L'épissage des ARN messager pré-matures : le spliceosome
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1. Introduction

2. Structures des complexes ribonucléoprotéiques snRNP

3. Composition des complexes ribonucléoprotéiques snRNP et auxilliaires (non snRNP)

4. Mécanismes au sein du spliceosome

a. Etapes de l'épissage et formation des complexes successifs

b. Définition de l'exon

 

c. Réactions de transestérification

5. Un mécanisme évolutif commun au spliceosome et aux introns du groupe II (ribozyme) ?

6. Le spliceosome U12-dépendant

7. Les protéines SR ("Serine-arginine-Rich splicing factors")

8. La protéine Prp8

9. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Introduction

Chez les Eucaryotes, les génes sont transcrits sous forme d'ARN messagers pré-matures (synonymes : transcrits primaires ou pré-ARNm) qui contiennent :

  • des introns : séquences du pré-ARNm qui ne codent pas la séquence de la protéine ou de l'ARN. Les introns ont des tailles extrêmement variables : de plusieurs centaines de nucléotides à plusieurs centaines de milliers de nucléotides.
  • des exons qui correspondent à tout ou partie de la séquence codant la protéine. La taille moyenne des exons chez l'homme est < 147 nucléotides et une grande majorité a une taille < 300 nucléotides.

Les introns sont non retenus : ils sont clivés selon un mécanisme appelé épissage qui peut être constitutif (le même intron est systématiquement clivé) ou alternatif.

Remarque : Les introns du groupe II sont des introns auto-catalytiques ou ribozymes.

Les exons sont assemblés selon différentes combinaisons forment la séquence finale qui code la protéine ou l'ARN.

Richard Roberts et Phillip Sharp ont obtenu le Prix Nobel en 1993 pour la découverte de la structure des gènes [introns - exons] et le principe de l'épissage.

Figure ci-contre : 5 types d'épissage alternatif

  • 1 : site d'épissage alternatif 5'
  • 2 : site d'épissage alternatif 3'
  • 3 : rétention d'intron
  • 4 : exclusion mutuelle d'introns
  • 5 : exclusion / inclusion d'exon

Ne sont pas représentés les épissages :

  • exclusion mutuelle de régions 5'UTR
  • exclusion mutuelle de régions 3'UTR
  • "tandem UTRs"

(UTR : "UnTranlated Regions")

ARN RNA epissage alternatif pre-mRNA spliceosome splicing intron exon

Les introns sont présents dans le génome de tous les Eucaryotes séquencés à ce jour .

De multiples introns interrompent les séquences codantes de la très grande majorité des gènes des animaux et des plantes.

En revanche, la densité des introns chez les fungi et les Eucaryotes unicellulaires est hautement variable : beaucoup n'en contiennent que quelques exemplaires dans l'ensemble de leur génome.

Chez les Eucaryotes, le phénomène d'épissage (clivage - coupure : "splicing") des introns est effectué par un supra-complexe ribonucléoprotéique appelé le spliceosome : multi-complexes d'ARN et de protéines de plusieurs millions de Da.

Cette maturation des ARNm (qui inclue également l'addition de la coiffe en 5', la poly-adénylation en 3' et l'édition) au sein des spliceosomes transforme les pré-ARNm en ARNm matures fonctionnels.

Les ARNm matures sont ensuite transportés du noyau vers le cytoplasme via les pores nucléaires pour y être traduits.

Schéma ci-contre : Ensemble des mécanismes de l'épissage d'un pré-ARNm ("Pre-mRNA").

Source figure : Qiagen

ARN RNA epissage alternatif alternative spliceosome splicing post transcriptional messenger snRNP pre-mRNA U2 U6 U12

Il existe 2 types de spliceosomes chez la plupart des Eucaryotes :

  • le spliceosome U2-dépendant qui catalyse l'épissage des introns de la classe U2 (99% des introns épissés chez l'homme)
  • le spliceosome U12-dépendant (moins abondant - présent que chez quelques Eucaryotes ) qui catalyse l'épissage des introns rares de la classe U12 (1% des introns épissés chez l'homme)

Le décryptage complet et précis des mécanismes de l'épissage et de leur régulation est d'une importance capitale pour des approches thérapeutiques. En effet, un grand nombre de pathologies et de maladies génétiques chez l'homme sont liées à des phénomènes d'épissage aberrants des pré-ARNm.

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2. Structures des complexes ribonucléoprotéiques snRNP

Beaucoup de protéines du spliceosome ont été cristallisées.

On dipsose donc d'un ensemble quasi-complet d'informations pour le décryptage à l'échelle moléculaire des mécansimes structuraux, d'association et de catalyse du spliceosome et de l'épissage des introns.

L'épissage par le spliceosome est une suite d'associations [ARN-ARN], [protéines-protéines] et [ARN-protéines] extrêmement dynamiques.

