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Sens de rotation des moteurs DNA

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Le moteur de l'ADN tournera pendant la transcription au lieu d'être réciproque.

  1. Quels autres vont tourner ?

  2. Tourne-t-il dans un sens fixe ?

  3. Pourquoi tournent-ils ?


Découverte surprise d'ADN étiré

BERKELEY, CA — La plupart d'entre nous connaissent l'image en escalier sinueux de l'ADN, le référentiel d'informations génétiques d'une cellule biologique. Mais peu d'entre nous réalisent à quel point cette fameuse double hélice est étroitement enroulée. Étirée sur toute sa longueur, une seule molécule d'ADN humain s'étend sur plus d'un mètre, mais, lorsqu'elle est enroulée à l'intérieur du noyau d'une cellule, cette même molécule mesure environ un millionième de pouce de diamètre. Les biologistes ont longtemps cru que lorsqu'une molécule d'ADN est étirée, sa double hélice commence à se dérouler. Aussi logique que cela puisse paraître d'un point de vue intuitif, une expérience récente a prouvé que ce n'était pas le cas.

Carlos Bustamante, une autorité de premier plan sur l'utilisation des techniques de visualisation et de manipulation de molécules uniques, occupe des postes conjoints avec la division des biosciences physiques de Berkeley Lab et les départements de biologie moléculaire et cellulaire, de physique et de chimie de l'UC Berkeley. Il est également chercheur au Howard Hughes Medical Institute (HHMI).

Des chercheurs du département américain de l'Énergie du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie à Berkeley ont utilisé une combinaison de billes microscopiques et de pincettes magnétiques pour observer que lorsqu'une molécule d'ADN est étirée, elle commence en fait à s'enrouler. Ce surenroulement se poursuit jusqu'à ce que la force appliquée pour étirer l'ADN dépasse environ 30 picoNewtons. (Un picoNewton représente environ un trillionième de la force requise pour maintenir une pomme contre la gravité terrestre.) Au-delà du seuil de 30 picoNewton, la double hélice d'ADN a commencé à se dérouler conformément aux prédictions.

"La structure hélicoïdale de l'ADN implique que la torsion et l'étirement doivent être couplés, d'où la prédiction que l'ADN devrait se dérouler lorsqu'il est étiré", a déclaré le biophysicien Carlos Bustamante, qui a dirigé cette expérience. &ldquoC'est pourquoi ce fut une telle surprise lorsque nous avons mesuré directement le couplage torsion-étirement pour trouver à la place des surenroulements de l'ADN lorsqu'il est étiré. La molécule d'ADN, lorsqu'elle est étudiée de près, continue de nous surprendre !&rdquo

Bustamante est une autorité de premier plan sur l'utilisation des techniques de visualisation et de manipulation de molécules uniques pour étudier la dynamique, la structure et la cinétique des moteurs moléculaires et des assemblages nucléo-protéiques. Il occupe des postes conjoints avec la division des biosciences physiques du laboratoire Berkeley et les départements de biologie moléculaire et cellulaire, de physique et de chimie de l'UC Berkeley. Il est également chercheur au Howard Hughes Medical Institute (HHMI).

Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue La nature, dans une lettre intitulée L'ADN s'emballe lorsqu'il est étiré, qui est maintenant disponible en ligne. Jeff Gore, Zev Bryant, Marcelo Nöllmann, Mai Le et Nicholas Cozzarelli ont co-écrit cette lettre avec Bustamante.

Pour tester ce qui se passe lorsqu'une molécule d'ADN est surenroulée, l'ADN a été étiré entre une lamelle de verre et une perle paramagnétique, tandis qu'une perle de rotor fluorescente revêtue d'avidine était attachée à l'ADN juste en dessous d'une entaille biochimique. La tension dans l'ADN a été contrôlée en élevant ou en abaissant les aimants, et les changements d'enroulement ont été observés en suivant la rotation de la perle fluorescente.

La magie de la réplication de l'ADN et de la transcription de l'information génétique dans la production de protéines dépend des propriétés mécaniques de la double hélice. C'est pourquoi la compréhension de ces propriétés mécaniques est une priorité scientifique depuis la découverte de la double hélice par Watson et Crick il y a plus de 50 ans. Bustamante a été l'un des principaux pionniers dans ce domaine de recherche. Il y a plus d'une décennie, lui et son groupe de recherche ont attaché des molécules d'ADN à de minuscules billes et mesuré leur élasticité. Parmi les nombreuses percées que lui et son groupe ont réalisées, il y a le développement de la technique appelée &ldquorotor perle tracking.&rdquo

Dans le suivi des billes de rotor, une seule molécule d'ADN est ancrée à une surface et une bille magnétisée est attachée à l'extrémité libre. Un point le long de la double hélice est ensuite biochimiquement &ldquonicked&rdquo pour créer un seul brin d'ADN qui agit comme un pivot libre. Immédiatement en dessous de cette entaille, une perle en plastique est attachée à l'ADN pour servir de &ldquorotor&rdquo qui tournera en réponse au couple. Des aimants sont utilisés pour manipuler la bille magnétisée, fournissant une tension mesurée et hautement contrôlée pour étirer la molécule d'ADN. Avec l'utilisation d'un revêtement fluorescent, le filage ultérieur de la bille de rotor en réponse à l'étirement peut être enregistré.

