Negative supercoiling facilitates human TOP3α-mediated decatenation of DNA braids via catenation junction melting
Cette étude démontre que la superenroulement négatif facilite la décaténation de tresses d'ADN par la protéine humaine TOP3α en induisant une fusion locale des duplex au niveau des jonctions de croisement, générant ainsi des substrats d'ADN simple brin accessibles à la topoisomérase de type IA et à ses partenaires régulateurs.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Chaque fois qu'une cellule se divise, elle doit faire une copie exacte de son code génétique, une longue échelle torsadée d'ADN. À mesure que la machinerie de copie se déplace le long du brin, elle crée une nouvelle paire d'échelles qui sont initialement entrelacées, comme deux brins d'une corde qui auraient été tordus ensemble. Avant que la cellule ne puisse se diviser en deux, ces brins emmêlés doivent être complètement démêlés. S'ils restent liés, les chromosomes ne peuvent pas se séparer et la cellule ne peut pas se diviser correctement. Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que seule une classe spécifique d'enzymes, connues sous le nom de topoisomérases de type II, pouvait accomplir ce travail de force. Ces enzymes fonctionnent comme des ciseaux moléculaires qui coupent les deux brins de l'échelle d'ADN, font passer l'autre brin à travers l'ouverture, puis resoudent la coupure. Ce mécanisme de coupure double brin semblait essentiel pour démêler deux molécules d'ADN double brin entièrement formées.
Cependant, une autre classe d'enzymes, appelées topoisomérases de type IA, fonctionne différemment. Ces enzymes ne peuvent couper qu'un seul brin de l'échelle d'ADN. Comme elles ne peuvent pas couper les deux côtés de la double hélice à la fois, on pensait qu'elles étaient incapables de démêler deux molécules d'ADN complètes et intactes. Elles semblaient limitées à travailler sur des brins simples ou des lacunes spécifiques dans l'ADN. Cela créait un casse-tête : si les cellules comptent sur ces coupeurs de brin simple pour certaines tâches, comment démêlent-elles les nœs complexes formés entre deux brins d'ADN complets ? La question était de savoir s'il existait un moyen pour que l'état physique de l'ADN lui-même change les règles, permettant à ces coupeurs de brin simple d'accomplir le travail habituellement réservé aux coupeurs de double brin.
Des chercheurs du Laboratoire de sciences médicales du MRC à Londres ont entrepris de répondre à cette question en observant le processus se produire en temps réel. Ils ont utilisé un dispositif sophistiqué impliquant des pinces optiques, qui sont essentiellement des faisceaux de lumière capables de saisir et de tirer sur de petits objets. Dans ce cas, les objets étaient des billes microscopiques attachées à de longs brins d'ADN. En manipulant ces billes, les scientifiques pouvaient tordre l'ADN, l'étirer et créer des nœuds spécifiques, appelés tresses, où deux molécules d'ADN se croisent. Ils ont ensuite introduit le complexe enzymatique humain connu sous le nom de TOP3α, ainsi que ses protéines auxiliaires RMI1 et RMI2, pour voir s'il pouvait démêler ces nœuds.
L'équipe a découvert que la clé pour déverrouiller ce processus n'était pas un changement de l'enzyme, mais un changement de la tension et de la torsion de l'ADN lui-même. Lorsque les brins d'ADN étaient relâchés et maintenus dans un état standard, non torsadé, le complexe enzymatique ne pouvait pas démêler les nœuds. Les brins d'ADN restaient verrouillés ensemble, et l'enzyme ne parvenait tout simplement pas à s'y introduire. Cependant, lorsque les chercheurs ont introduit une superhélice négative — un type spécifique de torsion qui stocke de l'énergie dans l'ADN — la situation a radicalement changé. Une superhélice négative est un état où l'ADN est sous-torsadé, créant une contrainte torsionnelle qui cherche à se dérouler.
Sous cette contrainte, quelque chose de remarquable s'est produit exactement au point où les deux brins d'ADN se croisaient. La force de torsion a provoqué la fusion ou l'ouverture locale de la double hélice précisément au point de croisement. Cette fusion a créé une minuscule bulle temporaire d'ADN simple brin. Bien que le reste de la molécule soit resté une double hélice robuste, cette petite ouverture était suffisante pour que l'enzyme TOP3α puisse s'y accrocher. Une fois que l'enzyme s'est fixée sur cette bulle simple brin, elle a pu accomplir sa fonction habituelle : couper le brin simple, faire passer l'autre molécule d'ADN à travers l'ouverture, puis la resouder. Cette action a réussi à démêler les deux brins d'ADN.
Les chercheurs ont constaté que ce processus était très efficace. Lorsque l'ADN était sous superhélice négative, le complexe enzymatique démêlait les nœuds en quelques secondes, même lorsque l'ADN était tiré avec une force significative. En revanche, lorsque l'ADN était relâché, l'enzyme ne parvenait pas à démêler les nœuds et provoquait souvent la rupture des brins d'ADN. L'étude a également montré qu'une protéine appelée RPA, qui se lie naturellement à l'ADN simple brin, aidait le processus en stabilisant ces minuscules bulles de fusion, facilitant ainsi le travail de l'enzyme. Une autre protéine auxiliaire, RMI2, améliorait l'efficacité de la réaction, bien que le complexe enzymatique central puisse toujours fonctionner sans elle.
Pour confirmer que l'enzyme utilisait bien l'ouverture simple brin pour démêler l'ADN, l'équipe a créé un test spécial. Ils ont utilisé un brin d'ADN présentant déjà une lacune préexistante — une section manquante de l'un des côtés de l'échelle — et l'ont enroulé autour d'un autre brin d'ADN normal et intact. Même sans force de torsion pour créer une nouvelle bulle, l'enzyme a réussi à démêler les deux brins. Cela a prouvé que l'enzyme n'a pas besoin de couper les deux brins de l'ADN ; elle a seulement besoin d'accéder à un seul brin, ce qui peut être fourni soit par une lacune préexistante, soit par la fusion locale causée par la contrainte de torsion.
Ces résultats suggèrent que l'environnement physique de l'ADN détermine quelle enzyme effectue le travail. Dans un état relâché, l'ADN est trop serré pour que le coupeur de brin simple puisse y pénétrer, et la cellule doit donc compter sur le coupeur de double brin. Mais lorsque l'ADN est sous contrainte torsionnelle, comme lors de la réplication ou lorsque les chromosomes sont tirés, la contrainte peut forcer l'ADN à s'ouvrir juste assez pour permettre au coupeur de brin simple d'intervenir. Cela fournit un mécanisme physique qui lie l'état mécanique de l'ADN à la voie enzymatique utilisée pour le résoudre. L'étude révèle que la cellule n'a pas besoin de compter sur un seul outil pour chaque tâche ; au lieu de cela, la tension et la torsion de l'ADN peuvent transformer un nœs verrouillé en un puzzle soluble, permettant à différentes enzymes de travailler ensemble pour assurer la transmission fidèle de l'information génétique.
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