Plusieurs méga-complexes ribonucléoprotéiques se forment et se dissocient au cours du temps.

Ce sont les complexes :

  • E
  • A
  • B
  • Bact (forme catalytiquement active de B)
  • C
  • P

Source : KEGG

ARN RNA complexe snRNP splicing spliceosome cryomicroscopie electronique cryoEM snRNP pre-mRNA U2 U6 U12 prp8 exon

En ce qui concerne les complexes assemblés, ils sont si gros que seule la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) est apte, actuellement, à en déterminer la structure (figure ci-dessous).

De gauche à droite :

  • U1 snRNP
  • SF3b
  • U11/U12 di-snRNP
  • U5 snRNP
  • U4/U6.U5 tri-snRNP
  • spliceosome BDU1
  • spliceosome natif
  • complexe C

ARN RNA complexe snRNP splicing spliceosome cryomicroscopie electronique cryoEM snRNP pre-mRNA U2 U6 U12 prp8 exon

Source : Lührmann & Stark (2009)


Résumé des structures déterminées par diverses techniques
Complexe Méthode résolution Année Référence
snRNP U1 Cryo-EM 10 Å 2001

Stark et al. (2001) "Arrangement of RNA and proteins in the spliceosomal U1 small nuclear ribonucleoprotein particle" Nature 409, 539 - 542

"Splicing factor 3b" (SF3b) - groupe de 7 protéines de U2 snRNP Cryo-EM 10 Å 2003 Golas et al. (2003) "Molecular architecture of the multiprotein splicing factor SF3b" Science 300, 980 - 984
complexe BΔU1 Cryo-EM 40 Å 2004

Boehringer et al. (2004) "Three-dimensional structure of a pre-catalytic human spliceosomal complex B" Nat. Struct. Mol. Biol. 11, 463 - 468

di-snRNP U11/U12 Cryo-EM 12 Å 2005

Golas et al. (2005) "Major conformational change in the complex SF3b upon integration into the spliceosomal U11/U12 di-snRNP as revealed by electron cryomicroscopy" Mol. Cell 17, 869 - 883

snRNP U5 Cryo-EM 26 - 32 Å 2006 Sander, et al. (2006) "Organization of core spliceosomal components U5 snRNA loop I and U4/U6 Di-snRNP within U4/U6.U5 Tri-snRNP as revealed by electron cryomicroscopy" Mol. Cell 24, 267 - 278
di-snRNP U4/U6 40 Å
tri-snRNP U4/U6.U5 19 - 24 Å
complexe A Cryo-EM 40 - 50 Å 2007

Behzadnia et al. (2007) "Composition and three-dimensional EM structure of double affinity-purified, human prespliceosomal A complexes" EMBO J. 26, 1737 - 1748

complexe C Cryo-EM 29 Å 2007

Ohi et al. (2007) "Structural characterization of the fission yeast U5.U2/U6 spliceosome complex" Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 3195 - 3200

coeur catalytique de U1 snRNP Cristallographie 5,5 Å 2009 Pomeranz Krummel et al. (2009) "Crystal structure of human spliceosomal U1 snRNP at 5.5 A resolution" Nature 458, 475 - 480
snRNP U4 (anneau heptamèrique de protéines Sm + AUUUUUG) Cristallographie 3,6 Å 2011

Leung et al. (2011) "Structure of the spliceosomal U4 snRNP core domain and its implication for snRNP biogenesis" Nature 473, 536 - 539

spliceosome

ARN RNA spliceosome snRNP pre-mRNA U2 U6 U12 prp8 intron exon

Modélisation In silico ----- 2012

Frankenstein et al. (2012) "A Unique Spatial Arrangement of the snRNPs within the Native Spliceosome Emerges from In Silico Studies" Structure 20, 1097 - 1106

tri-snRNP U4/U6.U5 - Saccharomyces cerevisiae

ARN RNA spliceosome snRNP pre-mRNA U2 U6 U12 prp8 intron exon

Cryo-EM 5,9 Å 2015 Nguyen et al. (2015) "The architecture of the spliceosomal U4/U6.U5 tri-snRNP" Nature 523, 47 - 52
3,7 Å 2016 Nguyen et al. (2016) "Cryo-EM structure of the yeast U4/U6.U5 tri-snRNP at 3.7 Å resolution" Nature 298 - 302

complexe C* Homo sapiens : complexe C activé après action de l'ARN hélicase PRP16 et avant l'étape 2 catalyse

Cryo-EM 5.9 Å 2017

Bertram et al. (2017) "Cryo-EM structure of a human spliceosome activated for step 2 of splicing" Nature 542, 318 - 323

complexe C* Saccharomyces cerevisiae : complexe C activé après l'étape 2 catalyse

Cryo-EM 4.0 Å 2017

Yan et al. (2017) "Structure of a yeast step II catalytically activated spliceosome" Science 355, 149 - 155


Bien que beaucoup de protéines du spliceosome aient été cristallisées, près de la moitié des séquences des protéines constitutives du spliceosome de l'homme sont prédites intrinsèquement désordonnées ("intrinsically disordered" - voir Korneta & Bujnicki, 2012).