"Lorsque nous appliquons une tension à la molécule d'ADN, les changements dans l'angle du cordon du rotor reflètent les changements dans la torsion du segment d'ADN inférieur", a déclaré Bustamante. &ldquoLe surenroulement observé lors de l'étirement, implique que contrairement à ce que l'on croit, la constante de couplage étirement-torsion de l'ADN est une valeur négative. Cette observation implique également que si nous surbobinons l'ADN, la molécule devrait s'allonger. En effet, nous avons constaté que le surenroulement provoquait l'extension de la molécule d'ADN d'environ 0,5 nanomètre par tour.

Un simple modèle de jouet montre l'ADN sous la forme d'une tige élastique (gris) enroulée en hélice par un fil rigide (rouge). L'étirement engendre un surenroulement de l'hélice car la tige intérieure diminue de diamètre au fur et à mesure de son étirement. L'hélice externe est alors capable de s'enrouler un plus grand nombre de fois sur la longueur de la molécule.

Pour expliquer le surenroulement, Bustamante et ses co-auteurs ont proposé un modèle "ldquotoy" simple dans lequel le rayon de la double hélice de l'ADN est autorisé à se rétrécir lorsque la molécule est étirée. Le modèle se compose d'une tige élastique qui est enroulée autour de sa surface extérieure par un fil rigide, analogue à l'épine dorsale de l'ADN sucre-phosphate. La tige élastique est construite à partir d'un matériau qui conserve le volume sous contrainte.

"Au fur et à mesure que ce système est étiré, la tige élastique diminue de diamètre", a déclaré Bustamante. &ldquoCela permet au fil extérieur de s'enrouler un plus grand nombre de fois sur la longueur de la tige.&rdquo

Les résultats de couplage torsion-étirement démontrés par Bustamante et ses collaborateurs ont des implications importantes sur la façon dont les protéines de liaison à l'ADN sont capables de reconnaître leurs sites cibles le long de l'hélice. Ces protéines sont connues pour plier, envelopper, boucler et tordre l'ADN. Il a maintenant été démontré qu'ils peuvent atteindre leurs objectifs en étirant et en enroulant simultanément une molécule d'ADN, ou en la comprimant et en la sous-enroulant.

« Nous pensons que nos travaux jettent un nouvel éclairage sur un problème ancien et important », a déclaré Bustamante, « et qu'en plus d'améliorer notre compréhension des interactions ADN/protéines, ils auront également des implications en nanotechnologie. Par exemple, la molécule d'ADN pourrait fournir l'énergie nécessaire pour alimenter les futurs nanomoteurs.&rdquo


Dans &lsquoMoon Landing of Genomics,&rsquo les scientifiques séquencent l'ADN ancien de la saleté

Les scientifiques ont réalisé une percée qu'ils comparent à l'alunissage : le séquençage d'un génome ancien complet à partir d'échantillons de sol.

Comment cela se compare-t-il aux humains qui atterrissent sur la surface lunaire ? Eh bien, l'équipe de recherche de l'Université de Copenhague a trouvé le tout code génétique d'une ancienne espèce d'ours sans l'obtenir à partir de fossiles, marquant la toute première fois que des scientifiques ont trouvé des gènes en dehors des archives fossiles. Et en rassemblant l'ADN du sol, ces chercheurs ont rassemblé un tas d'exemples, plutôt qu'un seul spécimen de génome.

➡ Vous pensez que la science est un dur à cuire. Nous aussi. Let&rsquos nerds dessus ensemble.

Les scientifiques ont trouvé l'ancien matériel génétique de l'ours dans le sol de la grotte de Chiquihuite, dans la campagne mexicaine. Comme l'ancienne grotte Chauvet en France, Chiquihuite contient certaines des plus anciennes preuves humaines au monde, mais les humains n'étaient pas les seuls à utiliser les grottes.

L'ADN ancestral de l'ours remonte à environ 16 000 ans et il provient d'une source peu recommandable mais logique : les déchets d'ours.

&ldquoLorsqu'un animal ou un humain urine ou défèque, les cellules de l'organisme sont également excrétées»,» le généticien Eske Willerslev Raconté ScienceAlerte. &ldquoNous avons montré que les cheveux, l'urine et les matières fécales fournissent tous du matériel génétique qui, dans les bonnes conditions, peut survivre pendant bien plus de 10 000 ans.»

À partir de là, les chercheurs ont assemblé les morceaux d'ADN environnemental (eDNA). &ldquoLes techniques eDNA standard permettent de déterminer les espèces [sans] macrofossiles dans une variété d'environnements, y compris les sédiments, les carottes de glace, les lacs, les rivières et les océans», expliquent les scientifiques dans leur article, qui apparaît dans Biologie actuelle.

