Une nouvelle recherche donne un aperçu de la façon dont une enzyme qui aide à réguler le vieillissement et d’autres processus métaboliques accède à notre matériel génétique pour moduler l’expression des gènes dans la cellule. Une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State a produit des images d’une enzyme sirtuine liée à un nucléosome – un complexe serré d’ADN et de protéines appelées histones – montrant comment l’enzyme navigue dans le complexe nucléosome pour accéder à la fois à l’ADN et aux protéines histones et clarifier son fonctionnement. chez les humains et les autres animaux.
Un article décrivant les résultats paraît le 14 avril dans la revue Avancées scientifiques.
Les sirtuines sont un type d’enzyme présent dans des organismes allant des bactéries aux humains qui jouent un rôle important dans le vieillissement, la détection des dommages à l’ADN et la suppression des tumeurs dans divers cancers. En raison de ces rôles variés, les sociétés pharmaceutiques explorent leur potentiel pour des applications biomédicales. De nombreux efforts se sont concentrés sur la capacité de certaines sirtuines à diminuer l’expression des gènes en supprimant un indicateur chimique des protéines histones.
« Dans nos cellules, l’ADN n’est pas nu comme nous le voyons dans les manuels scolaires ; il est enroulé autour de protéines appelées histones dans un grand complexe appelé le nucléosome », a déclaré Song Tan, professeur Verne M. Willaman de biologie moléculaire à Penn State et auteur. du papier. « Cet emballage peut également contribuer à des signaux pour activer ou désactiver les gènes : l’ajout d’un indicateur chimique » acétyle « au matériau d’emballage de l’histone active un gène, tandis que la suppression de l’indicateur acétyle désactive le gène. Les sirtuines peuvent réduire l’activité des gènes en supprimant le drapeau acétyle des histones emballées dans des nucléosomes. Comprendre comment les sirtuines interagissent avec le nucléosome pour supprimer ce drapeau pourrait éclairer les futurs efforts de découverte de médicaments.
Des études antérieures se sont concentrées sur la façon dont les sirtuines interagissent avec de courts segments d’histones isolés, en partie parce que ces peptides de « queue » d’histone sont beaucoup plus faciles à travailler en laboratoire. Selon Tan, le nucléosome est cent fois plus gros que les peptides histones typiques utilisés dans ces études et est par conséquent beaucoup plus compliqué à travailler.
« Nous avons visualisé une enzyme sirtuine appelée SIRT6 sur son substrat physiologiquement pertinent – le nucléosome entier », a déclaré Jean-Paul Armache, professeur adjoint de biochimie et de biologie moléculaire à Penn State et auteur de l’article. « Et nous avons découvert que SIRT6 interagit avec plusieurs parties du nucléosome, pas seulement avec l’histone où le drapeau acétyle doit être modifié. »
À l’aide d’un puissant type d’imagerie appelé cryo-microscopie électronique avec des instruments du Penn State Cryo-Electron Microscopy Facility, du National Cancer Institute et du Pacific Northwest Cryo-EM Center, les chercheurs ont identifié comment SIRT6 se positionne sur le nucléosome afin d’éliminer un groupe acétyle de la position K9 sur l’histone appelée H3. Le suivi d’expériences biochimiques – en collaboration avec le laboratoire de Craig Peterson à l’Université du Massachusetts Chan Medical School – a permis de confirmer leurs résultats.
Les chercheurs ont découvert que SIRT6 se lie au nucléosome en utilisant un type de connexion appelé « ancre arginine ». Ce type de liaison, décrit par le laboratoire de Tan en 2014, est utilisé par une variété de protéines qui ciblent une zone particulièrement acide à la surface du nucléosome. Dans ce cas, une caractéristique structurelle de SIRT6 appelée une boucle étendue se niche dans un divot dans le patch acide, un peu comme un tuyau assis dans un fossé.
« L’ancre d’arginine est un paradigme commun pour le nombre de protéines de chromatine qui interagissent avec le nucléosome », a déclaré Tan. « Lorsque nous avons muté l’ancre arginine SIRT6, l’activité à la position K9 a été gravement affectée, soutenant un rôle critique pour l’ancre arginine de SIRT6. Étonnamment, cette mutation a également eu un impact sur l’activité enzymatique de SIRT6 à une position différente, K56, située beaucoup plus loin. »
Au lieu que SIRT6 se lie au nucléosome de deux manières différentes pour accéder aux deux positions d’histone différentes, il est possible que SIRT6 se lie pour accéder à K9 d’une manière qui pourrait également fournir un accès à K56.
« SIRT6 se lie à un nucléosome partiellement non enveloppé, avec de l’ADN déplacé de l’extrémité du nucléosome », a déclaré Armache. « Cela expose la position K56, et il est possible que SIRT6 puisse essentiellement se pencher pour atteindre cette position. Nous aimerions valider cette hypothèse à l’avenir. Nous espérons également explorer comment SIRT6 fonctionne aux côtés d’autres enzymes et mieux comprendre son rôle dans la réponse aux dommages à l’ADN. »
Plus d’information:
Un Seng Chio et al, structure Cryo-EM du complexe humain Sirtuin 6-nucléosome, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adf7586