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1.6 : Superenroulement de l'ADN et topoisomérases - Biologie

1.6 : Superenroulement de l'ADN et topoisomérases - Biologie


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Le déroulement de l'hélice lors de la réplication de l'ADN (par l'action de l'hélicase) entraîne surenroulement de l'ADN avant la fourche de réplication.

  • Ce superenroulement augmente avec la progression de la fourche de réplication.
  • Si le superenroulement n'est pas soulagé, il empêchera physiquement le mouvement de l'hélicase.

La topologie de l'ADN peut être décrite par Trois paramètres:

  1. Numéro de liaison (L) Une valeur entière. "Positive" est référencé comme droitier.
  2. Tourner (T) Un nombre réel (le numéro de couplage « apparent »)
  3. Se tordre (W) Un nombre réel ("superbobines" dans la structure de l'ADN)

Considérons l'ADN circulaire fermé :

  • Numéro de liaison est un entier valeur.
  • Il fait référence au nombre de fois que les deux brins du duplex font un tour complet à 360 degrés.

Pour l'ADN circulairement fermé, comme le E. coli génome, le numéro de liaison ne peut être modifié que si nous procédons comme suit :

  1. casser physiquement le duplex
  2. introduire (ou supprimer) un virage à 360 degrés
  3. ligaturer (fermer de manière covalente) la cassure.

Graphique 1.6.1 : Tourne pour changer le numéro de liaison

Expérience « hélice » de tubes en caoutchouc

Coupez deux longueurs de tube en caoutchouc de 1/8", chacune d'environ 20" de long. Insérez un plus petit morceau de tube ou un morceau de pointe de pipette dans les extrémités pour permettre aux extrémités d'être connectées. Ces deux morceaux de tube en caoutchouc représentent chaque brin d'un duplex d'ADN. L'ADN peut être ligaturé ou joint lorsque nous avons des extrémités 5' (phosphate) et 3' (hydroxyle). Nous avons donc besoin d'un moyen de savoir quelle extrémité est quelle extrémité pour chaque morceau de tube.

  1. Vous pouvez soit écrire « 5 » et « 3 » sur les extrémités opposées de chaque pièce et les aligner dans des directions opposées, ou
  2. Sur un morceau de tube, marquez les deux extrémités avec un sharpie. Seules les extrémités de couleur similaire peuvent être ligaturées (voir schéma ci-dessus)

Cela vous permettra de maintenir une "orientation" correcte des brins lorsque vous "ligaturerez" les brins du duplex.

  • Introduire un numéro de liaison = +2 (deux torsions à 360 ° à droite dans le duplex)
  • puis "ligaturez" les extrémités (assurez-vous de maintenir l'orientation des brins, c'est-à-dire que vous connectez les deux brins appropriés).

Confirmez que le numéro de liaison correct a été introduit en "fondant" le duplex d'un côté et en forçant tous les tours dans une petite région du duplex (facile à compter de cette façon).

  • Confirmez qu'en regardant vers le bas de l'hélice les virages qu'ils sont "droitier" (peu importe de quel côté vous regardez vers le bas de l'hélice).

Notez que le "duplex" lorsqu'il est tenu entre le pouce et l'index et laissé pendre, préfère une topologie "super enroulée", par opposition à "détendue" topologie].

  • Confirmez que les "superbobines" sont en fait gaucher lorsque vous regardez vers le bas les supercoils (indépendamment de la direction vers le bas des supercoils).
  • Le "supercoil" est très probablement un 360° complet, plutôt que 180°. Dans tous les cas, maintenez les extrémités du duplex de manière à ce qu'un "supercoil" à 360 ° pour gaucher soit présent.
  • Maintenant, comptez combien de fois les brins du "duplex" se croisent. Dans cette conformation, les brins du "duplex" seront ne pas se croisent réellement (Remarque : vous pouvez avoir un croisement de brins puis un décroisement plus tard, pour un résultat net sans croisement).

Ainsi, en réponse à l'introduction du numéro de liaison +2, le "duplex" peut adopter des "supercoils" +2 (180°), de sorte que le résultat numéro de liaison apparent (c'est à dire. "tourner" valeur) des deux brins est nul

Noter

Un supercoil est considéré comme positif, s'il est "gaucher").

  • Supprimer une "positif" superbobine en se déroulant par 180°.
  • Tenez maintenant les extrémités du "duplex" et comptez le numéro de liaison apparent (c'est à dire. "rebondissements"). Il y aura un seul droitier "tourner".
  • Ainsi, une seule superbobine "positive" à 180° a pour effet de supprimer une seule torsion "positive" (c'est-à-dire réduit le nombre de liaison apparent de 1).

Les Se tordre le nombre fait référence au nombre de superbobines présentes.

  • Bien qu'il puisse sembler que la conséquence de l'introduction surenroulement (Writhe) change le numéro de liaison, ce n'est pas.
  • La conséquence de Writhe est que le Tourner (apparent numéro de liaison) est altéré (augmenté ou diminué).