Alors, comment l'équipe a-t-elle assemblé le génome de l'ours à partir de ces déchets environnementaux ?

Fondamentalement, les scientifiques ont reconstitué le génome ancien complet en utilisant des ours modernes et éteints comme modèles et ont pensé à utiliser un modèle de grand dauphin comme guide pour assembler les parties du corps d'un épaulard. Les parties sont exactement les mêmes, mais les deux animaux ont une nageoire dorsale et un évent.

Les fossiles offrent aux scientifiques un énorme quantité d'informations, mais les archives fossiles sont inégales par nature, et il n'est pas logique de s'y fier comme quelque chose pour nous informer pleinement sur les activités quotidiennes et des populations entières d'animaux. Par exemple, un plein T. rex Le spécimen, bien que spectaculaire, n'explique pas à quoi ressemblait l'ensemble de l'information génétique de l'espèce.

Willerslev a dit ScienceAlerte cette recherche est "l'alunissage de la génomique" car elle permet l'étude du génome sans aucune découverte de fossiles et apporte avec elle une vaste richesse de nouvelles informations génétiques qui peuvent être entièrement glanées à partir du sol et d'autres sédiments.


Dénaturation et renaturation de l'ADN

Si une solution d'ADN est chauffée à environ 90 °C ou plus, il y aura suffisamment d'énergie cinétique pour dénaturer complètement l'ADN, ce qui entraînera sa séparation en brins simples. Cette dénaturation est très brutale et est accélérée par des réactifs chimiques comme l'urée et le formamide.

Les produits chimiques améliorent la solubilité aqueuse des groupes purine et pyrimidine. Cette séparation de double hélice est appelée fusion car elle se produit brusquement à une certaine température caractéristique appelée température de dénaturation ou température de fusion (Tm).

Elle est définie comme la température à laquelle 50% de l'ADN est fondu. La brusquerie de la transition indique que la double hélice d'ADN est une structure hautement coopérative, maintenue ensemble par de nombreuses liaisons de renforcement. La fusion de l'ADN peut être suivie par spectrophotométrie en contrôlant l'absorbance de l'ADN à 260 nm. Tm est analogue au point de fusion du cristal. Le Tm valeur dépend de la nature de l'ADN.

Si plusieurs échantillons d'ADN sont fondus, on constate que le Tm est le plus élevé pour les ADN qui contiennent la plus forte proportion de G—C. En fait, la valeur est utilisée pour estimer le pourcentage de G—C dans un échantillon d'ADN. En fait, le Tm de l'ADN de nombreuses espèces varie linéairement avec la teneur en G—C.

Cette relation entre Tm et la teneur en G—C est due au fait que la guanine et la cytosine forment trois liaisons hydrogène lorsqu'elles sont appariées, alors que l'adénine et la thymine n'en forment que deux.

La dénaturation implique les modifications suivantes des propriétés de l'ADN :

(a) Augmentation de l'absorption de la lumière UV :

Si la dénaturation est suivie par spectrophotométrie en surveillant l'absorbance de la lumière à 260 nm, on observe que l'absorbance à 260 nm augmente à mesure que l'ADN se dénature, phénomène connu sous le nom d'effet hyperchromatique ou hyperchromacité ou hyperchromisme. Cela est dû au désempilement des paires de bases.

Un tracé de l'absorbance à 260 nm par rapport à la température d'une solution d'ADN indique que peu de dénaturation se produit en dessous d'environ 70°C, mais des augmentations supplémentaires de la température entraînent une augmentation marquée de l'étendue de la dénaturation.

(b) Diminution de la rotation optique spécifique :

L'ADN double brin montre une forte rotation positive qui diminue fortement avec la dénaturation. Ce changement est analogue au changement de rotation observé lorsque les protéines sont dénaturées.

(c) Diminution de la viscosité :

Les solutions d'ADN natif présentent une viscosité élevée en raison du caractère relativement rigide en double hélice, long et en forme de tige de la molécule d'ADN. La dénaturation provoque une diminution marquée de la viscosité.

Si l'ADN fondu est refroidi, il est possible de réassocier les brins séparés, un processus connu sous le nom de renaturation. Cependant, une molécule double brin stable ne peut être formée que si les brins complémentaires entrent en collision de telle sorte que leurs bases soient appariées avec précision. Mais la renaturation peut ne pas être précise si l'ADN est très long et complexe.

Ainsi, le taux de renaturation (cinétique de renaturation) peut renseigner sur la complexité d'une molécule d'ADN. La dénaturation complète n'est pas un processus facilement réversible. Si une solution d'ADN dénaturé par la chaleur est refroidie lentement (annelage) et maintenez la solution à environ 25°C en dessous de Tm et au-dessus d'une concentration de 0,4M Na + pendant plusieurs heures, une certaine quantité de

L'ADN (50-60%) est renaturé. Le refroidissement rapide n'inverse pas la dénaturation, mais si la solution refroidie est à nouveau chauffée puis refroidie lentement, la renaturation a lieu.

