Dés - Dicer
Dicer , également connu sous le nom d' endoribonucléase Dicer ou hélicase avec motif RNase , est une enzyme qui, chez l'homme, est codée par le gène DICER1 . Faisant partie de la famille RNase III , Dicer clive l' ARN double brin (ARNdb) et le pré-microARN (pré-miARN) en de courts fragments d'ARN double brin appelés respectivement petits ARN interférents et microARN . Ces fragments ont une longueur d'environ 20 à 25 paires de bases avec un surplomb de deux bases aux extrémités 3' . Dicer facilite l'activation du complexe de silençage induit par l'ARN (RISC), qui est essentiel pour l'interférence ARN . RISC possède une composante catalytique Argonaute , qui est une endonucléase capable de dégrader l'ARN messager (ARNm).
Découverte
Dicer a reçu son nom en 2001 par Emily Bernstein, étudiante au doctorat à Stony Brook, alors qu'elle menait des recherches dans le laboratoire de Gregory Hannon au Cold Spring Harbor Laboratory . Bernstein a cherché à découvrir l'enzyme responsable de la génération de petits fragments d'ARN à partir d'ARN double brin. La capacité de Dicer à générer des fragments d'ARN d'environ 22 nucléotides a été découverte en le séparant du complexe enzymatique RISC après avoir initié la voie de l'ARNi avec la transfection de l' ARNdb . Cette expérience a montré que RISC n'était pas responsable de la génération des petits fragments de nucléotides observables. Des expériences ultérieures testant les capacités des enzymes de la famille RNase III à créer des fragments d'ARN ont restreint la recherche à la drosophile CG4792, maintenant nommée Dicer.
Les orthologues Dicer sont présents dans de nombreux autres organismes. Dans la mousse Physcomitrella patens DCL1b, l'une des quatre protéines DICER, n'est pas impliquée dans la biogenèse des miARN mais dans la découpe des transcrits cibles des miARN. Ainsi, un nouveau mécanisme de régulation de l'expression des gènes , l' extinction épigénétique des gènes par les miARN, a été découvert.
En termes de structure cristalline, le premier Dicer à être exploré était celui du protozoaire Giardia intestinalis . Un PAZ domaine et deux domaines RNase III ont été découverts par cristallographie aux rayons X . La taille de la protéine est de 82 kDa , alors qu'elle est plus grande dans d'autres organismes ; par exemple, il est de 219 kDa chez l'homme. La différence de taille entre les humains et G. intestinalis Dicer est due au fait qu'au moins cinq domaines différents sont présents dans Dicer humain. Ces domaines sont importants dans la régulation de l'activité de Dicer, le traitement de l'ARNdb et le fonctionnement du facteur de protéine d'interférence ARN.
Domaines fonctionnels
Le dicer humain (également connu sous le nom de hsDicer ou DICER1 ) est classé comme une ribonucléase III car il contient à la fois des domaines hélicase et PAZ ( Piwi / Argonaute / Zwille ) . En plus de ces domaines, hsDicer contient quatre autres domaines fonctionnels : deux domaines RNaseIII et deux domaines de liaison à l'ARN double brin (DUF283 et dsRBD).
Les recherches actuelles suggèrent que le domaine PAZ est capable de lier le surplomb de 2 nucléotides 3' de l'ARNdb tandis que les domaines catalytiques de la RNaseIII forment un pseudo-dimère autour de l'ARNdb pour initier le clivage des brins. Il en résulte un raccourcissement fonctionnel du brin d'ARNdb. La distance entre les domaines PAZ et RNaseIII est déterminée par l'angle de l'hélice du connecteur et influence la longueur du micro-ARN produit. Le domaine dsRBD se lie à l'ARNdb, bien que le site de liaison spécifique du domaine n'ait pas été défini. Il est possible que ce domaine fonctionne en complexe avec d'autres protéines régulatrices (TRBP chez l'homme, R2D2, Loqs chez la drosophile) afin de positionner efficacement les domaines RNaseIII et ainsi contrôler la spécificité des produits sRNA. Le domaine hélicase a été impliqué dans le traitement de substrats longs.
Rôle dans l'interférence ARN
Micro ARN
L'interférence ARN est un processus dans lequel la décomposition des molécules d' ARN en miARN inhibe l'expression génique de séquences spécifiques d'ARNm de l'hôte. Le miARN est produit dans la cellule à partir du miARN primaire (pri-miARN) dans le noyau . Ces longues séquences sont clivées en miARN précurseurs plus petits (pré-miARN), qui sont généralement de 70 nucléotides avec une structure en épingle à cheveux . Les pri-miARN sont identifiés par DGCR8 et clivés par Drosha pour former le pré-miARN, un processus qui se produit dans le noyau. Ces pré-miARN sont ensuite exportés vers le cytoplasme, où ils sont clivés par Dicer pour former des miARN matures.