L'ADN a une préférence Valeur "Twist" (numéro de liaison apparent préféré) pour une longueur spécifiée d'ADN :

  • Le modèle de Watson et Crick du duplex d'ADN avait 10 paires de bases par tour.
  • Dans des conditions physiologiques de sel (0,15 M NaCl) et de température, L'ADN préfère adopter environ 10,6 pb/tour.
  • Writhe est introduit dans l'ADN pour atteindre cette valeur pour le "Twist" (numéro de liaison apparent)

Pour un nombre de liaison (fixe) donné sur une longueur donnée d'ADN, l'ADN peut adopter des superbobines positives ou négatives pour obtenir une « torsion » (nombre de liaison apparent) telle qu'il y aura 10,6 paires de bases/tour.

Le numéro de liaison ne change pas avec le superenroulement (ça ne peut changer qu'en cassant le duplex)

  • Writhe a pour effet de changer le nombre apparent de Linkage.
  • Une superbobine est définie comme étant capable de modifier le numéro de liaison apparent de +/- 1.

La valeur de torsion (numéro de liaison apparent) pour une longueur donnée d'ADN est liée au nombre de paires de bases par tour que l'ADN veut adopter :

Numéro de liaison = (taille de l'ADN en paires de bases)/(paires de bases/tour) + Writhe

ou

Numéro de liaison = nombre de torsions + Writhe

ceci est généralement abrégé en

Liaison = Twist + Writhe

L = T + W


Par exemple, si nous avons une molécule d'ADN circulairement fermée avec une longueur de 5300 paires de bases et une conformation préférée de 10,6 paires de bases par tour, peut-elle atteindre cette conformation sans avoir à introduire de super-enroulement (c'est-à-dire de se contorsionner) ?

Numéro de liaison apparent (Twist) = (5300 paires de bases) / (10,6 paires de bases/tour)

Numéro de liaison apparent (Twist) = 500

En d'autres termes, pour obtenir la conformation souhaitée de 10,6 pb/tour dans l'hélice, exactement 500 tours sont nécessaires sur la longueur de 5 300 paires de bases.

Numéro de liaison = 500 + Writhe

Nous pouvons avoir des valeurs entières pour le numéro de liaison, et nous pouvons certainement introduire 500, ce qui ne nécessiterait aucun Writhe :

500 = 500 + 0

Quelle est la molécule d'ADN était 5200 paires de bases?

Numéro de liaison apparent (Twist) = (5200 paires de bases) / (10,6 paires de bases/tour)

Numéro de couplage apparent (Twist) = 490,6

Nous pouvons introduire 490 ou 491 comme numéro de couplage, mais pas 490.6. Que se passe-t-il s'il y a un nombre de liaison de 490 dans la molécule d'ADN ?

Numéro de liaison = Twist + Writhe

490 = 490,6 + se contorsionner

Contorsion = -0,6

Dans ce cas, l'ADN adopte une superbobine négative de 0,6 (environ 108° d'une superbobine droite) qui augmentera le nombre apparent de liaison de 490 à 490,6 (et atteindra 10,6 paires de bases par tour dans le duplex).

Combien de paires de bases par tour y aurait-il dans l'ADN si l'ADN n'était pas capable d'adopter une structure de superbobine pour cette longueur d'ADN avec un nombre de liaison de 490 ?

Numéro de liaison = Twist + Writhe

490 = Torsion + 0

Torsion = 490 tours

Twist = (5200 paires de bases) / (pb/tour) = 490 tours

pb/tour = 5200 paires de bases/490 tours

pb/tour = 10,61

Il y a un peu plus de 10,6 paires de bases par tour dans l'ADN

Un petit génome circulairement fermé

Le génome du virus simien 40 (SV40) est un génome d'ADN circulaire, fermé et double brin. Aux fins de cette discussion, il a 5300 bases. Nous nous attendons à ce que, dans des conditions physiologiques, l'ADN présente 10,6 paires de bases par tour (c'est-à-dire un Twist = 10,6 pb/tour). Dans ce cas, sans Writhe, le numéro de liaison serait :

Numéro de liaison = 5300 pb/(10,6 pb/tour) + 0

Numéro de liaison = 500 tours

c'est-à-dire que nous nous attendrions à 500 tours de 360° des brins d'ADN sur la longueur du génome circulaire.

  • Cette forme (avec 10,6 paires de bases par tour) sans Writhe représente le "standard", ou non déformé, hélice d'ADN.
  • Ceci est également connu sous le nom de "détendu" forme d'ADN, et le duplex pourrait être physiquement disposé appartement sur une surface car elle n'a pas besoin de Writhe pour atteindre la valeur préférée de 10,6 paires de bases par torsion :

Graphique 1.6.2 : Hélice d'ADN standard

Cependant, lorsque la réplication de SV40 est initialement terminée, on observe qu'il reste une région duplex ouverte dans l'ADN :

Graphique 1.6.3 : ADN avec région ouverte

Le résultat est qu'il y a environ 475 tours de l'hélice dans l'ADN duplex (c'est-à-dire le nombre de liaison = 475).