(ii) Dénaturation par des agents chimiques :

La dénaturation de la double hélice d'ADN peut également être provoquée par certains agents chimiques tels que l'urée et le formamide. Ces réactifs chimiques améliorent la solubilité aqueuse des groupes purine et pyrimidine. Le Tm la valeur est diminuée par l'ajout d'urée. Dans l'urée 8M, Tm est diminué de près de 20°C. L'ADN peut être complètement dénaturé par 95% de formamide à température ambiante uniquement.

(iii) Effet du pH sur la dénaturation :

La dénaturation se produit également dans les solutions acides et alcalines dans lesquelles des modifications ioniques des bases puriques et pyrimidiques peuvent se produire. Dans les solutions acides à des valeurs de pH 2-3, les groupes amino se lient aux protons et la double hélice d'ADN est rompue. De même, dans les solutions alcalines à pH 12, les groupes hydroxyles énoliques s'ionisent, empêchant ainsi la liaison hydrogène céto-amino.

Renaturation de l'ADN :

Lorsque des préparations d'ADN double brin sont dénaturées et laissées à renaturer, le taux de renaturation peut donner des informations précieuses sur la complexité de l'ADN s'il y a des séquences répétitives dans l'ADN, il montre moins de complexité par rapport à sa longueur totale, mais le la complexité est égale à sa longueur totale si toutes les séquences sont uniques.

Les fragments d'ADN de 1kb sont dénaturés par chauffage au-dessus de sa Tm puis renaturé à une température de 10°C inférieure à la Tm et surveillé soit par diminution de l'absorbance à 260 nm (effet hypochrome), soit en passant des échantillons à intervalles sur une colonne d'hydroxylapatite, qui ne retient que les ADN double brin, et en estimant la quantité d'échantillon retenue.

Le degré de renaturation après un temps donné dépend de C0, la concentration d'ADN double brin avant la dénaturation, et t, la durée de la renaturation en secondes. La concentration est mesurée en nucléotides par unité de volume. Afin de comparer les taux de renaturation de différents échantillons d'ADN, il est habituel de mesurer C0 et le temps nécessaire à la renaturation pour procéder à mi-chemin de l'achèvement, t1/2, et de multiplier ces valeurs ensemble pour donner un C0t1/2 valeur. Plus le C est grand0t1/2, plus la complexité de l'ADN est grande, donc λ L'ADN a un C beaucoup plus faible0t1/2 que l'ADN humain.

si l'étendue de la renaturation est tracée en fonction du log C0t (dite courbe de Cot), on observe qu'une partie de l'ADN se renature assez rapidement tandis que le reste est très lent à se renaturer. Cela indique que certaines séquences ont une concentration plus élevée que d'autres, c'est-à-dire qu'une partie du génome est constituée de séquences répétitives.

Ces séquences répétitives peuvent être séparées de l'ADN unique à copie unique en faisant passer l'échantillon de renaturation à travers une colonne d'hydroxylapatite au début du processus de renaturation, à un moment qui donne une faible valeur de C0t. A ce stade, seules les séquences à renaturation rapide seront bicaténaires et se lieront donc à la colonne.


Empreinte optomécanique vectorielle sensible de la lumière dans la matière molle condensée

Photonique de la nature (2021)

Environnements photoniques d'ingénierie pour les matériaux bidimensionnels

  • Xuezhi Ma
  • , Nathan Youngblood
  • , Xiaoze Liu
  • , Yan Cheng
  • , Preston Cunha
  • , Kaushik Kudtarkar
  • , Xiaomu Wang
  • & Shoufeng Lan

Fluide pseudo-optique de flux de puissance continu issu du couplage plasmonique

  • Ying Chang
  • , Guang Chang
  • , Zhiming Liu
  • , Wei Hua
  • & Xiaowei Han

Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer (2021)


Des expériences sur des souris suggèrent un moyen de contrecarrer les dommages causés à l'ADN par le vieillissement, les radiations

Des millions d'hélices à ADN auto-assemblées peuvent tenir dans une seule lame de microscope, ce qui signifie que l'équipe peut en étudier des centaines, voire des milliers à la fois, en utilisant une seule caméra attachée à un microscope. De cette façon, ils peuvent comparer et contraster la façon dont les moteurs individuels effectuent leur travail.

"Il n'y a pas deux enzymes identiques", a déclaré Kosuri. "C'est comme un zoo."

Une protéine motrice peut faire un bond en avant tandis qu'une autre recule momentanément. Un autre encore pourrait s'arrêter sur une base plus longtemps que sur une autre. L'équipe ne sait pas encore exactement pourquoi elle bouge comme elle le fait. Armés d'ORBIT, ils pourraient bientôt le faire.

