Nichée dans une petite pièce sombre du centre de cancérologie UPMC Hillman, Brittani Schnable est en expédition de pêche.
Maniant un joystick similaire à ceux utilisés par les joueurs vidéo, elle jette des perles microscopiques dans un océan de molécules, poussant et séparant les perles jusqu’à ce qu’elles finissent par attraper un brin d’ADN. Après quelques tapotements sur le clavier, un jeu de lumière commence. Une explosion de couleurs clignote sur l’écran noir comme un feu d’artifice explosant dans le ciel nocturne.
Bien que ces couleurs semblent aléatoires au premier abord, un motif commence à émerger. Des lignes de lumière bleue et rouge traversent l’écran : une protéine de réparation de l’ADN s’est liée au site endommagé.
Schnable, un doctorat. étudiant du laboratoire du Dr Bennett Van Houten à l’Université de Pittsburgh, utilise une technologie de pointe appelée C-trap qui manipule une seule molécule d’ADN et une nouvelle méthode – décrite cette semaine dans Recherche sur les acides nucléiques—permettant une production rapide et facile de protéines pour la visualisation d’une seule molécule.
Le nouveau système donne à Van Houten et à son équipe un niveau de détail inégalé qui les aidera à explorer comment les cellules trouvent et réparent l’ADN endommagé, des informations qui pourraient un jour être utilisées pour stopper le cancer dans son élan.
« J’aime penser aux dommages à l’ADN comme à un nid-de-poule », a déclaré Van Houten, Ph.D., professeur au département de pharmacologie et de biologie chimique de Pitt. « Dans une voie de réparation de l’ADN particulière, il faut environ 30 protéines pour passer de la recherche du nid de poule à la mise en place du patch de réparation. Bien que nous ne puissions pas observer toutes ces protéines à la fois, nous pouvons les observer deux par deux. »
Le laboratoire de Van Houten s’intéresse aux protéines réparatrices qui réparent les lésions de l’ADN causées par des facteurs environnementaux, tels que les rayons ultraviolets (UV) du soleil et les polluants environnementaux. Si ces voies de réparation se décomposent, les dommages à l’ADN peuvent contribuer au vieillissement, au cancer, à la neurodégénérescence et à d’autres maladies.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé le C-trap pour étudier comment différentes protéines de réparation de l’ADN identifient et se lient à leurs formes respectives de dommages.
Le système C-trap s’appuie sur une technologie lauréate du prix Nobel appelée pince à épiler optique, qui utilise un puissant faisceau de lumière pour saisir et déplacer des billes microscopiques jusqu’à ce qu’elles adhèrent de chaque côté d’une molécule, dans ce cas un brin d’ADN endommagé.
« Vous pouvez déplacer les deux perles ensemble et espérer que les deux extrémités de l’ADN se verrouillent sur chaque perle comme du Velcro. Lorsque vous éloignez les perles, vous pouvez réellement sentir la mesure de la force de l’ADN comme un ressort ou un élastique, » a déclaré le premier auteur Matthew Schaich, Ph.D., boursier postdoctoral au Van Houten Lab.
Une fois l’appât ADN mis en place, il est temps d’aller à la pêche aux protéines.
En collaboration avec des chercheurs de l’Université du Kent, le groupe Van Houten a développé une nouvelle méthode appelée analyse de molécule unique de protéines de liaison à l’ADN à partir d’extraits nucléaires, ou SMADNE. Cette technique permet aux utilisateurs de créer des protéines marquées par fluorescence beaucoup plus rapidement et plus facilement que les méthodes traditionnelles. À l’aide de SMADNE, les chercheurs ont extrait les protéines de réparation de l’ADN du noyau de la cellule. Ils ont ensuite introduit ces protéines dans le C-trap et analysé comment et quand elles se sont liées à l’ADN contenant divers types de dommages.
