ADN et écouteurs : quel sac de nœuds !


Et voilà, mes écouteurs sont encore emmêlés… quelle galère ! C’en devient une habitude ! Heureusement que je peux les démêler grâce à mes connaissances sur l’ADN ! … Vous ne voyez pas le rapport ? L’ADN, c’est deux longs brins enroulés qui doivent être démêlés, tout comme les écouteurs. Venez découvrir comment les cellules y parviennent, car pour elles, impossible de passer au Bluetooth !


Avant d’aller démêler nos écouteurs, si nous faisions un petit récap’ de la ressemblance ADN-écouteurs ? Tous deux sont deux longs fils enroulés sur eux-mêmes, enfin… presque ! Contrairement à la boule de câbles dans votre poche, l’ADN possède une structure précise : les brins sont enroulés entre eux de façon plus ou moins serrée pour former ce qu’on appelle une double hélice. Il est présent dans le noyau de chacune de nos cellules, et est le support de l’information génétique. Cette longue molécule code un ensemble d’instructions qui permettent à la cellule de fonctionner et également de s’adapter à l’environnement. En bref, sans ADN, pas de vie !

L’ADN est composé de différents gènes, qui possèdent chacun une ou plusieurs fonctions. Leur activation peut se faire par un processus nommé transcription. Pendant la transcription, les deux brins de l’ADN doivent être séparés pour qu’un important complexe de protéines puisse activer les gènes. Cependant, tous les gènes ne sont pas actifs en même temps, au risque de créer une vraie cacophonie. C’est pourquoi ces derniers ont besoin d’être régulés. Mais comment s’effectue cette régulation ?

Une des façons de réguler les gènes passe par la compaction de l’ADN ! Eh oui, une structure très compacte ou fermée bloque l’accès aux gènes et empêche leur activation par le complexe de protéines. Au contraire, une structure plus ouverte les rend accessibles. En fonction des besoins de la cellule, certains gènes doivent être activés et d’autres non. La cellule est donc capable de compacter ou décompacter différentes régions de son ADN.

Vous comprendrez donc que pour pouvoir réaliser des actions sur l’ADN comme la transcription, l’ADN doit être plus ou moins démêlé. C’est pareil avec des écouteurs : pour pouvoir écouter de la musique, il faut d’abord avoir séparé les fils !

Vous allez voir que tout ce que vous essayez de faire pour démêler vos écouteurs est similaire à ce qu’il se passe dans nos cellules !

Dites-moi, quel serait votre premier réflexe pour démêler vos écouteurs ? Tourner les fils dans un sens ou dans l’autre ? Pourquoi pas ! Essayons ça !

On commence par fixer une extrémité des écouteurs avec nos doigts et on tourne l’autre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Mince! Les écouteurs ne se sont pas démêlés et au contraire, les fils se croisent et forment des boucles. C’est la catastrophe, les fils sont plus serrés les uns aux autres qu’avant et maintenant, c’est encore plus difficile de les séparer !

Bon, ça n’a pas marché dans ce sens, on ne se décourage pas ! Vous pensez que si on tourne dans l’autre sens ce serait mieux ? Allons-y !

Oh non, voilà que les fils se tordent et forment de nouveau une boucle, mais cette fois les fils sont moins serrés les uns aux autres et il est plus facile de les écarter. C’est un peu mieux mais ce n’est pas encore comme ça qu’on va pouvoir écouter de la musique !

Dommage ! Cette méthode ne nous permet pas de résoudre notre problème d’écouteurs emmêlés.

Vous ne voyez pas le rapport avec la molécule d’ADN ? Pourtant, tout comme les fils des écouteurs, l’ADN peut se tordre et occuper moins d’espace de la même manière que font vos écouteurs pour rentrer dans votre poche, on appelle cela le surenroulement.

Lorsqu’il n’y a pas de surenroulement, l’ADN est dit relâché et son hélice double brin est le plus souvent droite (le brin gauche passe au-dessus du brin droit) et un tour d’hélice correspond à 3,4 nanomètres (nm).