ORBIT pourrait également inspirer de nouvelles conceptions nanotechnologiques alimentées par des sources d'énergie biologiques telles que l'ATP. "Ce que nous avons fabriqué est une nanomachine hybride qui utilise à la fois des composants conçus et des moteurs biologiques naturels", a déclaré Kosuri. Un jour, une telle technologie hybride pourrait être le fondement littéral des robots d'inspiration biologique.


Structures d'ADN alternatives

Bien qu'une double hélice droite soit l'image canonique d'un ADN, il est reconnu depuis longtemps que la molécule peut adopter un certain nombre d'autres structures biologiquement importantes. Ceux-ci incluent des variations sur la double hélice telles que les bulles, l'ADN-Z, les cruciformes et les boucles glissées, les triples hélices à trois brins (ADN-H) et même des structures distinctes à quatre brins, les G-quadruplexes [21-25, 90-93] (Fig. 7). L'ADN-H démontre une capacité structurelle supplémentaire de l'ADN. Le départ de la structure en double hélice standard s'accompagne de la formation d'un type différent de paires de bases dans l'ADN-H dans lequel le troisième brin du complexe triple brin forme des paires de bases Hoogsteen avec un double brin apparié Watson-Crick dans le grand sillon de cette dernière [21, 22] . Les séquences double brin générant un G-quadruplex forment un brin riche en G forment une autre structure, la je-motif du brin riche en C [25] . Dans le quadruplex, les quatre brins sont reliés par un appariement de bases de Hoogsteen [23, 24] , tandis que le je-motif a encore un autre type d'appariement non canonique [25] .

En plus des structures qui peuvent se former dans la gamme normale des conditions physiologiques, des structures encore plus différentes peuvent être induites par l'application de forces étendues et de torsion supérieures à celles normalement rencontrées dans la cellule [94] . De telles structures sont très différentes de la double hélice classique de type B [95-97] et comprennent l'ADN-S sous-enroulé avec environ 33 pb par tour et l'ADN-P surenroulé avec 2,7 pb par tour [94, 97] , le ce dernier correspond peut-être à la structure 'inside-out' initialement proposée par Pauling et Corey [98] . La formation d'ADN-S nécessite une force étendue d'au moins 60 pN, alors que l'ADN-P n'est stable qu'à un couple positif supérieur à 30 pN.nm -1 [95] .

La formation de structures alternatives dans des conditions physiologiques est favorisée non seulement par des organisations de séquences et des compositions de bases particulières, mais aussi par l'environnement énergétique de ces séquences d'ADN. L'une des structures alternatives les plus simples et parmi les plus importantes sur le plan biologique est une bulle d'ADN dans laquelle la séparation des brins se produit sur une courte séquence de paires de bases générant une région constituée de deux brins séparés délimités par des tronçons en double hélice plus stables. La formation de bulles est fortement dépendante de la séquence, se produisant le plus fréquemment à l'étape de base TpA [46] - la moins stable des 10 étapes [47, 48] (tableau 1). Par conséquent, la fusion est favorisée par des agents – températures plus élevées et superhélicité négative – qui favorisent le déroulement de la double hélice, et la distribution des sites de fusion préférés est étroitement corrélée à la fonction génétique. Par exemple, les séquences d'ADN à proximité immédiate du point de départ de la transcription sont, en moyenne, enrichies dans l'étape de base TpA, de même que les sites de recombinaison spécifiques [46] .

Étape de base Énergie de fusion (kcal·mol −1 )
AT −0.12
TG/CA −0.78
AA/TT −1.04
À −1.27
AG/CT −1.29
CG −1.44
AG/TC −1.66
GG/CC −1.97
AC/GT −2.04
CG −2.70

La superhélicité négative facilite également la formation d'autres structures d'ADN alternatives, notamment l'ADN-Z gaucher et aussi les cruciformes, ainsi que leurs variantes à boucle glissée [91, 92, 99, 100] . Bien qu'il y ait eu un débat sur l'apparition de telles structures in vivo, dans certains exemples, des séquences ayant le potentiel de former ces structures sont situées à proximité de régions promotrices [100, 101] . Les G-Quadruplexes constituent une autre classe de structure. Ils se forment à partir d'un simple brin riche en G avec une organisation de séquence particulière et constituent le motif structurel majeur aux extrémités simple brin des télomères eucaryotes [20, 21] . De plus, de telles séquences sont fréquemment trouvées sous forme double brin dans des positions internes, là encore souvent situées à proximité de régions promotrices [102] . Encore une fois, comme l'ADN-Z et les boucles glissées, leur formation et celle de l'épingle à cheveux complémentaire riche en C est favorisée par la superhélicité négative [103-105] .