La distribution [ordre/désordre] au sein des protéines du spliceosome est irrégulière. En particulier, les protéines impliquées dans la reconnaissance des structures secondaires (reconnaissance de pré-ARNm, définition d'intron et définition d'exon, assemblage et dynamique du spliceosome - voir ci-dessous), sont plus désordonnées que les protéines impliquées dans l'assistance à la catalyse de l'épissage.

Les régions désordonnées conservées des protéines du spliceosome sont plus récentes du point de vue de l'évolution et moins étendues que les régions ordonnées, ce qui suggère que les régions désordonnées ont été ajoutées à un "coeur" ordonnée pré-existant.

Le protéome du spliceosome est prédit contenir un taux global de désordre plus élevé que celui des ribosomes (autres particules ribonucléoprotéiques massives), ce qui est cohérent avec les fonctions distinctes des protéines constitutives de ces 2 types de complexes.

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3. Composition des complexes ribonucléoprotéiques snRNP et auxilliaires (non snRNP)

Nomenclature :

  • snRNP ("small nuclear RiboNucleoProtein complex") : 5 complexes ribonucléoprotéiques nucléaires U1, U2, U4, U5 et U6
  • snRNA ("small nuclear RNA") : ARN spécifique de chaque snRNP

Le spliceosome est caractérisé par de grandes modifications de sa composition en protéines (échange très dynamique) et de son réseaux d'interactions entre les snRNP et le pré-ARNm.

Chaque snRNP est composé :

  • d'un snRNA qui lui est spécifique
  • de 7 protéines Sm (sauf U6 qui possèdent 7 protéines LSm)
  • de 7 à 21 autres protéines (selon le snRNP) aux fonctions diverses. Bon nombre de ces protéines participent à l'épissage via le spliceosome mais aussi à d'autres processus physiologiques dans la cellule.

La machinerie protéique des spliceosomes est donc colossale et dynamique (voir tableau ci-dessous) . Chez l'homme, on dénombre :

  • plus de 50 protéines associées aux différents snRNP
  • plus de 100 protéines non snRNP subdivisées en facteurs protéiques indépendants et en protéines de complexes auxiliaires du spliceosome :
    1. le complexe Prp19/CDC5L (NTC)
    2. le complexe d'assemblage d'exons ("Exon Junction Complex" - EJC)
    3. le complexe de la fixation de la coiffe ("Cap-Binding Complex" - CBP)
    4. le complexe de rétention et d'épissage ("REtention and Splicing complex" - RES)
    5. le complexe d'export ("TRanscription EXport complex" - TREX)

Les protéines des spliceosomes sont très phosphorylées et subissent d'autres types de modifications post-traductionnelles.

Les spliceosomes de la levure contiennent un nombre plus réduit de protéines (mais cependant tout à fait conséquent).

Figure ci-contre : Structure secondaire des snRNA des complexes snRNP du spliceosome majeur de l'homme.

ARN RNA snRNA spliceosome snRNP pre-mRNA U2 U6 U12 prp8 exon

Source : Will & Lührmann (2011)


Composition en protéines des complexes snRNP et auxilliaires du spliceosome majeur de l'homme

U1 (12 Svedberg) U2 (17 S) U4/U6 (13 S) U5 (20 S) Prp19 EJC/TREX Composants communs
  • U1 snRNA
  • Sm (7 protéines : B&B', D&, D2, D3, E, F et G)
  • 70K
  • A
  • C
  • U2 snRNA
  • Sm (7 protéines)
  • A'
  • B''
  • SF3a (3 protéines : 60, 66 et 120)
  • SF3b (8 protéines : 10, 14, 49, 130, 145, 155, "DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box polypeptide 42 (EC:3.6.4.13)" et "PHD finger protein 5A")
  • U4 snRNA
  • U6 snRNA
  • Lsm (7 protéines Lsm 2 à Lsm8)
  • Sm (7 protéines)
  • Prp3
  • Prp4
  • CypH
  • Prp31
  • Snu13
  • U5 snRNA
  • Sm (7 protéines)
  • Snu114
  • Brr2
  • Prp6
  • Prp8
  • Prp8BP
  • Prp28
  • DIb1
  • Prp19
  • CDC5
  • SPF27
  • PRL1
  • AD002
  • CTNNBL1
  • HSP73 (6 protéines "heat shock protein 70 KDa")
  • NPW38 (spécifique du complexe B)
  • NPW38BF (spécifique du complexe B)
  • ACINUS
  • eIFA3
  • Y14
  • magoh (2 protéines)
  • UAP56
  • THOC (4 protéines)
  • CPB80/20 (2 protéines : "nuclear cap binding protein" 20 KDa et 80 KDa)
  • hnRNPs (10 protéines : "heterogeneous nuclear ribonucleoprotein" A1, A1-like 2, A3, C1/C2, G, K, M et U - "poly(rC) binding protein 1" - "RNA binding motif protein, X-linked 1")
  • SR (12 protéines : "serine/arginine-rich splicing factor " 1 à 10- "transformer 2 alpha homolog" TRA2A & TRA2B)

