Enzyme, les protéines travaillent ensemble pour ranger les extrémités de la queue de l’ADN dans les cellules en division

Des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison ont décrit la façon dont une enzyme et des protéines interagissent pour maintenir les coiffes protectrices, appelées télomères, à l’extrémité des chromosomes, un nouvel aperçu de la façon dont une cellule humaine préserve l’intégrité de son ADN par division cellulaire répétée .

La réplication de l’ADN est essentielle pour perpétuer la vie telle que nous la connaissons, mais de nombreuses complexités du processus – comment une myriade de biomolécules arrivent là où elles doivent aller et interagissent au cours d’une série d’étapes orchestrées de manière complexe – restent mystérieuses.

« Les mécanismes qui sous-tendent le fonctionnement de cette enzyme, appelée Polα-primase, sont insaisissables depuis des décennies », déclare Ci Ji Lim, professeur adjoint de biochimie et chercheur principal sur de nouvelles recherches sur la réplication de l’ADN publiées récemment dans La nature. « Notre étude constitue une avancée majeure dans la compréhension de la synthèse de l’ADN aux extrémités des chromosomes et génère de nouvelles hypothèses sur le fonctionnement de la Polα-primase, un rouage central de la machine de réplication de l’ADN. »

Chaque fois qu’une cellule se divise, les télomères à l’extrémité de la longue molécule d’ADN qui compose un seul chromosome se raccourcissent légèrement. Les télomères protègent les chromosomes comme un aiguillet protège le bout d’un lacet. Finalement, les télomères sont si courts que le code génétique vital d’un chromosome est exposé et la cellule, incapable de fonctionner normalement, entre dans un état zombie. Une partie de l’entretien de routine d’une cellule comprend la prévention d’un raccourcissement excessif en reconstituant cet ADN à l’aide de Polα-primase.

Au site de construction des télomères, la Polα-primase construit d’abord une courte amorce d’acide nucléique (appelée ARN) puis étend cette amorce avec de l’ADN (alors appelée amorce ARN-ADN). Les scientifiques pensaient que la Polα-primase devrait modifier sa forme lorsqu’elle passerait de la synthèse d’ARN à la synthèse de molécules d’ADN. Le laboratoire de Lim a découvert que la Polα-primase fabrique l’amorce ARN-ADN au niveau des télomères en utilisant un échafaudage rigide à l’aide d’un autre rouage dans la machine de réplication des télomères, une protéine accessoire appelée CST. CST agit comme un panneau stop-and-go qui arrête l’activité d’autres enzymes et amène la Polα-primase sur le chantier de construction.

« Avant cette étude, nous devions imaginer comment Polα-primase fonctionne pour compléter la réplication des télomères aux extrémités des chromosomes », explique Lim. « Maintenant, nous avons des structures à haute résolution de Polα-primase liées à un complexe protéique accessoire appelé CST. Nous avons constaté qu’après que CST se lie au brin d’ADN matrice au niveau du télomère, il facilite l’action de Polα-primase. Ce faisant, CST ouvre la voie à la Polα-primase pour synthétiser d’abord l’ARN, puis l’ADN à l’aide d’une plate-forme architecturale unifiée. »

Les chercheurs ont également eu un aperçu de la façon dont la Polα-primase pourrait initier la synthèse d’ADN ailleurs sur la longueur d’un chromosome. D’autres scientifiques ont également découvert le complexe CST-pol-α-primase sur des sites où les dommages à l’ADN sont en cours de réparation et où la réplication de l’ADN est bloquée.

« Parce que la Polα-primase joue un rôle central et très important dans la réplication de l’ADN dans les télomères et ailleurs le long des chromosomes – c’est la seule enzyme qui fabrique des amorces sur des modèles d’ADN à partir de zéro pour la réplication de l’ADN – notre structure CST-Polα-primase fournit de nouvelles informations sur la façon dont La polα-primase peut également faire son travail lors de la réplication de l’ADN génomique », explique Lim. « C’est une solution très élégante que la nature a développée pour accomplir ce processus compliqué. »

« Nos résultats révèlent un rôle sans précédent que joue le CST dans la facilitation de cette activité Polα-primase », explique le premier auteur Qixiang He, étudiant diplômé du programme d’études supérieures en biophysique UW-Madison. « Il sera intéressant de voir si des facteurs accessoires impliqués dans la réplication de l’ADN ailleurs sur les chromosomes configurent la Polα-primase de la même manière que le CST le fait pour les télomères. »

Les chercheurs ont construit le modèle structurel de CST–Polα-primase à l’aide d’une technique d’imagerie avancée appelée analyse de particules uniques par cryo-microscopie électronique. En cryo-EM, des échantillons rapidement congelés sont suspendus dans un mince film de glace, puis imagés avec un microscope électronique à transmission, ce qui donne des modèles 3D haute résolution de biomolécules comme les enzymes à l’œuvre dans la réplication de l’ADN.

L’équipe de Lim a utilisé l’analyse de particules uniques cryo-EM pour déterminer d’abord la structure de la CST-Polα-primase, puis se concentrer sur la visualisation plus détaillée des parties mobiles du complexe. Ils ont recueilli des données au Centre de recherche en microscopie électronique UW-Madison (CEMRC), hébergé dans le Département de biochimie UW-Madison, et au National Cryo-Electron Microscopy Facility financé par le NCI au Frederick National Laboratory for Cancer Research.

« Nous avons commencé avec une énigme de notre test biochimique, mais une fois que nous avons imagé le co-complexe CST-pol-α-primase et vu ses structures cryo-EM, tout est immédiatement devenu clair. C’était extrêmement satisfaisant pour tous les membres de l’équipe. Au-delà cela, les structures fournissent également des idées que nous pouvons maintenant concevoir des expériences à tester », explique Xiuhua Lin, responsable du laboratoire et co-auteur de la nouvelle étude.

Parmi ces idées, citons le fonctionnement plus détaillé de CST–pol-α/primase. Les chercheurs veulent également cartographier l’ensemble du processus de réplication des télomères humains et étudient comment la CST–pol-α/primase met fin à son activité une fois que l’ADN des télomères est copié.

« Vous ne pouvez pas vraiment étudier comment une voiture se déplace en regardant ses pièces individuelles – vous devez assembler les pièces et observer comment elles fonctionnent ensemble. Mais les machines biomoléculaires ont souvent tellement de pièces mobiles qu’il peut être difficile d’étudier », Lim dit. « C’est là qu’interviennent la puissance et la polyvalence de l’analyse de particules uniques par cryo-microscopie électronique. Cette approche nous a permis de créer un modèle atomique à haute résolution et a fourni des informations essentielles sur la façon dont il se déplace, ce qui à son tour a facilité notre compréhension de la façon dont le la CST-Polα-primase humaine fonctionne. »