Protéine SMC

famille InterPro

Une protéine SMC, ou protéine de maintenance structurelle des chromosomes (SMC signifie Structural Maintenance of Chromosomes en anglais), est une ATPase intervenant dans l'organisation et la dynamique des chromosomes au cours du cycle cellulaire[1],[2],[3]. Il s'agit d'une grande famille de protéines ayant des fonctions physiologiques très importantes dans les cellules.

Protéines SMC d'eucaryotesModifier

Il existe chez les eucaryotes au moins six protéines de maintenance structurelle des chromosomes différentes formant trois hétérodimères distincts ayant chacun des fonctions spécialisées :

  • une paire de SMC1 et SMC3 forme les sous-unités au cœur de complexes de cohésine qui interviennent dans la cohésion des chromatides sœurs[4],[5],[6] ;
  • une paire de SMC2 et SMC4 constitue le cœur de complexes de condensines intervenant dans la condensation des chromosomes[7],[8] ;
  • un dimère composé de SMC5 et de SMC6 entre dans la constitution d'un complexe intervenant dans la réparation de l'ADN[9].

Chaque complexe contient un ensemble distinct de sous-unités régulatrices non SMC. Certains organismes possèdent des variantes de protéines SMC. Ainsi, les mammifères ont une variante de la SMC1 spécifique de la méiose et appelée SMC1β[10]. Le nématode Caenorhabditis elegans possède une variante de la SMC4 spécialisée dans la régulation de l'expression du phénotype[11].

Sous-famille Complexe S. cerevisiae S. pombe C. elegans D. melanogaster Vertébrés
SMC1α (en) Cohésine Smc1 Psm1 SMC-1 DmSmc1 SMC1α
SMC2 (en) Condensine Smc2 Cut14 MIX-1 DmSmc2 CAP-E/SMC2
SMC3 (en) Cohésine Smc3 Psm3 SMC-3 DmSmc3 SMC3
SMC4 (en) Condensine Smc4 Cut3 SMC-4 DmSmc4 CAP-C/SMC4
SMC5 (en) SMC5-SMC6 Smc5 Smc5 C27A2.1 CG32438 SMC5
SMC6 (en) SMC5-SMC6 Smc6 Smc6/Rad18 C23H4.6, F54D5.14 CG5524 SMC6
SMC1β (en) Cohésine (méiotique) SMC1β
SMC4 (en)
(variante)
Complexe contrôlant la
compensation de dosage
DPY-27

Protéines SMC de procaryotesModifier

Les protéines SMC sont conservées depuis les bactéries jusqu'à l'homme. La plupart des bactéries ont une seule protéine SMC par espèce, qui forme un homodimère[12]. Une sous-classe de bactéries à Gram négatif, comprenant Escherichia coli, possède une protéine, appelée MukB, apparentée aux protéines MSC et jouant un rôle équivalent[13].

La ségrégation chromosomique est contrôlée par une protéine Par B, une séquence Par S et un complexe SMC chez les procaryotes. Les sites Par S se trouvent à l’origine de réplication et permettent à Par B de s’y lier spécifiquement. Par B a deux fonctions:

1.     Il recrute le complexe SMC. Ce complexe permet de maintenir la structure du chromosome.

2.  Il éloigne les origines de réplication de la machinerie de réplication de l’ADN qui travaille au milieu de la cellule et les tirent aux pôles de la cellule.

Lorsque les origines de réplication sont éloignées du centre de la cellule, le complexe SMC peut être chargé sur l’ADN par Par B. Le complexe SMC organise l’ADN et s’assure qu’il ne s’emmêle pas. Le complexe SMC a deux chambres : la pro-chambre et la méta-chambre. La forme ouverte du complexe permet de capturer une boucle d’ADN dans la pro-chambre. L’hydrolyse d’une molécule d’ATP déstabilise l’anneau SMC ouvert et déclenche la fermeture de la pro-chambre, ce qui pousse l'ADN dans la méta-chambre. Lors de l’hydrolyse de l’ATP, l’ADN nouvellement capturé est ensuite fusionné avec la boucle d’ADN précédemment chargée dans la méta-chambre pour générer une boucle d’ADN plus grande. Des cycles ouverts/fermés permettent le chargement de boucles successives d’ADN, ce qui permet donc d'organiser l'ADN.

