Le contrôle du cycle cellulaire en cas de lésions de l`ADN : arrêt

Ch. Leroy, M.C. Marsolier-Kergoat
Le contrôle du cycle cellulaire en cas de lésions de l'ADN :
arrêt, recovery et adaptation.
Ch. Leroy,
M.C. Marsolier-Kergoat
Service de Biochimie et de Génétique Moléculaire
CEA/Sackay, Gif-sur-Yvette - France.
Résumé
L’apparition de lésions de l’ADN déclenche des mécanismes de surveillance, ou
"checkpoints" qui contrôlent l’intégrité du génome. Ces checkpoints induisent plusieurs réponses, transcriptionnelles et cellulaires, qui favorisent la réparation de l’ADN endommagé. En particulier, l’activation des checkpoints de l’ADN entraîne des blocages du cycle cellulaire à toutes
les phases, en fonction du stade auquel les lésions surviennent. Ces blocages sont généralement
temporaires et les cellules finissent par reprendre leur cycle de division, que leurs lésions aient été
réparées (il s’agit alors de "recovery", ou rétablissement) ou demeurent irréparables (il s’agit
dans ce cas d’adaptation). Les mécanismes génétiques contrôlant ces phénomènes sont très conservés chez les eucaryotes, et commencent à être bien appréhendés chez la levure Saccharomyces
cerevisiae, qui sert d’organisme modèle pour leur étude.
Lésion de l’ADN - Checkpoint - Cycle cellulaire - Saccharomyces cerevisiae
INTRODUCTION
ðLa prolifération des cellules eucaryotes doit être strictement contrôlée dans la mesure où une perte de
ce contrôle peut conduire à la mort
cellulaire ou à une multiplication
anarchique caractéristique de l’état
cancéreux. Cette régulation s’effectue
par intégration de signaux positifs et
négatifs. Parmi les systèmes de régulation négative, les checkpoints ou
mécanismes de surveillance du cycle cellulaire interviennent en subordonnant les transitions entre les phases du cycle à l’accomplissement
préalable d’événements cellulaires
prérequis. Ainsi, les checkpoints mi-
totiques bloquent la séparation des
chromatides soeurs, c.a.d. le passage
métaphase/anaphase, tant que le fuseau des microtubules n’est pas correctement organisé. Les checkpoints
de l’ADN constituent un autre mécanisme de surveillance, activé par des
blocages de la réplication ou par des
lésions de l’ADN. Cette activation
entraîne l’inhibition de la progression
Correspondance : Marie-Claude Marsolier-Kergoat - Service de Biochimie et de Génétique Moléculaire, CEA/Saclay 91191 Gif-sur-Yvette Cedex - France
Tel : 01.69.08.83.54 - Fax : 01.69.08.47.12 - E-mail : [email protected]
Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2002 - vol.26 - n°3
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Le contrôle du cycle cellulaire en cas de lésions de l'ADN : arrêt, recovery et adaptation
du cycle cellulaire à différentes phases ainsi que d’autres réponses
comme l’activation transcriptionnelle
d’un large régulon de gènes, appelé
le "DNA-damage regulon", qui inclut
des gènes impliqués dans les voies
majeures de réparation [1]. Chez
l’homme, les défauts des checkpoints
de l’ADN sont considérés comme
critiques pour l’apparition et l’évolution des tumeurs [2]. De fait, des mutations de plusieurs composants de
ces voies ont été associées à des syndromes prédisposant au cancer
(Ataxia Telangiectasia ou Li-Fraumeni
par exemple).
et initient un signal, des transducteurs
qui le transmettent et l’amplifient, et
des effecteurs qui agissent sur les
machineries cellulaires du cycle ou
de la transcription.
ðChez S. cerevisiae, l’activation des
checkpoints de l’ADN inhibe la transition G1/S [3], ralentit la progression
de la phase S [4] et retarde la ségrégation des chromosomes [5] lorsque
l’ADN est endommagé au cours des
phases G1, S ou G2, respectivement.