Petit ARN interférent
De petits ARN interférents (siARN) sont produits et fonctionnent de la même manière que les miARN en clivant l'ARN double brin avec Dicer en fragments plus petits, de 21 à 23 nucléotides de long. Les miARN et les siARN activent le complexe de silençage induit par l'ARN (RISC), qui trouve la séquence d'ARNm cible complémentaire et clive l'ARN à l'aide de la RNase. Ceci à son tour fait taire le gène particulier par interférence ARN. Les siARN et les miARN diffèrent par le fait que les siARN sont typiquement spécifiques de la séquence d'ARNm alors que les miARN ne sont pas complètement complémentaires à la séquence d'ARNm. Les miARN peuvent interagir avec des cibles qui ont des séquences similaires, ce qui inhibe la traduction de différents gènes. En général, l'interférence ARN est une partie essentielle des processus normaux au sein d'organismes tels que les humains, et c'est un domaine faisant l'objet de recherches en tant qu'outil diagnostique et thérapeutique pour les cibles cancéreuses.
Maladie
Dégénérescence maculaire
La dégénérescence maculaire liée à l'âge est une cause importante de cécité dans les pays développés. Le rôle de Dicer dans cette maladie est devenu évident après qu'il a été découvert que les patients affectés présentaient une diminution des niveaux de Dicer dans leur épithélium pigmentaire rétinien (EPR). Les souris avec Dicer assommé, sans Dicer uniquement dans leur RPE, ont présenté des symptômes similaires. Cependant, d'autres souris dépourvues de protéines importantes de la voie ARNi, comme Drosha et Pasha , n'ont pas présenté de symptômes de dégénérescence maculaire comme les souris Dicer-knockout. Cette observation a suggéré un rôle spécifique de Dicer dans la santé rétinienne qui était indépendant de la voie de l'ARNi et donc pas une fonction de la génération si/miARN. Une forme d'ARN appelée Alu RNA (les transcrits d'ARN des éléments alu ) s'est avérée élevée chez les patients présentant des niveaux de Dicer insuffisants. Ces brins d'ARN non codants peuvent former des boucles formant des structures d'ARNdb qui seraient dégradées par Dicer dans une rétine saine. Cependant, avec des niveaux de Dicer insuffisants, l'accumulation d'ARN alu conduit à la dégénérescence de l'EPR à la suite d'une inflammation.
Cancer
Les profils d'expression modifiés des miARN dans les cancers malins suggèrent un rôle central des miARN et donc des dés dans le développement et le pronostic du cancer. Les miARN peuvent fonctionner comme des suppresseurs de tumeurs et, par conséquent, leur expression altérée peut entraîner une tumorigenèse . Dans l'analyse du cancer du poumon et de l'ovaire, un mauvais pronostic et une diminution du temps de survie des patientes sont en corrélation avec une diminution de l' expression de dicer et de drosha . La diminution des niveaux d'ARNm de dicer est en corrélation avec le stade avancé de la tumeur. Cependant, il a été démontré qu'une expression élevée de dicer dans d'autres cancers, comme la prostate et l'œsophage, est corrélée à un mauvais pronostic des patients. Cet écart entre les types de cancer suggère que les processus de régulation uniques de l'ARNi impliquant des dicer diffèrent entre les différents types de tumeurs.
Dicer est également impliqué dans la réparation de l'ADN . Les dommages à l'ADN augmentent dans les cellules de mammifères avec une diminution de l'expression de Dicer en raison d'une diminution de l'efficacité de la réparation des dommages à l'ADN et d'autres mécanismes. Par exemple, les siRNA des cassures double brin (produits par Dicer) peuvent servir de guides pour les complexes protéiques impliqués dans les mécanismes de réparation des cassures double brin et peuvent également diriger les modifications de la chromatine . De plus, les modèles d'expression des miARN changent en raison des dommages à l'ADN causés par les rayonnements ionisants ou ultraviolets . Les mécanismes d'ARNi sont responsables de l' extinction des transposons et, en leur absence, comme lorsque Dicer est assommé/vers le bas, peuvent conduire à des transposons activés qui causent des dommages à l'ADN. L'accumulation de dommages à l'ADN peut entraîner des cellules avec des mutations oncogènes et donc le développement d'une tumeur.
D'autres conditions
Il a été démontré que le goitre multinodulaire avec schwannomatose est une maladie autosomique dominante associée à des mutations de ce gène.
Pathogénie virale
L'infection par des virus à ARN peut déclencher la cascade d'ARNi. Il est probable que dicer soit impliqué dans l' immunité virale , car les virus qui infectent à la fois les cellules végétales et animales contiennent des protéines conçues pour inhiber la réponse ARNi. Chez l'homme, les virus VIH-1 , de la grippe et de la vaccine codent pour de telles protéines de suppression d'ARNi. L'inhibition de dicer est bénéfique pour le virus car dicer est capable de cliver l'ARNdb viral et de charger le produit sur RISC, ce qui entraîne une dégradation ciblée de l'ARNm viral ; combattant ainsi l'infection. Un autre mécanisme potentiel de pathogenèse virale est le blocage de dicer comme moyen d'inhiber les voies cellulaires des miARN.