La multiplicité des structures d'ADN alternatives dont la formation dépend de la contrainte de torsion intrinsèque dans l'ADN soulève la question de leur fonction, le cas échéant. Leur association fréquente avec des régions promotrices implique qu'elles pourraient faciliter, mais pas nécessairement être essentielles, l'initiation de la transcription. Bien que ce processus soit présenté comme relativement simple dans les manuels, en réalité, la progression de la liaison de la polymérase à l'échappement d'une polymérase à transcription active présente des problèmes topologiques contradictoires (Fig. 8). Après la liaison, l'enzyme médie d'abord la fusion d'environ un peu plus d'un tour d'ADN double brin, limitant ainsi la superhélicité négative. Mais dans un système fermé, cette fusion d'un tour à double hélice doit être compensée par la génération d'une superhélicité positive égale et opposée, qui sera la plus manifeste au voisinage immédiat de la polymérase. En l'absence de topoisomérases abondantes relaxant cette superhélicité positive, elle pourrait être absorbée par des structures d'ADN alternatives les reconvertissant en une simple double hélice. Cependant, il existe un autre obstacle potentiel à l'initiation - l'échappement de la polymérase. Si l'ADN est initialement détendu lorsque la polymérase commence à s'éloigner du promoteur, le complexe en progression générera une superhélicité négative derrière et une superhélicité positive devant. L'absorption de la superhélicité négative par une séquence d'ADN ayant le potentiel de former une structure alternative pourrait alors permettre la libération du complexe polymérase du promoteur. Une fonction possible de ces structures est donc d'agir comme un tampon de torsion [104-108] . De même, dans les chromosomes eucaryotes, la superhélicité positive devant la polymérase pourrait contribuer à faciliter le déroulement de l'ADN autour des nucléosomes [68] .

Bien que la capacité de l'ADN à assumer une variété de structures alternatives soit une manifestation très visible de la flexibilité conformationnelle, la molécule peut subir d'autres transitions biologiquement importantes plus subtiles. L'une d'elles est la propriété de s'enrouler ou de se tordre sous une contrainte de torsion. Un tel bobinage est favorisé par une flexibilité croissante et donc des teneurs en A/T plus élevées et, surtout, peut être induit par une superhélicité à la fois négative et positive. La superhélicité négative induit également une séparation localisée des brins [46] et, dans ce cas, tout choix entre la contorsion et la séparation des brins dépendra probablement à la fois de la longueur et de l'organisation de la séquence. En général, pour un tronçon d'ADN de faible énergie de fusion, plus la séquence est longue, plus grande est la probabilité de répondre à la superhélicité négative en se tordant plutôt qu'en fondant. En effet, la superhélicité de l'ADN n'est pas répartie uniformément le long d'une molécule d'ADN, mais sera plutôt, en moyenne, localisée sur les séquences les plus déformables. Si une séquence hautement déformable est courte, et en particulier si elle est flanquée de séquences pour lesquelles la déformation est énergétiquement défavorable, la superhélicité disponible sera effectivement concentrée dans la séquence courte entraînant une densité superhélicoïdale locale élevée [7, 8, 109] . En revanche, pour une séquence déformable plus longue, la superhélicité disponible sera étalée plus largement. Des exemples de courtes séquences déformables sont la région hexamérique -10 de puissants promoteurs bactériens et des séquences similaires dans les origines de la levure bourgeonnante de la réplication de l'ADN. Dans au moins le premier cas, la superhélicité favorise la séparation des brins sur ces sites [46] . En revanche, les régions d'ADN à faible énergie de fusion s'étendant jusqu'à

100 pb ou plus existent à la fois en amont de fortement transcrits E. coli [110, 111] et en aval de nombreux gènes de levure en herbe. Dans les deux cas, la superhélicité introduite par l'ADN gyrase et/ou par transcription induirait des contorsions de l'ADN [109] . La distinction entre la contorsion et la séparation des brins est cruciale pour la fonction biologique. ADN superenroulé dans E. coli a une densité superhélicoïdale moyenne de -0,05, c'est-à-dire un changement moyen du nombre de liaisons par rapport à la forme complètement relâchée de -1/200 pb. Typiquement dans les promoteurs d'ARN stables très actifs de E. coli l'hexamère -10 est flanqué de blocs de séquence riche en G/C de température de fusion moyenne plus élevée [109] . De tels blocs agissent potentiellement comme des barrières et peuvent donc servir à localiser les effets du couple - dépendant de la superhélicité intrinsèque ou de la manipulation enzymatique directe - dans la région courte -10. La conséquence est que la densité superhélicoïdale locale au sein de cette séquence est beaucoup plus élevée que la densité superhélicoïdale moyenne et donc la fusion est favorisée [46] . Cela contraste avec les régions en amont de ces promoteurs, qui bien qu'également sensibles au superenroulement [111] , sont beaucoup plus étendues et plus uniformes en composition de base. Par conséquent, toute superhélicité est répartie sur plus de tours à double hélice, ce qui entraîne une densité superhélicoïdale locale inférieure à celle qui pourrait être observée dans une région « fendue » -10, et donc une préférence pour la torsion plutôt que la fusion. La localisation des changements de nombre de liaisons dans l'ADN superenroulé est également un élément essentiel dans la formation de structures telles que les cruciformes et les boucles glissées [91, 92] .