Les lésions de l’ADN sont rapidement
soumises à différentes modifications
enzymatiques, de sorte qu’il est difficile de savoir si les lésions primaires
constituent le signal perçu par les
checkpoints ou si ce signal n’est pas
constitué par les lésions modifiées
par les complexes de réparation,
voire par l’association des complexes
et des lésions. Quelle que soit la nature de ce signal, un modèle précis
émerge maintenant chez S. cerevisiae
dans le cas des cassures double-brin
(CDB) de l’ADN, qui constituent les
lésions les plus délétères. Selon ce
modèle, deux groupes de protéines
sont recrutés simultanément mais
indépendamment sur les CDB et en
Figure 1
constituent les senseurs (Figure
1, [6,
7]). Le premier groupe comprend
Mec1, qui est un transducteur essentiel des voies de checkpoint (voir cidessous), et Ddc2. Le deuxième
groupe comprend des protéines présentant des homologies avec des facteurs de réplication de l’ADN : Rad17,
Mec3 et Ddc1, dont la structure est
proche de celle de PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen), et Rad24,
homologue aux cinq sous-unités de
RFC (Replication Factor C). Les protéines Rad24, Rad17, Mec3, Ddc1,
Mec1 et Ddc2 ont été impliquées
dans la signalisation pendant les phases G1 et G2 de tous les autres types
de lésions de l’ADN, mais sans qu’ait
été établi un modèle moléculaire
aussi précis [8]. Enfin, durant la phase
S, les lésions de l’ADN sont détectées
par des mécanismes spécifiques impliquant directement la machinerie de
réplication, par exemple la sous-unité
d’ADN polymérase Pol2 ou la sousunité Rfc5 du Replication Factor C [9,
10].
Les senseurs
Les transducteurs
ðComme toute voie de transduction,
les checkpoints de l’ADN comportent
des senseurs qui détectent les lésions
ðQuatre protéines, Mec1, Rad9 et
deux CHeckpoint Kinases, Chk1 et
Chk2 (ou Rad53), jouent ensuite un
Les protéines des checkpoints de
l’ADN sont remarquablement conservées chez les eucaryotes, indiquant
que l’organisation de ces voies s’est
maintenue à travers l’évolution. La
conservation de ces systèmes légitime l’utilisation d’organismes modèles unicellulaires comme les levures
Saccharomyces cerevisiae et
Schizosaccharomyces pombe, qui
offrent des possibilités d’analyse uniques combinant des approches de
biologie moléculaire, de génétique, de
génomique et de biochimie. Dans
cette revue, nous nous concentrerons sur les checkpoints de l’ADN et
le contrôle du cycle cellulaire chez
la levure S. cerevisiae. La levure S.
pombe et les cellules de mammifères seront mentionnées en cas de différences importantes.
L’ACTIVATION DES CHECKPOINTS
DE L’ADN ET LES BLOCAGES DU
CYCLE CELLULAIRE
134
rôle essentiel dans la transduction du
signal, quels que soient les senseurs
initialement impliqués [11, 12]. Mec1
est une protéine kinase présentant des
homologies structurales avec des
phospho-inositide kinases (PIK) et est
l’homologue des protéines humaines
ATM et ATR (Ataxia Telangiectasia
Mutated/Related). Les cellules des
patients atteints d’ataxie telangiectasie
présentent des défauts de checkpoints et sont très sensibles aux radiations ionisantes. Les patients euxmême ont une forte propension à
développer de multiples cancers, ce
qui souligne les relations entre tumorigénèse et checkpoints de l’ADN.
Rad9 possède un domaine BRCT, le
domaine C-terminal de la protéine
Brca1, Breast Cancer Associated 1, et
serait l’homologue de ce suppresseur
de tumeurs. Chk1 et Rad53 (Chk2)
sont deux protéine kinases et des
mutations dans l’homologue humain
de Rad53, hChk2, ont été associées à
certaines formes du syndrome de LiFraumeni, qui prédispose au cancer.
