Superenroulement d'ADN | Un mécanisme vital pour l'emballage de l'ADN

Superenroulement d'ADN | Un mécanisme vital pour l'emballage de l'ADN

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Qu'est-ce que le Supercoiling ? | Super enroulement d'ADN

L'ADN d'une cellule, comme nous le savons tous, est très compact, ce qui induit un niveau d'organisation structurelle plus élevé. Le mécanisme de repliement de l'ADN emballe l'ADN cellulaire afin que les informations à l'intérieur de l'ADN restent accessibles.

Nous devons examiner attentivement la structure de base de l'ADN pour mieux comprendre la réplication de l'ADN et le processus de transcription. Nous devons avoir des connaissances préalables sur une propriété cruciale de la structure de l'ADN qui est surenroulement.

Le superenroulement implique l'enroulement supplémentaire d'une structure enroulée. Disons, par exemple, qu'un cordon de téléphone est normalement un fil enroulé. Le fil entre le corps du téléphone et le récepteur comporte fréquemment au moins une superbobine. Les deux brins d'ADN s'enroulent l'un autour de l'autre pour produire la structure en double hélice de l'ADN. L'enroulement dans l'axe de l'ADN provoque un superenroulement. Le superenroulement de l'ADN est pour la plupart un signe de tension structurelle sous-jacente. Lorsqu'il n'y a pas de courbure axiale résultante de l'ADN, l'ADN est considéré dans un état détendu.

Superenroulement de l'ADN
Figure : Superenroulement de l'ADN, niveaux de superenroulement trouvés dans l'ADN. Brièvement, cela ressemble à l'enroulement du fil téléphonique
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Epigenetic_mechanisms.png

Nous avons peut-être anticipé que le processus de compactage de l'ADN comprenait un certain superenroulement. Ce qui n'est peut-être pas surprenant, c'est que la réplication et la transcription de l'ADN influencent et sont également influencées par le superenroulement. La réplication et la transcription nécessitent toutes deux le détachement des brins d'ADN et le déroulement hélicoïdal de l'ADN.

  • Cet ADN lui-même se tordrait et deviendrait superenroulé dans un ADN compacté dans la cellule semblerait raisonnable, à ce stade, et peut-être même insignifiant.
  • Cependant, plusieurs molécules d'ADN circulaires restent exceptionnellement surenroulées même après leur extraction et purification.
  • Cela suggère que le superenroulement est une propriété intrinsèque de l'ADN. Cela se produit dans chaque ADN cellulaire et est exceptionnellement régulé par chaque cellule.
  • Diverses propriétés mesurables du superenroulement ont été standardisées, et l'étude du superenroulement a donné de nombreuses informations sur la structure de l'ADN et sa fonction.
  • Cette enquête est basée sur les idées de la topologie et l'étude des propriétés d'un objet qui ne change pas dans des conditions dynamiques.

Pour l'ADN, les déformations cohérentes incorporent des changements de conformation en raison du mouvement thermique ou de l'interaction des protéines ou d'autres agents chimiques ; les déformations intermittentes incluent la rupture des brins d'ADN. Pour un ADN circulaire, les propriétés topologiques ne sont pas affectées par les changements structurels des brins d'ADN si des ruptures de brins ne sont pas présentes. Les propriétés topologiques sont perturbées exclusivement par la rupture du squelette sucre-phosphate et la réunion de l'un ou l'autre des brins d'ADN. Nous examinons actuellement les caractéristiques fondamentales et la base physique du superenroulement.

La plupart de l'ADN cellulaire est sous-enroulé

Pour reconnaître le superenroulement, nous devons d'abord nous concentrer sur les caractéristiques des petits ADN circulaires comme les petits ADN viraux et les plasmides. Si l'ADN n'a de rupture dans aucun des brins, il est considéré comme un ADN circulaire fermé. Supposons que l'ADN d'une molécule d'ADN circulaire s'aligne étroitement pour former une structure de forme B, comme mentionné par Watson-Crick. Le tour d'ADN-B est constitué de 10.5 pb; ensuite, l'ADN est détendu au lieu d'être surenroulé.