L'anisotropie de courbure et l'élasticité dépendantes de la séquence de l'ADN ont le potentiel d'organiser une molécule d'ADN dans une ou plusieurs configurations de contorsion préférées, sous contrainte superhélicoïdale. De telles configurations préférées pourraient contribuer à la distinction de domaines discrets au sein d'une seule molécule d'ADN (par exemple (Fig. 9). Lorsqu'elles sont stabilisées par des protéines, de telles structures, qui dans une molécule d'ADN non contrainte sont probablement dynamiques, pourraient agir comme des domaines topologiques séparés et permettre modes différentiels de régulation des gènes au sein de chaque domaine.Nous suggérons que des effets tels que ceux-ci seraient l'expression d'informations analogiques couvrant plusieurs kilobases.


Acides nucléiques de forme A et ADN Z

Trois formes différentes d'acide nucléique duplex ont été décrites. La forme la plus courante, présente dans la plupart des ADN à pH neutre et à des concentrations de sel physiologique, est la forme B. C'est la structure classique à double hélice à droite dont nous avons parlé. Un duplex droitier plus épais avec une distance plus courte entre les paires de bases a été décrit pour les duplex ARN-ADN et les duplex ARN-ARN. C'est ce qu'on appelle l'acide nucléique de forme A.

Une troisième forme d'ADN duplex a une structure hélicoïdale gaucher étonnamment différente. Cet ADN Z est formé par des tronçons de purines et de pyrimidines alternées, par ex. GCGCGC, en particulier dans l'ADN surenroulé négativement. Une petite quantité d'ADN dans une cellule existe sous la forme Z. Il a été tentant de proposer que cette structure différente soit impliquée d'une manière ou d'une autre dans la régulation de certaines fonctions cellulaires, telles que la transcription ou la régulation, mais des preuves concluantes pour ou contre cette proposition ne sont pas encore disponibles.

Différences entre les acides nucléiques de forme A et de forme B

La principale différence entre les acides nucléiques de forme A et de forme B réside dans la conformation du cycle de sucre désoxyribose. Il est dans l'endoconformation C2' pour la forme B, alors qu'il est dans l'endoconformation C3' pour la forme A. Comme le montre la figure (PageIndex<4>), si vous considérez le plan défini par les atomes C4'-O-C1' du désoxyribose, dans l'endoconformation C2', l'atome C2' est au-dessus du plan, alors que l'atome C3' est au-dessus du plan dans l'endoconformation C3'. Cette dernière conformation rapproche les hydroxyles 5' et 3' (tous deux estérifiés aux phosphates se liant aux nucléotides suivants) plus près que dans l'endoconfromation C2' (figure 2.16). Ainsi, la distance entre les nucléotides adjacents est réduite d'environ 1 Angstrom dans la forme A par rapport à l'acide nucléique de la forme B (Figure (PageIndex<4>)).

Figure (PageIndex<4>) : Syn et anti conformations de la base par rapport au sucre en nucléotides.

Une deuxième différence majeure entre les acides nucléiques des formes A et B est le placement des paires de bases dans le duplex. Dans la forme B, les paires de bases sont presque centrées sur l'axe hélicoïdal (Figure (PageIndex<4>)), mais dans la forme A, elles sont déplacées loin de l'axe central et plus près du sillon principal. Le résultat est une hélice en forme de ruban avec un noyau cylindrique plus ouvert en forme de A.


Des chercheurs révèlent le fonctionnement interne d'un moteur d'emballage d'ADN viral

Modèle 3D de l'ADN. Crédit : Michael Ströck/Wikimedia/ Licence de documentation libre GNU

Un groupe de chercheurs a découvert le fonctionnement interne détaillé du moteur moléculaire qui emballe le matériel génétique dans des virus à ADN double brin. Cette avancée donne un aperçu d'une étape critique du cycle de reproduction de virus tels que les virus de la variole, de l'herpès et des adénovirus. Cela pourrait également inspirer les chercheurs créant des machines microscopiques basées sur des biomoteurs naturels.

La recherche a été menée par des scientifiques de l'Université Duke, de l'Université du Minnesota, de l'Université du Massachusetts et de l'Université du Texas Medical Branch (UTMB). Les résultats apparaissent en ligne dans une trilogie d'articles publiés dans Avancées scientifiques, Actes de l'Académie nationale des sciences et Recherche sur les acides nucléiques.

"Il y avait plusieurs informations manquantes qui nous ont empêchés de comprendre comment fonctionnent ces types de moteurs d'emballage d'ADN, ce qui a entravé notre capacité à concevoir des thérapies ou à faire évoluer de nouvelles technologies", a déclaré Gaurav Arya, professeur de génie mécanique et de science des matériaux, génie biomédical. et la chimie à Duke. "Mais avec de nouvelles connaissances et simulations, nous avons pu reconstituer un modèle de ce mécanisme fantastique, qui est le plus détaillé jamais créé pour ce type de système."