U1 related proteins

  • FBP11 (2 protéines : "homolog A" et "homolog B")
  • S164
  • p68
  • CA150

U2 related proteins

  • U2AF (2 protéines : 35 KDa et 64 KDa)
  • PUF360
  • SPF30
  • SPF45
  • CHERP
  • SR140
  • Prp43

U4/U6.U5 tri-snRNP associated proteins

  • SnRNP27
  • Sad1
  • Snu66
  • Snu23
  • Prp38 (2 protéines : "pre-mRNA-splicing factor 38 A & B")

 

Prp19 related proteins

  • SKIP
  • Syf (3 protéines)
  • Isy1
  • PPIL1
  • CypE
  • CCDC12
  • RBM22
  • G10
  • AQR

Les protéines effectrices Prp2, Prp5, Prp16, Prp17, Prp18, Prp22, Prp43, Slu7 et UAP56 interviennent également au cours de l'épissage par le spliceosome.

Aller à KEGG : tous les spliceosomes (menu déroulant du haut) avec figures interactives qui renvoient vers toutes les informations concernant chaque RNA et protéines.

Détails pour U1 (les liens renvoient vers les informations de KEGG) :

  • Sm : 7 protéines "small nuclear ribonucleoprotein polypeptides"
  • 70K : "small nuclear ribonucleoprotein 70 kDa"
  • A : "U1 small nuclear ribonucleoprotein A"
  • C : "small nuclear ribonucleoprotein polypeptide C"
  • FBP11 : "PRP40 pre-mRNA processing factor 40"
  • S164 : "RNA binding motif protein 25"
  • p68 : "DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box helicase 5" (EC 3.6.4.13)
  • CA150 : "transcription elongation regulator 1"

Détails pour U2 (les liens renvoient vers les informations de KEGG ou Uniprot) :

  • A' : "small nuclear ribonucleoprotein polypeptide A'"
  • B'' : "small nuclear ribonucleoprotein polypeptide B"
  • SF3a3 et SF3b3 : "Splicing factor 3A subunit 3". Facteurs protéiques nécessaires à l'assemblage du complexe A formé par la fixation du snRNP U2 au BPS (voir ci-dessous) du pré-ARNm. Ces facteurs font aussi partie du spliceosome "mineur" U12-dépendant.
  • U2AF : "U2 small nuclear RNA auxiliary factor 2" - voir "définition d'exon" ci-dessous.
  • PUF360 : "poly-U binding splicing factor 60 KDa"
  • SPF30 : "survival motor neuron domain containing 1"
  • SPF45 : "RNA binding motif protein 17"
  • CHERP : "calcium homeostasis endoplasmic reticulum protein"
  • SR140 : "U2 snRNP-associated SURP domain containing"
  • Prp43 : "DEAH (Asp-Glu-Ala-His) box polypeptide 15 (EC:3.6.4.13)"

La spectromètrie de masse a permis d'étudier en détail :

  • la composition des différents snRNP
  • l'identité des dizaines de protéines effectrices qui participent au fonctionnement des spliceosomes
  • la dynamique d'association - dissociation des protéines qui constituent les différents snRNP actifs

La base de données "Spliceosome Database" :

  • recense les différentes protéines constitutives des snRNP
  • recense les protéines effectrices
  • permet d'effectuer des comparatifs de composition des complexes
  • et ce pour un grand nombre d'organsimes

Modifications post-traductionnelles

Au moins 4 protéines kinases phosphorylent un très grand nombre de protéines du spliceosome : SR protéine kinase 1, SR protéine kinase 2, Prp4 kinase et Clk/Sty kinase.

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4. Mécanismes au sein du spliceosome

La majorité des spliceosomes reconnaissent les introns qui commencent par 5'-GU et se terminent par AG-3'. Ils reconnaissent aussi plusieurs séquences consensus clé (éléments agissant en cis-).

Certains spliceosomes reconnaissent les introns qui commencent par 5'-AU et se terminent par AC-3'. Ils utilisent les snRNP U11, U12, U4atac-U6atac.

Figure ci-contre : Séquences consensus de pré-ARNm subissant un épissage.