  • On dit que l'ADN est sous-enroulé.
  • Une aire ouverte est énergétiquement défavorable.
  • La molécule fermée de manière covalente ne peut pas ajustez pour cela en augmentant le nombre de liaison. C'est-à-dire qu'il ne peut spontanément casser un ou les deux brins du duplex, introduire 25 autres tours dans le duplex (augmenter le nombre de liaison de 25) et religuer le duplex.

L'ADN a Trois les choix:

  1. Il peut ajuster le nombre de paires de bases par tour dans toute la molécule d'un 10,6 pb/tour souhaité à 11,2 pb/tour (c'est-à-dire 5300 pb/475 tours). (REMARQUE : un augmenter dans le nombre de paires de bases par tour sera diminuer la valeur de torsion; sous-enroulé L'ADN a un plus grand nombre de paires de bases par tour).
  2. L'ADN peut s'enrouler dans une topologie "supercoil" et maintenir la valeur de torsion souhaitée (10,6) avec le numéro de liaison donné (475 dans ce cas).
  3. Le duplex peut exister avec une torsion de 10,6 pb/tour pour la majeure partie de la structure, puis avoir une région sans torsion (pas nécessairement un duplex fondu). Ceci est assez défavorable en raison de la géométrie requise des angles de liaison.

Ainsi pour le génome SV40 de 5300 pb, avec un nombre de liaison de 475, pour maintenir une valeur de 10,6 pb/twist, un total de 25 supercoils négatifs (Writhe=25) sont nécessaires :

475 = (5300/10,6) + Contorsion

-25 = se tordre

  • c'est-à-dire 25 superbobines négatives (vingt cinq tours à 180° du duplex d'ADN, droitier lorsque vous regardez le superenroulement).

Topoisomérases

Les enzymes qui contrôlent la topologie de l'ADN sont essentielles à la réplication et à la transcription de l'ADN.

  • Au fur et à mesure que la fourche de réplication s'ouvre, la région du duplex devant la fourche devient surmené - c'est-à-dire qu'il a moins de paires de bases par tour.
  • Le numéro de liaison n'a pas changé, mais la longueur de l'ADN qui contient toutes les spires est effectivement plus courte.
  • Pour maintenir 10,6 pb/tour dans cette région, l'ADN adoptera des superbobines positives.

Par exemple, pendant les premiers stades de la réplication SV40, le duplex autour de l'origine de réplication peut initialement fondre (ouvrir) une région de 750 bases. Le numéro de liaison (500) étant inchangé, il n'est effectivement réparti que sur :

5300 - 750 = 4550 bases.

En supposant qu'aucun superenroulement n'ait été introduit :

500 = 4550 paires de bases / (X paires de bases/torsion) + 0

= 9,1 paires de bases/torsion

Ainsi, si aucun superenroulement n'est introduit, l'ADN doit adopter une conformation de 9,01 paires de bases/torsion de l'hélice dans la région en avant de la fourche de réplication.

  • Ceci est énergétiquement défavorable, et une option pour l'ADN est d'adopter un super enroulé configuration pour atteindre 10,6 pb/twist :

500 = (4550/10,6) + Writhe

70,8 = se tordre

  • Ainsi, le mouvement de la fourche en croissance amène l'ADN à adopter des supercoils positifs.
  • Dans ce cas, l'ADN a adopté 70,8 supercoils gauchers (180° chacun).
  • Twist (=basepairs * [twist/basepair]) et Writhe sont tous les deux réel Nombres.

Topoisomérase de type I

  • Les topoisomérases de type I coupent un brin de l'ADN (c'est-à-dire qu'elles "coupent" le duplex d'ADN).
  • Le phosphate 5' du brin coupé est lié de manière covalente à une tyrosine dans la protéine.
  • L'extrémité 3' de l'entaille passe ensuite une fois à travers le duplex.
  • Le pseudo est ensuite rescellé et le numéro de liaison est modifié par une valeur de +1.
  • Cela peut donc entraîner la suppression de une seule superbobine négative.

Dans E. coli, topoisomérase de type I ne peut que soulager l'ADN surenroulé négativement (Le superenroulement négatif est le résultat final du génome d'ADN nouvellement répliqué). Chez les eucaryotes, la topoisomérase de type I peut également soulager l'ADN positivement superenroulé.

Les résultat net de E. coli topoI peut être schématisé comme suit :

Graphique 1.6.4 : E. Coli Topoisomérase I

Topoisomérases de type II

  • Les topoisomérases de type II clivent en fait l'ADN duplex en modifiant le nombre de liaisons.
  • Les topoisomérases de type II peuvent convertir une seule superbobine positive en une superbobine négative.
  • Ainsi, le nombre de liaisons est réduit de deux (-2) en une seule étape.
  • Les topoisomérases de type II sont impliquées à la fois dans la décaténation des chromosomes filles et dans soulager le superenroulement positif en amont de la fourche de réplication.
  • E. coli ADN gyrase est un exemple de topoisomérase de type II.

