Rôle de la lysine méthyltransférase PR-Set7/SET8 et de ses substrats non-histone dans la régulation de l'expression des gènes – LysMeth
Comment une enzyme clé de l'ADN protège notre génome
Au cœur de la cellule : comment PR-Set7 protège l’information génétique
vers de nouvelles connaissances de l'organisation du génome des cellules humaines
Dans chaque cellule de notre corps, l’ADN est soigneusement organisé afin de permettre le bon fonctionnement des gènes, la division cellulaire et la réparation des dommages qui peuvent survenir au cours de la vie. Ces processus essentiels sont contrôlés par des enzymes qui modifient les protéines associées à l’ADN et régulent ainsi l’activité des gènes. PR-Set7 (aussi appelée SET8) est l’une de ces enzymes clés. Elle joue un rôle fondamental dans la prolifération des cellules et dans la protection du génome, c’est-à-dire l’ensemble de notre information génétique. Cette enzyme est souvent produite en excès dans les cancers, où elle est associée à une évolution défavorable de la maladie. Jusqu’à présent, PR-Set7 était surtout connue pour modifier une protéine appelée histone H4, une modification importante pour la réplication de l’ADN et certains mécanismes de réparation. Nos travaux montrent que PR-Set7 a en réalité des fonctions beaucoup plus larges. Nous avons mis en évidence que cette enzyme interagit avec de nombreux partenaires protéiques autres que les histones, dont plusieurs sont directement impliqués dans la stabilité du génome et dans les mécanismes de réponse aux dommages de l’ADN. Ces interactions placent PR-Set7 au cœur d’un réseau de régulation essentiel au bon fonctionnement des cellules. En particulier, PR-Set7 agit en coopération avec un complexe de remodelage de la chromatine appelé ISWI/NURF pour contrôler l’expression de gènes importants du cycle cellulaire. De façon remarquable, ces interactions permettent une régulation fine et réciproque de l’activité des protéines impliquées, contribuant à l’équilibre normal de la cellule. Ces mécanismes sont potentiellement conservés chez l’être humain et pourraient jouer un rôle majeur dans certains cancers, comme le myélome multiple. Ce projet visait à comprendre comment PR-Set7 et ses partenaires régulent l’expression des gènes, maintiennent l’intégrité de l’ADN et influencent la survie et la prolifération des cellules. En améliorant notre compréhension de ces mécanismes fondamentaux, ces travaux contribuent à mieux comprendre le développement des cancers et à identifier de nouvelles pistes pour des approches thérapeutiques innovantes.
Au cours de ce projet, nous avons développé et évalué un large éventail de méthodes expérimentales pour identifier les protéines ciblées ou associées à l’enzyme PR-Set7. Une part importante du travail a porté sur des approches de protéomique, visant à détecter à grande échelle les protéines modifiées par méthylation dans les cellules. Nous avons notamment testé différentes stratégies d’enrichissement de protéines méthylées à l’aide d’anticorps spécifiques, en optimisant de nombreux paramètres expérimentaux. Bien que ces méthodes se soient révélées techniquement exigeantes et parfois peu reproductibles, elles ont permis d’identifier plusieurs e protéines candidates, fournissant une première liste de substrats associées à PR-Set7 dans des cellules humaines.
En parallèle, nous avons mis en œuvre des approches quantitatives avancées, combinant marquage isotopique et analyses par spectrométrie de masse, afin de comparer des cellules exprimant ou non PR-Set7. Ces analyses ont permis d’identifier des différences d’abondance de protéines et de certaines modifications chimiques, suggérant l’existence de cibles potentielles de cette enzyme. Nous avons également développé des méthodes de purification de complexes protéiques afin d’identifier directement les partenaires de PR-Set7. Si certaines approches classiques ont donné des résultats limités, des stratégies plus récentes, fondées sur le marquage de proximité, ont permis d’identifier de nouveaux partenaires et substrats potentiels de PR-Set7, ouvrant la voie à leur caractérisation future.