Structure des protéines SMCModifier

 
(en) Structure schématique d'un dimère de protéines SMC.

Les protéines SMC contiennent entre 1 000 et 1 500 résidus d'acides aminés. Elles possèdent une structure modulaire constituée des domaines suivants :

Les dimères de protéines SMC présentent une forme en V avec deux longs bras en superhélice (« coiled-coil », ou hélices surenroulées)[14],[15]. Afin d'aboutir à une structure particulière de ce type, un protomère SMC est replié à l'aide d'interactions coiled-coil antiparallèles en formant un bâtonnet. À une extrémité de la molécule, le domaine N-terminal et le domaine C-terminal forment ensemble le domaine de liaison à l'ATP. L'autre extrémité forme un domaine charnière. Les deux protomères dimérisent par leur domaine charnière et s'assemblent en formant un dimère en forme de V[16],[17]. La longueur des bras en superhélice est d'environ 50 nm. Les structures coiled-coil « antiparallèles » de cette longueur sont très rares et se rencontrent exclusivement parmi les protéines SMC et apparentées (telles que la protéine Rad50). Le domaine de liaison à l'ATP des protéines SMC est structurellement apparenté à celui des transporteurs ABC, une grande famille de protéines transmembranaires qui transportent activement des molécules à travers les membranes cellulaires. On pense que le cycle de liaison et d'hydrolyse de l'ATP module le cycle de fermeture et d'ouverture du V de la molécule, mais le mécanisme de ce fonctionnement reste à découvrir.