Des données convergentes suggèrent
qu’après la fixation des protéines
Rad24/Rad17/Mec3/Ddc1 et Mec1/
Ddc2 sur les lésions, le complexe
Rad17/Mec3/Ddc1 recruterait les
substrats de Mec1, les protéines Rad9,
Rad53 et Chk1 [6]. Après leur activation par phosphorylation, Rad53 et
Chk1 phosphoryleraient à leur tour
leurs cibles et induiraient les réponses transcriptionnelles et cellulaires.
Les effecteurs du contrôle du cycle
cellulaire
L’inhibition de la tr
ansition G1/S
transition
Sidorova et Breeden ont montré
qu’après traitement par l’agent alkylant MMS (Methyl Methane Sulfonate)
en phase G1, Rad53 phosphoryle le
régulateur transcriptionnel Swi6, ce
qui inhibe l’expression des cyclines
Cln1 et Cln2, dont l’association avec
la cycline-dépendante kinase (CDK)
Cdc28 est indispensable au passage
en phase S [13].
Le ralentissement de la réplication
pendant la phase S
Lorsque des lésions de l’ADN sont
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détectées au cours de la phase S, Mec1
et Rad53 bloquent l’activation des
origines tardives de réplication [14,
15], probablement en inhibant la
phosphorylation de la sous-unité B
du complexe ADN polymérase α/
primase requis pour l’initiation de la
synthèse d’ADN. Cette phosphorylation, qui dépend normalement des
complexes formés par la CDK Cdc28
et les cyclines de type B (Cdc28/Clb)
est en effet réprimée lorsque les
checkpoints de l’ADN sont activés et
se trouve déréprimée en présence de
fortes concentrations de formes inactives de Rad53 qui inhibent également
les checkpoints [16].
Le b
locag
yc
le cellulair
blocag
locagee du ccyc
ycle
cellulairee en
phase G2/M
Le blocage en phase G2/M est le point
de contrôle le mieux caractérisé chez
S.cerevisiae. Rad53 est requis pour
maintenir une forte activité du complexe Cdc28/Clb, qui empêche à la
fois l’anaphase et la sortie de la mitose [17]. Par ailleurs, Cdc5, un membre de la famille des polo kinases, est
nécessaire pour le passage en anaphase et pour la sortie de mitose, et
est phosphorylé d’une façon dépendante de Rad53 en cas de lésions de
l’ADN. On peut donc supposer que
Rad53 inhiberait l’activité de Cdc5,
lui-même inhibiteur de l’activité
Cdc28/Clb, ce qui empêcherait à la
fois l’anaphase et la sortie de mitose.
La kinase Chk1 opèrerait dans une
voie parallèle en stabilisant par
phosphorylation la protéine Pds1, qui
doit être détruite par le protéasome
pour permettre l’anaphase [17].
Les mécanismes inhibant la sortie de
mitose chez les eucaryotes supérieurs diffèrent de ceux de S.
cerevisiae. Dans les cellules de mammifères, l’arrêt en G2 en cas de dommage de l’ADN est principalement
maintenu par une phosphorylation
de la CDK Cdc2. La déphosphorylation et l’inactivation de Cdc2 permettant la sortie de mitose sont catalysées par la phosphatase Cdc25. Lorsque les checkpoints sont activés, les
kinases Chk1 et Chk2 phosphorylent
Cdc25C sur le résidu Ser-216, ce qui
entraîne sa translocation dans le cy-
toplasme, sa séquestration par liaison
avec des protéines 14-3-3 et son inactivation [11].
Les mécanismes contrôlant les blocages du cycle cellulaire de S.
cerevisiae en cas de lésions de l’ADN
sont schématisés sur la figure 2
2.
