Les scientifiques déterminent la structure d’un « premier intervenant » endommagé par l’ADN

L’ADN est souvent assimilé à un plan. La séquence particulière de As, Cs, Gs et Ts dans l’ADN fournit des informations pour la construction d’un organisme.

Ce qui n’est pas capturé par cette analogie, c’est le fait que notre ADN nécessite un entretien constant pour maintenir son intégrité. S’il n’y avait pas de machines dédiées à la réparation de l’ADN qui corrigent régulièrement les erreurs, les informations contenues dans l’ADN seraient rapidement dégradées.

Cette réparation se produit aux points de contrôle du cycle cellulaire qui sont activés en réponse aux dommages à l’ADN. Comme un agent d’assurance qualité sur une chaîne de montage, les protéines qui participent au point de contrôle des dommages à l’ADN évaluent l’ADN de la cellule pour détecter les erreurs et, si nécessaire, suspendent la division cellulaire et effectuent des réparations. Lorsque ce point de contrôle tombe en panne, ce qui peut se produire à la suite de mutations génétiques, les dommages à l’ADN s’accumulent et le résultat est souvent un cancer.

Bien que les scientifiques aient beaucoup appris sur les dommages et la réparation de l’ADN au cours des 50 dernières années, d’importantes questions restent en suspens. Une énigme particulièrement troublante est de savoir comment une protéine de réparation appelée pince 9-1-1 – un « premier intervenant » des dommages à l’ADN – se fixe au site d’un brin d’ADN cassé pour activer le point de contrôle des dommages à l’ADN.

« Nous savons que cet attachement est une étape cruciale nécessaire pour lancer un programme de réparation efficace », déclare Dirk Remus, biologiste moléculaire au Sloan Kettering Institute (SKI) qui étudie les principes fondamentaux de la réplication et de la réparation de l’ADN. « Mais les mécanismes impliqués sont complètement obscurs. »

Maintenant, grâce à une collaboration entre le laboratoire du Dr Remus et celui du biologiste structural de SKI, Richard Hite, une image claire de la façon dont la pince 9-1-1 est recrutée sur les sites de dommages à l’ADN a émergé. Les résultats, qui défient les idées reçues dans le domaine, ont été publiés le 21 mars 2022 dans la revue Biologie structurale et moléculaire de la nature.

Des expertises complémentaires donnent des résultats surprenants

Les découvertes sont nées d’une collaboration entre deux laboratoires aux expertises complémentaires. Le laboratoire du Dr Remus utilise des méthodes biochimiques pour étudier le processus de réplication et de réparation de l’ADN. L’un des principaux objectifs de ses recherches au cours des dernières années a été de reconstituer l’ensemble du processus de réplication et de réparation de l’ADN dans un tube à essai, à l’exception d’une cellule environnante.

À la suite de cet effort, son laboratoire a purifié plusieurs composants de la machinerie de réparation, y compris les protéines 9-1-1 et les protéines qui facilitent la liaison du 9-1-1 à l’ADN.

Le Dr Remus s’est rendu compte que si ces complexes pouvaient être visualisés à une résolution atomique, ils fourniraient un ensemble d’images d’arrêt sur image des étapes individuelles du processus de réparation. C’est alors qu’il s’est tourné vers le laboratoire du Dr Hite pour obtenir de l’aide.

« J’ai dit : « Nous avons ce complexe ; pouvez-vous nous aider à déterminer sa structure moléculaire pour comprendre comment il fonctionne ? » Et c’est ce qu’il a fait. »

Le Dr Hite est un biologiste structural spécialisé dans l’utilisation d’une technique appelée cryo-microscopie électronique (cryo-EM), qui permet l’étude des protéines et des assemblages de protéines en visualisant leurs mouvements à grain fin à des résolutions qui peuvent révéler les positions des acides aminés individuels. acides dans les protéines. Tout comme les engrenages et les leviers d’une machine, ce sont ces mouvements d’acides aminés qui permettent aux protéines de servir de bêtes de somme à la cellule, y compris celles qui réparent l’ADN.

