Study of the molecular role of XPG protein in ribosome biogenesis
Etude du rôle moléculaire de la protéine XPG dans la biogénèse des ribosomes
Résumé
In the nucleus of our cells is located the DNA molecule, which carries all the essential information for life. This DNA must be transcribed by specialized enzymes, the RNA Polymerases, in RNA, which can code for proteins or be non-coding but play specific roles in cells. In human, there are three main RNA Polymerases: RNA Polymerase 1 (RNAPol1), which transcribes ribosomal DNA (rDNA) in ribosomal RNA (rRNA); RNA Polymerase 2 (RNAPol2), which notably transcribes coding DNA in messenger RNA (mRNA) which will be later translated in proteins; and finally, RNA Polymerase 3 (RNAPol3) which synthesizes transfer RNA (tRNA) and 5S rRNA. To be properly transcribed, DNA must be error-free. These errors can happen during DNA replication or following damages from exogenous or endogenous sources. To get rid of these damages, the cell has a toolbox containing five DNA repair systems. Among them, the Nucleotide Excision Repair (NER) system is repairing lesions that are deforming one of the two strands of DNA, such as those caused by ultraviolet (UV) light. NER is divided in two sub-pathways: the Global Genome NER (GG-NER), which patrols across the whole genome to repair lesions, and the Transcription Coupled NER (TC-NER), which repairs lesions on transcribed genes, when an active RNA Polymerase is blocked by the said lesion. A specific detection step for each pathway is followed by a helix opening step, the excision of the deformed strand, and finally the synthesis and ligation to the rest of the DNA of a corrected strand. Among the thirty proteins involved in NER, we can find the XP proteins: there are seven of them, from XPA to XPG, intervening at different steps of the NER. The mutation of a gene coding for a XP protein will provoke the rare and recessive Xeroderma Pigmentosum (XP) disease. The affected patients suffer from cutaneous and ocular defects upon exposure to UV light, and they have an over-prevalence of skin cancers. CSA and CSB proteins are involved in the detection step of TC-NER. Upon mutation of the genes coding for these proteins, this causes Cockayne Syndrome (CS), which provokes developmental and cognitive defects, ultimately leading to an early death, but without and over-prevalence of skin cancers. However, some mutations of ERCC5, the gene coding for the XPG protein, which incises the deformed strand in 3’ during the excision step of NER, can lead to a combination of XP-G and CS (XP-G/CS). It appears that a defect in NER only cannot explain such a phenotypic diversity. The XPG protein has many other roles, notably in the transcription by RNAPol2. Furthermore, it has been localized in the nucleolus, an organelle of the nucleus of eukaryote cells where happens ribosome biogenesis: rDNA is transcribed in a long rRNA, the 47S, which will be cleaved several times to form three mature products: rRNA 18S, 5.8S and 28S. In the cytoplasm, with the rRNA 5S synthesized by RNAPol3 and dozens of riboproteins, they will constitute the ribosomes, cellular machineries responsible of proteins production using mRNA. Ribosomal homeostasis is crucial for the cell; furthermore, this very energy-consuming process must be finely regulated. In this, seeing XPG localization in the nucleolus, we wanted to know if this protein was involved in ribosome biogenesis; in that case, what were its precise roles; finally, will these roles open new therapeutic leads for XP-G/CS syndrome, for which we currently have no treatment?
Au cœur de nos cellules, on retrouve la molécule d’ADN, porteuse des informations essentielles du vivant. Cet ADN doit être transcrit par des enzymes spécialisées, les ARN Polymérases, en ARN, codant pour des protéines, ou non codant mais occupant des rôles précis dans la cellule. Chez l’homme, on dénombre trois ARN Polymérases principales : l’ARN Polymérase 1 (ARNPol1), qui transcrit les ADN ribosomiques (ADNr) en ARN ribosomiques (ARNr) ; l’ARN Polymérase 2 (ARNPol2) qui transcrit notamment les ADN codants en ARN messagers (ARNm) qui seront par la suite traduits en protéines ; et enfin, l’ARN Polymérase 3 qui synthétise les ARN de transfert (ARNt) ainsi que l’ARNr 5S. Afin d’être correctement transcrit, l’ADN doit être épargné des erreurs qui peuvent survenir lors de sa réplication ou des dommages qui font suite à des assauts provenant de sources exogènes ou endogènes. Pour se prémunir de ces dommages, la cellule a à sa disposition cinq grands systèmes de réparations, pour faire face aux différents types de lésions. Dans cette boîte à outils cellulaires, on trouve le système de réparation par excision de nucléotides (NER) qui répare les lésions qui déforment l’un des deux brins de l’ADN, notamment les lésions causées par le rayonnement ultraviolet (UV). Il se divise en deux sous-mécanismes : le NER du génome global (GG-NER), qui patrouille sur la totalité du génome pour y réparer les lésions, et le NER couplé à la transcription (TC-NER), qui répare les lésions sur les gènes transcrits, lorsqu’une ARN Polymérase active y est bloquée. Une étape de détection spécifique à chacun des deux sous-systèmes est suivie d’une phase d’ouverture de l’hélice, de l’excision du brin déformé, et enfin de la synthèse d’un nouveau brin et de sa ligation au reste de l’ADN. Parmi la trentaine de protéines impliquées dans le NER, on trouve les protéines XP : au nombre de 7, de XPA jusqu’à XPG, elles interviennent à différentes étapes du NER. La mutation d’un gène codant pour une protéine XP provoquera le syndrome rare et récessif Xeroderma Pigmentosum (XP). Les patients affectés souffrent de défauts cutanés et oculaires à la moindre exposition au rayonnement UV, ainsi que d’une prévalence très élevée de cancers de la peau. Les protéines CSA et CSB sont impliquées dans l’étape de détection du TC-NER. Lorsque les gènes codant pour ces protéines sont mutés, ceci cause le syndrome de Cockayne (CS), qui provoque des anomalies développementales et cognitives ainsi qu’une mort précoce, sans une sur-prévalence des cancers de la peau. Toutefois, certaines mutations d’ERCC5, le gène qui code pour la protéine XPG, qui incise le brin déformé en 3’ au cours du NER, peuvent provoquer une combinaison d’XP-G et du CS (XP-G/CS). Il apparaît qu’un simple défaut de la réparation ne peut être responsable d’une telle diversité phénotypique. La protéine XPG endosse de nombreux autres rôles, notamment dans la transcription par l’ARNPol2. De plus, elle a été localisée dans le nucléole, une organelle du noyau des cellules eucaryotes où a lieu la biogénèse des ribosomes : l’ADNr est transcrit en un long ARNr, le 47S, qui sera clivé de nombreuses fois pour former trois produits matures : les ARNr 18S, 5.8S et 28S. Dans le cytoplasme, en association avec l’ARNr 5S produit par l’ARNPol3 et des dizaines de riboprotéines, ils formeront les ribosomes, des machineries cellulaires qui traduisent les ARNm en protéines. L’homéostasie ribosomique est essentielle à la cellule ; de plus, ce processus très énergivore doit être finement régulé. Dans ce contexte, au regard de la localisation nucléolaire de la protéine XPG, nous avons cherché à savoir si elle était impliquée dans la biogénèse des ribosomes ; le cas échéant, quels étaient ses rôles ; enfin, ces rôles permettront-ils d’ouvrir de nouvelles pistes thérapeutiques pour le syndrome XP-G/CS, qui ne dispose d’aucun traitement à l’heure actuelle ?
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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