d'expliquer comment s'exerce la sélection des origines de réplication et le maintien des origines dormantes dans une conformation « activable ».

Le mécanisme de SUMOylation des protéines a été identifié comme un élément central de la réparation de l'ADN et donc du maintien de la stabilité génétique. La SUMOylation correspond à l'ajout, sur la protéine cible, de la protéine SUMO qui, comme l'ubiquitine, peut être liée de façon covalente à d'autres protéines, modifiant ainsi les propriétés biologiques de la protéine cible. Plusieurs protéines impliquées dans la réparation et la réplication de l'ADN ont récemment été identifiées parmi les protéines SUMOylées en réponse à des dommages de l'ADN.

Les chercheurs ont testé une implication éventuelle de la protéine SUMO dans le contrôle de la réplication en dehors d'un contexte de réparation. Ils ont pour cela utilisé des œufs de Xénope, seul système in vitro capable de reproduire la réplication des chromosomes au cours du cycle cellulaire. Leur travail a montré que l'inhibition de la SUMOylation a pour conséquence de doubler le nombre d'origines de réplication activées sur la chromatine cellulaire en entrée de phase S. Ce résultat suggère que la SUMOylation au niveau d'une origine de réplication a la capacité d'empêcher l'utilisation de cette origine.

Les chercheurs sont parvenus à identifier la protéine ciblée par SUMO aux origines de réplication. Il s'agit de la cycline E, un facteur clé de la machinerie du cycle cellulaire. En présence de la kinase Cdk2, cette cycline permet l'entrée en phase S et assure l'activation des origines de réplication tout au long de cette phase. La cycline E n'était pas encore connue comme un substrat de SUMO. Les résultats obtenus montrent que 50 à 80% de la cycline E recrutée sur les origines de réplication est SUMOylée au début de la phase S. La modification de la cycline E par SUMO persiste au cours de cette phase. La régulation négative des origines de réplication assurée par SUMO via la modification de la cycline E pourrait jouer un rôle crucial dans le contrôle de la fréquence d'initiation au long de la phase S et dans le déroulement correct de cette phase.

La cycline E associée à Cdk2 est un régulateur majeur de la prolifération cellulaire. En son absence, les cellules sont incapables d'entrer dans le cycle après une phase de quiescence et sont résistantes à toute transformation oncogénique in vitro. Il est admis qu'une accumulation anormale de la cycline E entraîne une augmentation importante du nombre d'origines de réplication activées et un stress réplicatif responsable d'instabilité génomique. La cycline E est dérégulée dans la plupart des cancers humains. L'identification du mécanisme par lequel SUMO régule la fonction de la cycline E aux origines de réplication ouvre des perspectives inédites dans la mise au point de nouvelles thérapies anti-cancéreuses.

Figure : Modèle du contrôle de la densité des événements d'initiation par SUMO. La kinase cycline E-Cdk2 est recrutée sur les complexes préréplicatifs assemblés aux origines de réplication. En conditions normales, la cycline E est ciblée par SUMO sur plus de la moitié des origines, ce qui a pour effet de bloquer leur utilisation immédiate. Lorsque la cycline E n'est pas modifiée par SUMO, la kinase est en mesure de déclencher le processus d'activation qui conduit à l'ouverture de la double hélice d'ADN et au recrutement de la machinerie de réplication. En l'absence totale de modification par SUMO, toutes les origines associées à une kinase cycline E-Cdk2 active sont déclenchées en même temps. Cette augmentation de la fréquence d'initiation, du fait de la quantité limitante de certains facteurs réplicatifs et du pool de deoxyribonucléotides, est alors susceptible d'engendrer un stress réplicatif, principale source d'instabilité chromosomique. © Catherine Bonne-Andrea

 

En savoir plus

• SUMO2/3 modification of cyclin E contributes to the control of replication origin firing, Catherine Bonne-Andrea, Malik Kahli, Francisca Mechali, Jean-Marc Lemaitre, Guillaume Bossis, Olivier Coux, Nature Communications (2013), doi:10.1038/ncomms2875.
  

 

Contact chercheurs

• Catherine Bonne-Andrea
• Olivier Coux
  Centre de recherche de biochimie macromoléculaire (CRBM)
  UMR5237 CNRS/Universités Montpellier 1 et 2
  1919 Route de Mende
  34293 Montpellier Cedex 5