Les boucles d'ADN au service de la réparation du génome

Publié par Isabelle le 20/02/2021 à 13:00
Source: CNRS INSB
Suite à l'apparition d'une cassure double-brin dans l'ADN, la chromatine qui entoure ce dommage est modifiée sur un grand domaine de l'ordre d'un million de paires de bases, constituant ainsi un foyer de réparation qui permet la prise en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de la cassure (En minéralogie, la cassure désigne l'aspect de la surface d'un minéral qui,...). En étudiant l'organisation (Une organisation est) spatiale de la chromatine par des techniques de Capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) de Conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent....) des Chromosomes, les scientifiques ont montré que les domaines génomiques riches en interactions appelés TAD sont des unités fonctionnelles de la réponse aux cassures de l'ADN.

Ces travaux, publiés dans la revue Nature, mettent en évidence que le processus d'établissement des TAD par extrusion de boucle joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle majeur dans la formation rapide de ces foyers favorables à la réparation de l'ADN.


Le processus d'extrusion de boucle de chromatine médié par les cohésines aux DSB assure l'établissement des foyers de réparation.

(a) Les phénomènes d'extrusion de boucle réalisés par les cohésines se produisent en continu sur le génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une...). L'apparition d'une cassure double-brin dans l'ADN (DSB) provoque un blocage de ces processus en cours, conduisant à une accumulation des cohésines aux DSB.

(b) Les cohésines, bloquées d'un côté par la DSB, assurent un processus d'extrusion de boucle unidirectionnel et ancré à la DSB. La kinase ATM, qui n'est recrutée que localement aux DSB, phosphoryle H2AX pour former gamma-H2AX à mesure que les nucléosomes sont extrudés.

(c) Le même processus se produit de chaque côté des DSB, permettant des phénomènes d'extrusion de boucle unidirectionnels et divergents, et donc un établissement bidirectionnel de gamma-H2AX.

(d) Ces processus d'extrusion de boucle s'arrêtent lorsque les cohésines rencontrent des éléments frontières forts. Puisque la vitesse (On distingue :) d'extrusion de boucle de chromatine mesurée in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus...) peut atteindre 0,5-2 kb/sec, ce mécanisme pourrait permettre de phosphoryler H2AX sur un TAD entier (~ 1-2 Mb) en 10-30 min, permettant la mise en place rapide des foyers de réparation.

Les cassures double-brin de l'ADN (DSB pour Double-Strand Break) sont des dommages extrêmement toxiques et leur réparation est donc essentielle pour préserver l'intégrité des chromosomes. En réponse à l'apparition d'une DSB dans le génome, la kinase ATM permet en quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...) la phosphorylation du variant d'histone H2AX sur un domaine chromatinien de très grande taille, de l'ordre d'une mégabase (un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de paires de bases), qui constituera ainsi un foyer de réparation. Néanmoins, la façon dont ces foyers sont assemblés aussi rapidement pour établir un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) qui soit favorable à la réparation des cassures de l'ADN restait encore largement méconnue.

Le génome est organisé en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) dans le noyau des cellules et l'ADN, en association avec des protéines (les histones) forme une structure complexe appelée chromatine. Les TAD (pour Topologically Associating Domains) sont des domaines enrichis en interactions chromatiniennes qui correspondent chacun à une unité clé de cette organisation de la chromatine. Il a été proposé que les TAD émergent d'un processus d'"extrusion de boucle". Selon ce modèle, une fois associé à la chromatine, l'anneau de cohésines entoure l'ADN pour former une boucle, qui s'élargit progressivement à mesure que les cohésines extrudent activement l'ADN. Ce processus prend fin lorsque les cohésines rencontrent des séquences particulières appelées "éléments frontières forts" qui marquent les limites du TAD.

Ces boucles d'ADN sont omniprésentes sur le génome humain et différentes études ont mis en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) un rôle fonctionnel de l'organisation de l'ADN en TAD dans des processus tels que la transcription ou la réplication. Toutefois, le rôle des TAD et de leur mécanisme de formation par extrusion de boucle n'avait pas encore été impliqué dans la réparation de l'ADN.

Pour répondre à ces interrogations, les chercheurs ont utilisé des techniques de capture de conformation des chromosomes qui permettent de connaitre respectivement les interactions chromatiniennes du génome entier ou d'un locus d'ADN spécifique avec le reste du génome. Ces technologies, combinées à un système cellulaire dans lequel il est possible d'induire un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) constant de DSB à des positions connues et annotées du génome (modèle DIvA), ont permis de mettre en évidence un rôle majeur de la conformation de la chromatine par extrusion de boucle dans la réparation des DSB. En effet, les chercheurs ont montré que la phosphorylation de l'histone H2AX sur la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'un TAD entier est permise grâce à un processus d'extrusion de boucle de chromatine dépendant des cohésines et ayant lieu de part et d'autre de chaque DSB.

Les auteurs proposent ainsi un nouveau modèle permettant d'expliquer d'une part, comment sont assemblés les foyers de réparation, et d'autre part, la rapidité de cet assemblage, et impliquant les TAD comme unités fonctionnelles de la réponse cellulaire aux dommages à l'ADN.

Ces travaux ont permis de montrer le rôle majeur de la conformation des chromosomes dans la maintenance de l'intégrité du génome tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en mettant en évidence pour la première fois un exemple de modification de la chromatine grâce au processus d'extrusion de boucle.

Pour en savoir plus:
Loop extrusion as a mechanism for formation of DNA damage repair foci.
Arnould C, Rocher V, Finoux AL, Clouaire T, Li K, Zhou F, Caron P, Mangeot PE, Ricci EP, Mourad R, Haber JE, Noordermeer D, Legube G.
Nature. 2021 Feb 17. doi: 10.1038/s41586-021-03193-z. Online ahead of print.

Laboratoire:
Centre de Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) Intégrative (CBI) de Toulouse (CNRS/Université Paul Sabatier)
169 Avenue (Une avenue est une grande voie urbaine. Elle est en principe plantée d'arbres, et conduit à un...) Marianne Grunberg-Manago. - 31062 Toulouse Cedex 9.

Contact:
Gaëlle Legube - Chercheuse CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) à l' Unité de biologie moléculaire (La biologie moléculaire (parfois abrégée bio mol ou BM) est une discipline...), cellulaire et du développement (MCD) - gaelle.legube at univ-tlse3.fr
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