Le superenroulement est observé lorsque l'ADN est soumis à une contrainte structurelle. L'ADN circulaire purifié se trouve très rarement à l'état relaxé, quelle que soit son origine. En outre, l'ADN a un degré caractéristique de surenroulement en fonction de sa source ou de son origine. La structure de l'ADN est tendue afin qu'elle puisse subir un superenroulement. Dans presque tous les cas, la souche est le résultat d'un sous-enroulement de l'ADN circulaire à double hélice.

  • C'est-à-dire que l'ADN a moins de tours hélicoïdaux que la structure de l'ADN-B.
  • L'ADN-B contient 10.5 paires de bases (pb) en un tour.
  • Ainsi, un fragment de 84 pb d'un ADN circulaire relaxé aurait huit tours hélicoïdaux. Soit un tour pour chaque 10.5 pb.
  • Si l'un de ces tours était supprimé, il y aurait (84 pb)/7 = 12.0 pb par tour, au lieu de 10.5 trouvé dans l'ADN-B.

C'est un écart par rapport à la forme la plus stable de la structure de l'ADN, et la molécule d'ADN est soumise à une contrainte thermodynamique en conséquence. Habituellement, une grande partie de la tension serait déposée en enroulant l'axe de l'ADN sur lui-même pour encadrer une superenroulement, une partie de la souche dans cette section de 84 pb serait simplement dispersée dans la structure non tordue de la plus grosse particule d'ADN).

À un niveau basique, la souche peut être induite en séparant les deux brins d'ADN sur une distance d'environ dix pb.

Dans l'ADN circulaire, la contrainte présentée par sous-enroulement est généralement logée par superenroulement au lieu de la ségrégation des brins, car l'enroulement dans l'axe de l'ADN nécessite généralement moins d'énergie que la rupture des liaisons hydrogène entre les paires de bases complémentaires. 

Remarque importante : nonobstant le fait que l'enroulement de l'ADN in vivo simplifie la ségrégation des brins d'ADN, offrant un accès aux informations génétiques qu'ils contiennent.

Chaque cellule sous-tend constamment son ADN à l'aide de cycles enzymatiques, et l'état de tension qui s'ensuit constitue une sorte d'énergie stockée. Les cellules conservent l'ADN sous forme sous-enroulée afin qu'il puisse facilement subir un enroulement. Le sous-enroulement de l'ADN est d'une importance critique pour les enzymes métabolisant l'ADN qui ont besoin d'une séparation des brins en tant que composant de leur fonction.

L'état sous-enroulé n'est conservé comme tel que dans le cas d'ADN circulaire fermé, ou il doit être lié à des protéines (histones) afin que les brins ne s'enroulent pas les uns autour des autres. Si un brin d'ADN circulaire se brise, qui est séparé et non lié aux protéines, le mouvement ou la rotation libre au niveau du point conduira l'ADN sous-enroulé à revenir immédiatement à son état de relaxation. Dans l'ADN circulaire, le nombre de tours hélicoïdaux donne le degré de superenroulement.

Le numéro de liaison topologique définit le sous-enroulement de l'ADN

La topologie donne diverses réflexions utiles à cette conversation, en particulier l'idée de lier le nombre. Le nombre de liaison est une propriété basée sur les caractéristiques topologiques de l'ADN à double hélice puisqu'il ne change pas si l'ADN est déformé ou se plie sans se casser. Le nombre de liaison (Lk) est démontré dans.

Commençons par imaginer la ségrégation des deux brins d'un ADN circulaire en double hélice. Si les deux brins sont connectés, ils sont liés de manière productive par une liaison topologique. Indépendamment de toutes les interactions d'empilement de bases et de liaisons hydrogène, la liaison topologique relie toujours les deux brins.

Si nous considérons un brin d'ADN circulaire comme la surface (par exemple, un film de savon), le nombre de liaison est représenté comme le nombre de pénétrations de surface causées par le deuxième brin. Pour un ADN circulaire, le nombre de liaison est toujours une valeur entière.