L’ensemble de ces développements méthodologiques constitue un apport majeur du projet. Ils fournissent aujourd’hui des outils et des données de référence essentiels pour explorer les fonctions de PR-Set7 et, plus largement, pour étudier comment des enzymes régulent la stabilité du génome et l’expression des gènes dans les cellules normales et cancéreuses.
Au cours de ce projet, nous avons identifié de nouveaux partenaires et substrats non histones de PR-Set7, en plus de la protéine p53, qui jouent un rôle clé dans la stabilité du génome. Nous avons également cartographié les sites de fixation de PR-Set7 le long du génome, ce qui a montré que l’enzyme n’agit pas directement sur les gènes codants au niveau des promoteurs, mais pourrait exercer une fonction sur certains gènes non codants, élargissant ainsi notre compréhension de ses cibles génétiques.
Nos travaux ont révélé un rôle inattendu et spécifique de PR-Set7 dans la répression des mécanismes de recombinaison homologue, notamment en modulant l’activité des complexes BRCA1. Cette fonction dépend de la monométhylation de l’histone H4K20 et n’implique pas les autres enzymes capables de modifier ce même site, ce qui contraste avec les données précédemment publiées et suggère un mécanisme spécifique à PR-Set7.
Pour parvenir à ces résultats, nous avons développé de nouvelles approches expérimentales. En particulier, nous avons utilisé la technologie TurboID, qui permet de marquer et d’identifier les partenaires des enzymes d’une manière très sensible, même lorsque les interactions avec leurs substrats sont transitoires et difficiles à détecter. Nous avons également conçu des mutants de PR-Set7 bloquant ces interactions pour faciliter la capture des substrats. Ces stratégies innovantes nous ont permis de découvrir de nouveaux partenaires et substrats, de mieux caractériser leur rôle dans la protection du génome et de poser les bases d’analyses similaires pour d’autres enzymes de méthylation.
Dans l’ensemble, ce projet a à la fois élargi notre connaissance du rôle de PR-Set7 dans la stabilité du génome et les voies de réparation de l’ADN, et permis de développer des outils méthodologiques puissants pour étudier les enzymes de modification de la chromatine dans des conditions biologiques complexes.
La découverte de nouveaux substrats et partenaires de PR-Set7 ouvre de nouvelles voies pour comprendre le rôle de cette enzyme, qui joue des fonctions essentielles dans le cycle cellulaire. Ces résultats permettent désormais d’étudier plus largement l’impact de PR-Set7 sur la stabilité du génome, au-delà de sa capacité bien connue à méthyler l’histone H4K20.
Nos travaux ont également mis en lumière des fonctions inattendues de PR-Set7, notamment dans la régulation des ARN non codants, dans les processus mitotiques via son interaction avec des facteurs spécifiques de cette phase du cycle cellulaire, et potentiellement dans la régulation de la traduction des ARN, y compris des ARN ribosomiques.
Étant donné le rôle pro-tumoral de PR-Set7, ces découvertes ont des implications directes pour la recherche sur le cancer. Elles offrent la possibilité d’évaluer le potentiel de ciblage thérapeutique de PR-Set7 et de développer de nouvelles stratégies pour moduler son activité, que ce soit pour protéger la stabilité du génome dans les cellules normales ou pour limiter la prolifération des cellules tumorales. Ces perspectives ouvrent donc la voie à des applications à la fois fondamentales et cliniques, et à une compréhension plus fine des mécanismes régulant le cycle cellulaire et la survie des cellules.