  • BPS : "branch point sequence"
  • 5'SS : "5' splicing site"
  • 3'SS : "3' splicing site"
  • N : n'importe quel nucléotide
  • R : une purine
  • Y : une pyrimidine

ARN RNA spliceosome snRNP U2 U6 U12 prp8 exon epissage branch splicing site

a. Etapes de l'épissage et formation des complexes successifs

Seul un petit nombre de protéines effectrices qui interviennent dans le processus complet de l'épissage sont indiquées dans la figure ci-dessous.

  • huit ATPases/hélicases ARN-dépendantes de type DExD/H qui agissent à des étapes spécifiques du cycle de l'épissage. Elles catalysent des ré-arrangements ARN-ARN et le remodelage structural des snRNP. Ces enzymes incluent (chez l'homme) : UAP56 (Sub2 chez la levure), Prp5, Prp28 (U5-100K chez la levure), Brr2 (U5-200K chez la levure), Prp2, Prp16, Prp22, et Prp43.
  • une GTPase : Snu114

Remarque : Prp5, Prp16 et Prp22 ont également une fonction de correction ("proofreading").

Etape 1 : Le snRNP U1 reconnait le site 5'SS du pré-ARNm.

Les protéines SF1 et l'héterodimère U2AF ("U2 Auxilliary Factor") se fixent au BPS et à la séquence poly-pyrimidine, respectivement (non montré dans la figure ci-contre).

SF1/BBP interagit avec U2AF65 via son domaine RRM ("RNA Recognition Motif" - voir la "définition d'exon") et U2AF65 se fixe sur le dinucléotide AG du site 3'SS.

Ces interactions aboutissent à la formation du complexe E.

Etape 2 : Le snRNP U2 se fixe sur le BPS du pré-ARNm, formant ainsi le complexe A.

ARN RNA epissage alternatif alternative spliceosome splicing complexe snRNP U1 U2 U4 U5 U6 activated pre-mRNA intron exon lariat ribozyme intron group II

Etape 3 : Le snRNA U4 et le snRNA U6 établissent un grand nombre de liaisons.

  • le snRNA U4 est associé à la protéine Snu13 et à 4 autres protéines.
  • le snRNA U6 est associé à son extrémité 3' aux protéines Lsm2 à Lsm8. Ils contribuent à la formation du tri-snRNP U4/U6.U5.

Le complexe A s'associe au tri-snRNP préformé U4/U6.U5 pour aboutir au complexe pré-catalytique B : il contient l'ensemble complet [U1, U2, U4/U6 et U5 et les 5 snRNA].

La protéine Prp28 (ATPase/hélicase ARN-dépendante de type DExD/H) transfère le site 5′SS de l'extrémité 5′ du snRNA de U1 vers une séquence conservée ACAGAGA du snRNA de U6. Cet évènement initie l'activation pour la catalyse du complexe B.

Etape 4 : Le duplex U4/U6 est déroulé par Brr2.

Le complexe B est alors activé pour la catalyse par :

  • un ré-arrangement majeur de son réseau d'ARN qui inclue la dissociation des snRNA U1 et U4
  • l'intégration stabilisante du complexe Prp19/Cdc5 ("NineTeen Complex" - NTC chez la levure) - non montré dans la figure ci-dessus

Brr2 (EC 3.6.4.13) :

  • est une ATPase/hélicase ARN-dépendante de type DExD/H.
  • est une grosse protéine (2163 acides aminés - 246 KDa chez la levure). Elle possède des domaines Sec63.
  • participe aussi à l'établissement de liaisons entre le snRNA de U6 et le snRNA de U2 : il y a formation d'une boucle intramoléculaire ("intramolecular stem-loop" - ISL) catalytiquement importante.
  • est nécessaire au désassemblage du spliceosome.

Régulations croisées :

  • Les activités de Prp28 et de Brr2 doivent être particulièrement coordonnées et régulées afin d'éviter un clivage prématuré du pré-ARNm.
  • La protéine Prp8 semble réguler l'activité de Brr2 et de la GTPase Snu114 (qui régule elle-même l'activité de Brr2).

Ce remodelage aboutit au spliceosome activé : le complexe B*.

Etape 5 : Le complexe B* catalyse la 1ère réaction de trans-esterification.

Etape 6 : On aboutit au complexe C qui catalyse la 2ème réaction de trans-esterification.

Etape 7 : L'ARNm (exons associés) est relargué du complexe post-spliceosome sous forme d'une particule ribonucléoprotéique (protéines associées).

Etape 8 : L'intron destiné à la dégradation est relargué par dissociation de U2, U5 et U6.

Prp43 fonctionne pendant le désassemblage du spliceosome. Elle forme le complexe NTR avec les protéines Ntr1/Spp382 et Ntr2.

b. Définition d'exon

Quand un intron fait plus de 200 - 250 nucléotides (ce qui est le cas de nombreux introns chez les Eucaryotes supérieurs), les complexes d'épissage se forment d'abord autour d'un exon.