Classiquement, le nombre de liaison est positif lorsque les brins de double hélice d'ADN s'entrelacent en une hélice droite. Si les brins de la double hélice d'ADN s'entrelacent dans une hélice gauche, le nombre de liaison est négatif. Les nombres de liaison négatifs ne se rencontrent pratiquement pas dans l'ADN.

Lorsque la molécule d'ADN circulaire est relâchée, le nombre de liaison peut être facilement déterminé par plusieurs paires de bases dans la molécule d'ADN par paire de bases par tour (~ 10.5). Pour un ADN circulaire ayant 2100 pb, il présentera un nombre de liaison de 200.

Le nombre de liaison est calculé pour les molécules d'ADN qui ne se cassent dans aucun des brins d'ADN. En cas de rupture de brin, les liaisons topologiques n'existent pas ; par conséquent, le numéro de liaison reste indéfini.

Nous sommes maintenant en mesure de représenter le sous-enroulement de l'ADN à la suite d'un changement de numéro de liaison. Le nombre de connexion dans l'ADN détendu, Lk0, est utilisé comme source de perspective (référence). Pour une molécule d'ADN ayant un nombre de liaison = 200 (Lk0 = 200), si deux tours sont retirés ou supprimés de cette molécule d'ADN, Lk = 198. L'équation peut représenter le changement :

Lk = Lk – Lk0

Lk = 198 – 200 = -2

Il est bien mieux d'exprimer le changement du nombre de liaisons en termes de différence de liaison spécifique (σ) ou de densité superhélicoïdale (cette quantité ne dépend pas de la longueur de l'ADN). Le nombre de liaison spécifique est défini mathématiquement comme le nombre de tours supprimés (changement du nombre de liaison) divisé par plusieurs tours présents dans l'état détendu de l'ADN.

= ∆Lk/Lk0

ainsi, pour une molécule d'ADN ayant un nombre de liaison de 200, si deux tours en sont retirés, la différence de liaison spécifique devient

= -2/200 = -0.01 

il démontre que 2 sur 200 (1%) des tours hélicoïdaux totaux présents dans la molécule d'ADN-B sont éliminés.

Superenroulement positif | Superenroulement négatif

Le degré de sous-enroulement de l'ADN cellulaire est généralement de 5 % à 7 % ; c'est-à-dire -0.05 à -0.07. Ce signe négatif montre qu'un changement dans le nombre de liaison devrait se dérouler ou à cause du sous-enroulement de l'ADN. Le surenroulement déclenché par le sous-enroulement est ainsi caractérisé comme un surenroulement négatif. Alternativement, dans certaines conditions, l'ADN peut être surenroulé, provoquant un superenroulement positif.

Remarque importante : Le chemin de torsion dans l'axe de l'ADN causé par le surenroulement positif (ADN surenroulé) est l'image miroir de la torsion de l'axe de l'ADN causée par le surenroulement négatif (ADN sous-enroulé).

Le superenroulement n'est certainement pas une interaction arbitraire ; le superenroulement est généralement dirigé par la contrainte de torsion conférée à l'ADN en augmentant ou en diminuant le nombre de liaisons de l'ADN-B. 

Le nombre de liens change de un par la rupture d'un brin d'ADN, transformant l'une des extrémités de 360o autour du brin (ininterrompu) et rejoindre les extrémités cassées de l'ADN-B.

Ce changement ne perturbe pas le nombre de paires de bases ou d'atomes dans l'ADN circulaire. Deux types d'ADN circulaire qui varient dans une propriété topologique (par exemple, nombre de liaison) sont appelés topoisomères.

Figure : Représentation des superenroulements positifs et négatifs dans l'ADN https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Subhash_nucleoid_06.png

Le numéro de liaison peut être divisé en deux composants principaux appelés Twist (Tw) et Writhe (Wr). Ceux-ci sont plus difficiles à représenter que le nombre de liaison. Pourtant, la torsion peut être considérée comme un acte d'enroulement de l'axe hélicoïdal et la torsion est déterminée comme la relation spatiale des paires de bases voisines et la torsion locale. À ce stade, le changement du nombre de liaisons entraîne un changement dans la proportion de contrainte qui est normalement compensée par la torsion (superenroulement) et peu par des variations de la torsion, il est suivi de l'équation :

Lk Tw Wr

Tw et Wr ne sont pas nécessairement des entiers. Writhe et Twist sont des propriétés géométriques au lieu de propriétés topologiques, car des distorsions pourraient les modifier dans l'ADN circulaire.