Les virus se présentent sous de nombreuses variétés, mais leur classification dépend généralement du fait qu'ils codent leurs modèles génétiques en ARN ou en ADN simple ou double brin. The difference matters in many ways and affects how the genetic material is packaged into new viruses. While some viruses build a protein container called a capsid around newly produced RNA or DNA, others create the capsid first and then fill it with the genetic material.

A trio of studies has revealed how a viral DNA packaging motor works, potentially providing insights for new therapeutics or synthetic molecular machines. Each of five proteins scrunches up in turn, dragging the DNA up along with them, before releasing back into their original helical pattern. Credit: Joshua Pajak, Duke University

Most double-stranded DNA viruses take the latter route, which presents many challenges. DNA is negatively charged and does not want to be crammed together into a small space. And it's packaged into an extremely dense, nearly crystalline structure, which also requires a lot of force.

"The benefit of this is that, when the virus is ready to infect a new cell, the pressure helps inject DNA into the cell once it's punctured," said Joshua Pajak, a doctoral student working in Arya's laboratory. "It's been estimated that the pressure exceeds 800 PSI, which is almost ten times the pressure in a corked bottle of champagne."

Forcing DNA into a tiny capsid at that amount of pressure requires an extremely powerful motor. Until recently, researchers only had a vague sense of how that motor worked because of how difficult it is to visualize. The motor only assembles on the virus particle, which is enormous compared to the motor.

"Trying to see the motor attached to the virus is like trying to see the details in the Statue of Liberty's torch by taking a photo of the entire statue," said Pajak.

But at a recent conference, Pajak learned that Marc Morais, professor of biochemistry and molecular biology at UTMB, and Paul Jardine, professor of diagnostic and biological sciences at the University of Minnesota, had been working on this motor for years and had the equipment and skills needed to see the details. Some of their initial results appeared to match the models Pajak was building with what little information was already available. The group grew excited that their separate findings were converging toward a common mechanism and quickly set about solving the mystery of the viral motor together.

Dans un article publié en Avancées scientifiques, Morais and his colleagues resolved the details of the entire motor in one of its configurations. They found that the motor is made up of five proteins attached to one another in a ring-like formation. Each of these proteins are like two suction cups with a spring in between, which allows the bottom portion to move vertically in a helical formation so that it can grab onto the helical backbone of DNA.

"Because you could fit about 100,000 of these motors on the head of a pin and they're all jiggling around, getting a good look at them proved difficult," said Morais. "But after my UTMB colleagues Michael Woodson and Mark White helps us image them with a cryo-electron microscope, a general framework of the mechanism fell into place."

In a second paper, published in Recherche sur les acides nucléiques, the Morais group captured the motor in a second configuration using X-ray crystallography. This time the bottom suction cups of the motor were all scrunched up together in a planar ring, leading the researchers to imagine that the motor might move DNA into the virus by ratcheting between the two configurations.

To test this hypothesis, Pajak and Arya performed heavy-duty simulations on Anton 2, the fastest supercomputer currently available for running molecular dynamics simulations. Their results not only supported the proposed mechanism, but also provided information on how exactly the motor's cogs contort between the two configurations.

While the tops of the proteins remain statically attached to the virus particle, their bottom halves move up and down in a cyclic pattern powered by an energy-carrying molecule called ATP. Once all the proteins have moved up—dragging the DNA along with them—the proteins release the byproduct of the ATP chemical reaction. This causes the lower ring to release the DNA and reach back down into their original helical state, where they once again grab on to more ATP and DNA to repeat the process.

"Joshua pieced together lots of clues and information to create this model," said Arya. "But a model is only useful if it can predict new insights that we didn't already know."

At its core, the model is a series of mechanical actions that must fit together and take place in sequential order for everything to work properly. Pajak's simulations predicted a specific series of mechanical signals that tell the bottoms of the proteins whether or not they should be gripping the DNA. Like a line of dominoes falling, removing one of the signaling pathways from the middle should stop the chain reaction and block the signal.

To validate this prediction, the researchers turned to Jardine and colleagues Shelley Grimes and Dwight Anderson to see if removing one of the signaling dominoes actually stopped the motor from packaging DNA. A third paper, published in PNAS, shows that the sabotage worked. After mutating a domino in the signaling pathway so that it was unable to function, the motor could still bind and burn fuel just as well as ever, but it was much worse at actually packaging DNA.

"The new mechanism predicted by the high-resolution structures and the detailed predictions provided a level of detail greater than we ever previously had," said Jardine. "This allowed us to test the role of critical components of the motor, and therefore assess the validity of this new mechanism as we currently understand it."

The result is a strong indication that the model is very close to describing how the motor behaves in nature. The group plans to continue their highly integrated structural, biochemical and simulation approach to further test and refine the proposed model. They hope that that this fundamental understanding could potentially be used to someday fight disease or create a synthetic molecular motor.

"All technology is inspired by nature in one way or another," said Arya. "Now that we really know how this molecular motor works, hopefully it will inspire other researchers to create new inventions using these same mechanisms."


Voir la vidéo: sentido de giro del motor (Août 2022).