La méthylation des histones par les lysine-méthyltransférases est connue pour réguler les fonctions de la chromatine. Cependant, ces enzymes ont également d'autres substrats protéiques, étendant ainsi leurs fonctions cellulaires au-delà de leur capacité à modifier les histones. Identifier ces substrats et démêler les fonctions associées est un important défi, qui doit permettre une meilleure compréhension de l'homéostasie cellulaire. C'est l'objectif de ce projet qui se concentrera sur l'enzyme PR-Set7 (appelée également SET8 ou SETD8) et ses substrats non-histones dans les mécanismes de régulation de l’expression des gènes. Responsable de la mono-méthylation de la lysine 20 de l'histone H4, PR-Set7 est une enzyme sur-exprimée dans le cancer et qui est essentielle à la prolifération cellulaire et au maintien de l'intégrité du génome. A l'heure actuelle, le rôle de PR-Set7 a été essentiellement décrit sous l’angle de la méthylation H4K20 et au rôle de cette marque épigénétique dans le contrôle de la réplication et certains mécanismes de réparation de l'ADN. Sur la base de nombreux résultats préliminaires, nous pensons que PR-Set7 joue aussi un rôle important dans la transcription des gènes via d’autres substrats que l’histone H4. En dehors du suppresseur de tumeur p53, l’identité de ces substrats et les conséquences de leur méthylation restent à être découvertes. Nos résultats préliminaires laissent à penser qu’un de ses substrats pourraient être un composant du complexe de remodelage de la chromatine ISWI/NURF, dont la coopération avec PR-Set7 au niveau des promoteurs est nécessaire à la régulation des gènes du cycle cellulaire chez la Drosophile. D’un autre côté, ISWI apparaît comme également un régulateur de l’activité de PR-Set7 en inhibant sa capacité à induire la méthylation de l’histone H4. Enfin, Nos données préliminaires suggèrent aussi que le rôle transcriptionnel de PR-Set7 et son interaction avec ISWI sont conservés chez l’homme et pourraient jouer un rôle important dans certains cancers, comme le myélome multiple, où la sur-expression de PR-Set7 est un facteur de mauvais pronostique .
A partir de ces résultats et en utilisant à la fois le modèle Drosophile et des lignées cellulaires humaines caractéristiques du myélome multiple, notre proposition a trois objectifs principaux : (i) Caractériser le rôle transcriptionnel de PR-Set7 et son lien avec les fonctions de remodelage de la chromatine de ISWI/NURF ; (ii) étudier comment les fonctions de PR-Set7 au niveau des gènes contribuent à la prolifération et à la survie des cellules normales et cancéreuses et (iii) identifier et caractériser les substrats non-histones par lesquels cette méthyltransférase impacte sur le destin cellulaire. Les impacts et bénéfices de ce projet sont multiples. Tout d’abord, PR-Set7 et ISWI sont deux enzymes essentielles de la chromatine, associées à des pathologies humaines (notamment le cancer) et dont les fonctions dans la régulation des gènes restent encore très mal comprises. Ce projet mettra également en évidence un nouveau rôle régulateur de ISWI sur l’activité de PR-Set7, qui à son tour, en méthylant ce complexe, pourrait constituer un nouveau mécanisme de régulation de la chromatine. Une telle interférence entre les activités de PR-set7 et d'ISWI constitue clairement un concept émergent et passionnant à explorer concernant les rôles concertés de ces familles d'enzymes sur l'organisation de la chromatine et la transcription. Un autre impact de notre projet est le développement d'approches protéomiques novatrices pour l‘identification et la caractérisation du méthylome de PR-Set7 et applicables par la suite à d’autres méthyltransférases. Enfin, l’étude des fonctions transcriptionnelles de PR-Set7 et de ses substrats non-histones, dont p53, sera également d'une grande importance pour la santé humaine, étant donné le rôle prépondérant de cette enzyme dans les pathologies cancéreuses.
Coordination du projet
Eric Julien (Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
IRCM Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier
BGE BIOLOGIE A GRANDE ECHELLE
IAB Institut pour l'Avancée des Biosciences
Biomedical Center (BMC) / Chromatin Remodeling laboratory
Aide de l'ANR 469 551 euros
Début et durée du projet scientifique :
décembre 2020
- 48 Mois
