Les scientifiques ont identifié des dizaines de milliers de «nœuds» mystérieux dans l’ADN humain qui pourraient jouer un rôle clé dans le contrôle de l’activité des gènes. L’activité de l’ADN 4 brins dans les cellules vivantes a été révélée. L’ADN synthétique a été créé avec quatre lettres supplémentaires. L’ADN se tord en formes étranges pour s’insérer dans les cellules.
Les scientifiques ont identifié des dizaines de milliers de «nœuds» mystérieux dans l’ADN humain qui pourraient jouer un rôle clé dans le contrôle de l’activité des gènes. Connaître l’emplacement précis de ces nœuds, appelés «i-motifs», pourrait conduire au développement de nouveaux traitements contre des maladies, notamment le cancer, selon les chercheurs à l’origine de ces travaux.
L’ADN est constitué d’éléments constitutifs appelés nucléotides, dont chacun porte l’une des bases suivantes : adénine, guanine, thymine ou cytosine. Ces bases sont les lettres individuelles qui composent le code ADN. L’ADN a une structure en échelle, et généralement les bases d’un côté de l’échelle s’associent à un partenaire de l’autre côté, se rejoignant au milieu pour former les échelons de l’échelle. L’adénine s’associe à la thymine et la guanine à la cytosine.
Cependant, les cytosines peuvent parfois s’associer entre elles plutôt qu’avec la guanine. Cela provoque la torsion de la molécule d’ADN sur elle-même, créant une structure saillante à quatre brins appelée motif i.
Les chercheurs ont découvert pour la première fois les i-motifs dans les cellules humaines en 2018. À l’époque, ils soupçonnaient que ces nœuds pourraient être d’importants régulateurs du génome, aidant à contrôler quels gènes sont activés ou désactivés. Cependant, jusqu’à présent, on savait peu de choses sur l’emplacement exact de ces structures noueuses et sur leur nombre dans le génome humain.
Dans une nouvelle étude publiée le 29 août dans The EMBO Journal, les chercheurs ont cartographié 50 000 i-motifs. Ces motifs i sont situés dans tout le génome, mais ils se produisent généralement dans des régions de l’ADN qui contrôlent l’activité des gènes, ont noté les auteurs de l’étude.
Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont cartographié 50 000 structures ressemblant à des nœuds dans l’ADN, connues sous le nom de « i-motifs ». KEITH CHAMBERS/BIBLIOTHÈQUE DE PHOTOS SCIENTIFIQUES
“Nos résultats confirment que les i-motifs ne sont pas seulement une curiosité de laboratoire mais un phénomène répandu qui joue probablement un rôle clé dans le fonctionnement du génome”, a déclaré Daniel Christ, co-auteur de l’étude et directeur du Centre de thérapies ciblées de l’Institut. Recherche médicale Garvan en Australie.
Christ et ses collègues ont découvert des motifs i dans l’ADN extrait de cellules humaines en laboratoire. Ils ont identifié ces nœuds à l’aide d’anticorps conçus pour reconnaître spécifiquement les i-motifs et les complexer avec eux. L’équipe a ensuite purifié ces complexes anticorps-nœuds pour séquencer l’ADN qu’ils contiennent.
“Nous avons découvert que les i-motifs sont associés à des gènes très actifs pendant certaines périodes du cycle cellulaire”, a déclaré Cristian David Peña Martinez, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral Garvan, dans un communiqué. Le cycle cellulaire est le processus par lequel les cellules se répliquent dans le corps.
“Cela suggère qu’ils jouent un rôle dynamique dans la régulation de l’activité des gènes”, a ajouté Pena Martinez.
L’équipe a également découvert des i-motifs dans les régions «promotrices» de divers gènes liés au cancer. Les promoteurs sont un type de matériel génétique qui active et désactive un gène donné, comme un interrupteur. Dans les cellules cancéreuses, ces gènes peuvent être dérégulés, entraînant une division cellulaire accrue et une croissance caractéristique des tumeurs.
Cette nouvelle découverte laisse entendre que les i-motifs pourraient un jour devenir des cibles pour des médicaments contre le cancer, a suggéré l’équipe. Ils ont découvert des i-motifs dans la famille des gènes MYC, connue pour être perturbée dans environ 70 % des cancers humains.