Le snRNP U1 se fixe au site 5'SS de l'exon situé en 5' (figure ci-dessous).

Cette fixation induit l'association des 2 sous-unités du facteur auxilliaire de U2 ("U2 Auxilliary Factor" - U2AF65 / 65 KDa et U2AF35 / 35 KDa) avec la séquence poly-pyrimidine ("polypyrimidine tract recognition") en amont du site 3'SS de ce même exon. La sous-unité U2AF35 établit des liaisons spécifiques avec le site 3'SS.

Figure ci-contre : Complexes d'épissage formés le long des introns lors des premières étapes de l'assemblage du spliceosome.

ARN RNA complexe epissage intron assemblage spliceosome splicing assembly U2 U6 U12

Le snRNP U2 est à son tour recruté et se fixe sur BPS en amont de cet exon.

Une protéine SR ("SR protein") contenant un domaine riche en dipeptide [Arg / Ser] (RS) et un motif de reconnaissance de l'ARN ("RNA Recognition Motif" - RRM) interagit avec des séquences d'activation de l'épissage ("Exonic Splicing Enhancer" - ESE) au sein de cet exon

Les protéines SR établissent un réseau d'interactions protéine - protéine autour de l'exon. Ces interactions stabilisent l'ensemble [complexes snRNP - exon].

c. Réaction de trans-esterification

Les introns sont clivés par 2 réactions successives de trans-esterification de type SN2.

1ere étape : le groupement 2'-hydroxyle de l'adénosine du BPS (A en vert figure ci-dessous) sert de nucléophile pour l'attaque du site 5'SS (site donneur). On obtient l'exon 5' libre et l'intron encore attaché à l'exon 3' (structure lariat).

2ème étape : le groupement 3'-hydoxyle (astérisque) de l'exon 5' libre sert de nucléophile pour l'attaque du site 3'SS (site accepteur).

L'ARNm mature est formé par ligation des 2 exons.

L'intron est relargué et destiné à la dégradation.

ARN RNA epissage alternatif alternative spliceosome splicing pre-mRNA transesterification lariat intron exon

Figure ci-contre : Formation du lariat ou structure en lasso.

ARN RNA epissage alternatif alternative spliceosome splicing pre-mRNA transesterification lariat intron exon

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5. Un mécanisme évolutif commun au spliceosome et aux introns du groupe II (ribozyme) ?

Le splicéosome possède des ions magnésium dans son site actif qui sont des cofacteurs catalytiques.

On cherche depuis longtemps à savoir si les ligands de ces ions métalliques sont fournis par les snRNA (ARN spécifique de chaque snRNP) ou par les protéines des complexes ribonucléoprotéiques snRNP, car la réponse à cette question a des incidences sur l'aspect évolutif du mécanisme d'épissage.

Figure ci-contre - partie a : les introns du groupe II sont des introns auto-catalytiques ou ribozymes.

  • élimination des introns (en rouge)
  • rattachement des régions des exons adjacents (en vert)

Les ARN des introns du groupe II contiennent une structure en épingle à cheveux appelée domaine V.

ARN RNA epissage alternatif intron group II ribozyme self splicing snRNA spliceosome exon lariat

Source : Strobel (2013)

Les réactions de transfert de phosphoryle lors de l'épissage (dont la première est indiquée par une flèche orange) sont catalysées par deux ions métalliques divalents (M1 et M2) qui établissent des liaisons de coordination (pointillés violets) avec :

  • des atomes d'oxygène de groupes phosphate de nucléotides (astérisques) de cette région
  • un atome d'oxygène non-pontant du site d'épissage
  • un groupement OH d'une adénosine (A) de l'intron

Figure ci-dessus - partie b : analogie avec le snRNA U6

Un travail récent (Fica et al., 2013) a montré que le snRNA de U6 (qui forme une structure en épingle à cheveux semblable à celle du domaine V) du spliceosome de la levure fournit un très grand nombre d'atomes d'oxygène de groupements phosphate spécifiques qui se lient aux deux ions métalliques catalytiques du site actif, de manière similaire à la coordination des ions métalliques des introns de groupe II.

Ces résultats :

  • sont en faveur de l'hypothèse générale que l'épissage des pré-ARNm est fondamentalement une réaction catalysée par les ARN.
  • indiquent aussi que les introns de groupe II et le spliceosome ont un mécanisme catalytique commun et probablement des origines communes en terme d'évolution.

Il y a plus de 100 protéines dans le splicéosome: quels rôles ont ces protéines si l'ARN est le catalyseur de l'épissage de l'ARN pré-messager ?

