Quand les gens pensent à ADN, ils visualisent une structure en double hélice en forme de corde. En réalité, la double hélice d’ADN dans les cellules est superenroulée et contrainte en boucles. Ce superenroulement et ce bouclage sont connus pour influencer tous les aspects de l’activité de l’ADN, mais la façon dont cela se produit n’est pas claire.
Publié dans la revue Communication Nature, une étude menée par des chercheurs du Baylor College of Medicine montre que le superenroulement et le bouclage peuvent transmettre des contraintes mécaniques le long de l’épine dorsale de l’ADN. Le stress peut favoriser la séparation des brins de la double hélice à des sites distants spécifiques, exposant les bases de l’ADN, ce qui peut faciliter la réparation, la réplication, la transcription ou d’autres aspects de la fonction de l’ADN.
« L’ADN stocke les informations génétiques d’une cellule sous une forme stable et protégée qui est facilement accessible pour que la cellule puisse poursuivre ses activités », a déclaré l’auteur correspondant, le Dr Lynn Zechiedrich, titulaire de la chaire Kyle et Josephine Morrow en virologie moléculaire et microbiologie à Baylor. « Les organismes atteignent cet objectif apparemment paradoxal en stockant l’ADN dans des boucles superenroulées. Dans la présente étude, nous avons étudié comment le superenroulement et le bouclage modulent l’activité de l’ADN. »
Zechiedrich et ses collaborateurs ont commencé par fabriquer de petits morceaux d’ADN superenroulés, comme ceux présents dans les cellules vivantes. Ils ont pris une double hélice d’ADN courte et linéaire et l’ont tordue une, deux, trois fois ou plus, soit dans le sens du tour de la double hélice (superenroulement positif) ou contre elle (superenroulement négatif). Ensuite, ils ont relié les extrémités ensemble en formant une boucle.
“Dans un étude précédente, nous avions examiné les structures 3D des minicercles superenroulés avec la cryotomographie électronique (cryo-ET), une technique d’imagerie qui produit des vues 3D haute résolution de grosses molécules », a déclaré Zechiedrich, membre de Dan L Duncan de Baylor. Centre complet de cancérologie. « Nous avons observé une variété étonnamment large de formes de minicercles en fonction du niveau de superenroulement spécifique. La plupart des formes que nous avons observées contenaient de l’ADN fortement courbé. Cette observation était inattendue.
C’était inattendu car les modèles indiquent que les cercles d’ADN superenroulés se comporteraient davantage comme un élastique torsadé.
“Nous avons découvert que l’ADN superenroulé et en boucle, au lieu de se plier doucement, fait soudain apparaître des arêtes vives qui produisent une perturbation dans la double hélice”, a déclaré Zechiedrich. “Les ouvertures exposent ce code ADN particulier, le rendant accessible aux protéines à la recherche de séquences spécifiques pour interagir avec l’ADN, par exemple, pour le réparer ou en faire une copie.”
“Une autre découverte importante est l’idée d'”action à distance”, a déclaré le premier auteur, le Dr Jonathan M. Fogg, scientifique senior au laboratoire Zechiedrich. « Les effets du stress de superenroulement sur un site de la boucle peuvent être transmis le long du squelette de l’ADN à un site distant. Par exemple, si un site est fortement courbé, un deuxième site éloigné du premier site sera également fortement courbé. L’étude de l’ADN linéaire ne capture pas ce phénomène, mais nos minicercles superenroulés révèlent ces propriétés dynamiques de l’ADN tel qu’il se trouve dans les cellules.
Ces résultats suggèrent une nouvelle perspective sur la façon dont les activités d’ADN sont réglementées. Actuellement, l’idée est que des protéines spécialisées interagissent avec l’ADN pour séparer des segments de la double hélice qui doivent être dupliqués, par exemple, ou transcrits en ARN pour produire une protéine.
“Ici, nous avons montré qu’aucune protéine n’est nécessaire pour accéder à l’ADN, elle peut se rendre accessible par elle-même”, a déclaré Zechiedrich.
“Nos cellules ont créé de nombreux processus complexes pour gérer le stockage et l’utilisation de l’ADN, et la forme de cet ADN les affecte tous”, a déclaré la co-auteure Allison Judge, étudiante diplômée au Département de pharmacologie et de biologie chimique.
“Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur ce qui régit la forme de l’ADN”, a déclaré le co-auteur Erik Stricker, étudiant diplômé en pédiatrie-oncologie. “Nous proposons que les variations de ces nouvelles formes d’ADN pourraient avoir des applications potentielles en nanotechnologie, telles que la thérapie génique.”
“Notre étude transforme l’ADN d’une biomolécule passive en une biomolécule active”, a déclaré la co-auteure Hilda Chan, étudiante diplômée du programme de formation des scientifiques médicaux. “Nos résultats stimulent les travaux futurs sur la façon dont l’ADN peut utiliser sa forme pour régir l’accessibilité à des séquences spécifiques dans diverses situations, comme en réponse à des médicaments, une infection ou des points du cycle cellulaire.”
Référence : « Le supercoiling et le bouclage favorisent l’accessibilité et la coordination des bases d’ADN entre les sites distants » 28 septembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25936-2
Ce travail a été financé en partie par les National Institutes of Health subventions R56 AI054830 et R01 GM115501.
