Mécanismes physiques expliquant les changements de torsion de l’ADN et de l’ARN

La structure en double hélice de l’ADN est déformée par des stimuli environnementaux, qui affecteront alors l’expression des gènes et déclencheront éventuellement une séquence de processus cellulaires. Des recherches récentes menées par un physicien de la City University of Hong Kong (CityU) ont observé d’importantes déformations de l’ADN par les ions et les changements de température. Les chercheurs ont développé un modèle physique simple pour expliquer les déformations de l’ADN. Ces résultats fournissent de nouvelles informations sur les mécanismes moléculaires des réponses cellulaires aux ions et aux changements de température et peuvent être utilisés pour contrôler l’expression des gènes à l’aide des ions et de la température.

Effets des changements de torsion de l’ADN sur l’expression des gènes

La recherche, qui a été co-dirigée par le Dr Dai Liang, professeur adjoint du Département de physique, CityU et ses collaborateurs de l’Université de Wuhan, se concentre sur les changements de torsion de l’ADN lors des déformations de l’ADN, car la torsion est un paramètre structurel clé de l’ADN. double hélice. L’augmentation de l’angle de torsion de l’ADN (surenroulement) conduit non seulement à la formation de superbobines d’ADN, mais augmente également le coût énergétique de la décompression de l’ADN et supprime donc l’expression des gènes. Notez qu’une étape clé de l’expression génique consiste à décompresser un ADN double brin en deux ADN simple brin afin que la séquence d’ADN puisse être lue. D’autre part, la diminution du nombre de torsions de l’ADN (déroulement) favorise l’expression des gènes. « Le contrôle actif de l’angle de torsion de l’ADN, ou superbobines d’ADN, est utilisé par les bactéries pour réguler l’expression des gènes », a expliqué le Dr Dai.

Observation des changements de torsion de l’ADN avec le sel et la température

Dans leurs recherches, le Dr Dai et ses collaborateurs ont observé des changements substantiels de torsion de l’ADN lors de la variation de la concentration en sel et de la température. Leurs expériences montrent que la torsion de l’ADN augmente avec la concentration croissante de chlorure de sodium (NaCl) et de chlorure de potassium (KCl).

Percé le mystère du mécanisme de changement de torsion

Après avoir observé les résultats intrigants des changements de torsion induits par le sel, les chercheurs ont été motivés pour découvrir les mécanismes physiques. Le Dr Dai a souligné que les mécanismes pertinents ne sont pas simples en raison des diverses interactions dans l’ADN, telles que les liaisons hydrogène, l’empilement de bases et les interactions électrostatiques. La variation de la concentration en sel modifie de nombreuses interactions dans l’ADN. Ces interactions affectent la torsion de l’ADN par différentes voies et rendent le changement de torsion final insaisissable.

Le Dr Dai et ses collaborateurs ont en quelque sorte résolu l’affaire. Ils ont développé un modèle physique simple pour révéler le mécanisme de changement de torsion induit par le sel. « Nous avons constaté que plus de sel renforce le dépistage de la répulsion électrostatique inter-brins et diminue donc le diamètre de l’ADN, ce qui augmente finalement la torsion », a ajouté le Dr Dai.

De plus, le même modèle physique explique quantitativement les changements de torsion de l’ADN induits par la température. Sur la base de la formule analytique du modèle physique, l’équipe de recherche a dérivé la variation de la torsion de l’ADN induite par le changement de température et a constaté qu’elle correspondait quantitativement aux résultats de l’expérience. Cela signifie que deux phénomènes indépendants, les changements de torsion de l’ADN induits par le sel et la température, sont entraînés par le même mécanisme.

Leur expérience a confirmé qu’une augmentation de température de 1 °C entraîne une diminution de la torsion de l’ADN de 0,01 degré par paire de bases. « Ne négligez pas ce » 0,01 degré « , un si petit changement de torsion par paire de bases peut s’accumuler le long d’un long ADN, disons 1 million de paires de bases, et provoquer 10 000 degrés de rotation d’environ 28 tours complets, ce qui conduirait à un complexe supercoil », a déclaré le Dr Dai.

Les résultats ont été publiés dans la revue académique Avancées scientifiques.

Un mécanisme unifié pour les changements de torsion induits par la force dans l’ADN et l’ARN

Dr Dai, le professeur Zhang a mené une autre étude connexe avec le professeur Tan Zhijie, également de l’Université de Wuhan. Finalement, ils ont résolu un mystère qui existait depuis de nombreuses années : comment la torsion de l’ADN ou de l’ARN change-t-elle lors de l’étirement ?

« La réponse continue d’évoluer au cours des deux dernières décennies », a déclaré le Dr Dai. Les scientifiques s’attendaient à ce que l’étirement diminue la torsion de l’ADN. Cependant, une expérience en 2006 a observé une tendance contre-intuitive : l’étirement augmente la torsion de l’ADN. Plus tard en 2014, une autre expérience a observé que l’étirement diminue la torsion de l’ARN, une tendance opposée par rapport à l’ADN. « Cette observation est très surprenante, étant donné que l’ARN et l’ADN double brin partagent des structures similaires mais s’avèrent présenter des réponses opposées », a déclaré le Dr Dai.

Après une analyse minutieuse des changements de torsion induits par la force dans l’ADN et l’ARN dans diverses conditions, l’équipe a découvert que l’étirement peut à la fois augmenter et diminuer la torsion de l’ADN et de l’ARN, ce qui dépend de la situation de l’ADN ou de l’ARN. « Fondamentalement, il existe quatre scénarios pour l’ADN et l’ARN sous étirement, alors que les études précédentes n’ont observé que certains de ces quatre », a conclu le Dr Dai.

L’équipe a proposé un mécanisme unifié pour expliquer ces quatre scénarios. L’étirement de l’ADN canonique et de l’ARN compressé les ferait se tordre davantage; en revanche, pour l’ADN allongé et l’ARN canonique, l’étirement les ferait moins se tordre.

Leurs conclusions ont été publiées dans la revue académique Lettres d’examen physique.