Lorsque les cellules se reproduisent, les mécanismes internes qui copient l’ADN réussissent presque à chaque fois. Les bioscientifiques de l’Université Rice ont découvert un petit détail qui aide à comprendre comment le processus pourrait mal tourner.
Leur étude des enzymes a révélé la présence d’un ion métallique central essentiel à la réplication de l’ADN semble également être impliqué dans la mauvaise incorporation, l’ordre défectueux des nucléotides sur de nouveaux brins.
L’observation rapportée dans Communication Nature pourrait aider à trouver des traitements pour les mutations génétiques et les maladies qu’elles provoquent, y compris le cancer.
Le biologiste structurel du riz Yang Gao, l’étudiant diplômé Caleb Chang et l’ancienne élève Christie Lee Luo ont utilisé la cristallographie résolue dans le temps pour analyser les enzymes flexibles appelées polymérases lorsqu’elles se plient et se tordent pour réassembler rapidement des brins complets d’ADN à partir d’un pool de C, G, A et T nucléotides.
Toutes les protéines impliquées dans la réplication de l’ADN reposent sur des ions métalliques – magnésium ou manganèse – pour catalyser le transfert des nucléotides vers leurs positions appropriées le long du brin, mais la question de savoir s’il y avait deux ou trois ions impliqués a longtemps été un sujet de débat.
L’équipe de Rice semble avoir réglé cela en étudiant une polymérase connue sous le nom d’eta, une enzyme de synthèse de la translésion qui protège contre les lésions induites par les ultraviolets. Selon les chercheurs, les personnes présentant des mutations sur le gène poly-eta ont souvent une prédisposition au xeroderma pigmentosum et au cancer de la peau.
Gao a déclaré que les polymérases typiques ressemblent à une forme de droitier, et il les considère en termes de main réelle : « Ils ont un domaine de paume qui contient le site actif, un domaine de doigt qui se ferme pour interagir avec la nouvelle paire de bases, et un domaine du pouce qui lie l’ADN amorce/matrice », a-t-il déclaré.
Dans ce modèle, lorsque le substrat incorrect, dGTP, pénètre dans l’enzyme avec le premier ion métallique, l’amorce se retourne et se désaligne avec sa cible, un atome de phosphate sur le substrat dGTP. Dans cet état, le substrat dGTP et le modèle dT incorrects forment une forme anormale, appelée paire de bases oscillante. Ensuite, le deuxième ion métallique tire l’amorce en alignement avec sa cible. Lorsque l’amorce commence à s’aligner, le troisième ion métallique se lie à proximité de deux atomes d’oxygène sur la région phosphate du substrat dGTP. Ensuite, le troisième ion métallique intercepte ces deux oxygènes, rompant cette liaison tout en formant simultanément une liaison entre l’amorce et le substrat incorrect. 1 crédit
Mais jusqu’à présent, les scientifiques ne pouvaient que deviner certains détails du mécanisme bien caché par lequel les polymérases font leur travail, et parfois échouent. Le type de cristallographie résolue en temps utilisé dans le laboratoire de Gao a permis aux chercheurs d’analyser des protéines cristallisées à 34 étapes intermédiaires pour définir les positions de leurs atomes avant, pendant et après la synthèse de l’ADN.
« Cette réaction cinétique est difficile à capturer car il y a beaucoup d’atomes et ils fonctionnent très vite », a déclaré Gao, professeur adjoint de biosciences qui a rejoint Rice en tant que boursier CPRIT en 2019. « Nous n’avons jamais su comment les atomes se déplacent ensemble. parce que l’information spatiale manquait. La congélation des protéines et d’un substrat de petite molécule nous permet de capturer cette réaction catalytique pour la première fois.
L’étude a conduit à leur théorie selon laquelle le premier des trois atomes métalliques d’eta supporte la liaison des nucléotides, et le second est la clé pour maintenir le nucléotide et l’amorce sur la bonne voie en stabilisant la liaison des nucléotides libres à l’amorce située sur la moitié existante de le nouveau brin (alias le substrat). Les amorces sont de courts brins d’ADN qui marquent l’endroit où les polymérases commencent à enchaîner de nouveaux nucléotides.
« Ce n’est que lorsque les deux premiers ions métalliques sont en échec que le troisième peut venir et conduire la réaction à la maison », a déclaré Chang, suggérant que le processus pourrait être universel parmi les polymérases.
Les chercheurs ont également noté que poly-eta contient un motif qui le rend sujet au désalignement des amorces, ce qui augmente les risques de mauvaise incorporation.
« Il s’agit, premièrement, d’un mécanisme de base de la vie », a déclaré Gao. « L’ADN doit être copié avec précision, et les erreurs peuvent entraîner des maladies humaines. Les personnes qui étudient ces enzymes savent que pour la synthèse de l’ADN, elles font toujours beaucoup, beaucoup mieux qu’elles ne le devraient, car la quantité d’énergie disponible est très limitée. la bonne paire de bases. »
Pour Gao, le vrai point à retenir est de prouver la capacité de la cristallographie résolue en temps à observer un processus catalytique entier dans les détails atomiques.
« Cela nous permet de voir exactement ce qui se passe dans un processus catalytique dynamique au fil du temps », a-t-il déclaré.
Caleb Chang et al, dans l’observation cristallo de la mauvaise incorporation de l’ADN polymérase favorisée par trois ions métalliques, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30005-3