Graphique 1.6.5 : Activité de l'isomérase de type II


Superenroulement de l'ADN, topoisomérases et cohésine : partenaires dans la régulation de l'architecture de la chromatine ?

Bien que nos connaissances sur l'organisation de la chromatine aient considérablement progressé ces dernières années, une grande partie des relations entre les différentes caractéristiques de l'architecture du génome est encore inconnue. On pense que le repliement des génomes de mammifères en domaines spatiaux dépend de protéines architecturales, d'autres protéines de liaison à l'ADN et de différentes formes d'ARN. De plus, des preuves émergentes indiquent la possibilité que l'organisation tridimensionnelle du génome soit contrôlée par la topologie de l'ADN. Dans ce scénario, la cohésine, le facteur de liaison au CCCTC (CTCF), la transcription, le superenroulement de l'ADN et les topoisomérases sont intégrés pour dicter différentes couches d'organisation du génome, et la contribution des quatre au contrôle des gènes est une direction importante des futures études. Dans cette perspective, nous passons en revue des études récentes qui donnent un nouvel aperçu sur la façon dont l'ADN superenroulé façonne la structure de la chromatine.

Mots clés: CTCF ADN topologie cohésine organisation du génome transcription de la topoisomérase.

Déclaration de conflit d'intérêts

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêts.

Les figures

Capture de la conformation de la chromatine du génome entier (Hi-C)…

La capture de conformation de la chromatine du génome entier (Hi-C) détecte les réarrangements chromosomiques. Présentation de la méthode Hi-C.…

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Le superenroulement contribue à la formation de boucles. ( UNE ) L'ADN superenroulé se replie en plétonémique…


Topo2008 : ADN Topoisomérases en biologie et médecine

Les ADN topoisomérases sont un groupe d'enzymes fascinantes qui jouent un jeu essentiel mais dangereux avec l'ADN. Ils cassent et rejoignent l'un ou les deux brins de la double hélice pour résoudre les problèmes d'enchevêtrement et de liaison résultant des manipulations de l'ADN (réplication, transcription et recombinaison) dans toutes les cellules. Ce problème fondamental avec la structure de l'ADN a été reconnu par Watson et Crick presque dès que la double hélice a été décrite (1). Comme les brins d'ADN parental sont séparés au niveau d'une fourche de réplication, les spires à double hélice sont comprimées et surenroulées devant la fourche, la contrainte de torsion résultante empêchera une réplication ultérieure si elle n'est pas soulagée. Ce surenroulement correspond au surenroulement positif. Alternativement, toute rotation de la fourche de réplication conduit à l'enchevêtrement des régions répliquées, entraînant finalement la liaison (caténation) des chromosomes filles, qui doivent être supprimés si la partition doit se produire sans casser l'ADN (2). La transcription peut également entraîner la génération de superenroulements positifs et négatifs (3), et d'autres processus, en particulier la recombinaison, peuvent conduire au nouage des brins d'ADN. Ces complexités de l'ADN en double hélice sont regroupées sous l'étiquette de la topologie de l'ADN (4). Les problèmes topologiques de l'hélice d'ADN ont dû survenir très tôt dans l'évolution, dès que les génomes d'ADN sont devenus suffisamment longs pour qu'une simple rotation de la molécule entière pour éliminer le superenroulement devienne impraticable.

La seule solution viable à ces difficultés est de détordre, de délier et de dénouer l'ADN en cassant un ou les deux brins, en permettant aux brins de se traverser ou en permettant une rotation au point de cassure. Ces stratégies sont adoptées par les différentes classes d'enzymes topoisomérases, découvertes dans les années 1970. Les enzymes de type I cassent et rejoignent un brin de l'hélice, et passent des brins simples les uns à travers les autres (type IA) ou permettent à une extrémité cassée de tourner autour du brin intact (type IB). Les enzymes de type I peuvent éliminer le surenroulement de l'ADN. En revanche, les topoisomérases de type II passent un segment en double hélice à travers une rupture double brin dans un autre, dans une réaction dépendante de l'ATP, et peuvent ainsi délier (décaténer) les chromosomes liés et éliminer les nœuds. Un sous-ensemble de ces enzymes, les ADN gyrases, peut introduire un superenroulement (déroulement) négatif dans l'ADN. La plupart des types de cellules expriment une suite d'enzymes topoisomérases pour réguler la topologie de leur ADN.

Cependant, ces manipulations de l'hélice d'ADN ont un coût : les brins d'ADN brisés doivent être efficacement réunis pour éviter des conséquences graves pour la cellule. Le détournement des mécanismes de la topoisomérase pour produire des cassures stables simple brin et, en particulier, double brin est une caractéristique d'une grande variété d'agents chimiothérapeutiques naturels et synthétiques, faisant des enzymes topoisomérases des cibles médicamenteuses importantes (5,6).