Chez les insectes
Les insectes peuvent utiliser Dicer comme un puissant antiviral . Cette découverte est d'autant plus importante que les moustiques sont responsables de la transmission de nombreuses maladies virales dont les arbovirus potentiellement mortels : virus du Nil occidental , dengue et fièvre jaune . Alors que les moustiques, plus spécifiquement l' espèce Aedes aegypti , servent de vecteurs à ces virus, ils ne sont pas l'hôte prévu du virus. La transmission se produit en raison du besoin de la femelle du moustique en sang de vertébré pour développer ses œufs. La voie de l'ARNi chez les insectes est très similaire à celle des autres animaux ; Dicer-2 clive l'ARN viral et le charge sur le complexe RISC où un brin sert de matrice pour la production de produits ARNi et l'autre est dégradé. Les insectes présentant des mutations conduisant à des composants non fonctionnels de leur voie ARNi présentent des charges virales accrues pour les virus qu'ils portent ou une sensibilité accrue aux virus dont ils sont les hôtes. Comme pour les humains, les virus d'insectes ont développé des mécanismes pour éviter la voie ARNi. À titre d'exemple, le virus de la drosophile C code pour la protéine 1A qui se lie à l'ARNdb le protégeant ainsi du clivage dicer ainsi que du chargement RISC. Heliothis virescens ascovirus 3a code pour une enzyme RNase III similaire aux domaines RNase III de dicer qui peuvent rivaliser pour le substrat d'ARNdb ainsi que dégrader les duplex de siARN pour empêcher le chargement de RISC.
Applications diagnostiques et thérapeutiques
Dicer peut être utilisé pour identifier si des tumeurs sont présentes dans le corps en fonction du niveau d'expression de l'enzyme. Une étude a montré que de nombreux patients atteints de cancer présentaient une diminution des niveaux d'expression de Dicer. La même étude a montré qu'une expression plus faible de Dicer était corrélée à une durée de survie plus faible des patients. En plus d'être un outil de diagnostic , Dicer peut être utilisé pour traiter les patients en injectant des siARN étrangers par voie intraveineuse pour provoquer l'extinction des gènes.
L'ARNsi s'est avéré être délivré de deux manières chez les espèces de mammifères telles que les souris. Une façon serait d'injecter directement dans le système, ce qui ne nécessiterait pas la fonction Dicer. Une autre façon serait de l'introduire par des plasmides qui codent pour l'ARN en épingle à cheveux court, qui est clivé par Dicer en siARN.
L'un des avantages de l'utilisation de Dicer pour produire des siARN à des fins thérapeutiques serait la spécificité et la diversité des cibles qu'il peut affecter par rapport à ce qui est actuellement utilisé comme les anticorps ou les petits inhibiteurs moléculaires . En général, les petits inhibiteurs moléculaires sont difficiles en termes de spécificité avec des effets secondaires insupportables. Les anticorps sont aussi spécifiques que les siRNA, mais ils sont limités car ils ne peuvent être utilisés que contre des ligands ou des récepteurs de surface . D'autre part, la faible efficacité de l' absorption intracellulaire est le principal obstacle à l'injection de siRNA. L'ARNsi injecté a une faible stabilité dans le sang et provoque des stimulations de l' immunité non spécifique . De plus, la production thérapeutique de miARN manque de spécificité car seul un appariement de bases de 6 à 8 nucléotides est nécessaire pour que le miARN se fixe à l'ARNm.
Protéines de type Dicer
Les génomes végétaux codent pour des protéines de type dicer avec des fonctions et des domaines protéiques similaires à ceux d'animaux et d'insectes. Par exemple, dans l'organisme modèle Arabidopsis thaliana , quatre protéines de type dicer sont fabriquées et sont désignées par DCL1 à DCL4. DCL1 est impliqué dans la génération de miARN et la production d'ARNs à partir de répétitions inversées. DCL2 crée des ARNsi à partir de transcrits antisens agissant en cis qui contribuent à l'immunité et à la défense virales. DCL3 génère des siARN qui aident à la modification de la chromatine et DCL4 est impliqué dans le métabolisme des siARN agissant en trans et l'extinction des transcrits au niveau post-transcriptionnel. De plus, les DCL 1 et 3 sont importants pour la floraison d'Arabidopsis. Chez Arabidopsis, le knock-out DCL ne cause pas de problèmes de développement graves.
Le riz et les raisins produisent également des DCL car le mécanisme de dés est une stratégie de défense commune à de nombreux organismes. Le riz a développé d'autres fonctions pour les 5 DCL qu'il produit et ils jouent un rôle plus important dans la fonction et le développement que chez Arabidopsis. De plus, les profils d'expression diffèrent entre les différents types de cellules végétales de riz, tandis que l'expression chez Arabidopsis est plus homogène . L'expression du DCL du riz peut être affectée par des conditions de stress biologique, notamment la sécheresse, la salinité et le froid, ainsi, ces facteurs de stress peuvent diminuer la résistance virale d'une plante. Contrairement à Arabidopsis, la perte de fonction des protéines DCL provoque des défauts de développement chez le riz.
Voir également
- l'expression du gène
- RISC
- ARN interférence
- microARN
- Petit ARN interférent
- Drocha
- Ribonucléase III
- ARNm