“Cela représente une opportunité passionnante de cibler les gènes associés à la maladie via la structure i-motif”, a déclaré Pena Martinez. Bien entendu, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour traduire cette idée de la théorie à la pratique chez les patients atteints de cancer.
L’activité de l’ADN 4 brins dans les cellules vivantes a été révélée. Deux brins minces tordus ensemble pour former une bobine enroulée constituent la forme emblématique de la molécule d’ADN. Mais parfois, l’ADN peut former une rare quadruple hélice, et cette étrange structure peut jouer un rôle dans des maladies telles que le cancer.
On ne sait pas grand-chose de ces ADN à quatre brins, appelés G-quadruplexes, mais les scientifiques ont développé une nouvelle façon de détecter ces étranges molécules et d’observer leur comportement dans les cellules vivantes. Dans une étude publiée le 8 janvier 2021 dans la revue Nature Communications, l’équipe a décrit comment certaines protéines provoquent le démêlage du G-quadruplex ; à l’avenir, leurs travaux pourraient conduire à de nouveaux médicaments qui piègent l’ADN à quatre brins et perturbent son activité. Les médicaments peuvent interférer, par exemple, lorsqu’un ADN étrange favorise la croissance d’une tumeur cancéreuse.
“Il existe de plus en plus de preuves que les G-quadruplexes jouent un rôle important dans une grande variété de processus essentiels à la vie, ainsi que dans un certain nombre de maladies”, a déclaré l’auteur de l’étude, Ben Lewis, du département de chimie de l’Imperial College de Londres, dans un communiqué. .
En général, les quadruplexes G se produisent beaucoup plus fréquemment dans les cellules cancéreuses que dans les cellules saines, selon le communiqué. Diverses études ont lié la présence d’ADN à quatre brins à la division rapide des cellules cancéreuses, un processus qui conduit à la croissance tumorale; Les scientifiques ont donc émis l’hypothèse que le fait de cibler cet étrange ADN avec des médicaments pourrait ralentir ou arrêter cette division cellulaire effrénée. Certaines études soutiennent déjà cette idée.
G-quadruplex. Collège Impérial de Londres
“Mais le chaînon manquant consistait à visualiser cette structure directement dans les cellules vivantes”, a déclaré Lewis. En d’autres termes, les scientifiques avaient besoin d’un meilleur moyen d’observer ces molécules d’ADN en action. De nouvelles recherches commencent à combler ces connaissances manquantes.
Les G-quadruplexes peuvent se former soit lorsqu’une seule molécule d’ADN double brin se replie sur elle-même, soit lorsque plusieurs brins d’ADN se rejoignent en un seul acide nucléique appelé guanine, l’un des éléments constitutifs de l’ADN, selon Discover Magazine. Pour détecter cet ADN inhabituel dans les cellules, l’équipe a utilisé un produit chimique appelé DAOTA-M2, qui émet une lumière fluorescente lorsqu’il se lie aux G-quadruplex. Au lieu de simplement mesurer la luminosité de la lumière, qui change en fonction de la concentration des molécules d’ADN, l’équipe a également suivi la durée pendant laquelle la lumière était allumée.
Le suivi de la durée de persistance de la lumière a aidé l’équipe à voir comment différentes molécules interagissent avec l’ADN à quatre brins dans les cellules vivantes. Lorsque la molécule s’est accrochée à un brin d’ADN, elle a délogeé le DAOTA-M2 brillant, provoquant une disparition plus rapide de la lumière que si le produit chimique était resté en place. En utilisant ces méthodes, l’équipe a identifié deux protéines appelées hélicases qui déroulent les brins d’ADN à quatre brins et déclenchent le processus de leur dégradation.
Ils ont également identifié d’autres molécules qui se lient à l’ADN; de futures études sur ces interactions moléculaires pourraient aider les scientifiques à développer des médicaments qui se lient à l’ADN.
“De nombreux chercheurs se sont intéressés au potentiel des molécules de liaison du G-quadruplex en tant que médicaments potentiels pour des maladies telles que le cancer”, a déclaré Ramon Vilar, professeur de chimie inorganique médicinale à l’Imperial, dans un communiqué. “Notre méthode nous aidera à faire progresser notre compréhension de ces nouveaux médicaments potentiels.”