Ils provoquent un superenroulement et rendent la ségrégation des brins beaucoup plus simple. Le sous-enroulement de l'ADN fonctionne en conjugaison avec plusieurs autres changements structurels de l'ADN circulaire. Ceux-ci sont de moindre importance physiologique, mais aident à montrer les impacts du sous-enroulement.

Un cruciforme contient généralement plusieurs bases non appariées; Le sous-enroulement de l'ADN aide à maintenir la séparation des brins nécessaire. Le sous-enroulement de l'ADN en double hélice droitier entraîne la formation de courtes plaques d'ADN-Z pour gaucher sur des endroits avec la séquence nucléotidique cohérente avec l'ADN-Z.

Topoisomérase | Modification du numéro de liaison | Introduction du superenroulement négatif

Le surenroulement de l'ADN est un processus qui a un impact sur le métabolisme de l'ADN. Chaque cellule possède des enzymes spécifiques ayant la seule capacité de sous-enrouler ou potentiellement de détendre la double hélice de l'ADN. Les enzymes qui provoquent une diminution ou une augmentation du sous-enroulement de l'ADN sont appelées topoisomérases; ils modifient généralement le nombre de liaisons d'ADN pour maintenir le superenroulement.

Figure : Mécanisme d'action et d'inhibition de la topoisomérase
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Topoisomerase_DNA.gif#/media/File:Topoisomerase_DNA.gif

Ces enzymes présentent un rôle particulièrement important dans le processus d'encapsidation de l'ADN et de réplication de l'ADN. En gros, la topoisomérase est classée en deux types principaux :

  • Les topoisomérases de type I cassent un brin de l'ADN en double hélice. Il fait passer le brin d'ADN ininterrompu à travers l'espace et ligature l'extrémité cassée; la topoisomérase de type I entraîne une modification de Lk par incrément de 1. 
  • Les topoisomérases de type II cassent les deux brins de la double hélice d'ADN à double hélice et modifient Lk par incrément de 2.

Les impacts des topoisomérases sur la topologie de l'ADN peuvent être décrits par électrophorèse sur gel (agarose). Une population d'ADN plasmidiques similaires avec le même nombre de liaisons se déplace sous forme de bande discontinue pendant l'électrophorèse. Des topoisomères variant d'aussi peu que 1 valeur Lk peuvent être isolés par cette technique, de sorte que le changement du nombre de liaisons provoqué par les topoisomérases peut être facilement identifié.

E. coli possède quatre topoisomérases individuelles distinctes (I à IV). Le type I (comprend les topoisomérases I et III) : 

habituellement détendent la double hélice d'ADN en éliminant les superbobines négatives (ainsi, augmentant la valeur Lk). Comment les topoisomérases bactériennes de type I augmentent le nombre de liaisons est expliqué dans. Une topoisomérase bactérienne de type II ou ADN gyrase, est capable d'induire des superbobines négatives et éventuellement de diminuer la valeur Lk.

Il utilise l'énergie de l'ATP pour y parvenir. Pour modifier le nombre de liaisons de la double hélice d'ADN, les topoisomérases de type II séparent les deux brins de la double hélice d'ADN, et permettent plus tard de traverser un autre duplex à travers la cassure. Le niveau de surenroulement de l'ADN bactérien est complètement sous la régulation des topoisomérases I et II. Les eucaryotes ont en outre des topoisomérases de type I et de type II.

Les topoisomérases I et III appartiennent à la classe des enzymes de type I ; tandis que les enzymes de type II comprennent les topoisomérases II-α et II-β. Les topoisomérases eucaryotes de type II ne peuvent pas sous-enrouler l'ADN (induire un superenroulement négatif), mais elles peuvent détendre les superenroulements négatifs et positifs.

Figure : Induction du superenroulement négatif dans l'ADN https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Subhash_nucleoid_04.png#/media/File:Subhash_nucleoid_04.png

Nous considérerons probablement le début des superbobines négatives dans les cellules eucaryotes dans notre conversation sur la chromatine dans notre discussion ultérieure.