Au cours des années 1990, des réunions régulières sur les topoisomérases à ADN ont eu lieu à New York et à Amsterdam. Cependant, ces dernières années, ces réunions ont expiré et il nous manquait un forum régulier pour discuter des problèmes liés à la topologie de l'ADN et aux topoisomérases. Heureusement, Nynke Dekker, Paola Arimondo et Mary-Ann Bjornsti ont organisé une excellente réunion de topoisomérase à Fréjus, France en 2007. Cela a rétabli l'élan pour des réunions similaires à l'avenir, y compris Topo2008, qui s'est tenue l'année dernière à Norwich, ROYAUME-UNI. D'énormes progrès sont réalisés dans ce domaine, qui continue d'être un domaine de recherche fascinant et dynamique. Les sujets de la réunion allaient des discussions sur les subtilités du nouage de l'ADN à la traduction des travaux fondamentaux sur les topoisomérases en découverte de médicaments.

Ce numéro de NAR contient une collection spéciale d'enquêtes et de résumés qui couvrent le domaine de la topologie de l'ADN et des topoisomérases de l'ADN et reflètent le contenu de la réunion de Norwich. Zechiedrich et ses collègues discutent de la façon dont une mauvaise régulation de la topologie peut entraîner un dysfonctionnement cellulaire et examinent comment les cellules peuvent prévenir de tels problèmes topologiques (7). Le contrôle du superenroulement dans les cellules bactériennes a été largement étudié Dorman et Corcoran discutent de ces études et des effets du superenroulement sur la virulence bactérienne et les maladies infectieuses (8). Gadelle et Forterre passent en revue les origines et la phylogénie de ces enzymes et suggèrent qu'elles proviennent d'une virosphère ancestrale (9).

Mondragón et ses collègues passent en revue les travaux structurels sur les enzymes de type I, qui ont conduit à une meilleure compréhension de leurs mécanismes de réaction (10). Une caractéristique clé de nombreuses enzymes de type I et de type II est qu'elles nécessitent des ions Mg 2+ dans leurs mécanismes de réaction. Sissi et Palumbo discutent du rôle des ions Mg 2+ dans la structure et la fonction de la topoisomérase, en particulier, un mécanisme proposé à deux ions métalliques pour le clivage de l'ADN (11). Le clivage de l'ADN dans les enzymes de type II se produit dans une région de l'enzyme connue sous le nom de 𠆍NA gate’, et Collins et al. décrivent l'utilisation d'expériences de transfert d'énergie de fluorescence à molécule unique pour sonder la dynamique de la porte d'ADN des topoisomérases de type II (12). Le mécanisme de rupture double brin pour les enzymes de type II a des implications importantes pour le rôle de la topoisomérase II dans les cellules eucaryotes, et Roca discute des implications de ce mécanisme dans le contexte de la structure de la chromatine eucaryote (13).

La topoisomérase bactérienne I est une cible potentielle, bien qu'actuellement inexploitée, pour les agents antibactériens. Tse-Dinh discute du criblage de nouveaux agents qui ciblent cette enzyme (14). Deweese et Osheroff examinent la réaction de rupture de l'ADN et de réunion des enzymes de type II et comment les composés qui stabilisent le complexe de clivage de la topoisomérase II peuvent agir comme agents cytotoxiques et être utilisés comme médicaments anticancéreux (15).

Cette collection de revues illustre l'étendue des travaux de recherche menés dans le domaine de la topologie de l'ADN/topoisomérase, et met également en évidence certaines des questions non résolues qui restent. Nous tenons à remercier les auteurs qui ont tous deux participé à la réunion (Topo2008) et contribué à cet excellent ensemble de revues, qui, espérons-le, stimulera davantage l'enthousiasme pour ce domaine. Nous prévoyons que la prochaine réunion de cette série aura lieu en 2010 aux États-Unis.


Superenroulement de l'ADN, topoisomérases et cohésine : partenaires dans la régulation de l'architecture de la chromatine ?

Bien que nos connaissances sur l'organisation de la chromatine aient considérablement progressé ces dernières années, une grande partie des relations entre les différentes caractéristiques de l'architecture du génome est encore inconnue. On pense que le repliement des génomes de mammifères dans des domaines spatiaux dépend de protéines architecturales, d'autres protéines de liaison à l'ADN et de différentes formes d'ARN. De plus, des preuves émergentes indiquent la possibilité que l'organisation tridimensionnelle du génome soit contrôlée par la topologie de l'ADN. Dans ce scénario, la cohésine, le facteur de liaison au CCCTC (CTCF), la transcription, le superenroulement de l'ADN et les topoisomérases sont intégrés pour dicter différentes couches d'organisation du génome, et la contribution des quatre au contrôle des gènes est une direction importante des futures études. Dans cette perspective, nous passons en revue les études récentes qui donnent un nouvel aperçu sur la façon dont l'ADN superenroulé façonne la structure de la chromatine.

