Nos cellules réalisent une merveille d’ingénierie lorsqu’il s’agit de regrouper des informations dans de petits espaces. Chaque fois qu’une cellule se divise, elle regroupe 4 mètres d’ADN en 46 minuscules paquets, dont chacun ne mesure que quelques millionièmes de mètre de long. Des chercheurs de l’EMBL Heidelberg et de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg ont maintenant découvert comment une famille de protéines motrices de l’ADN réussit à emballer des brins d’ADN disposés de manière lâche dans des chromosomes individuels compacts pendant la division cellulaire.
Les chercheurs ont étudié la condensine, un complexe protéique essentiel au processus de formation des chromosomes. Bien que ce complexe ait été découvert il y a plus de trois décennies, son mode d’action est resté largement inexploré. En 2018, des chercheurs du groupe Häring de l’EMBL Heidelberg et leurs collaborateurs ont montré que les molécules de condensine créent des boucles d’ADN, ce qui peut expliquer la formation des chromosomes. Cependant, le fonctionnement interne par lequel le complexe protéique réalise cet exploit est resté inconnu.
« Nous travaillons sur ce problème depuis longtemps. Mais ce n’est que maintenant, en combinant différentes approches expérimentales, que nous avons trouvé une réponse à cette question de longue date », a déclaré Christian Häring, ancien chef de groupe à l’EMBL Heidelberg et maintenant professeur à la Julius-Maximilians-Universität Würzburg.
Grâce à des expériences méticuleusement conçues, dont certaines impliquaient l’observation et la manipulation de molécules de condensine uniques alors qu’elles étaient en train de former des boucles d’ADN, les chercheurs ont découvert comment différentes parties du complexe agissent collectivement comme une machine moléculaire : une partie maintient l’ADN stable, comme une ancre, tandis que l’autre agit comme un moteur qui fait avancer l’ADN, créant ainsi une large boucle.
Comme d’autres protéines motrices, la condensine fait des « étapes » le long de l’ADN, brûlant de l’énergie cellulaire sous forme d’ATP. Cependant, ces étapes sont plus de 500 fois plus longues que les étapes effectuées par d’autres protéines motrices de l’ADN, même si la quantité d’énergie utilisée est à peu près la même. « C’est comme une voiture de course de formule 1 avec l’efficacité énergétique d’un vélo électrique », a déclaré Indra Shaltiel, le premier auteur.
« Les progrès des techniques de cryo-microscopie électronique nous ont permis de visualiser ce mécanisme complexe avec des détails sans précédent », a déclaré Sebastian Eustermann, chef de groupe à l’EMBL Heidelberg et auteur principal de l’étude publiée dans La science. « Nous pourrions capturer la condensine en action et dériver une chorégraphie moléculaire de la façon dont l’ATP alimente son activité motrice – une étape clé vers la compréhension de la formation de la boucle d’ADN. Des boucles similaires et des machines moléculaires associées ont été impliquées dans divers processus génomiques, y compris le contrôle de la façon dont les gènes sont activé et désactivé entre les divisions cellulaires. Par conséquent, nos découvertes peuvent avoir des implications encore plus larges.
Les condensines appartiennent à l’une des familles de protéines chromosomiques les plus anciennes du point de vue de l’évolution. La découverte de ce nouveau mécanisme ouvre ainsi un tout nouveau champ d’étude. « Les membres de la classe des protéines motrices à laquelle appartient la condensine sont probablement essentiels à toute vie sur terre », a déclaré Häring. « Il est évident que nous commençons à peine à comprendre leurs rôles et comment ils pourraient être affectés dans les conditions humaines. »
Indra A. Shaltiel et al, Un mécanisme de maintien et d’alimentation entraîne l’extrusion directionnelle de la boucle d’ADN par la condensation, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abm4012