Les chercheurs ont créé un ADN synthétique en utilisant quatre molécules supplémentaires afin que le produit résultant ait un code de huit lettres au lieu de quatre. Avec l’augmentation du nombre de lettres, cet ADN a acquis une capacité de stockage d’informations bien plus grande. Les scientifiques ont nommé le nouvel ADN «hachimoji» – qui signifie «huit lettres» en japonais – s’appuyant sur des travaux antérieurs menés par différents groupes qui ont créé un ADN similaire en utilisant six lettres.
Une étude publiée le 20 février 2019 dans la revue Science confirme cette dernière hypothèse : des scientifiques ont récemment formé un nouveau type d’ADN doté d’une élégante structure en double hélice et ont découvert qu’il possède des propriétés susceptibles de soutenir la vie.
L’ADN naturel est composé de quatre molécules appelées bases azotées qui se lient entre elles pour former le code de la vie sur Terre: A se lie à T; G se lie à C. L’ADN de Hachimoji comprend ces quatre bases naturelles ainsi que quatre autres bases nucléotidiques synthétiques: P, B, Z et S.
L’équipe de recherche, qui comprenait plusieurs équipes différentes à travers les États-Unis, a créé des centaines de ces doubles hélices Hachimoji avec différentes combinaisons de paires de bases de nucléotides naturelles et synthétiques. Ils ont ensuite mené une série d’expériences pour découvrir si diverses doubles hélices possédaient les propriétés nécessaires au maintien de la vie.
L’ADN naturel possède une propriété distinctive qu’aucune autre molécule génétique ne semble posséder : il est stable et prévisible. Cela signifie que les chercheurs peuvent calculer exactement comment il se comportera dans certaines températures et environnements, y compris le moment où il commencera à se dégrader.
Mais il s’avère que les chercheurs ont pu faire la même chose avec l’ADN de Hachimoji: ils ont pu développer un ensemble de règles permettant de prédire la stabilité de l’ADN lorsqu’il est exposé à différentes températures.
Les chercheurs ont développé en laboratoire un nouveau type d’ADN composé de huit lettres au lieu des quatre naturelles. Millie Georgiadis, École de médecine de l’Université de l’Indiana
Mais créer un ADN qui stocke les informations ne suffit pas. Il doit également être capable de transmettre cette information à sa molécule sœur, l’ARN, afin que cet ARN puisse ensuite ordonner aux protéines de faire tout ce qui se passe dans le corps.
Dans cet esprit, les chercheurs ont développé des enzymes synthétiques – des protéines qui facilitent la réaction – qui ont réussi à copier l’ADN de Hachimoji en ARN de Hachimoji. De plus, ils ont découvert que la molécule d’ARN peut se replier en une sorte de forme de L, nécessaire au transfert ultérieur d’informations.
De plus, les brins d’ADN doivent pouvoir se tordre pour former la même structure tridimensionnelle – la fameuse double hélice.
L’équipe a créé trois structures cristallines de l’ADN de Hachimoji, chacune avec une séquence différente de huit paires de bases, et a découvert que chacune formait effectivement une double hélice classique.
Cependant, pour que l’ADN de Hachimoji puisse soutenir la vie, il existe une cinquième exigence, a déclaré Benner. Autrement dit, il doit être autonome ou être capable de survivre par lui-même. Cependant, les chercheurs n’ont pas étudié cette étape pour éviter que la molécule ne devienne un danger biologique qui pourrait un jour se faufiler dans le génome des organismes sur Terre.
En plus de donner un aperçu des alternatives à la vie dans l’espace, ce brin d’ADN de huit lettres a également des applications sur notre planète. L’alphabet génétique de huit lettres stockerait plus d’informations et se lierait plus spécifiquement à certaines cibles, a déclaré Benner. Par exemple, l’ADN de Hachimoji pourrait être utilisé pour se lier aux cellules cancéreuses du foie ou aux toxines du charbon, ou encore pour accélérer les réactions chimiques.
“À mesure que le nombre de lettres passe de six à huit, la diversité des séquences d’ADN augmente de manière significative”, a écrit Ichiro Hirao, biologiste moléculaire synthétique à l’Institut A*STAR de bioingénierie et de nanotechnologie de Singapour, qui n’a pas non plus participé à l’étude. un e-mail. (Cependant, le groupe de Hirao a également participé à une étude précédente qui a créé des brins d’ADN à six lettres)
Bien sûr, “ce n’est que la première démonstration” de la double hélice de huit lettres de l’ADN, et pour une utilisation pratique, nous devons améliorer la précision et l’efficacité de la réplication et de la transcription en ARN, a déclaré Hirao dans un courrier électronique. Il suggère qu’ils pourront éventuellement augmenter encore plus le nombre de lettres.