Il existe plusieurs types de surenroulement :

  • Le premier est celui que l’on vient de faire avec les écouteurs en tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre : les supertours positifs. Dans nos cellules, les supertours positifs réduisent la longueur des tours d’hélice qui deviennent donc inférieurs à 3.4 nm. Ainsi, les brins d’ADN sont difficilement accessibles par le complexe de transcription et les gènes vont être activés plus difficilement.
  • Le deuxième type de surenroulement est celui que l’on a obtenu en tournant dans le sens des aiguilles d’une montre : les supertours négatifs. Ces supertours vont augmenter la longueur d’un tour d’hélice qui sera alors supérieur à 3,4 nm. Cela permet une séparation plus facile des brins ce qui permet un accès plus simple des complexes de protéines comme le complexe de transcription.

Il faut qu’on trouve quelque chose de plus efficace pour démêler les écouteurs ! Une idée ? Écarter les fils ? Ça pourrait marcher, mais par où commencer ? Tirer au milieu ou tirer les extrémités ?

Essayons les deux pour être fixés ! On peut commencer par tirer en plein milieu.

Euh… d’accord on a réussi à séparer les fils au milieu mais sur les côtés, ça ne va pas du tout !! Plus on tire sur les brins, plus le trou au centre s’agrandit mais plus les nœuds sont resserrés au bout. Je n’ai pas l’impression que les écouteurs soient démêlés, le nœud s’est juste déplacé et intensifié aux endroits où on ne tirait pas.

Là encore, il se passe la même chose pour l’ADN ! Pour activer son gène, le complexe de protéines se fixe sur un seul brin pour le lire et ensuite effectuer ses fonctions. Le deuxième brin n’est pas du tout nécessaire et gêne la lecture du premier, c’est pour ça que le complexe doit absolument démêler les fils. Ce complexe de transcription contient une protéine hélicase qui permet de désenrouler les brins. Ainsi, ce complexe possède la capacité de séparer les brins, comme on l’a fait avec les écouteurs !

Le moins qu’on puisse dire, c’est que ce n’est pas le résultat qu’on espérait, mais ce n’est pas grave on a encore une chance d’y arriver.

Et si on écartait les brins mais au niveau des extrémités ? Essayons…

Là on arrive à démêler le nœud ! En même temps, ça semble logique, il n’y a rien qui retient les fils au bout. Et bien, pour l’ADN c’est identique, si rien ne retient l’entortillement, cet enroulement va se dissiper au bout des brins. Or, ce surenroulement est très important pour garder l’ADN compact dans le noyau de la cellule !

L ’ADN va donc éviter au maximum que les fils puissent se dérouler au bout des deux brins en les maintenant ensemble. Il existe dans notre ADN des régions qui sont délimitées et capables de retenir ce surenroulement. C’est possible grâce à de nombreuses protéines qui agissent comme un clip sur les deux brins : l’entortillement formé ne peut donc pas s’échapper, et l’ADN reste compact dans ces domaines.

Retenez bien que cette dernière méthode n’est pas réalisée sur notre ADN ! [NDLR : mais avec les écouteurs, ça fonctionne très bien !]

Comme vu dans la première méthode, notre ADN possède des régions plus ou moins compactes, donc ouvertes ou non pour la transcription.

En effet, si mes écouteurs sont peu emmêlés, c’est facile de séparer les fils. Et c’est pareil pour l’ADN : moins il est emmêlé, plus les gènes sont faciles d’accès. C’est donc avantageux pour les gènes importants ou actifs d’être plus accessibles, donc dans les régions démêlées. Pour ceux qui doivent être inactivés ou peu activés, c’est l’inverse : ils sont dans les régions les plus compactes. Ils seront moins accessibles, voire pas du tout !

Mais attention, parfois lors de la séparation des brins d’ADN, on va se retrouver avec un démêlage complet au milieu, mais un nœud encore plus compact aux deux bords, comme quand on a écarté les fils ! Dans ce cas-là, la transcription du gène peut s’arrêter, car le complexe de transcription sera bloqué et ne pourra plus avancer. Ce surenroulement au bout de la bulle formée par les brins va générer une sorte de “bouchon”, un stress dont il faudra se débarrasser.

Nous avons vu à l’instant que tirer sur les boucles forme de nombreuses torsions de part et d’autre de l’ouverture créée. Il faut absolument trouver un moyen de les éliminer !

