uracile dans L’ADN: erreur ou signal?

thymine versus uracile

notre information génétique est stockée sous forme D’ADN, en utilisant un alphabet de quatre lettres. Les quatre « lettres » correspondent aux quatre bases chimiques que chaque bloc constitutif de L’ADN – appelé nucléotide – peut avoir: adénine (A), thymine (T), cytosine (C) et guanine (G; voir Figure 1)., Comme James Watson et Francis Crick l’ont découvert, L’ADN forme une double hélice dans laquelle les quatre bases s’apparient toujours de la même manière, grâce à des liaisons hydrogène spécifiques: l’adénine se lie à la thymine et la guanine à la cytosine (voir Figures 2 et 3).

Il existe cependant une cinquième lettre alternative: l’uracile (U), qui forme le même schéma de liaisons hydrogène avec l’adénine (voir Figure 4)., Mais bien que l’uracile soit couramment utilisé dans L’ARN, ce n’est pas le cas dans L’ADN, où la thymine est utilisée à la place. Pourquoi cela peut-il être?

Chimiquement, la thymine est une molécule d’uracile avec un groupe méthyle supplémentaire. Quel serait l’avantage, en termes évolutifs, d’utiliser ce bloc de construction plus complexe dans L’ADN? La réponse peut résider dans la façon dont les cellules corrigent les dommages à l’ADN.,

la Cytosine peut se transformer spontanément en uracile, par un processus appelé désamination hydrolytique (voir Figure 4). Lorsque cela se produit, la guanine qui était initialement liée à cette molécule de cytosine est laissée en face de l’uracile (rappelez-vous que l’uracile se lie normalement à l’adénine)., Lorsque la cellule réplique ensuite son ADN, la position opposée à cette molécule d’uracile serait reprise par une adénine au lieu de la guanine qui devrait être là, modifiant le message que cette section d’ADN code (voir Figure 5). Ce processus de désamination de la cytosine est l’un des types les plus courants de dommages à l’ADN, mais est normalement corrigé efficacement. Comment fonctionne la cellule ce faire?

les Cellules ont un système de réparation qui peut détecter si un uracile est assis là où une cytosine, et corriger l’erreur avant qu’elle est répliqué et transmis. La machinerie complexe pour ce faire consiste en plusieurs enzymes: les premières glycosylases uracile-ADN reconnaissent l’uracile et le découpent de l’ADN. Ensuite, plusieurs enzymes contribuent à l’élimination et à la re-synthèse de la partie endommagée de l’ADN, au cours de laquelle le site abasique (« vide ») dans l’ADN est remplacé par une cytosine (voir Figure 6).,

cependant, la forme la plus courante d’uracile-ADN glycosylase ne peut pas dire avec quelle base l’uracile est apparié, c’est-à-dire si l’uracile était destiné à être là (s’il est lié à l’adénine) ou s’il s’agit d’une cytosine mutée (et est opposée à la guanine); au lieu de cela, il reconnaîtrait et De toute évidence, cela causerait des problèmes. On pense que la solution à ce problème potentiel a été l’évolution d’un mécanisme dans lequel les uraciles « corrects » (appariés à l’adénine) ont été marqués avec un groupe méthyle – résultant en thymine., De cette façon, si la machinerie cellulaire a trouvé un uracile, elle l’a coupé et réparé, mais si elle a trouvé un uracile avec une étiquette méthylique – une thymine (voir Figure 4) – elle l’a laissé. Au fil du temps, par conséquent, la thymine dans L’ADN est devenue la norme au lieu de l’uracile, et la plupart des cellules utilisent maintenant l’uracile uniquement dans L’ARN.

pourquoi l’uracile a-t-il été retenu dans L’ARN? L’ARN est plus de courte durée que l’ADN et – à quelques exceptions près – n’est pas le référentiel pour le stockage à long terme de l’information génétique, de sorte que les molécules de cytosine qui se transforment spontanément en uraciles dans L’ARN ne présentent pas une grande menace pour la cellule., Ainsi, il n’y avait probablement aucune pression évolutive pour remplacer l’uracile par la thymine plus complexe (et probablement plus coûteuse) dans L’ARN.

mort cellulaire sans Thymine

lorsque l’ADN est synthétisé, les enzymes de L’ADN polymérase (qui catalysent la synthèse) ne peuvent pas faire de distinction entre la thymine et l’uracile. Ils vérifient uniquement si les liaisons hydrogène se forment correctement, c’est-à-dire si les paires de bases sont correctement appariées., Pour ces enzymes, peu importe que la thymine ou l’uracile se lie à l’adénine. Normalement, les quantités de désoxyuridine triphosphate (dUTP, une source d’uracile) dans la cellule sont maintenues très faibles par rapport aux niveaux de désoxythymidine triphosphate (dTTP, une source de thymine), empêchant l’incorporation d’uracile pendant la synthèse de l’ADN.

