Des chercheurs de l’Université Vanderbilt ont utilisé des neutrons à l’ORNL pour révéler les modèles de liaison hydrogène entre les molécules d’eau (en bleu) et l’ADN. Les résultats pourraient aider à mieux comprendre comment l’eau influence la fonction de l’ADN. Crédit : ORNL/Jill Hemman
L’eau joue plusieurs rôles importants dans le corps humain, affectant même le ADN dans nos cellules. Toute la surface d’une double hélice d’ADN est recouverte de couches de molécules d’eau. Cette gaine d’eau se fixe au matériel génétique par des liaisons hydrogène, créées en partageant des atomes d’hydrogène entre les molécules. Grâce aux liaisons hydrogène, l’eau peut influencer la façon dont l’ADN prend forme et interagit avec d’autres molécules. Dans certains cas, l’eau peut aider les protéines à reconnaître les séquences d’ADN.
Les scientifiques peuvent estimer où se produisent les liaisons hydrogène et comment les atomes d’hydrogène sont partagés, mais il est difficile de recueillir des preuves expérimentales. Une équipe de recherche dirigée par l’Université Vanderbilt a utilisé une méthode qui a réussi à capturer la vue la plus détaillée à ce jour des modèles de liaison hydrogène de l’eau autour de l’ADN, ouvrant de nouvelles possibilités pour étudier comment l’eau affecte la fonction de l’ADN. Des détails sur la méthodologie et les résultats, produits en partie par diffusion de neutrons au laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du ministère de l’Énergie (DOE), sont publiés dans la revue Recherche sur les acides nucléiques.
« L’eau sert de médiateur entre l’ADN et d’autres molécules, même pour des interactions très spécifiques. Avant qu’une molécule puisse se lier à un segment d’ADN, elle doit d’abord traverser cette coquille d’eau », a déclaré Martin Egli, professeur de biochimie à l’Université Vanderbilt et auteur correspondant de l’étude. “Pour faire progresser notre compréhension des processus de l’ADN, il est important de savoir exactement ce que fait l’eau environnante et comment elle s’organise autour des molécules.”
Les expériences de diffraction des rayons X ont fait la lumière sur l’emplacement des molécules d’eau autour de l’ADN, mais les motifs de liaison hydrogène entre ces molécules sont restés cachés. Les neutrons, en revanche, sont plus sensibles aux éléments légers, comme les atomes d’hydrogène dans l’eau, qui permettent aux chercheurs de déterminer où se produisent les liaisons hydrogène et de quelles molécules elles proviennent.
“Avec les rayons X, la densité électronique typique que vous obtenez pour une molécule d’eau est une sphère, comme un ballon de football. Vous ne pouvez pas voir les atomes d’hydrogène, donc la molécule n’a aucune directionnalité », a déclaré Leighton Coates, un scientifique de l’ORNL impliqué dans cette étude. « Alors qu’avec les neutrons, les molécules d’eau ressemblent davantage à des boomerangs. Vous pouvez voir comment les hydrogènes sont orientés et déterminer les modèles de liaison hydrogène.
Pour mener cette recherche, l’équipe a utilisé un échantillon cristallisé d’un fragment d’ADN bien étudié avec six paires de bases, alternant entre cytosine et guanine. Connu sous le nom de d(CGCGCG), ce fragment a été la première séquence d’ADN dont la structure cristalline a été déterminée en 1979. À l’aide d’une solution d’oxyde de deutérium, les scientifiques ont remplacé de nombreux atomes d’hydrogène du fragment par des atomes de deutérium. Le deutérium, un isotope de l’hydrogène, est « vu » différemment par les neutrons par rapport à l’hydrogène, ce qui permet aux chercheurs d’utiliser le deutérium pour collecter de manière sélective des informations sur les structures de l’ADN et de l’eau.
L’équipe de recherche a collecté des données de diffraction neutronique sur ce fragment à l’aide du diffractomètre neutronique macromoléculaire (MaNDi) de la source de neutrons de spallation (SNS) de l’ORNL. Pour réduire le mouvement de l’eau, l’équipe a refroidi l’échantillon à 100 K (près de -280°F) en utilisant de l’azote gazeux froid.
“En réduisant la mobilité de l’eau dans notre échantillon, nous pouvons maintenir les molécules d’eau dans un arrangement en forme de réseau, nous permettant de verrouiller où elles se trouvent et comment elles sont positionnées”, a déclaré Egli. “Si nous collections ces données à température ambiante, les positions de nombreuses molécules d’eau seraient essentiellement étalées, réparties à divers endroits dans l’espace.”
“Avec les neutrons, nous pourrions également différencier les molécules d’eau par le nombre de liaisons hydrogène, par exemple si elles sont impliquées dans plusieurs liaisons ou une seule”, a ajouté Joel Harp, professeur adjoint de recherche en biochimie à l’Université Vanderbilt et co-auteur de l’étude.
Des expériences de diffraction des rayons X ont été réalisées sur un cristal similaire à l’installation de cristallographie biomoléculaire du Centre de biologie structurale de l’Université Vanderbilt pour déterminer où les atomes d’oxygène des molécules d’eau sont situés autour du fragment d’ADN.
En combinant ces techniques complémentaires, les chercheurs ont réalisé l’analyse la plus détaillée à ce jour des orientations des molécules d’eau autour d’une double hélice d’ADN. Ils ont capturé les orientations de 64 molécules d’eau soit en contact direct avec le fragment d’ADN, soit à proximité. L’étude a révélé comment les liaisons hydrogène sont données ou acceptées par les molécules d’eau dans des parties importantes de la structure de l’ADN, y compris à l’intérieur de ses rainures et autour de son squelette sucre-phosphate. Certaines des liaisons hydrogène étaient inattendues, allant à l’encontre des hypothèses précédentes, démontrant que cette méthode pourrait aider à vérifier les modèles de dynamique moléculaire pour les réseaux d’eau d’ADN.
L’équipe de recherche utilise maintenant cette méthode pour étudier le comportement de l’eau autour d’autres macromolécules, telles que ARN.
« Maintenant, je pense qu’il est temps d’appliquer ce que nous avons appris à des projets plus ambitieux », a déclaré Egli. “L’eau est une entité tellement fondamentale de la vie, et il y a encore beaucoup de choses à découvrir.”
Référence : « Water structure around a left-handed Z-DNA fragment analyze by cryo neutron crystallography » par Joel M Harp, Leighton Coates, Brendan Sullivan et Martin Egli, 19 avril 2021, Recherche sur les acides nucléiques.
DOI : 10.1093/nar/gkab264
Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Science et les National Institutes of Health (NIH).