Mots clés: CTCF ADN topologie cohésine organisation du génome transcription de la topoisomérase.

Déclaration de conflit d'intérêts

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Contenu

Dans les années 1970, James C. Wang a été le premier à découvrir une topoisomérase lorsqu'il a identifié E. coli topoisomérase I. Les codes EC de Topo sont les suivants : ATP-indépendant (type I), EC 5.6.2.1 ATP-dépendant (Type II) : EC 5.6.2.2.

La fonction globale de l'ADN topoisomérase est de gérer l'état topologique de l'ADN dans la cellule. Il existe deux types ou familles de cette famille d'enzymes de type I et de type II. La famille de type I fait passer un brin de l'ADN à travers une rupture dans le brin opposé. En d'autres termes, l'enzyme ADN topoisomérase de type I ne coupe qu'un seul brin d'ADN. La famille de type II fait passer une région de duplex (deux brins) de la même molécule ou d'une molécule différente à travers un espace double brin. Pour résumer, le type II clive les deux brins d'ADN, ce qui entraîne une cassure double brin. Les topoisomérases peuvent soit soulager les superenroulements négatifs, à la fois positifs et négatifs, soit induire un superenroulement positif et négatif dans l'ADN. Les enzymes peuvent également favoriser la caténation (lorsque deux brins d'ADN circulaires simples sont liés ensemble après la réplication) et la décaténation (la séparation de deux chromosomes circulaires fermés liés), et peuvent également soulager l'enchevêtrement des chromosomes linéaires. [2]

La configuration en double hélice des brins d'ADN les rend difficiles à séparer, ce qui est requis par les enzymes hélicase si d'autres enzymes doivent transcrire les séquences qui codent pour les protéines ou si les chromosomes doivent être répliqués. Dans l'ADN circulaire, dans lequel l'ADN à double hélice est plié et joint en cercle, les deux brins sont liés topologiquement ou noués. Sinon, des boucles d'ADN identiques, ayant des nombres de torsions différents, sont des topoisomères et ne peuvent pas être interconverties sans casser les brins d'ADN. Les topoisomérases catalysent et guident le dénouement ou la déliaison de l'ADN [3] en créant des cassures transitoires dans l'ADN en utilisant une tyrosine conservée comme résidu catalytique. [1]

L'insertion d'ADN (viral) dans les chromosomes et d'autres formes de recombinaison peut également nécessiter l'action des topoisomérases.

Les molécules circulaires liées topologiquement, alias les caténanes, adoptent une forme superenroulée positive au cours du processus de réplication des plasmides circulaires. La dissociation des caténanes est réalisée par des topoisomérases de type IIA, qui se sont récemment révélées plus efficaces pour dissocier l'ADN superenroulé positif. Des expériences ont démontré que l'ADN superenroulé positif fournit une courbure nette de l'ADN dans le premier segment d'ADN lié, ce qui permet à la topoisomérase de se lier avec succès et donc de poursuivre sa réaction enzymatique au segment suivant dans une matière interne vers l'extérieur spécifique. D'un autre côté, l'ADN superenroulé négatif ne fournit pas une telle courbure et l'accès de l'enzyme au premier segment est presque impossible, inhibant ainsi la déliaison. [4]

La topoisomérase est également présente dans les mitochondries des cellules. [5] Les mitochondries génèrent de l'ATP et jouent un rôle dans la mort cellulaire programmée et le vieillissement. [6] L'ADN mitochondrial des cellules animales est un ADN circulaire à double brin qui nécessite la réplication de l'activité de la topoisomérase. Les classes de topoisomérase trouvées dans les mitochondries sont I, IIβ, IIIα. [5]

Levure Modifier

Les cellules de levure sont connues pour utiliser trois topoisomérases : La topoisomérase I, de la sous-famille IB, est nécessaire à la croissance. Il permet à la fourche de réplication d'avancer et supprime les supercoils positifs et négatifs associés à la transcription. La topoisomérase II de la sous-famille IIA est nécessaire pour la décaténation des chromosomes liés et la préparation de la ségrégation pendant la mitose. La topoisomérase II ne peut pas induire de superenroulements négatifs, mais peut détendre à la fois les superenroulements positifs et négatifs comme la topoisomérase I, et peut remplacer la topoisomérase I si elle est absente. La topoisomérase III de la famille IA est utilisée pour la croissance cellulaire. Sans topoisomérase III, les taux de recombinaison dans la mitose et la méiose peuvent augmenter, ce qui ralentit la croissance des cellules. Dans S. pombe cellules, III est utilisé pour maintenir la division cellulaire.

