Double problème aux extrémités des chromosomes


Il y a un demi-siècle, les scientifiques Jim Watson et Alexey Olovnikov ont réalisé indépendamment qu'il y avait un problème dans la façon dont notre ADN était copié. Une bizarrerie de la réplication linéaire de l'ADN dictait que les télomères qui protègent les extrémités des chromosomes auraient dû devenir plus courts à chaque cycle de réplication, un phénomène connu sous le nom de problème de réplication finale.

Mais une solution était imminente : Liz Blackburn et Carol Greider ont découvert la télomérase, une enzyme qui ajoute les répétitions télomériques aux extrémités des chromosomes. “Affaire classée, tout le monde le pensait”, déclare Titia de Lange de Rockefeller.

Maintenant, une nouvelle recherche publiée dans Nature suggère qu'il existe deux problèmes de réplication finale, et non un. De plus, la télomérase n'est qu'une partie de la solution : les cellules utilisent également le complexe CST-Polα-primase, qui a été largement étudié dans le laboratoire de Lange. “Pendant de nombreuses décennies, nous avons cru savoir quel était le problème de la réplication finale et comment il était résolu par la télomérase”, explique de Lange. “Il s'avère que nous avons raté la moitié du problème.”

Le problème du brin principal

Depuis la description de la double hélice de l'ADN, on sait que l'ADN possède deux brins complémentaires allant dans des directions opposées : l'un de 5' à 3' ; l'autre de 3' à 5'. Lorsque l’ADN est répliqué, les deux brins sont séparés par la machinerie de réplication, également appelée réplisome. Le réplisome copie le brin 3' à 5' sans interruption, un processus appelé synthèse du brin principal. Mais l’autre brin est synthétisé par de courtes étapes en arrière à partir de nombreux fragments (fragments d’Okazaki) qui sont ensuite assemblés.

Le processus est assez direct jusqu’aux extrémités des chromosomes. Lors de la copie du télomère, la réplication de l'ADN du brin principal doit copier les répétitions CCCTAA pour générer le brin répété TTAGGG, tandis que la synthèse du brin retardé doit faire le contraire, créant de nouvelles répétitions CCCTAA. Le problème de la réplication de l'extrémité se pose parce que la synthèse du brin principal ne parvient pas à reproduire la dernière partie du télomère, laissant un télomère de l'extrémité avant émoussé sans son surplomb caractéristique et crucial en 3'. La télomérase résout ce problème en ajoutant des répétitions TTAGGG simple brin à l'extrémité du télomère. Quant au brin retardateur, la synthèse de l’ADN ne devrait pas poser de problème. Cela pourrait faire démarrer le dernier fragment d'Okazaki quelque part le long du surplomb de 3 pieds.

“La machinerie de réplication de l'ADN ne peut pas reproduire complètement la fin d'un ADN linéaire, de la même manière que vous ne pouvez pas peindre le sol sous vos pieds”, déclare Hiro Takai, scientifique principal du laboratoire de Lange et auteur principal de l'article. .

Le problème du brin en retard

Au fur et à mesure des descriptions des processus biologiques, ce modèle semblait étanche. Jusqu'à ce que Takai fasse une découverte surprenante en travaillant sur des cellules dépourvues de machinerie moléculaire appelée complexe CST-Polα-primase. Lui et d'autres avaient déjà montré que la CST-Polα-primase pouvait reconstituer les répétitions de CCCTAA au niveau des télomères qui avaient été attaqués par des enzymes dégradant l'ADN appelées nucléases. Ces nouvelles données ont révélé quelque chose d'inattendu : non seulement le brin principal avait besoin d'aide, mais il a également découvert que l'extrémité du brin retardateur ne pouvait pas non plus être synthétisée par le réplisome.

Les travaux de Takai suggèrent que le problème de la réplication finale était deux fois plus grave qu'on le pensait auparavant, affectant les deux brins d'ADN. “Les résultats ne correspondaient tout simplement pas au modèle de réplication des télomères”, explique de Lange. “À ce moment-là, Hiro et moi avons réalisé que soit ses résultats n'étaient pas corrects, soit que le modèle était erroné. Comme ses résultats me semblaient très solides, nous devions revoir le modèle.”

De Lange a contacté Joseph TP Yeeles, un biochimiste qui étudie la réplication de l'ADN au Laboratoire de biologie moléculaire de Cambridge (le même laboratoire où Watson et Crick ont ​​travaillé sur la structure de la double hélice de l'ADN). Yeeles a convenu qu'il serait bon d'examiner de près le comportement du réplisome à la fin d'une matrice d'ADN linéaire. Le replisome pourrait-il utiliser un surplomb de 3' pour fabriquer le dernier fragment d'Okazaki, comme cela a été proposé ?

Les résultats des expériences de réplication in vitro de Yeeles étaient très clairs. Le replisome ne génère pas de fragments d'Okazaki sur le surplomb 3' ; il arrête en fait la synthèse du brin en retard bien avant que le brin principal n'atteigne l'extrémité 5'. Ce deuxième problème de réplication terminale signifie que les deux brins d’ADN se raccourciront à chaque division. La télomérase empêchait seulement que cela se produise au niveau du brin principal et les données de Hiro suggéraient que la CST-Polα-primase résolvait le deuxième problème de réplication terminale, celui du brin en retard.

Takai a passé les quatre années suivantes à concevoir de nouveaux tests pour confirmer les découvertes de Yeeles in vivo. Il a pu mesurer la quantité d'ADN perdue en raison du problème de réplication des extrémités des brins retardés, révélant ainsi le nombre de répétitions CCCAAT qui doivent être ajoutées par CST-Polα-primase pour conserver les télomères intacts.

Les résultats changent notre compréhension de la biologie des télomères – nécessitant une révision des manuels. Mais ces résultats pourraient également avoir des implications cliniques. Les personnes qui héritent de mutations de la CST-Polα-primase souffrent de troubles des télomères, tels que le syndrome de Coats plus, caractérisé par un trouble oculaire et des anomalies au niveau du cerveau, des os et du tractus gastro-intestinal. Grâce à une meilleure compréhension de la façon dont nous entretenons nos télomères, des progrès pourraient un jour être réalisés dans la lutte contre ces troubles dévastateurs.

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