En 2021, des scientifiques ont capturé une vidéo haute définition montrant l’ADN prenant des formes étranges pour se faufiler à l’intérieur des cellules.
En 1952, Rosalind Franklin a pris la première photographie indirecte de l’ADN en étudiant comment les rayons X rebondissaient sur ces molécules fondamentales. Mais ce n’est qu’en 2012 que les scientifiques ont pris une photographie directe de l’ADN à l’aide d’un microscope électronique. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du Royaume-Uni a capturé une vidéo haute définition de l’ADN en mouvement, en utilisant une combinaison de microscopie et de modélisation avancées.
Les cellules humaines contiennent environ 6,6 pieds (2 mètres) d’ADN. Étant donné que les cellules humaines sont de l’ordre du micromètre, l’ADN doit être très efficace pour se «super-enrouler», c’est-à-dire se plier et se replier pour se tasser étroitement à l’intérieur de la cellule. Mais jusqu’à récemment, la technologie n’était pas assez performante pour permettre aux scientifiques de voir clairement à quoi ressemble la structure de l’ADN dans un état super-enroulé, écrivent les auteurs dans l’étude.
Pour répondre à cette question, les auteurs de la nouvelle étude se sont tournés vers des «mini-cercles d’ADN» isolés et fabriqués à partir de bactéries. Ces structures circulaires d’ADN se retrouvent également dans les cellules humaines et leur fonction est largement inconnue. Les chercheurs ont utilisé ces structures en anneaux parce que les scientifiques peuvent les tordre d’une manière qui ne fonctionnerait pas avec de longs brins, la forme d’ADN la plus courante, selon le communiqué.
ADN. Université de Leeds
Pour examiner les mouvements en détail, les chercheurs ont utilisé une combinaison de simulations sur superordinateur et de microscopie à force atomique, dans laquelle une pointe pointue glisse sur la surface d’une molécule et mesure les forces qui repoussent la pointe pour délimiter la structure.
“Voir, c’est croire, mais avec un objet aussi petit que l’ADN, voir la structure hélicoïdale de la molécule d’ADN entière était extrêmement difficile”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Alice Pyne, maître de conférences en polymères et matière molle à l’Université de Sheffield au Royaume-Uni. qui a enregistré les nouvelles données, a déclaré dans un communiqué. “Les vidéos que nous avons développées nous permettent d’observer la torsion de l’ADN à un niveau de détail jamais observé auparavant.”
Les images du microscope étaient si détaillées qu’elles permettaient de voir la structure en double hélice de l’ADN. Après que les chercheurs ont combiné ces images avec des simulations, ils ont pu voir la position de chaque atome de l’ADN au fur et à mesure de son mouvement, selon le communiqué.
Il est intéressant de noter que l’ADN, sous sa forme détendue, bougeait à peine. Mais lorsqu’il est tordu – comme c’est généralement le cas lorsqu’il est pressé dans une cellule – l’ADN s’est transformé en de nombreuses autres formes, selon le communiqué. Ces différentes formes ont affecté la manière dont la molécule d’ADN interagissait et se liait avec d’autres molécules d’ADN qui l’entouraient, écrivent les auteurs dans l’article.
Lynn Zechidrich, professeur au Baylor College of Medicine de Houston, Texas, qui a fourni les minirings pour l’étude, a précédemment découvert comment utiliser ces structures en anneaux comme vecteurs pour la thérapie génique en insérant de petits messages génétiques dans les anneaux.
Les scientifiques qui ont mené l’étude “ont développé une technique qui montre de manière très détaillée à quel point ils sont ridés, bouillonnants, courbés, dénaturés et de forme étrange”, a déclaré Zechidrich, qui n’était pas directement impliqué dans l’étude, dans un communiqué. “Nous devons comprendre comment le superenroulement, qui est si important pour l’activité de l’ADN dans les cellules, affecte l’ADN, dans l’espoir qu’un jour nous apprendrons à l’imiter ou à le contrôler.”