  • certaines protéines sont conservés tout au long du processus d'épissage, tandis que d'autres s'associent ou se dissocient à différentes étapes de ce processus.
  • il n'est pas exclu que certains des ligands métalliques catalytiques soient fournis par les groupes fonctionnels de protéines des snRNP.
  • il semble que le rôle principal des protéines des snRNP ne soit pas catalytique, mais qu'elles soient davantage impliquées dans la régulation du processus d'épissage, dans la spécificité de reconnaissance du site d'épissage et dans l'échafaudage de l'édifice macro-moléculaire gigantesque qu'est le spliceosome afin d'assurer la bonne conformation des snRNA.

Rôle du lariat dans l'épissage des introns de groupe II

Des élements de réponse aux questions qui précèdent sont apportés progressivement.

Par exemple, en 2014, Robart et al. (2014) ont obtenu la première structure (à une résolution 3.7 Å) d'un intron du groupe II sous sa forme lariat post-catalytique avec l'exon (produit) lié.

C'est la première structure d'une molécule d'ARN 2′-5′.

Figure ci-contre : structure de l'intron du groupe IIB P.li.LSUI2 de l'algue brune Pylaiella littoralis.

Il existe 3 classes structurales d'introns du groupe II (IIA, IIB et IIC). Les introns du groupe II possèdent la séquence consensus GUGYG (avec Y = U ou C).

Les interactions tertiaires sont indiquées par des lettres grecques et les domaines par des chiffres romains.

  • Le domaine V hautement conservé constitue le site actif de l'intron du groupe II. Il fixe des ions métalliques catalytiques contraignant.
  • Le domaine VI contient l'adénosine "bombée" utilisée comme nucléophile lors de la première étape de l'épissage.

Source : Robart et al. (2014)

ARN RNA epissage alternatif intron group II ribozyme self splicing snRNA spliceosome exon lariat

Les enzymes ARN ou ribozyme appelés introns de groupe II catalysent leur propre retrait de l'ARN et joignent les séquences exoniques flanquantes.

Lors de la première étape de l'épissage, le groupe hydroxyle d'une adénosine (A) du BPS de l'intron attaque la liaison phosphodiester du site 5'SS, ce qui forme :

  • un exon 5′ libre
  • une structure dans laquelle l'extrémité 5′ de l'intron est liée à l'adénosine qui attaque via une liaison phosphodiester 2′ - 5′ nouvellement formée.

Lors de la deuxième étape, le groupe hydroxyle 3′ de l'exon 5′ attaque la liaison phosphodiester sur le site 3'SS, ce qui forme :

  • le produit de ligation, au sein duquel les exons sont réunis
  • la forme lariat de l'intron

ARN RNA epissage alternatif intron group II ribozyme self splicing snRNA spliceosome exon lariat

Source : R. Batey (2014)

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6. Le spliceosome U12-dépendant

Quelques espèces de métazoaires et de plantes possède un second spliceosome dit "mineur" : le spliceosome U12-dépendant qui catalyse l'épissage des introns rares de type U12 ("U12-type introns").

Le spliceosome U12-dépendant est constitué de snRNP dont la composition est différente, mais dont le fonctionnement est semblable, au spliceosome "majeur" U2-dépendant.

Il contient les snRNP U11, U12 et U4atac/U6atac. Le snRNP U5 est commun aux 2 types de spliceosome. Voir quelques snRNA U11, U12, U4atac et U6atac.

Les introns de type U12 ont des séquences consensus différentes des introns de type U2 :

  • le site 5'SS (/RTATCCTTT) et le BPS (UCCUUAACU, où A est l'adénosine du point de branchement) sont plus conservés que leur équivalent dans les introns de type U2.
  • en revanche, le site 3'SS est plus variable.
  • de plus, les introns de type U12 ne possèdent pas la séquence poly-pyrimidine.

ARN RNA epissage alternatif alternative spliceosome splicing U11 U12 type intron exon

Source : Padgett (2012)

Au cours de la formation du spliceosome U12-dépendant, les snRNPs U11 et U12 forment un complexe di-snRNP U11/U12. Sept protéines (20K, 25K, 31K, 35K, 48K, 59K et 65K) s'associent à ce di-snRNP.

[U11/U12-65K], [U11/U12-59K] et [U11/U12-48K] sont nécessaires pour la sélection du site 5′SS et du BPS.

ARN RNA epissage alternatif alternative spliceosome splicing U11 U12 type intron exon

Source : Padgett (2012)

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7. Les protéines SR ("Serine-arginine-Rich splicing factors")

La détection / sélection des sites d'épissage est régulée par la fixation initiale de facteurs d'épissage riche en Ser/Arg ("Serine-arginine-Rich splicing factors" - protéines SR) au pré-ARNm.

Les protéines SR ont généralement une localisation nuclèaire. Cependant, certaines d'entre elles (exemples : ASF/SF2, 9 G8, and SRp20) sont aussi des transporteurs d'ARNm entre le noyau et le cytoplasme.

