Une découverte concernant Mrc1 (Mediator of Replication Checkpoint 1) – une protéine de levure de fission impliquée dans la réplication de l’ADN – a été publié dans CelluleLa découverte est le résultat d’une collaboration de recherche internationale, dirigée par les professeurs Geneviève Thon et Anja Groth de l’Université de Copenhague.
Le Dr Sebastian Charlton, co-auteur principal de l’étude, a étudié la protéine Mrc1 pendant de nombreuses années au laboratoire Thon du département de biologie. « Nous savions que cette protéine était importante pour maintenir l’état hétérochromatique dans les cellules. Nous avions une bonne idée de son fonctionnement, mais même si nous disposions de données expérimentales, nous n’avions pas les outils dans notre laboratoire pour le confirmer au niveau moléculaire », explique-t-il.
Pour tester leur hypothèse par la génomique avancée développée par le laboratoire Groth, le Dr Charlton s’est associé au Dr Valentin Flury, premier auteur commun du groupe Groth au Centre de recherche sur les protéines (CPR) de la Fondation Novo Nordisk.
« Mais notre collaboration ne s’est pas arrêtée là », explique-t-il. « Nous avons également travaillé avec des biologistes structuraux du CPR et avec des chercheurs du Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science et de l’Institut Hubrecht d’Utrecht. Cette collaboration fructueuse a non seulement confirmé notre hypothèse initiale, mais a également donné lieu à d’autres expériences qui ont révélé la surprenante dualité de la fonction de Mrc1. »
Le rôle de Mrc1 dans la réplication de l’ADN
Le complexe de protection de la fourche (FPC) est un groupe de protéines, dont Mrc1 (Claspin chez l’homme), qui jouent un rôle crucial dans la réplication de l’ADN. La nouvelle découverte révèle que le FPC recycle également les histones parentales, avec leurs marques épigénétiques spécifiques, sur les deux brins d’ADN nouvellement synthétisés. Ce processus est crucial pour le maintien de la mémoire épigénétique, car il permet aux cellules filles d’hériter du même paysage épigénétique que la cellule mère.
Les expériences du Dr Charlton et de Flury ont montré que, lors de la réplication de l’ADN, Mrc1 fonctionne comme un coordinateur central de l’hérédité des histones parentales en liant le tétramère formé à partir des histones H3 et H4.
Leurs recherches ont ensuite montré que les mutations dans le domaine connecteur clé de Mrc1 perturbent la distribution appropriée des histones parentales vers le brin retardé lors de la réplication de l’ADN. Cet effet est comparable aux perturbations causées par des mutations dans la région de liaison aux histones de Mcm2, une autre protéine déjà connue pour être impliquée dans le recyclage des histones lors de la réplication de l’ADN.
Les recherches ont inclus des prédictions structurelles par AlphaFold, validées par des analyses biochimiques et fonctionnelles, qui suggèrent que Mrc1 et Mcm2 lient de manière collaborative les tétramères H3-H4, le domaine connecteur Mrc1 jouant un rôle clé dans la liaison des histones à Mcm2. Ainsi, Mrc1 et Mcm2 forment un complexe co-chaperon, assurant la distribution des histones au brin retardé lors de la réplication de l’ADN.
Chez les mutants de Mrc1, les chercheurs ont découvert que le silençage génique médié par l’hétérochromatine H3K9me est compromis et, étonnamment, l’état actif désilencé était hérité de manière asymétrique, similaire aux histones parentales. Cette découverte souligne l’importance des histones dans le transport et la transmission de l’information épigénétique, qui maintient le silençage stable des gènes.
Recyclage efficace des deux brins filles
D’autres analyses expérimentales ont révélé qu’en fait Mrc1 jongle avec les histones de plusieurs façons : le domaine connecteur dirige les histones vers le brin retardé comme décrit ci-dessus, tandis qu’une autre région de liaison aux histones est nécessaire pour recycler les histones sur le brin principal.
« Le rôle de Mrc1 dans la transmission des histones parentales était jusqu’à présent inconnu. Nous avons maintenant démontré que Mrc1 est nécessaire au recyclage efficace des histones vers les deux brins filles », explique le Dr Charlton.
« Il semble que Mrc1 bascule les histones entre les brins d’ADN retardés et avancés, en partie par co-chaperonnage intra-réplisome avec Mcm2. Cela garantit que les deux cellules filles héritent des marques épigénétiques correctes, ce qui est essentiel pour préserver les modèles d’expression génétique pendant la division cellulaire. »
Implications pour la recherche future
Le maintien des paysages de chromatine à travers de nombreuses générations de cellules est essentiel au développement et au maintien des différents types de cellules dans les organismes multicellulaires. La perte d’identité cellulaire est une cause sous-jacente de nombreuses maladies telles que le cancer et du vieillissement, où les preuves suggèrent que le paysage de chromatine se détériore au fil du temps. Le Dr Flury explique que l’équipe de recherche a eu un « moment d’illumination » lorsqu’elle a muté les sites de liaison des histones dans l’homologue mammifère Claspin et observé un défaut dans la transmission des histones parentales comme avec les mutants Mrc1 dans les cellules de levure de fission.
« Je ne pense pas que nous puissions encore évaluer le plein potentiel de notre découverte, mais nous avons révélé un mécanisme très fondamental qui maintient l’identité cellulaire et qui, s’il peut être manipulé, pourrait avoir des implications importantes pour la recherche médicale future », conclut le Dr Flury.
Plus d’informations :
Sebastian Jespersen Charlton et al, Le complexe de protection de la fourche favorise le recyclage des histones parentales et la mémoire épigénétique, Cellule (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.07.017