L’INACTIVATION DES CHECKPOINTS
DE L’ADN : LE RETOUR DANS
LE CYCLE DE DIVISION PAR
"RECOVERY" OU PAR ADAPTATION
ðDe manière générale, les voies de
signalisation activées par un stimulus
doivent ultérieurement être inactivées pour permettre le retour de la
cellule à un état physiologique plus
normal. Cette inactivation prend deux
formes, soit le "recovery" (approximativement,‘rétablissement’), lorsque
le stimulus qui a déclenché l’activation de la voie disparaît, soit l’adaptation, lorsque les cellules qui sont continuellement exposées au même stimulus y deviennent progressivement
moins sensibles. Pour les checkpoints de l’ADN, le "recovery" se produit si les cellules sont capables de
réparer leurs lésions, l’adaptation, en
cas de lésions irréparables.
Peu de données sont disponibles en
ce qui concerne les mécanismes génétiques du "recover y" chez S.
cerevisiae après lésions de l’ADN. Par
contre, des données récentes suggèrent un rôle pour la CDK Cdc2 et la
protéine Crb2 de S. pombe (les homologues respectifs de Cdc28 et de
Rad9 de S. cerevisiae) dans ce processus. Les cellules mutantes crb2-T215A,
affectées au niveau d’un site de
phosphorylation de Crb2 par Cdc2,
s’arrêtent normalement en phase G2
après irradiation aux UV, mais sont
incapables de reprendre leur cycle de
division par la suite alors que leurs
capacités de réparation semblent intactes [18]. Il reste à déterminer si la
protéine Rad9 de S. cerevisiae ou ses
homologues humains pourraient être
impliqués dans les mêmes mécanismes.
Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2002 - vol.26 - n°3
L’adaptation a été étudiée chez S.
cerevisiae essentiellement après la
formation de coupures double-brin
de l’ADN (CDB). Ces CDB sont induites par l’expression d’endonucléases
et sont rendues irréparables. Une
seule CDB suffit à activer les checkpoints de l’ADN et à entraîner un arrêt prolongé en phase G2/M, auquel
les cellules finissent par échapper
(elles s’adaptent) malgré la présence
persistante du chromosome cassé
[19]. La formation d’une CDB non
réparée est suivie par la dégradation
5'-3' des extrémités de la coupure, ce
qui entraîne l’apparition d’ADN simple brin, et il semble que la capacité
des cellules à s’adapter dépende de
l’extension de cet ADN simple brin.
Ainsi, les cellules sont capables de
s’adapter en présence d’une seule
CDB, mais pas de deux CDB. De
même, la délétion de YKU70 entraîne
à la fois une accélération de la dégradation des extrémités du chromosome cassé et une incapacité des cellules à s’adapter. Inversement, les
délétions de MRE11 ou de RAD50, qui
réduisent la vitesse de formation
d’ADN simple brin, suppriment le
défaut d’adaptation des mutants
YKU70 et permettent l’adaptation
avec deux CDB [20]. Des données récentes suggèrent que le complexe
RPA (qui possède la propriété de se
lier à l’ADN simple brin) pourrait
évaluer l’extension de l’ADN simple
brin et moduler directement l’adaptation [20]. Outre les protéines YKU70,
Yku80, Mre11, Rad50 et Rfa1 qui sont
impliquées dans la maturation des
CDB et peuvent donc agir directement sur le signal perçu par les checkpoints, la polo kinase Cdc5 et la caséine kinase II influencent elles aussi
l’adaptation des cellules, sans que le
mécanisme sous-jacent soit clairement défini [21]. L’adaptation des levures à des lésions irréparables de
l’ADN se conçoit bien d’un point de
vue évolutif dans la mesure où il
s’agit d’organismes unicellulaires
pour lesquels il vaut mieux reprendre le cycle de division et peut-être
survivre que mourir sans rien tenter.
