Le matériel génétique est stocké à l’intérieur des cellules dans des structures appelées chromosomes, qui ont une séquence répétitive appelée télomère à chaque extrémité. Les protéines spécialisées se lient à ces séquences pour former un « capuchon » protecteur qui protège le chromosome et l’empêche de fusionner avec d’autres chromosomes. L’enzyme télomérase aide également à maintenir les chromosomes en ajoutant des séquences répétitives d’ADN aux extrémités des télomères.
L’une des molécules de capsulage les plus étudiées est une protéine appelée Cdc13 qui se lie à certains types d’ADN simple brin dans la levure en herbe et forme un complexe avec deux autres protéines (Stn1 et Ten1) qui recrute la télomérase (Wellinger et Zakian, 2012). Plusieurs éléments de preuve suggèrent que ce complexe CST recrute également une enzyme de réplication de l’ADN appelée primase-Pola, et peut réguler l’activité de cette enzyme aux extrémités des chromosomes ainsi qu’à d’autres endroits du génome (Giraud-Panis et al., 2010; Price et coll., 2010; Barbero Barcenilla et Shippen, 2019).
Des complexes similaires ont également été identifiés chez d’autres eucaryotes, y compris les mammifères, qui contiennent Stn1, Ten1 et une autre protéine appelée CTC1 au sein de leur complexe CST (Giraud-Panis et al., 2010; Price et coll., 2010). Cependant, il s’est avéré difficile de déterminer les rôles joués par les différentes protéines du complexe CST, car les cellules dépourvues d’une seule de ces protéines luttent pour survivre (figure 1A). Maintenant, dans eLife, Jin-Qiu Zhou et ses collègues de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université de ShanghaiTech – dont Zhi–Jing Wu en tant que premier auteur – rapportent les résultats d’expériences qui aident à améliorer notre compréhension du complexe CST (Wu et al., 2020).
La Cdc13 et la télomérase sont essentielles au maintien des chromosomes linéaires.
( A) Les cellules de levure avec plusieurs chromosomes linéaires ont besoin de la protéine de capsulage Cdc13 pour protéger leurs télomères et empêcher la fusion des chromosomes. Sans cette protéine, ces cellules ne peuvent pas survivre. (B) Les cellules qui ont un seul chromosome linéaire peuvent survivre sans Cdc13 en fusionnant les extrémités de leur chromosome ensemble pour former un anneau circulaire. (C) En l’absence de l’enzyme télomérase, les cellules à chromosomes linéaires multiples sont capables de survivre en utilisant des voies de recombinaison de l’ADN qui peuvent amplifier la séquence des télomères ou les segments d’ADN situés entre la séquence de la chromatine et celle des télomères. (D) Les cellules avec un seul chromosome linéaire survivent à la perte de télomérase en fusionnant pour former un chromosome circulaire par recombinaison homologue, similaire à ce qui se passe dans les cellules dépourvues de la protéine Cdc13.
Crédit image: Constance Nugent et Katsunori Sugimoto.
Tout d’abord, Wu et coll. a étudié comment la suppression du complexe CST affectait la viabilité d’une souche de levure en herbe dans laquelle tous ses 16 chromosomes étaient fusionnés pour former un seul chromosome circulaire (Shao et al., 2019). Ils ont constaté que l’élimination du CST n’empêchait pas les cellules de proliférer ou d’entraîner davantage de morts cellulaires, même lorsque le chromosome circulaire contenait les séquences de télomères répétitives. Il apparaît donc que le rôle principal du complexe CST est de maintenir des chromosomes linéaires et d’empêcher la fusion des chromosomes avec d’autres chromosomes, et qu’il n’est pas essentiel pour la réplication des séquences de télomères internes.
En plus de former un anneau circulaire, les 16 chromosomes de la levure en herbe peuvent également être fusionnés pour former un seul chromosome linéaire (Shao et al., 2018). Wu et coll. on a constaté que l’élimination du complexe CST réduisait considérablement la viabilité de ces cellules, mais que certaines de ces cellules étaient capables de survivre en fusionnant les extrémités de leur chromosome linéaire pour former un anneau circulaire (Figure 1B). La suppression individuelle des gènes codant pour les différentes protéines du complexe CST a révélé que les cellules dépourvues de Cdc13 présentaient un taux de fusion plus élevé que les cellules dépourvues des gènes de Stn1 et Ten1. Cela suggère que Cdc13 joue un rôle dominant dans l’inhibition de la fusion des chromosomes, et que Stn1 et Ten1 contribuent à la protection des télomères indépendamment de Cdc13. Cependant, les détails de ce mécanisme restent encore flous et nécessitent une enquête plus approfondie.
Dans les cellules sauvages qui contiennent plusieurs chromosomes, il est rare de trouver des chromosomes fusionnés ou circulaires, même lorsque l’activité de la télomérase a été compromise: en effet, les cellules peuvent étendre et maintenir les télomères en utilisant un mécanisme appelé recombinaison dirigée par homologie qui répare les ruptures double brin de l’ADN (Figure 1C). Cependant, Wu et coll. a constaté que la réduction du nombre de chromosomes a conduit à plus de fusions détectées dans les cellules dépourvues de l’enzyme télomérase. Cela suggère que la réduction du nombre de chromosomes augmente la probabilité que les cellules puissent produire des chromosomes circularisés et survivre à la perte de télomérase.
On pensait que la fusion des deux extrémités du chromosome linéaire singulier reposerait sur une voie de réparation de l’ADN appelée voie de jonction d’extrémité non homologue (NHEJ) (Haber, 2016). Cependant, Wu et coll. a démontré qu’en l’absence de télomérase, la fusion des chromosomes dépendait de Rad52, qui joue un rôle essentiel dans la recombinaison homologue des cassures d’ADN chez la levure en herbe (Figure 1D). Il est possible que les cellules utilisées dans cette étude s’appuient sur la voie Rad52 pour la circularisation des chromosomes, car le chromosome unique a une séquence de télomères inversée près d’une extrémité du chromosome. Si une telle séquence était supprimée, les cellules pourraient subir une fusion de bout en bout par la voie NHEJ qui est plus fréquente chez les cellules humaines (Palm et de Lange, 2008). Des expériences supplémentaires ont montré que cette découverte n’était pas due à une perte d’activité du NHEJ et que cette voie est capable de fusionner des plasmides linéarisés dans des cellules de levure en herbe.
Les travaux de Wu et al. fournit de nouvelles informations sur la façon dont les chromosomes fusionnent et comment les télomères sont maintenus indépendamment de l’enzyme télomérase. De plus, les résultats de cette étude pourraient aller au-delà de la levure et améliorer notre compréhension de divers syndromes médicaux humains causés par la fusion des extrémités des chromosomes pour former des formes annulaires (Pristyazhnyuk et Menzorov, 2018).