Eucaryotes supérieurs Modifier

Les organismes eucaryotes supérieurs sont des organismes plus complexes et nécessitent généralement une machinerie cellulaire plus complexe. Ces organismes ont généralement une topoisomérase I, deux topoisomérases de type IIA et deux enzymes de type III. La topoisomérase I aide au mouvement de la fourche de réplication et détend les supercoils associés à la transcription. Il est également utilisé pour détendre les superbobines solénoïdes qui se forment lorsque les chromosomes se condensent en vue de la mitose. Les deux topoisomérases de type IIA, IIα et IIβ, sont utilisées pour délier les duplex filles entrelacés, ainsi que pour aider à la division cellulaire et à la suppression de la recombinaison, respectivement. On pense que les types IIIα et IIIβ agissent dans l'embryogenèse et interagissent avec les hélicases, respectivement.

Eubactéries Modifier

E. coli contient quatre ADN topoisomérases : deux enzymes de type IA (I et III) et deux de type IIA (ADN gyrase et topoisomérase IV). Les ADN topoisomérases III et IV ont des fonctions similaires. La topoisomérase III est incapable de détendre les superbobines positives, mais elle agit pour soutenir le mouvement de la fourche de réplication sur l'ADN plasmidique in vitro. Il peut décater l'enroulement qui se produit derrière la fourche de réplication en se concentrant sur les entailles dans l'ADN. La topoisomérase IV est l'enzyme de décaténation la plus efficace dans E. coli. Il détend également les superbobines négatives. L'ADN gyrase utilise l'hydrolyse de l'ATP pour générer un surenroulement négatif dans les chromosomes bactériens. Il détend les superbobines positives avant la fourche de réplication et agit dans la condensation des chromosomes. Enfin, la topoisomérase I aide à générer un surenroulement négatif avec la topoisomérase IV et l'ADN gyrase.

Archaea Modifier

Les connaissances sur les séquences du génome des archées sont limitées. Par conséquent, les connaissances sur les enzymes topoisomérases sont également limitées. Ils contiennent une gyrase inverse, une topoisomérase de type IA et une topoisomérase VI. Les fonctions des topoisomérases chez les archées sont comparables à celles des enzymes chez les eubactéries. La seule différence notable est que la topoisomérase VI chez les archées est responsable de la décaténation des intermédiaires de réplication de l'ADN et qu'elle détend à la fois les superbobines positives et négatives.

Bactériophage Modifier

Le bactériophage (phage) T4 gyrase (topoismérase de type II) est une protéine multi-sous-unité constituée des produits des gènes 39, 52 et probablement 60. Elle catalyse la relaxation de l'ADN superhélicoïdal négativement ou positivement et est utilisée dans la réplication de l'ADN phagique pendant l'infection du E. coli hôte bactérien. Puisque l'hôte E. coli L'ADN gyrase peut partiellement compenser la perte des produits du gène du phage T4, les mutants défectueux dans les gènes 39, 52 ou 60 n'abolissent pas complètement la réplication de l'ADN du phage, mais retardent plutôt son initiation. [7] Les mutants défectueux dans les gènes 39, 52 ou 60 présentent une recombinaison génétique accrue ainsi qu'une substitution de base accrue et une mutation par suppression suggérant que la synthèse d'ADN compensée par l'hôte est moins précise que celle dirigée par le phage de type sauvage. [8] Les mutants défectueux dans les gènes 39, 52 et 60 ont également une capacité réduite à effectuer une réactivation de multiplicité, une forme de réparation par recombinaison qui peut traiter différents types de dommages à l'ADN. [9]

La topologie de l'ADN correspond aux conformations tertiaires de l'ADN, telles que le superenroulement, le nouage et la caténation. La topologie de l'ADN peut être perturbée par la plupart des processus métaboliques : l'ARN polymérase peut provoquer des super-enroulements positifs en enroulant excessivement l'ADN devant l'enzyme, et peut également provoquer des super-enroulements négatifs en sous-enroulant l'ADN derrière l'enzyme. L'ADN polymérase a le même effet dans la réplication de l'ADN. Les superenroulements positifs et négatifs équilibrent toute la topologie globale de l'ADN, donc dans l'ensemble, la topologie reste la même. Cependant, à mesure que la fourche de réplication ou de transcription de l'ADN avance et que le superenroulement positif augmente, les brins d'ADN s'enroulent de plus en plus étroitement les uns autour des autres, ce qui rend plus difficile la progression de la polymérase. Il est important que la topologie locale de l'ADN avant et derrière la polymérase soit soulagée afin que la réplication et la division cellulaire puissent se dérouler. C'est à cela que servent les topoisomérases à ADN. [dix]

Problèmes topologiques Modifier

Il existe trois principaux types de topologie :