Intéressé par la relation entre deux protéines de réparation particulières, DDB1 et DDB2, qui aident à réparer les dommages causés par le soleil, Schaich a observé ces protéines apparaître et disparaître de l’ADN sous forme de taches de lumière multicolore et a étudié la façon dont elles s’approchaient et se retiraient du site de Dommages causés par les UV.
Un spectacle de lumière moléculaire : un brin d’ADN endommagé par les UV est enfilé entre deux billes sur le C-trap. Cette vidéo accélérée montre les protéines de réparation de l’ADN DDB1 (bleu) et DDB2 (rouge) se liant et se détachant des sites endommagés séparément ou ensemble (violet) pendant environ 12 minutes. Crédit : Schaich et al., 2023, Recherche sur les acides nucléiques, doi : 10.1093/nar/gkad095
« Vous avez une zone de dommages à l’ADN et vous voulez savoir comment une cellule peut l’identifier et la réparer », a expliqué Schaich. « L’une des choses les plus importantes à comprendre est de savoir qui arrive en premier. Une fois arrivé, reste-t-il pendant toute la cascade de réparation ? Transfère-t-il la réparation à une autre protéine ? Avec le C-trap, vous pouvez observer les protéines aller et venir et en apprendre beaucoup sur les ordres de montage et de démontage. »
Van Houten pense aux protéines de réparation de l’ADN comme les gens qui socialisent dans un bar.
« Deux personnes entrent dans un bar. Qui franchit la porte en premier ? Combien de temps restent-ils assis ensemble au bar, puis qui quitte le bar en premier ? Les protéines de réparation de l’ADN, comme les gens, sont dynamiques », a déclaré Van Houten.
Les chercheurs ont découvert que lorsque DDB1 et DDB2 travaillaient ensemble sur le site endommagé, ils arrivaient généralement ensemble à l’ADN et repartaient ensemble, comme prévu. Pourtant, étonnamment, ils ont également vu 11 modèles d’association et de dissociation différents avec les deux protéines arrivant et partant à des moments différents, mettant en évidence les détails incroyables que les scientifiques peuvent observer à l’aide de cette nouvelle technologie.
En plus de DDB1 et DDB2, l’équipe de Van Houten a utilisé le C-trap et SMADNE pour étudier les activités d’une pléthore de protéines de réparation de l’ADN provenant de plusieurs voies de réparation différentes dans le but d’améliorer la compréhension de ces systèmes de réparation.
En apprenant comment fonctionnent nos processus de réparation de l’ADN, les scientifiques peuvent mieux comprendre comment les perturbations de ces voies peuvent entraîner des maladies telles que le cancer et faire avancer la recherche de meilleurs traitements.
« La réparation de l’ADN est une épée à double tranchant », a expliqué Van Houten. « Si vous n’avez pas de réparation efficace, les facteurs de stress environnementaux pourraient causer suffisamment de dommages pour que le cancer se développe. D’un autre côté, de nombreux traitements contre le cancer tuent les tumeurs en ciblant les mécanismes de réparation de l’ADN. »
Van Houten et son équipe ont déposé une demande de brevet pour leur système SMADNE et continueront d’analyser les 30 protéines de cette voie de réparation des dommages causés par les UV.
« La combinaison du C-trap et de SMADNE a ouvert des opportunités infinies pour l’étude de la réparation de l’ADN. Mais quelle est la question la plus importante à laquelle nous pouvons répondre à l’aide de ce nouvel outil ? » dit Van Houten. « Pour moi, c’est connaître le rôle précis de chacune des protéines dans cette voie. »
Les autres chercheurs de l’étude étaient Namrata Kumar, Ph.D., Vera Roginskaya et Rachel Jakielski, toutes de Pitt ou UPMC; Roman Urban et Neil Kad, Ph.D., tous deux de l’Université du Kent ; et Zhou Zhong, Ph.D., de LUMICKS.
Plus d’information:
Mathew Schaich et al, Analyse d’une seule molécule de protéines de liaison à l’ADN à partir d’extraits nucléaires (SMADNE), Recherche sur les acides nucléiques (2023). DOI : 10.1093/nar/gkad095