Si cette réglementation stricte est perturbée et que le rapport entre dUTP et dTTP augmente, la quantité d’uracile mal incorporée dans L’ADN augmente également., Le système de réparation – qui, contrairement aux ADN polymérases, peut distinguer l’uracile de la thymine-tente alors de découper l’uracile à l’aide de l’uracile-ADN glycosylase et de synthétiser à nouveau l’ADN, ce qui implique de cliver Temporairement (couper) le squelette de l’ADN. Cependant, si le rapport entre dUTP et dTTP est toujours élevé, cette re-synthèse Peut à nouveau incorporer de l’uracile au lieu de la thymine. Ce cycle conduit finalement à des ruptures de brins D’ADN et à la fragmentation chromosomique, lorsque ces coupures temporaires dans l’ADN se produisent les unes après les autres et trop proches les unes des autres (voir Figure 7)., Il en résulte un type spécifique de mort cellulaire programmée, appelée mort cellulaire sans thymine.

le processus de mort cellulaire sans thymine peut être délibérément exploité dans le traitement du cancer. Parce que les cellules cancéreuses prolifèrent à un rythme aussi élevé par rapport aux cellules normales, elles synthétisent une plus grande quantité d’ADN par période de temps donnée et nécessitent donc de grandes quantités de dUTP. En augmentant le rapport de dUTP à dTTP, ces cellules cancéreuses peuvent être sélectivement ciblées et éliminées.,

L’ADN de L’uracile existe toujours

bien que la plupart des cellules utilisent l’uracile pour L’ARN et la thymine pour L’ADN, il existe des exceptions. Certains organismes ont uracile au lieu de thymine dans tout leur ADN, et d’autres organismes ont uracile dans seulement une partie de leur ADN. Quel pourrait être l’avantage évolutif de qui? Prenons un oeil à quelques exemples.,

l’Uracile dans l’ADN viral

Deux espèces de phages (virus qui infectent les bactéries) sont connus pour avoir de l’ADN des génomes avec l’uracile la thymine. Nous ne savons pas encore si ces phages sont les représentants d’une forme de vie ancienne qui N’a jamais évolué de L’ADN thymine, ou si leurs génomes substitués par l’uracile sont une stratégie nouvellement évoluée., Nous ne savons pas non plus pourquoi ces phages utilisent l’uracile au lieu de la thymine, mais il peut jouer un rôle essentiel dans le cycle de vie de ces virus. Si tel est le cas, il serait logique que les virus s’assurent que l’uracile dans leur ADN n’est pas remplacé par de la thymine. Et l’un de ces phages a en fait été montré pour avoir un gène qui code une protéine spécifique pour inhiber l’uracile-ADN glycosylase de l’hôte, empêchant ainsi le génome viral d’avoir son uracile « réparé » par les enzymes de l’hôte.,

mort cellulaire programmée dans les cycles de vie des insectes

l’ADN-uracile semble également jouer un rôle dans le développement des endoptérygotes – des insectes qui subissent une nymphose au cours de leur cycle de vie (les fourmis et les papillons le font; les sauterelles et les termites ne le font pas)., Ces insectes n’ont pas le gène principal de l’uracile-L’ADN glycosylase, qui autrement éliminerait l’uracile de leur ADN.

de plus, nos propres recherches ont montré que, chez les larves de la mouche des fruits Drosophila melanogaster, le rapport dUTP / dTTP est régulé de manière inhabituelle: dans tous les tissus qui ne seront pas nécessaires chez l’insecte adulte, il y a des niveaux beaucoup plus faibles de l’enzyme qui décompose dUTP et génère un précurseur pour la production de dTTP. Par conséquent, des quantités importantes d’uracile sont incorporées dans ces tissus lors de la synthèse de l’ADN.,

ainsi, pendant les stades larvaires, l’uracile-ADN est produit et ne semble pas être corrigé dans les tissus qui doivent être dégradés pendant le stade pupalaire. Comme ces insectes n’ont pas la principale enzyme uracile-ADN glycosylase, au stade pupalaire, d’autres facteurs spécifiques à l’uracile-ADN peuvent reconnaître cet uracile accumulé comme un signal pour initier la mort cellulaire. Nous avons déjà identifié une protéine spécifique à l’insecte qui semble être capable de dégrader l’uracile-ADN, et nous étudions si cette enzyme est utilisée pour initier la mort cellulaire programmée.,

erreurs bénéfiques: le système immunitaire des vertébrés

L’uracile dans L’ADN, cependant, peut également être trouvé plus près de chez nous – dans le système immunitaire des vertébrés comme nous., Une partie de notre système immunitaire, le système immunitaire adaptatif, produit un grand nombre d’anticorps différents qui sont formés pour nous protéger contre des agents pathogènes spécifiques. Pour augmenter le nombre d’anticorps différents qui peuvent être créés, nous mélangeons la séquence D’ADN dans les régions qui codent pour eux, non seulement en recombinant les séquences existantes dans les cellules, mais aussi en en créant de nouvelles grâce à des taux de mutation considérablement accrus, connus sous le nom d’hypermutation.,

L’Hypermutation commence par une enzyme spécifique (une désaminase induite par l’activation) qui transforme la cytosine en uracile (voir Figure 4) à des locus D’ADN spécifiques, provoquant une réponse de réparation sujette aux erreurs, que l’organisme utilise à son avantage: les « erreurs » génèrent de nouvelles séquences pouvant être utilisées pour fabriquer différents anticorps. Ce système est très strictement réglementé, cependant, comme s’il devenait incontrôlable, cela conduirait au cancer.

lorsque nous examinons la question de savoir pourquoi uracile ou pourquoi thymine, nous devons considérer le contexte évolutif., Les organismes vivants ont évolué dans un environnement en constante évolution, faisant face à un ensemble dynamique de défis. Ainsi, une solution qui évite les erreurs d’incorporation dans L’ADN est avantageuse pour la plupart des organismes et la plupart des cellules, ce qui explique pourquoi la thymine-ADN est devenue la norme. Dans certaines circonstances, cependant, les « erreurs » elles-mêmes peuvent être bénéfiques, c’est pourquoi certaines cellules utilisent encore de l’uracile dans leur ADN.