En dehors des processus essentiels de réplication ou de transcription, l'ADN doit être aussi compact que possible, et ces trois états contribuent à cette cause. Cependant, lorsque la transcription ou la réplication se produit, l'ADN doit être libre et ces états entravent sérieusement les processus. De plus, pendant la réplication, le duplex d'ADN nouvellement répliqué et le duplex d'ADN d'origine s'entrelacent et doivent être complètement séparés afin d'assurer l'intégrité génomique lorsqu'une cellule se divise. Au fur et à mesure qu'une bulle de transcription progresse, l'ADN devant la fourche de transcription devient surenroulé ou surenroulé positivement, tandis que l'ADN derrière la bulle de transcription devient sous-enroulé ou surenroulé négativement. Au fur et à mesure que la réplication se produit, l'ADN devant la bulle de réplication devient positivement superenroulé, tandis que l'ADN derrière la fourche de réplication s'emmêle pour former des précaténanes. L'un des problèmes topologiques les plus essentiels survient à la toute fin de la réplication, lorsque les chromosomes filles doivent être complètement démêlés avant que la mitose ne se produise. La topoisomérase IIA joue un rôle essentiel dans la résolution de ces problèmes topologiques.

De nombreux médicaments agissent par interférence avec les topoisomérases [11] Les antibiotiques fluoroquinolones à large spectre agissent en perturbant la fonction des topoisomérases bactériennes de type II. Ces inhibiteurs à petites molécules agissent comme des agents antibactériens efficaces en détournant la capacité naturelle de la topoisomérase à créer des ruptures dans l'ADN chromosomique.

Certains agents chimiothérapeutiques appelés inhibiteurs de la topoisomérase agissent en interférant avec les topoisomérases eucaryotes de type mammifère dans les cellules cancéreuses. Cela induit des ruptures de l'ADN qui conduisent finalement à la mort cellulaire programmée (apoptose). Cet effet endommageant l'ADN, en dehors de ses propriétés curatives potentielles, peut conduire à des néoplasmes secondaires chez le patient. [ citation requise ]

La topoisomérase I est l'antigène reconnu par les anticorps Anti Scl-70 dans la sclérodermie.

Topoisomerases can fix these topological problems and are separated into two types depending on the number of strands cut in one round of action: [12] Both these classes of enzyme utilize a conserved tyrosine. However these enzymes are structurally and mechanistically different. For a video of this process click here.


Mechanism of action:

Topoisomerase cleaves and ligates DNA in a single reaction and without the use of any energy. But for completion of any biological reaction, energy must require. Than how topoisomerase performs this function without any energy?

Here topoisomerases perform covalent intermediate interaction mechanisms. Topoisomerase interacts as an intermediate between two ends of the broken DNA strand. When a DNA molecule is broken, the phosphodiester bond between the DNA molecule is also broken.

The tyrosine residue of activated topoisomerase attacks directly the phosphodiester bonds of broken DNA. The tyrosine is now bound with the phosphate of the broken DNA strand at -5′ end. The other -3’OH end remains free and held by the topoisomerase domain.

The interaction between tyrosine of active topoisomerase and phosphate of DNA is weak covalent and it conserves energy for rejoining strands. Another strand (in case of topoisomerase I) or another double helix (in case of topoisomerase II) passed through the broken end. Here the free -OH group destroys the weak intermediate covalent bond between phosphate and tyrosine (of topoisomerase) and rejoined with phosphate by a phosphodiester bond.

Topoisomerase is released from the site of action and moves to another site for performing another reaction. Importantly, an energy molecule is not utilized by any topoisomerase. Then what happens with ATP molecule which is consumed by topoisomerase-II? The energy of ATP hydrolysis is used to promote conformational changes in the topoisomerase-DNA complex, not for cleaving and ligating.

Enzyme open bridge

Conformational changes in the shape of the enzyme are very important for relaxing DNA molecules. here the energy from ATP hydrolysis (in the case of topo II) is utilized to perform this function.

In the first step, the enzyme recognizes the DNA molecule as a substrate and binds to it. More specifically, its affinity is higher in the case of supercoiled DNA.

Now in the second step, tyrosine dependent activity leads to create a gap between a DNA strand and covalently binds to phosphate. Here the enzyme opens both the end by making the conformational change in its shape and creates a bridge for another strand to pass through it.

In the next step, the intact DNA strand is passed through it and one special domain of topoisomerase held DNA strand until the bridge is closed and broken DNA stand is joined.

Image credit: “Molecular biology of the gene”, 7th edition by Watson. The image represents different steps of topoisomerase activity and conformational changes in the enzyme.

At last one final time, the enzyme opens up and releases the active site and move to another site. The mechanism is similar in both types of topoisomerase. But topoisomerase-I passes a single strand and topoisomerase-II passes double-stranded DNA.

Additionally, topoisomerase-II is dimeric or tetrameric because it has to work on breaking and ligating both strands of DNA. Energy (in the form of ATP) is required for making conformational changes in these extra domains.

Topoisomerase maintains the speed of replication by unwinding DNA and releasing tension. Supercoiled DNA has twists and writhes which makes it complex. We will discuss twists, writhes, cccDNA, and linking number in the next article.


Voir la vidéo: DNA replication in prokaryotic cell 3D animation with subtitle (Février 2023).