Les enzymes qui contrôlent la torsion de l’ADN Enzymes that relax supercoiled DNA

Notre expérience quotidienne montre qu’il est impossible de désenchevêtrer une pelote de ficelle sans faire de noeuds. Le noyau cellulaire est lui-même une fantastique pelote de chromosomes. Chacun de nos chromosomes mesure quelques centimètres de long et se trouve enchevêtré dans un noyau de quelques millièmes de centimètres. Cependant, lors de la division cellulaire, les 46 chromosomes de chaque cellule-mère arrivent à se séparer sans former de noeuds pour être distribués à part égale dans chacune des cellules-filles. Le mécanisme de ce petit miracle n’est que partiellement compris. On sait que des enzymes - les topo-isomérases - sont essentielles pour désenchevêtrer l’ADN chromosomique, mais le scénario précis de leur action n’est toujours pas bien connu. L’implication des topo-isomérases dans les processus de réplication, de transcription et de recombinaison, où la topologie de l’ADN joue également un rôle significatif, souligne combien il est important de comprendre le mécanisme d’action de cette famille d’enzymes [1]. Leur inhibition conduisant à la mort cellulaire, ces enzymes sont la cible de médicaments anti-cancéreux et anti-bactériens [2]. Il existe deux sortes de topo-isomérases, baptisées Topo I et Topo II selon qu’elles coupent transitoirement un seul ou les deux brins de l’ADN respectivement. Ainsi, les Topo I, dont il est question dans cet article, agissent en modifiant le nombre d’enlacements des brins à l’intérieur d’une double hélice d’ADN, cependant que les Topo II catalysent le passage d’un segment d’ADN double-brin à travers un autre. Différents modèles ont été proposés pour le fonctionnement de la Topo I (Figure 1). Dans le premier, l’enzyme, après avoir clivé un premier brin d’ADN, maintient solidement les deux extrémités de la brèche et fait passer l’autre brin à travers cette brèche avant de la refermer (Figure 1A). Ce mécanisme, proposé pour la famille des topo-isomérases IA, permet de réduire la contrainte de torsion exercée sur l’ADN de un tour à chaque cycle enzymatique [3, 4]. Dans le second modèle, après avoir clivé le premier brin d’ADN, l’enzyme reste liée fortement à l’extrémité 3’ ainsi produite, cependant que l’autre extrémité de la brèche est libre d’effectuer un nombre indéfini de rotations autour de l’autre brin de l’ADN (Figure 1B). Ce mécanisme, proposé pour la famille des topo-isomérases IB, réduit la contrainte de torsion de plusieurs tours par cycle enzymatique [5]. Néanmoins, il n’y a pas, jusqu’à présent, de preuve formelle en faveur de l’un ou l’autre de ces modèles pour ces deux familles de topo-isomérases. Une approche de ce problème a été tentée par des mesures de cinétique enzymatique classiques dans lesquelles un grand nombre de molécules d’enzymes et d’ADN interagissent. Ces mesures ne donnent accès qu’à des valeurs moyennes et ne permettent pas de trancher entre les deux modèles. Le développement de stratégies utilisant des molécules uniques - démarche que nous avons utilisée pour déterminer le mécanisme des topo-isomérases IA [6] - permet d’une façon générale d’examiner les détails d’interactions biologiques difficiles à appréhender autrement. Ces outils permettent de mesurer très précisément en temps réel l’interaction entre une seule molécule d’enzyme et une molécule unique d’ADN. En ce qui concerne les topo-isomérases I, plusieurs questions se posent: combien de tours la Topo I relâche-t-elle par cycle? Comment ces enzymes sont-elles activées? De quelle manière la vitesse de « désenroulement » dépend-elle de la force de traction exercée sur l’ADN? Quelle est l’étape limitante du cycle enzymatique? Pour répondre à certaines de ces questions, nous avons récemment développé un système de micromanipulation et de mesure de force à l’échelle d’une molécule unique dont l’atout principal est la possibilité de contrôler précisément à la fois la force de traction exercée sur …