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Complexité des échanges entre molécules d’ADN lorsqu’elles recombinent

Catégorie : Communiqués de presse CRCM

 

 

La recombinaison homologue est un mécanisme de réparation des cassures de l’ADN, qu’elles soient accidentelles comme quand les cellules de renouvellent par division cellulaire, ou bien programmées comme pendant la genèse des cellules germinales lors de la reproduction sexuée. A partir d’une extrémité de l’ADN cassé, le mécanisme de recombinaison consiste à rechercher, identifier puis recopier une séquence d’ADN identique intacte ailleurs dans le génome pour réparer le locus cassé (comme un copier-coller). Ce mécanisme est intrinsèquement associé au transfert unidirectionnel d’information génétique du locus intact vers le locus cassé. Ce processus appelé « conversion génique » correspond à une perte locale d’hétérozygotie (hétérogénéité entre les deux versions d’un même gène c’est-à-dire deux allèles d’un gène donné) qui peut révéler l’expression d’allèles récessifs (dont l’effet est normalement masqué par l’expression de l’autre allèle appelé dominant) et provoquer des maladies génétiques comme les cancers. Cette conversion génique peut être associée ou non à des échanges réciproques de bras chromosomiques, les crossovers. Les crossovers sont dangereux pendant la division des cellules car ils provoquent des pertes d’hétérozygotie sur de grandes régions pouvant couvrir de nombreux gènes. La voie principale de recombinaison pendant la division des cellules se fait donc sans crossovers. Inversement, les crossovers sont favorisés lors de la production des cellules reproductrices pour permettre à la fois le brassage génétique, mais aussi et surtout d’établir des liens physiques essentiels à la bonne ségrégation des chromosomes homologues entre lesquels ils se produisent. En plus de son intérêt fondamental, la compréhension du mécanisme de recombinaison présente donc de nombreux intérêts médicaux et biotechnologiques.

 

Notre vision de la recombinaison résulte de nombreuses décennies d’études notamment de la production des cellules reproductrices par méiose chez les champignons filamenteux et les levures. Un élément important fut le postulat puis la confirmation de la formation d’hétéroduplex au cours de la réaction. Il s’agit de régions de la molécule d’ADN (duplex) où les deux brins viennent de chacun des deux parents et peuvent donc présenter des mésappariements de bases résultant du polymorphisme entre les deux parents. Le modèle canonique de recombinaison fut publié il y a 35 ans sous forme de « modèle de réparation des cassures doubles brin de l’ADN (Double Strand Break Repair)». Ce modèle postule la formation de conversion génique avec ou sans crossover à partir du clivage différentiel d’un même intermédiaire qui contient deux jonctions liant les chromatides recombinantes appelées « jonctions de Holliday ». A ce modèle s’ajoute le modèle « d’appariement dépendant de la synthèse d’ADN (Synthesis Dependent Strand Annealing) qui produit exclusivement des conversions sans crossover et qui est préférentiellement utilisé pendant la division des cellules. Finalement, il a été montré que les intermédiaires à deux jonctions de Holliday pouvaient être défaits sans coupure par isomérisation sous l’action combinée d’une hélicase et d’une topoisomérase. Toutefois, ces modèles n’expliquent pas toute la complexité des profils de recombinaison observés. De plus, l’abondance relative des différentes voies de recombinaison n’est pas clairement établie. Finalement, il reste beaucoup à découvrir sur les fonctions des protéines impliquées.

 

Dans leur étude Marsolier-Kergoat et al. ont analysé les hétéroduplex associés à l’ensemble des conversions géniques de la méïose se produisant dans un génome de la levure Saccharomyces cerevisiae pour inférer la nature des intermédiaires réactionnels et mieux comprendre le mécanisme de recombinaison méiotique ainsi que son contrôle génétique. Ils expliquent la complexité des profils de recombinaison par la fréquente migration par isomérisation des jonctions de Holliday, par le changement de substrat lors de la phase synthèse d’ADN réparatrice, et finalement par la présence de protéines impliquées dans la coupure des jonctions de Holliday méiotiques (Mlh1, Mlh3, Exo1 et Sgs1). De plus, malgré la symétrie apparente de l’intermédiaire à deux jonctions de Holliday, les auteurs révèlent un biais dans son clivage dont l’origine reste à découvrir mais qui semble lié au segment d’ADN néosynthétisé. Finalement, les auteurs montrent que la majorité des conversions sans crossovers implique l’interaction des deux extrémités des cassures méiotiques avec la chromatide homologue sans formation d’intermédiaire à deux jonctions de Holliday, alors que le modèle classiquement envisagé n’implique l’interaction que d’une seule extrémité avec la chromatide homologue.

 

Ces résultats constituent une avancée majeure dans la compréhension de la dynamique de la recombinaison homologue et facteurs qui la contrôlent. Bien que cette étude porte sur la recombinaison en méiose et implique certains facteurs spécifiques, il est important de souligner que des études récentes pendant la division des cellules révèlent une forte similitude du mécanisme de recombinaison dans ces deux phases du cycle cellulaire.


 

 

 

Référence : Mechanistic View and Genetic Control of DNA Recombination during Meiosis. Marie-Claude Marsolier-Kergoat, Md Muntaz Khan, Jonathan Schott, Xuan Zhu and Bertrand Llorente. Molecular Cell, 2017, doi.org/10.1016/j.molcel.2018.02.032