Une nouvelle pince moléculaire pour voir en temps réel la réparation de l'ADN
Publié par Adrien le 25/05/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSB
Les cassures "double-brin" peuvent entrainer de nombreuses pathologies: déficit immunitaire combiné sévère (DICS), problèmes développementaux, cancers... Dans un article paru le 21 mai 2018 dans la revue Nature Structural and Molecular Biology, une équipe interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de biologistes et de physiciens décrit des nouvelles méthodes nanotechnologiques permettant d'observer ces cassures en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel et à l'échelle d'une seule molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant...). Ces approches permettent de suivre avec une résolution inégalée le déroulement temporel de la réaction de réparation de l'ADN.


Figure: Schéma de la "Pince Moléculaire" employée pour étudier la réparation de l'ADN. La "Pince Moléculaire" est assemblée à partir de trois segments d'ADN (bleu, magenta, rouge) et de telle sorte à ce qu'un fragment serve de "pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le franchissement supporte le passage d'hommes...)" reliant deux fragments entre eux. La pince est assemblée d'un côté à une microbille magnétique (diamètre: 1 micromètre) et de l'autre côté à une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le...) traitée. Les deux extrémités libres restantes de la pince moléculaire se font face et représentent une cassure (En minéralogie, la cassure désigne l'aspect de la surface d'un minéral qui, après avoir été soumis à une contrainte, se brise en présentant des surfaces de fractures...) double-brin d'ADN.

L'état de la cassure peut être connu en observant le comportement de la bille magnétique. En effet, on peut agir sur la bille magnétique grâce à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) généré par une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) d'aimants situés au-dessus de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :). La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) ainsi générée (flèche verte) est verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) et oriente l'ADN de façon perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la généralisation de la notion de...) à la surface, sans pour autant déformer l'ADN. L'épaisseur de la flèche représente l'intensité de la force appliquée à l'ADN. L'échantillon repose sur un microscope, permettant d'oberver la microbille magnétique et de déterminer en temps réel, par vidéomicroscopie, la position de la bille au-dessus de la surface. Ceci rend compte de l'extension de l'ADN, ce qui permet de déterminer l'état de la cassure.

Une expérience typique de réparation d'ADN comporte quatre phases. La force est initialement élevée et l'ADN est dans l'état "cassé": l'extension "bout-à-bout" de l'ADN est élevée. On éloigne les aimants, réduisant ainsi la force: ceci permet aux extrémités de l'ADN "cassé" de se rencontrer et, en présence de protéines de réparation de l'ADN (non représentées), éventuellement d'être réparées. En ramenant la force à sa valeur initiale (élevée) on peut déterminer si l'ADN est dans un état raccourci (c'est-à-dire réparé, comme représenté dans le schéma) ou dans le même état qu'au départ (c'est-à-dire cassé). Dans les cas où la réparation n'est pas complète on peut directement observer la rupture de la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") entre les extrémités de l'ADN. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) des formes entièrement et partiellement réparées permet de quantifier l'efficacité du système.
© T. Strick

En employant des méthodes de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie...) à haute résolution les chercheurs sont aujourd'hui capables d'observer et manipuler physiquement des molécules individuelles d'ADN. Ces approches permettent littéralement de tirer sur des molécules individuelles d'ADN afin de tester leur intégrité mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...); cela est relativement aisé car les molécules d'ADN sont particulièrement longues. Or, le comportement mécanique d'une molécule d'ADN cassée est totalement différent de celui d'une molécule d'ADN intacte. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme une banale corde, une molécule intacte peut résister à une force d'étirement, là où au contraire une molécule cassée n'offre aucune résistance. Les chercheurs ont développé une nouvelle molécule artificielle d'ADN qui peut ainsi être étirée afin de déterminer si elle a été réparée. Ceci leur permet de mesurer directement le temps qu'il faut pour réparer l'ADN.

En mettant cette nouvelle molécule d'ADN en présence des protéines impliquées dans la réparation des cassures double-brin chez les êtres humains, l'équipe a pu établir le rôle de chaque protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons...) dans le processus de réparation en passant au crible six protéines humaines qui s'assemblent en un grand complexe afin de réparer ces cassures. En analysant diverses combinaisons de ces six protéines, ils ont réussi à déterminer les règles hiérarchiques d'assemblage du complexe de réparation. Ils ont aussi pu comparer l'efficacité et la vitesse (On distingue :) avec laquelle agissent différents complexes ou même sous-complexes de réparation. Ces travaux représentent la première caractérisation quantitative du fonctionnement des systèmes de réparation de l'ADN.

Dans des expériences actuellement en cours l'équipe commence à étudier l'effet de drogues et médicaments sur ces systèmes de réparation. En effet, les cellules cancéreuses sont marquées par une forte instabilité génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) qui les rend particulièrement dépendantes des systèmes de réparation de l'ADN. Ainsi en inhibant temporairement ces systèmes on pourrait fragiliser de façon prioritaire des cellules tumorales. Similairement, cela pourrait permettre de limiter les mécanismes de résistance aux thérapies anti-cancer existantes.

Au-delà de ces travaux sur les mécanismes de réparation de l'ADN, les méthodes mises en place par l'équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) se trouvent être généralement applicables à l'étude des interactions entre molécules médicamenteuses et leurs cibles.
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