« Lorsque Dirk est venu nous voir, nous avons réalisé que bon nombre des outils développés par notre laboratoire au cours des dernières années étaient parfaitement adaptés pour répondre à cette question », déclare le Dr Hite. « En utilisant la cryo-EM, nous sommes en mesure de déterminer non seulement une structure, mais un ensemble de structures. En rassemblant ces structures dans un schéma logique, basé sur les nouvelles données et les données biochimiques précédentes, nous pouvons proposer une proposition de comment fonctionne cette pince. »

Ils l’ont fait, et les résultats ont été surprenants.

« Le modèle que nous avons développé avait des caractéristiques intéressantes qui contredisaient ce que l’on pensait auparavant être la façon dont ces types de pinces sont chargées sur l’ADN », explique le Dr Hite.

« Lorsque Rich a produit la structure pour la première fois, j’ai pensé qu’il s’était trompé parce que c’était contre toutes les attentes », ajoute le Dr Remus. « Maintenant, avec le recul, tout est parfaitement logique. »

Un nouveau modèle pour ouvrir et fermer une pince à ADN autour de l’ADN

La pince 9-1-1 a la forme d’un anneau. Pour remplir sa fonction, il doit entourer l’ADN cassé à la jonction entre une extrémité exposée d’un brin d’un morceau d’ADN double brin attenant à un brin simple. Par conséquent, la structure en anneau de la pince 9-1-1 doit s’ouvrir pour permettre à l’ADN simple brin de se balancer au centre de la pince, puis de se refermer autour de celle-ci. Cela ne se produit pas spontanément mais est facilité par un autre complexe protéique, appelé complexe clamp loader.

« D’après toutes les études antérieures, on avait pensé que les pinces s’ouvriraient à la manière d’une rondelle de blocage, où essentiellement les deux extrémités ouvertes de la pince tourneraient hors du plan pour créer un espace étroit », explique le Dr Remus. « Mais ce que Rich a observé, c’est que la pince 9-1-1 s’ouvre beaucoup plus largement que prévu, et qu’elle s’ouvre complètement dans le plan – il n’y a pas de torsion comme dans le scénario de la rondelle de blocage. »

Les scientifiques soulignent que le modèle de la rondelle de blocage existe depuis deux décennies et a été le paradigme directeur dans le domaine de la façon dont une pince est chargée autour de l’ADN. Mais dans ce cas, c’est faux.

Une autre surprise a été qu’il a été observé que le complexe de chargeur de pince 9-1-1 se lie à l’ADN dans l’orientation opposée à celle d’autres complexes de chargeur de pince qui agissent sur l’ADN non endommagé pendant la réplication normale de l’ADN. Cette observation explique comment le 9-1-1 est spécifiquement recruté sur les sites de dommages à l’ADN.

De la recherche fondamentale à la recherche translationnelle

En plus de fournir une réponse satisfaisante à un casse-tête biologique fondamental, le Dr Remus pense que la recherche pourrait éventuellement conduire à de meilleurs médicaments contre le cancer.

De nombreux médicaments de chimiothérapie existants agissent en interférant avec la réplication de l’ADN des cellules cancéreuses et en générant le type de dommage à l’ADN qui est normalement réparé par les processus de réparation provoqués par la pince 9-1-1. Étant donné que les cellules cancéreuses ont déjà une capacité réduite à réparer les dommages à l’ADN, l’ajout de médicaments de chimiothérapie endommageant l’ADN peut submerger la capacité des cellules à réparer leur ADN, et donc elles meurent. (C’est ainsi que fonctionnent les médicaments appelés inhibiteurs de PARP, par exemple.)

Grâce à ces nouvelles connaissances sur la façon dont le 9-1-1 interagit avec d’autres protéines de réparation et avec l’ADN, les scientifiques pourraient potentiellement concevoir des médicaments qui interfèrent spécifiquement avec cette étape du processus de réparation, rendant les médicaments de chimiothérapie encore plus efficaces.

« L’un des grands avantages de travailler ici à SKI est que la recherche fondamentale d’un scientifique peut être le point de départ d’études translationnelles qui mènent finalement à de meilleurs traitements », déclare le Dr Hite.