L'activité des protéines SR est finement régulée par phosphorylation / déphosphorylation.

Les protéines SR contiennent :

  • 1 ou 2 motifs de reconnaissance de l'ARN ("RNA recognition motif" - RRM) : ils fixent les protéines SR sur des éléments de régulation de l'épissage du pré-ARNm (éléments agissant en cis - activateurs ou suppresseurs)
  • une courte région centrale riche en glycine pour certaines protéines SR
  • un domaine C-terminal riche en dipeptide [Ser/Arg] (domaine RS) qui médie les interactions protéines-protéines au sein du spliceosome

ARN RNA epissage alternatif alternative proteine SR Serine-arginine-Rich splicing factor spliceosome exon intron

ARN RNA epissage alternatif alternative proteine SR Serine-arginine-Rich splicing factor spliceosome exon intron

Source : Barta et al. (2010)

Voir toutes les protéines SR ("splicing factor SR family" - Uniprot).

Les activateurs et suppresseurs de l'épissage ("exon-splicing enhancers / silencers") sont reconnus par des sous-ensembles spécifiques de protéines SR : SRp20, SRp30a (ASF/SF2) SRp30c, 9 G8, SRp40, SRp55, SRp70, SRp75, et SC35.

La teneur respective de différentes protéines SR et la présence d'activateurs / suppresseurs de l'épissage influencent l'assemblage ultérieur des protéines du spliceosome.

Visualisation du domaine RRM de SRSF2/SC35 de Homo sapiens obtenue par RMN

Le téléchargement de la structure peut durer plusieurs secondes.

Code PDB : 2LEB

  • Domaine RRM : acides aminés 1 à 101
  • ARN : 5'-R(*UP*CP*CP*AP*GP*U)-3'

Pour faire apparaître de multiples fonctions du menu Jmol :

  • clic sur "Jmol" (Mac)
  • clic droit sur "Jmol" (PC)

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8. La protéine Prp8 ("Pre-mRNA Processing factor 8")

La protéine Prp8 est la plus grosse protéine (274 KDa chez l'homme) du spliceosome (2335 et 2413 acides aminés chez l'homme et la levure, respectivement) et la plus conservée (62%d' identité entre l'homme et la levure).

Chez l'homme, Prp8 est un élément des 2 types de spliceosome (U2- et U12-dépendants) : elle fait partie du snRNP U5, du tri-snRNP U5.U4/U6 et du tri-snRNP U5.U4atac/U6atac et du complexe EJC ("mRNA splicing-dependent Exon Junction Complex").

Elle est considérée comme l'un des régulateurs clé du fonctionnement du spliceosome. En effet, elle régule l'activité de protéines clé de l'épissage (formation du complexe B activé) : notamment celle de l'hélicase Brr2 et de la GTPase Snu114 (qui régule elle-même l'activité de Brr2).

Elle interagit avec :

  • les snRNA de U5 et de U6
  • le dinucléotide conservé GU en 5′ des introns
  • le BPS
  • le site 3′SS

Elle possède :

  • une séquence signal de localisation nucléaire près de l'extrémité N-terminale
  • un motif central RRM dégénéré
  • un variant de domaine à activité RNase H
  • un variant de domaine MPN (synonymes : "PAD1-like domain", "JABP1 domain", "JAMM domain") près de l'extrémité C-terminale. On trouve ce type de domaine chez les enzymes de dés-ubiquitinylation, mais celui de Prp8 ne fixe pas d'ion métalique.
  • voir le détail et la structure de certains domaines de Prp8
  • PDB : 3E9L

ARN RNA epissage alternatif alternative spliceosome splicing prp8 exon intron

Source : Query & Konarska (2013)

La structure de Prp8 (résidus 885–2413) de la levure (complexée à Aar2 - facteur d'assemblage du snRNA U5) révèle des domaines étroitement associés qui ressemblent à la transcriptase inverse (bactérienne) d'introns du groupe II et à une endonucléase de restriction de type II (Galej et al., 2013).

La structure permet de mieux comprendre l'architecture du site actif du spliceosome et renforce l'hypothèse que l'épissage des ARN pré-messagers nucléaires et l'épissage des des introns de groupe II ont une origine évolutive commune.

 

9. Liens Internet et références bibliographiques

Qiagen : "RNAi pathway"

Animation très didactique du fonctionnement du spliceosome

"RNA Splicing"

Aller au site

Animation

Aller au site

KEGG : tous les spliceosomes (menu déroulant du haut) avec figures interactives qui renvoient vers toutes les informations concernant chaque RNA et protéines.

"Spliceosome Database : A source of information for the Spliceosome"

"U12DB : a database of orthologous U12-type spliceosomal introns"

"Rfam : The Rfam database is a collection of RNA families"

"SpliProt3D : an online database of structures of proteins of the human spliceosome"

KEGG

Spliceosome DB

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