Comment la cellule peut réparer l’ADN brisé en utilisant une autre copie d’ADN comme modèle a intrigué les chercheurs pendant des années. Comment est-il possible de trouver les séquences correctes dans l’intérieur occupé de la cellule ? Des chercheurs de l’université d’Uppsala ont maintenant découvert la solution ; il est plus facile de trouver une corde qu’une balle si vous avez les yeux bandés.
Lorsqu’une molécule d’ADN se brise en deux, le sort de la cellule est menacé. Du point de vue d’une bactérie, réparer rapidement la cassure est une question de vie ou de mort. Mais réparer l’ADN sans introduire d’erreurs dans la séquence est un défi ; les machines de réparation doivent trouver un modèle. Le processus de guérison de l’ADN brisé à l’aide d’une matrice à partir d’un chromosome frère est connu sous le nom de recombinaison homologue et est bien décrit dans la littérature. Cependant, la description ne tient généralement pas compte de la tâche ardue de trouver le modèle correspondant parmi toutes les autres séquences du génome. Le chromosome est une structure complexe avec plusieurs millions de paires de bases de code génétique et il est bien clair qu’une simple diffusion en 3D ne serait pas suffisamment rapide de loin. Mais alors, comment ça se passe ? C’est le mystère de la recombinaison homologue depuis 50 ans. D’après les études précédentes, il est clair que la molécule RecA est impliquée et importante dans le processus de recherche, mais, jusqu’à présent, cela a été la limite de notre compréhension de ce processus.
Aujourd’hui, un groupe de chercheurs d’Uppsala dirigé par le professeur Johan Elf a enfin trouvé la solution à cette énigme de la recherche. Dans une étude publiée dans Nature, ils utilisent une technique basée sur CRISPR pour effectuer des ruptures contrôlées de l’ADN dans les bactéries. En faisant croître les cellules dans une puce de culture microfluidique et en suivant les molécules RecA marquées par microscopie à fluorescence, les chercheurs peuvent imager le processus de recombinaison homologue du début à la fin.
La puce de culture microfluidique nous permet de suivre simultanément le devenir de milliers de bactéries individuelles et de contrôler les ruptures d’ADN induites par CRISPR dans le temps. C’est très précis, presque comme avoir une paire de minuscules ciseaux à ADN. »
Jakub Wiktor, chercheur
L’étiquette sur RecA ainsi que des marqueurs fluorescents sur l’ADN permettent aux chercheurs de suivre avec précision chaque étape du processus ; par exemple, ils concluent que toute la réparation est terminée en 15 minutes, en moyenne, et que le gabarit se trouve dans environ neuf. À l’aide de la microscopie, Elf et son équipe enquêtent en temps réel sur le sort du site de rupture et de sa copie homologue. Ils constatent également que la cellule réagit en réarrangeant RecA pour former de minces filaments qui s’étendent sur toute la longueur de la cellule.
« Nous pouvons voir la formation d’une structure mince et flexible qui dépasse du site de rupture juste après les dommages à l’ADN. Étant donné que les extrémités de l’ADN sont incorporées dans cette fibre, il suffit que n’importe quelle partie du filament trouve le précieux modèle et donc le recherche est théoriquement réduite de trois à deux dimensions. Notre modèle suggère que c’est la clé d’une réparation d’homologie rapide et réussie », explique Arvid Gynnå, qui a travaillé sur le projet tout au long de ses études de doctorat.
Passer d’une recherche 3D à une recherche 2D est en effet une amélioration considérable quant à la probabilité de trouver la séquence homologue assez rapidement, voire pas du tout. Comme l’a dit le mathématicien japonais Shizuo Kakutani : « Un homme ivre retrouvera le chemin du retour, mais un oiseau ivre peut être perdu à jamais ». Avec ces mots, il essaya d’expliquer un fait curieux ; un objet qui explore une surface 2D par une marche aléatoire retrouvera tôt ou tard son chemin vers son point de départ alors que dans un espace 3D, il est probable qu’il ne rentrera jamais « à la maison ».
Les chercheurs d’Uppsala ont effectué leur étude dans l’organisme modèle E. coli, mais le processus de réparation d’homologie est presque identique pour les organismes supérieurs tels que nous-mêmes, ou les colombes d’ailleurs. Les dommages à l’ADN se produisent fréquemment dans notre corps, et sans la capacité de guérir l’ADN brisé, nous serions extrêmement vulnérables, par exemple, à la lumière UV et aux espèces réactives de l’oxygène, et plus susceptibles de développer un cancer. En fait, la plupart des oncogènes sont liés à la réparation de l’ADN et les nouvelles connaissances mécaniques pourraient nous aider à comprendre les causes de la croissance tumorale.
