Une sonde ADN fluorescente exceptionnelle

Publié par Adrien le 12/10/2020 à 09:00
Source: CNRS INSB
La thiénoguanosine est un analogue hautement fluorescent de la guanosine, capable de substituer parfaitement et suivre sélectivement la conformation et la dynamique d'une guanosine donnée dans un ADN. Une publication parue dans la revue Journal of the American Chemical Society révèle les mécanismes photophysiques à l'origine de ses propriétés fluorescentes exceptionnelles dans l'ADN. Cette compréhension est critique pour exploiter tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le potentiel de ce nucléoside fluorescent et développer ses applications futures.

Les molécules d'ADN jouent un rôle clé en codant les informations génétiques nécessaires au vivant. Pour assurer ce rôle, elles doivent interagir avec un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protéines qui peuvent modifier la structure, la conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent. Les molécules dans lesquelles les atomes sont liés chimiquement de la même façon, mais dans lesquelles l'arrangement spatial des atomes est...), ou la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de la double hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) d'ADN. Ces effets peuvent être localisés, comme dans les événements de basculement (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule spatial autour d'un axe quelconque. Le basculement peut être utilisé pour modifier la...) de bases, ou affecter les molécules d'ADN dans leur ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...), lorsqu'elles sont compactées par des histones ou déroulées par des hélicases ou des chaperons d'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) nucléique. Pour interroger les mécanismes moléculaires de ces interactions, les techniques de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière...) sont un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se...) de choix en raison de leurs excellentes sensibilité et résolution spatio-temporelle. Cependant, comme les bases naturelles ne sont pratiquement pas fluorescentes, il est nécessaire de recourir à des analogues fluorescents de bases, capables de substituer sans perturbation les bases naturelles et émettre une fluorescence intense, sensible à l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...).


Modélisation moléculaire et propriétés de fluorescence de doubles brins d'ADN marqués à la thiénoguanosine. Dans un duplex où la thiénoguanosine (en vert) est appariée à une cytosine dans une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) Watson-Crick (figure de gauche), la stabilité de cet appariement permet un empilement avec les bases voisines. Cet empilement favorise un transfert de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) dont la direction mais non l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) dépend de la nature de la base voisine. Ce transfert éteint en partie l'émission de la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois...), qui conserve néanmoins un rendement quantique et un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de fluorescence élevés. Dans un double brin où la thiénoguanosine est appariée à une base non complémentaire comme l'adénosine (L'adénosine est un nucléoside formé lorsque l'adénine est attachée à un noyau ribose (sous forme de ribofuranose) via une liaison β-N9glucoside.) par exemple (figure de droite), la déstabilisation de la séquence réduit l'efficacité du transfert de charge avec les bases voisines, conférant ainsi à la base fluorescente un rendement quantique et un temps de vie (La vie est le nom donné :) de fluorescence très élevés.
© Christian Boudier, Mattia Mori & Yves Mély.

La thiénoguanosine (thG) récemment développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille...) est un substitut isomorphe de la guanosine (G), qui apparaît particulièrement prometteuse à cet égard, remplaçant presque parfaitement les résidus G dans les ADN double brin appariés et non appariés. De plus, contrairement à de nombreux autres analogues fluorescents de bases, la thG n'est pas fortement éteinte lorsqu'elle est incorporée dans des séquences ADN et peut donc être utilisée pour suivre sélectivement la conformation et la dynamique d'un résidu G donné dans un ADN. Jusqu'à présent, la plupart des applications proposées pour cette sonde reposaient sur des changements empiriques de son intensité de fluorescence et n'exploitaient donc pas tout le potentiel de cette sonde riche en informations. La raison principale est que les propriétés photophysiques de la thG, en particulier lorsqu'elle est incluse dans l'ADN sont encore largement incomprises.

Pour exploiter tout le potentiel de cette base fluorescente, comprendre sa photophysique dans l'ADN et développer rationnellement ses applications futures, les chercheurs, dans le cadre d'une collaboration avec des laboratoires de Naples, San Diego et de Sienne (Sienne (Siena en italien) est une ville italienne, chef-lieu de la province du même nom, dans la région de Toscane. Elle compte 54 500 habitants (2004).), ont étudié vingt duplex d'ADN, où les bases opposées et voisines de thG étaient systématiquement variées. En utilisant la spectroscopie de fluorescence, des simulations de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la compréhension de...) et des calculs mixtes de mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques, plus...) / mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) moléculaire, ils montrent que, dans les duplex appariés, le rendement quantique et les temps de vie de fluorescence de thG apparaissent quasiment indépendants des bases voisines.

Ce résultat est attribué à l'appariement "Watson-Crick" de la thG avec la cytosine, qui maintient une orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) et une distance stables entre les nucléobases, de sorte qu'un mécanisme de transfert de charge (CT) unique régit la photophysique de thG indépendamment de ses bases voisines. De ce fait, thG peut donc remplacer n'importe quel résidu G dans des duplex appariés, tout en conservant des caractéristiques photophysiques inchangées. En revanche, la déstabilisation locale induite par un mésappariement ou un site abasique instaure une forte dépendance du contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept...) environnemental des rendements quantiques et temps de vie de fluorescence de la thG. Cette dépendance est régie par l'efficacité de formation du CT et l'exposition au solvant de la thG.

En raison de cette sensibilité, thG apparait idéale pour suivre des changements structurels locaux dans les interactions protéines/ADN et identifier un polymorphisme d'un seul nucléoside. De plus, le temps de vie de fluorescence dominant de la thG dans l'ADN est inhabituellement élevé (9 à 29 ns), ce qui facilite sa mesure sélective dans des milieux complexes en utilisant un schéma de détection basé sur les temps de vie ou des fenêtres temporelles. Ces résultats permettent de rationaliser pour la première fois les propriétés spectroscopiques de la thG dans les duplex d'ADN, en identifiant (En informatique, on appelle identifiants (également appelé parfois en anglais login) les informations permettant à une personne de s'identifier auprès d'un système.) les différents effets modulant ses caractéristiques photophysiques. Cette analyse valide thG comme une base fluorescente unique combinant une substitution presque parfaite des résidus G, la préservation d'une fluorescence élevée, des durées de vie de fluorescence exceptionnellement longues et une forte sensibilité à l'exposition au solvant et au contexte de l'ADN. Cette étude ouvre de nouvelles possibilités pour l'utilisation rationnelle et l'interprétation des données de séquences marquées à la thG dans ses applications.

Pour en savoir plus:
What makes thienoguanosine an outstanding fluorescent DNA probe?
Kuchlyan J, Martinez-Fernandez L, Mori M, Gavvala K, Ciaco S, Boudier C, Richert L, Didier P, Tor Y, Improta R, Mély Y.
J Am Chem Soc. 2020 Sep 11. doi: 10.1021/jacs.0c06165.

Laboratoire:
Laboratoire de Bioimagerie et Pathologies (CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) de Strasbourg)
Faculté de Pharmacie (La pharmacie (du grec φάρμακον/pharmakôn signifiant drogue, venin ou poison) est la science s'intéressant à la conception, au mode...). 74 route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) du Rhin (Le Rhin (Rhein en allemand, Rijn en néerlandais, Rhenus en latin, Rein en romanche) est un fleuve d'Europe long de 1 230 kilomètres et drainant un bassin de 185 000 km2.). F - 67401 Illkirch.
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