Pour des organismes multicel-lulaires
cependant, cette stratégie peut apparaître dangereuse puisque les cellules qui adaptent fixeront des mutations dans leur descendance. Le
135
Le contrôle du cycle cellulaire en cas de lésions de l'ADN : arrêt, recovery et adaptation
3’
3’
5’
5’
Mec3
Ddc2
Rad17
Rad24
Mec1
Ddc1
P
Ddc2
Mec1
Rad17
5’
Mec3
3’
5’
P
Ddc1
Rad53/
Chk2
Rad24
P
Ddc2
Chk1
Mec1
Rad17
5’
P
Chk1
Rad53/
Chk2
P
Rad9
Mec3
3’
5’
P
Ddc1
Rad9
P
Figure 1.
Modèle moléculaire de la détection des cassures double-brin de l’ADN et des premières étapes de la transduction du signal
(d’après [6]). Les groupes de protéines Mec1/Ddc2 et Rad17/Mec3/Ddc1 avec Rad24 sont recrutés sur les sites des lésions
simultanément mais indépendamment. Le complexe Rad17/Mec3/Ddc1 recruterait ensuite les substrats de Mec1 (Rad9,
Rad53/Chk2 et Chk1), qui les activ
er
ait en les phosphor
ylant. P indique la phosphor
ylation (toujour
activer
erait
phosphorylant.
phosphorylation
(toujourss dépendante de Mec1)
des protéines auquel il est superposé : Ddc1, Ddc2, Rad9, Rad53/Chk2 et Chk1.
Mec1
Rad53
Dun1
Swi6
Cdc28
Swi4
Polα/
primase
Chk1
Cdc5
Pds1
Induction de
gènes de réparation
Arrêt en phase G1
Ralentissement
de la réplication
en phase S
Cdc28
Arrêt en métaphase et
inhibition de la sortie de
mitose
Figure 2.
Mécanismes contrôlant les ar
rêts ou rralentissement
alentissement du ccyc
yc
le cellulair
arrêts
ycle
cellulairee de S. cer
ceree visiae en cas de lésions de l’ADN
l’ADN.. A noter que
ces v
oies de tr
ansduction ffonctionnent
onctionnent par des phosphor
ylations en cascade : la major
ité des pr
otéines qui y sont impliquées
voies
transduction
phosphorylations
majorité
protéines
(Mec1, Rad53/Chk2, Chk1, Dun1, Cdc28, Cdc5) sont des protéine kinases.
136
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checkpoint en phase G1/M des mammifères comprend également un
composant permettant l’adaptation,
dont la dérégulation peut entraîner
une instabilité génomique [22]. Des
études plus approfondies seront requises pour déterminer les relations
entre adaptation et tumorigénèse
chez les eucaryotes supérieurs.
CONCLUSIONS
ðDans cette revue, nous avons exploré des données récentes concernant les checkpoints de l’ADN et le
contrôle du cycle cellulaire chez un
organisme modèle, Saccharomyces
cerevisiae. La conservation de ces
voies chez les eucaryotes suggère fortement qu’elles fonctionnent chez les
humains comme des mécanismes
suppresseurs de tumeurs, ce qui
laisse entrevoir la possibilité de thérapies anti-cancéreuses fondées sur
la modulation pharmacologique de
leur activité.
Cell cycle control after DNA damage : arrest, recovery and adaptation.
DNA damage triggers surveillance mechanisms, the DNA checkpoints, that control the
genome integrity. The DNA checkpoints induce several responses, either cellular or transcriptional,
that favor DNA repair. In particular, activation of the DNA checkpoints inhibits cell cycle progression in all phases, depending on the stage when lesions occur. These arrests are generally
transient and cells ultimately reenter the cell division cycle whether lesions have been repaired
(this process is termed "recovery") or have proved unrepairable (this option is called "adaptation"). The mechanisms controlling cell cycle arrests, recovery and adaptation are largely conserved
among eukaryotes, and much information is now available for the yeast Saccharomyces cerevisiae,
that is used as a model organism in these studies.
DNA damage - Checkpoint - Cell cycle - Saccharomyces cerevisiae
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