Le compactage de l'ADN nécessite un superenroulement

La double hélice d'ADN superenroulée est uniforme à divers égards. Le Supercoiling est droitier dans une molécule d'ADN qui est négativement superenroulée, et ils ont tendance à être étroits et étendus au lieu de présenter une structure compacte avec de nombreuses branches. À cette densité superhélicoïdale que l'on rencontre généralement dans les cellules, la longueur de l'axe de superenroulement avec les branches constitue environ 40 % de la longueur totale de l'ADN.

Ce type de Supercoiling est connu sous le nom de Supercoiling plectonémique (c'est une combinaison de mots grecs "plektos" signifie "courbé" et "nema" signifie "chaîne").

Ce terme s'applique à toute conception avec des brins entrelacés régulièrement et, et c'est une description décente de la structure globale de l'ADN superenroulé dans Plectonemic Supercoiling. La structure montrée dans les ADN séparés en laboratoire ne fournit pas un compactage adéquat à l'ADN cellulaire emballé. Le deuxième type de Supercoiling, appelé solénoïde, peut être produit par un ADN sous-enroulé.

Figure : Un exemple de superenroulement solénoïde trouvé dans l'ADN https://en.wikipedia.org/wiki/File:Solenoid_30_nm_fibre_structure_closer_and_farther_away.png

Contrairement à la forme plectonémique (caractérisée par un Supercoiling droitier étendu), le Supercoiling solénoïdal se caractérise par des virages serrés à gauche. Indépendamment du fait que leurs structures sont radicalement différentes l'une de l'autre, les solénoïdes et les plectonémiques sont deux types de superenroulement négatif qu'un fragment similaire d'ADN sous-enroulé peut absorber.

Les deux structures sont fréquemment interconvertibles. Cependant, la structure plétonémique est plus stable. Mais la structure solénoïde est souvent stabilisée par la liaison aux protéines, qui est la structure trouvée dans la chromatine. Il donne un niveau de compactage beaucoup plus élevé. Dans le Supercoiling solénoïdal, le sous-enroulement contribue au compactage de l'ADN.

Conclusions

Dans cet article, nous avons eu une discussion approfondie sur le mécanisme de superenroulement de l'ADN et les enzymes et protéines impliquées dans le processus de superenroulement. Nous continuerons à discuter d'autres aspects de l'ADN dans nos prochains articles. Connaître la composition de l'ADN cliquer ici

Questions-réponses d'entretien

Q1 Pourquoi le superenroulement positif est-il important ?

Répondre: Le superenroulement positif de l'ADN facilite le déroulement de l'ADN des histones et modifie la structure du nucléosome in vitro ; à l'inverse, les nucléosomes forment rapidement un ADN négatif surenroulé. Ainsi, on considère qu'à chaque événement de transcription, le Supercoiling positif est poussé après l'ARN polymérase. La contrainte de torsion positive accumulée déclenche des changements dans les nucléosomes et crée des conditions dans lesquelles la polymérase transcrit efficacement à travers l'ensemble du réseau nucléosomique.

Q2 Le Supercoiling est-il bon ou mauvais ?

Répondre: Le superenroulement de l'ADN est important car l'ADN est une très longue molécule, et il doit s'insérer dans une cellule avec un rayon de l'ordre du micromètre. Il nécessite une boucle répétée dans les boucles d'enroulement pour s'adapter, ce type d'enroulement est connu sous le nom de Supercoiling. Il régule également le processus de transcription et de réplication. 

Q3 Comment le superenroulement positif de l'ADN augmente-t-il ?

Répondre: Le superenroulement positif de l'ADN se produit lorsque la double hélice droite de l'ADN est pliée beaucoup plus étroitement (contorsionnée dans une conception à droite) jusqu'à ce que l'hélice commence à se nouer.

