Chaque cellule vivante copie l’ADN en ARN. Ce processus commence lorsqu’une enzyme appelée ARN polymérase (RNAP) se scinde à l’ADN. En quelques centaines de millisecondes, la double hélice d’ADN se déplie pour former un nœud appelé bulle de transcription, de sorte que le brin d’ADN exposé puisse être copié dans un brin d’ARN complémentaire.
La manière dont le RNAP parvient à cet exploit est largement inconnue. Prendre une photo du RNAP alors que cette bulle est ouverte fournirait une mine d’informations, mais le processus se déroule trop rapidement pour que la technologie actuelle puisse facilement capturer des visualisations de ces structures. Aujourd’hui, une nouvelle étude a été menée… Nature, biologie structurale et moléculaire E. coli RNAP décrit le processus d’ouverture de la bulle de transcription.
Les résultats, capturés dans les 500 millisecondes suivant le mélange du RNAP avec l’ADN, mettent en lumière les mécanismes fondamentaux de la transcription et répondent à des questions de longue date sur le mécanisme d’initiation et l’importance de ses différentes étapes.
C’est la première fois que quelqu’un est capable de capturer des complexes de copies temporaires au fur et à mesure qu’ils se forment en temps réel. Comprendre ce processus est crucial, car il s’agit d’une étape clé de régulation de l’expression des gènes.
Ruth Secker, première auteure, est spécialiste de recherche au laboratoire de Seth Darst à Rockefeller.
Une vision inédite
Darst a été le premier à décrire la structure du RNAP bactérien, et essayer d’en extraire des détails est resté une priorité majeure de son laboratoire. Alors que des décennies de travail ont démontré que la liaison du RNAP à une séquence d’ADN spécifique déclenche une série d’étapes qui ouvrent la bulle, la manière dont le RNAP sépare les brins et place un seul brin dans son site actif fait encore l’objet de vifs débats.
Les premiers travaux dans ce domaine suggèrent que l’ouverture des bulles agit comme un facteur de ralentissement critique du processus, déterminant la rapidité avec laquelle le RNAP passe à la synthèse de l’ARN. Des découvertes ultérieures dans ce domaine ont remis en question ce point de vue, et plusieurs théories ont émergé sur la nature de cette étape limitante. « Nous savons grâce à d’autres techniques biologiques que lorsque le RNAP rencontre l’ADN pour la première fois, il produit un ensemble d’intermédiaires hautement régulés », explique le co-auteur Andreas Müller, chercheur postdoctoral au laboratoire. « Moins d’une seconde, et nous n’avons pas pu capturer les structures en si peu de temps. »
Pour mieux comprendre ces intermédiaires, l’équipe a collaboré avec des collègues du New York Center for Structural Biology, qui ont développé un système automatisé à jet d’encre capable de préparer rapidement des échantillons biologiques pour une analyse par microscopie électronique cryogénique. Grâce à ce partenariat, l’équipe a pu capturer les composés qui se forment au cours des 100 à 500 premières millisecondes de recombinaison d’ARN, ce qui a permis d’obtenir des images de quatre intermédiaires distincts avec suffisamment de détails pour permettre l’analyse.
Pour la première fois, une image claire a été obtenue des changements structurels et des intermédiaires qui se forment au cours des étapes initiales de la liaison de l’ARN polymérase à l’ADN. « La technologie était très importante pour cette expérience », explique Saker. « Sans la possibilité de mélanger rapidement l’ADN et l’ARN polymérase et d’en prendre une photo en temps réel, ces résultats n’existeraient pas. »
Mettez-vous dans la bonne position
Après avoir examiné ces images, l’équipe a pu cartographier une séquence d’événements montrant comment la protéine RNAP interagit avec les brins d’ADN lors de leur séparation, avec des niveaux de détail sans précédent. Au fur et à mesure que l’ADN se déroule, la protéine RNAP saisit progressivement l’un des brins d’ADN pour empêcher la double hélice de se rejoindre. Chaque nouvelle interaction provoque un changement de forme de la protéine RNAP, permettant ainsi la formation de davantage de liaisons entre la protéine et l’ADN. Cela implique d’expulser une partie de la protéine qui empêche l’ADN de pénétrer dans le site actif de la protéine RNAP. Ainsi, une bulle de copie stable se forme.
L’équipe suggère que l’étape limitante de la transcription pourrait être le placement du brin matrice d’ADN dans le site actif de l’enzyme RNAP. Cette étape implique de surmonter d’importantes barrières énergétiques et de réorganiser plusieurs composants. Les recherches futures visent à confirmer cette nouvelle hypothèse et à explorer d’autres étapes de la transcription.
« Nous n’avons examiné que les premières étapes de cette étude », explique Müller. « Nous espérons ensuite examiner d’autres complexes, des points temporels ultérieurs et des étapes supplémentaires dans le cycle de transcription. »
Loin de résoudre des théories contradictoires sur la façon dont les brins d’ADN sont capturés, ces résultats mettent en évidence la valeur de la nouvelle méthode, qui peut capturer en temps réel les événements moléculaires qui se produisent en quelques millisecondes. Cette technologie permettra davantage d’études de ce type, aidant ainsi les scientifiques à visualiser les interactions dynamiques dans les systèmes biologiques.
« Si nous voulons comprendre l’un des processus les plus fondamentaux de la vie, que toutes les cellules exécutent, nous devons comprendre comment sa progression et sa vitesse sont régulées », explique Darst. « Une fois que nous le saurons, nous aurons une idée plus claire de la façon dont cela se produit. la transcription est initiée.