Notes et référencesModifier

  1. (en) Ana Losada et Tatsuya Hirano, « Dynamic molecular linkers of the genome: the first decade of SMC proteins », Genes & Development, vol. 19, no 11,‎ , p. 1269-1287 (PMID 15937217, DOI 10.1101/gad.1320505, lire en ligne)
  2. (en) Kim Nasmyth et Christian H. Haering, « The Structure and Function of SMC and Kleisin Complexes », Annual Review of Biochemistry, vol. 74,‎ , p. 595-648 (PMID 15952899, DOI 10.1146/annurev.biochem.74.082803.133219, lire en ligne)
  3. (en) Catherine E. Huang, Mark Milutinovich et Douglas Koshland, « Rings, bracelet or snaps: fashionable alternatives for Smc complexes », Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, vol. 360, no 1455,‎ , p. 537-542 (PMID 15897179, PMCID 1569475, DOI 10.1098/rstb.2004.1609, lire en ligne)
  4. (en) Christine Michaelis, Rafal Ciosk et Kim Nasmyth, « Cohesins: Chromosomal Proteins that Prevent Premature Separation of Sister Chromatids », Cell, vol. 91, no 1,‎ , p. 35-45 (PMID 9335333, DOI 10.1016/S0092-8674(01)80007-6, lire en ligne)
  5. (en) Vincent Guacci, Douglas Koshland et Alexander Strunnikov, « A Direct Link between Sister Chromatid Cohesion and Chromosome Condensation Revealed through the Analysis of MCD1 in S. cerevisiae », Cell, vol. 91, no 1,‎ , p. 47-57 (PMID 9335334, PMCID 2670185, DOI 10.1016/S0092-8674(01)80008-8, lire en ligne)
  6. (en) Ana Losada, Michiko Hirano et Tatsuya Hirano, « Identification of Xenopus SMC protein complexes required for sister chromatid cohesion », Genes & Development, vol. 12, no 13,‎ , p. 1986-1997 (PMID 9649503, PMCID 316973, DOI 10.1101/gad.12.13.1986, lire en ligne)
  7. (en) Tatsuya Hirano, Ryuji Kobayashi et Michiko Hirano, « Condensins, Chromosome Condensation Protein Complexes Containing XCAP-C, XCAP-E and a Xenopus Homolog of the Drosophila Barren Protein », Cell, vol. 89, no 4,‎ , p. 511-521 (PMID 9160743, DOI 10.1016/S0092-8674(00)80233-0, lire en ligne)
  8. (en) Takao Ono, Ana Losada, Michiko Hirano, Michael P. Myers, Andrew F. Neuwald et Tatsuya Hirano, « Differential Contributions of Condensin I and Condensin II to Mitotic Chromosome Architecture in Vertebrate Cells », Cell, vol. 115, no 1,‎ , p. 109-121 (PMID 14532007, DOI 10.1016/S0092-8674(03)00724-4, lire en ligne)
  9. (en) Maria I. Fousteri et Alan R. Lehmann, « A novel SMC protein complex in Schizosaccharomyces pombe contains the Rad18 DNA repair protein », EMBO Journal, vol. 19, no 7,‎ , p. 1691-1702 (PMID 10747036, PMCID 310237, DOI 10.1093/emboj/19.7.1691, lire en ligne)
  10. (en) E. Revenkova, M. Eijpe, C. Heyting, B. Gross et R. Jessberger, « Novel Meiosis-Specific Isoform of Mammalian SMC1 », Molecular and Cellular Biology, vol. 21, no 20,‎ , p. 6984-6998 (PMID 11564881, PMCID 99874, DOI 10.1128/MCB.21.20.6984-6998.2001, lire en ligne)
  11. (en) Pao-Tien Chuang, Donna G. Albertson et Barbara J. Meyer, « DPY-27: A chromosome condensation protein homolog that regulates C. elegans dosage compensation through association with the X chromosome », Cell, vol. 79, no 3,‎ , p. 459-474 (PMID 7954812, DOI 10.1016/0092-8674(94)90255-0, lire en ligne)
  12. (en) Robert A. Britton, Daniel Chi-Hong Lin et Alan D. Grossman, « Characterization of a prokaryotic SMC protein involved in chromosome partitioning », Genes & Development, vol. 12, no 9,‎ , p. 1254-1259 (PMID 9573042, PMCID 316777, DOI 10.1101/gad.12.9.1254, lire en ligne)
  13. (en) Hironori Niki, Aline Jaffé, Ryu Imamura, Teru Ogura et Sota Hiraga, « The new gene mukB codes for a 177 kd protein with coiled-coil domains involved in chromosome partitioning of E. coli », EMBO Journal, vol. 10, no 1,‎ , p. 183-193 (PMID 1989883, PMCID 452628, lire en ligne)
  14. (en) Thomas E. Melby, Charles N. Ciampaglio, Gina Briscoe et Harold P. Erickson, « The Symmetrical Structure of Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) and MukB Proteins: Long, Antiparallel Coiled Coils, Folded at a Flexible Hinge », Journal of Cell Biology, vol. 142, no 6,‎ , p. 1595-1604 (PMID 9744887, DOI 10.1083/jcb.142.6.1595, lire en ligne)
  15. (en) David E. Anderson, Ana Losada, Harold P. Erickson et Tatsuya Hirano, « Condensin and cohesin display different arm conformations with characteristic hinge angles », Journal of Cell Biology, vol. 156, no 3,‎ , p. 419-424 (PMID 11815634, DOI 10.1083/jcb.200111002, lire en ligne)
  16. (en) Christian H. Haering, Jan Löwe, Andreas Hochwagen et Kim Nasmyth, « Molecular Architecture of SMC Proteins and the Yeast Cohesin Complex », Molecular Cell, vol. 9, no 4,‎ , p. 773-788 (PMID 11983169, DOI 10.1016/S1097-2765(02)00515-4, lire en ligne)
  17. (en) Michiko Hirano et Tatsuya Hirano, « Hinge‐mediated dimerization of SMC protein is essential for its dynamic interaction with DNA », EMBO Journal, vol. 21, no 21,‎ , p. 5733-5744 (PMID 12411491, DOI 10.1093/emboj/cdf575, lire en ligne)