Juin 2017 : Structure de l’homologue de senataxin, une hélicase liée à deux maladies neurodégénératives

Dans une étude publiée ce mois-ci dans EMBO J et coordonnée par Odil Porrua (équipe Libri), en collaboration avec Elena Conti (Max Planck Institute of Biochemistry, Germany), les auteurs présentent une analyse structure-fonction de Sen1, l’homologue de senataxin chez la levure. Sen1 est utilisée comme modèle pour dévoiler les conséquences, au niveau moléculaire, des mutations dans senataxin qui sont à l’origine des maladies neurodégénératives.

Les hélicases sont des enzymes qui utilisent l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP pour modifier des acides nucléiques ou des complexes protéine-acide nucléiques. Les hélicases existent dans tous les organismes et sont impliquées dans pratiquement tous les processus liés au métabolisme des acides nucléiques. Parmi les multiples fonctions possibles des hélicases, Sen1 joue un rôle majeur dans la terminaison de la transcription non-codante ainsi que dans le contrôle des R-loops. Ceux-ci sont des structures potentiellement dangereuses pour l’intégrité du génome qui se forment pendant la transcription quand l’ARN naissant envahit l’ADN et forme un hybride ARN-ADN avec le brin complémentaire. Aussi bien la terminaison de la transcription que l’élimination des R-loops par Sen1 dépendent de son activité catalytique. Les déterminants structuraux de ces fonctions restent cependant inconnus.

Dans cette étude nous avons d’abord identifié la région minimale de Sen1 qui est capable d’induire la terminaison de la transcription et de dissocier des hybrides ARN-ADN et nous avons déterminé sa structure cristalline avec une résolution de 1.8 Å. Sen1 présente une organisation similaire à celle d’autres hélicases de la même famille qui consiste en un core composé de deux domaines de type RecA desquels plusieurs domaines auxiliaires émergent. En général, le core est très conservé au sein des hélicases proches, alors que les domaines accessoires exhibent des caractéristiques distinctes qui confèrent des propriétés spécifiques aux différentes hélicases. En effet, nous avons identifié un sous-domaine spécifique à Sen1 mais conservé au cours de l’évolution que nous avons appelé le “brace”. Nous avons également détecté des différences notables au niveau d’un autre domaine accessoire que nous avons nommé le “prong”. Nous avons pu montrer que ce domaine, le “prong”, est essentiel aussi bien pour la dissociation des hybrides ARN-ADN que pour la terminaison de la transcription par Sen1. La capacité de dissocier des duplex d’acide nucléique est une propriété générale des hélicases, tandis que la faculté d’induire la terminaison de la transcription est particulière à Sen1. Nos données suggèrent que les caractéristiques structurales spécifiques de Sen1 que nous avons révélées dans cette étude sont des déterminants majeurs de son activité dans la terminaison de la transcription.

L’homologue de Sen1 chez l’homme, senataxin, a aussi des fonctions dans la terminaison de la transcription et le contrôle de la formation des R-loops. Des mutations dans senataxin sont à l’origine de deux maladies neurodégénératives : sclérose amyotrophique latérale de type 4 (ALS4) et ataxie avec apraxie oculomotrice de type 2 (AOA2). Puisque jusqu'à présent il n’existe aucune donnée structurale sur senataxin, nous avons décidé de profiter de la forte conservation entre Sen1 et senataxin pour étudier au niveau moléculaire l’effet des mutations associées à des maladies. Le mappage de 30 mutations liées à des maladies sur la structure de Sen1 nous a permis de prédire que 2/3 d’entre elles perturberaient considérablement le repliement de la protéine, alors que 1/3 affecteraient plus directement son activité catalytique. Dans le but de valider nos prédictions, nous avons introduit chez Sen1 une partie de ces mutations et nous avons réalisé une caractérisation biochimique complète de chaque mutant. Nous avons ainsi montré que toutes les mutations sont fortement délétères pour la dissociation d’hybrides ARN-ADN et la terminaison de la transcription. En conclusion, nos résultats ont permis de dévoiler certains déterminants structuraux clés de la fonction de la protéine Sen1 et d’améliorer la compréhension de l’origine d’ALS4 and AOA2.

Pour en savoir plus :
Sen1 has unique structural features grafted on the architecture of the Upf1-like helicase family.
Leonaitė B, Han Z, Basquin J, Bonneau F, Libri D, Porrua O, Conti E.
EMBO J. 2017 Jun 1;36(11):1590-1604.

Contact : Odil Porrua, équipe Métabolisme et fonction de l'ARN dans le noyau, tél. : + 33 (0)1 57 27 80 34

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