Q4 Supercoiling négatif chez les bactéries

Répondre: L'ADN bactérien présente généralement un superenroulement négatif dans les cellules bactériennes car il contient un déficit en spires hélicoïdales. Dans sa structure d'ADN-B, les brins de la double hélice d'ADN font un tour complet toutes les 10.5 paires de bases. L'augmentation du nombre de tours rend la double hélice d'ADN plus serrée et entraîne une torsion de position en raison de l'enroulement axial dans la double hélice d'ADN. L'élimination des virages par sous-enroulement du duplex a l'impact inverse, ce qui fait que le duplex se tord négativement.

Q5 Pourquoi le superenroulement négatif est-il important ?

Répondre: Le superenroulement négatif a une fonction naturelle importante de ségrégation des brins d'ADN pendant la réplication et la transcription. La séparation des brins diminue la contrainte de torsion dans l'ADN superenroulé négatif. De cette façon, il est énergétiquement moins coûteux de séparer les brins dans l'ADN superenroulé négatif que dans l'ADN relaxé, et la différence d'énergie est fournie par la relaxation de l'ADN.

Q6 Pourquoi l'ADN surenroulé positivement rend-il l'ADN plus stable à haute température ?

Répondre: Le superenroulement positif de l'ADN augmente le nombre de liens entre deux brins d'ADN. Une conformation qui confère une résistance à la dénaturation induite par la chaleur à la double hélice d'ADN la rend stable dans des conditions hyperthermophiles. les plasmides isolés de la bactérie vivant dans des conditions hyperthermophiles présentaient un nombre de liaisons plus élevé par rapport aux plasmides isolés de la bactérie ne vivant pas dans ces conditions.

Q7 Pourquoi l'ADN plasmidique supercoil migre-t-il à travers l'agarose avec le moins de résistance par rapport à l'autre forme ex linéaire ?

Répondre: En raison de sa nature superenroulée, les fragments d'ADN deviennent plus petits et subissent donc moins d'obstruction par friction du gel, ce qui entraîne un mouvement plus rapide de cette forme d'ADN que d'autres formes.

Q8 Quelle est la différence entre le surenroulement d'ADN contraint et non contraint ?

Répondre: Le mot "sans contrainte" est utilisé pour décrire le superenroulement dans l'ADN "libre" en raison de la contrainte topologique. Il n'est pas pris en charge ou dépendant de protéines, pour ce que cela vaut chez les eucaryotes, où environ 147 paires de bases d'ADN sont enroulées autour du nucléosome, qui est essentiellement un octamère d'histones composé de 2 unités d'histones H2A, H2B, H3 et H4. Ce type de Supercoiling est classé comme « contraint » car la structure du nucléosome le contraint.

Q9 Quelle enzyme aide à couper un brin du duplex d'ADN pour libérer l'enroulement de deux brins ?

Répondre: La topoisomérase coupe le brin et libère l'enroulement. Les topoisomérases de type I cassent un brin de l'ADN en double hélice. Il fait passer le brin d'ADN ininterrompu à travers l'espace et ligature l'extrémité cassée; la topoisomérase de type I entraîne un changement de Lk par incrément de 1. Les topoisomérases de type II cassent les deux brins de la double hélice d'ADN en double hélice et modifient Lk par incrément de 2.

Q10 Les plasmides bactériens sont-ils ronds ou surenroulés ?

Répondre: Chez de nombreuses espèces, l'ADN bactérien est circulaire et surenroulé négativement. Un plasmide purifié à partir d'Escherichia coli en phase de croissance moyenne (exponentielle) est surenroulé au degré of = -0.06. A l'intérieur de la cellule, le Supercoiling non contraint est d'environ la moitié de cette valeur.

À propos du Dr Abdullah Arsalan

Je suis Abdullah Arsalan, j'ai terminé mon doctorat en biotechnologie. J'ai 7 ans d'expérience en recherche. J'ai publié jusqu'à présent 6 articles dans des revues de renommée internationale avec un facteur d'impact moyen de 4.5 et peu d'autres sont pris en compte. J'ai présenté des articles de recherche dans diverses conférences nationales et internationales. Mon domaine d'intérêt est la biotechnologie et la biochimie avec un accent particulier sur la chimie des protéines, l'enzymologie, l'immunologie, les techniques biophysiques et la biologie moléculaire.

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