Brisure de l’ADN, une danse multi-échelle

L’information génétique définissant les organismes vivants est contenue dans l’une des plus incroyables macro-molécules : l’ADN. Cette information est codée à l’aide de 4 bases chimiques : adénine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T), alignées sous forme d’un long filament. Tel un véritable alphabet à 4 lettres, la séquence avec laquelle ces 4 bases chimiques sont alignées détermine l’information génétique nécessaire au développement de tous les organismes vivants. Chez l’Homme, l’ADN est formé d’environ 3 milliards de bases chimiques contenues à l’intérieur de chacun des noyaux de nos cellules. Complètement déroulée, la molécule d’ADN mesure 2 mètres de long, alors qu’elle doit rentrer à l’intérieur d’un noyau d’environ 10 micro-mètres de diamètre, soit 200 000 fois plus petit que la longueur de l’ADN déroulé. La manière dont cette fibre d’ADN s’enroule et bouge à l’intérieur du noyau passionne de nombreux chercheurs travaillant dans divers domaines allant de la biologie cellulaire, la modélisation, la microscopie …

L’organisation tridimensionnelle et la dynamique de l’ADN jouent un rôle clé dans différentes fonctions biologiques comme la transcription ou la réparation des dommages de l’ADN. Par exemple, la manière dont l’ADN s’enroule permet à certaines séquences (codant pour des gènes actifs) d’être facilement accessibles, tel un livre organisé en chapitres qui pourraintt rester ouvert plus facilement à certaines pages. A l’inverse, d’autres séquences codant pour des gènes inactifs sont peu accessibles. L’organisation tridimensionnelle est très perturbée dans des cellules venant de tissus malades, d’où l’importance de mieux comprendre comment cette organisation est régulée. La fibre d’ADN est très compactée dans le noyau, ; cependant, elle possède une certaine dynamique lui permettant d’explorer l’environnement nucléaire.

Au cours du cycle cellulaire, notre génome est constamment endommagé par différents agents comme la lumière UV ou des agents chimiques. Parmi les dommages de l’ADN, les cassures double-brins sont les plus dangereux : une seule cassure double brin, si elle n’est pas réparée, peut entrainer la mort de la cellule ou une instabilité de notre génome. Chez les eucaryotes, il existe 2 mécanismes permettant de réparer les cassures double brin dont la recombinaison homologue. Celle-ci utilise une séquence d’ADN identique ou presque (appelée séquence homologue) servant de modèle pour réparer l’ADN endommagé. Pour cela, la séquence endommagée doit trouver au sein de notre génome une séquence homologue intacte, puis s’aligner parfaitement avec celle-ci. La recherche d’une séquence homologue est étonnamment efficace compte tenu du degré de compaction de l’ADN dans le noyau des cellules. En effet, étant donnée la taille de notre génome, trouver une séquence homologue au sein de notre génome serait équivalent à retrouver une phrase dans 10 volumes du livre « Les Misérables » de Victor Hugo. Une fois l’homologie trouvée, l’ADN endommagé utilise l’ADN homologue intact comme modèle pour restaurer l’information génétique manquante.

En utilisant la levure comme système modèle, nous avons récemment étudié l’influence des cassures double brins sur le mouvement de l’ADN dans des cellules vivantes. Grace à des techniques avancées de microscopie de fluorescence et d’analyse d’images, nous avons suivi le mouvement de 2 régions homologues d’ADN au cours du temps, en l’absence puis en présence de cassures double brin dans le génome. Nous avons ainsi observé une augmentation importante de la dynamique de l’ADN après présence de cassures double brin, leur permettant d’explorer un volume nucléaire jusqu’à 10 fois supérieur ! Une telle augmentation de la dynamique de l’ADN en réponse aux dommages faciliterait la recherche d’homologie entre séquences homologues initialement éloignées.

La dynamique de l’ADN peut être mesurée à différentes échelles de temps, allant de quelques millisecondes à quelques minutes. Plus récemment, en utilisant des techniques de microcopie ultra rapides, nous avons visualisé le mouvement de l’ADN avant et après dommages à des échelles de temps jusqu’à 1000 fois plus rapides (1 image toutes les 10 millisecondes). Ces dernières expériences ont monté que la dynamique de l’ADN est plus complexe que nous ne l’anticipions. L’augmentation de mobilité décrite initialement se révèle être la partie apparente des modifications affectant le mouvement de l’ADN. En effet, en réponse à des dommages, l’ADN est en fait moins mobile lorsqu’il est observé de manière très rapide. Cette différence de dynamique en fonction de l’échelle de temps d’observation serait due à une augmentation de rigidité de l’ADN en réponse aux dommages.

Image du titre: Dans deux cellules de levure (représentées en bleue), nous avons représenté les trajectoires de 2 loci d’ADN homologues. Au dernier plan, la cellule ne possède pas de dommages, alors qu'au premier plan, la cellule possède environ 20 cassures double brin de l’ADN. Le changement de mobilité de l’ADN est nettement visible : après dommages, l’ADN explore un volume nucléaire beaucoup plus important. (crédit: Myles Marshall).

 

 

Judith Miné-Hattab^1,2,3, Vincent Récamier², Ignacio Izeddin⁴, Rodney Rothstein², Xavier Darzacq^1,5

¹ Institut de Biologie de l’Ecole Normale Supérieure (IBENS), Paris 75005, France

² Department of Genetics & Development, Columbia University Medical Center, New York, NY 10032, USA

³ Nuclear Dynamics, CNRS UMR 3664, Institut Curie, Paris 75005, France

⁴ Institut Langevin, CNRS, ESPCI Paris, PSL Research University, 75005 Paris, France

⁵ Division of Genetics, Genomics & Development, Department of Molecular and Cell Biology, University of California, Berkeley, Berkeley, CA 94720, USA

 

References:

Increased chromosome mobility facilitates homology search during recombination. 

Miné-Hattab and Rodney Rothstein, Nat Cell Biol. 2012.

 

DNA motion upon double strand break

Miné-Hattab and Rodney Rothstein Trend in Cell Biology, 2013

 

Multi-scale tracking reveals scale-dependent chromatin dynamics after DNA damage.

Miné-Hattab et al., Mol Biol Cell. 2017.

 

Dynamique de la chromatine en réponse aux dommages de l’ADN : Une histoire multiéchelle

Miné-Hattab and Xavier Darzacq, Medecine/Science 2018