Bon, tout n’est pas encore gagné, vous avez une autre idée pour enfin réussir à démêler ces écouteurs ? Aucune idée ? Je vais vous en proposer une, mais elle risque de vous surprendre ! Je vous propose de couper vos écouteurs ! Rassurez-vous, nos cellules coupent bien leur molécule d’ADN pour réguler les supertours donc nous devrions aussi réussir avec vos écouteurs.

Attention, Attention !!

La suite de ces explications ont été réalisées par des enzymes professionnelles.

La rédaction se décharge de toutes responsabilités en cas de détérioration irréversible de vos écouteurs

Je suis sûr que nous pouvons réussir mais ce n’est pas un acte anodin et cela peut entraîner de lourdes conséquences !

Examinons ce qu’il se passe dans nos cellules et suivons pas à pas leurs conseils pour couper nos écouteurs afin d’être sûrs de ne pas faire de bêtises !

Pour réguler les supertours, la cellule dispose de plusieurs enzymes (un “outil” de la cellule) dont les topoisomérases. Celles-ci sont présentes chez tous les organismes vivants et sont séparées en deux types : les topoisomérases de type I, qui vont couper un seul brin de l’ADN et les topoisomérases de type II qui vont couper les deux brins de l’ADN. L’action de ces deux enzymes permet de réguler le niveau de surenroulement.

Nous avons donc le choix entre couper un seul ou les deux brins des écouteurs. Que voulez-vous essayer en premier ?

Un seul brin ? Ça semble plus raisonnable en effet.

Je vais d’abord commencer par vous expliquer comment agissent les topoisomérases de type I afin de reproduire à l’identique leur mécanisme pour démêler les écouteurs.

Ces dernières sont divisées en deux familles, IA et IB, qui diffèrent en particulier par la liaison formée entre l’enzyme et l’ADN. De plus, les topoisomérases IA sont capables d’éliminer un seul supertour négatif à chaque fois qu’elles agissent alors que les topoisomérases IB sont capables d’éliminer des supertours négatifs comme positifs jusqu’à la suppression complète des supertours ! Ainsi, ces enzymes permettent de relâcher la tension exercée par l’accumulation des supertours sur la molécule d’ADN.

Regardons maintenant plus précisément leur mécanisme d’action et passons à l’action !

Commençons par supprimer un supertour en mimant l’action de la topoisomérase IA :

  • La première étape consiste à fixer l’enzyme sur l’ADN pour qu’elle soit capable de le couper.
    Tout comme les enzymes, on place nos mains comme ci-dessous pour pouvoir procéder à la coupure.
  • La seconde étape correspond à la création d’une liaison entre l’enzyme et la première extrémité nouvellement formée pour créer un “pont” entre les deux fragments. Le brin non coupé peut ensuite être passé à travers ce pont avant de réparer l’autre brin, ce qui aboutit à l’élimination d’un unique supertour.
    On peut ainsi couper le fil des écouteurs comme ci-dessous en formant un “pont” pour maintenir ces derniers. Il ne reste plus qu’à passer le second fil à travers le fil coupé et à recoller celui-ci après le passage : le tour est joué ! On a réussi à enlever un supertour !

C’est une première victoire mais il reste quand même quand même de nombreux supertours sur les écouteurs. On pourrait répéter plusieurs fois de suite cette action mais ça risque d’être très long… et fastidieux !

Pour gagner du temps, je vous propose de suivre les conseils de la topoisomérase IB, qui permet de supprimer plusieurs supertours d’un coup :

  • La première étape du mode d’action de la topoisomérase IB est identique à celle des topoisomérases IA : on peut donc refixer nos mains de la même façon et couper le premier brin.
  • Après coupure, la topoisomérase IB se lie à la seconde extrémité de l’ADN formée. L’enzyme va alors pouvoir tourner, dans un sens ou dans l’autre, autour de l’ADN, chaque tour permettant de supprimer un supertour. Il ne reste plus qu’à réparer le brin coupé et voilà !
    Ainsi, après la coupure, on peut ce coup-ci maintenir la deuxième extrémité formée. Il va être difficile pour nous d’effectuer des rotations de nos mains autour du fil, mais on peut faire l’inverse et tourner le fil à de nombreuses reprises, ce qui supprime autant de supertours que désiré ! On n’a plus qu’à recoller les extrémités entre elles et vous aurez des écouteurs parfaitement démêlés, BRAVO !!

Nous venons de voir que les coupures simples brins peuvent nous permettre de démêler certaines parties des écouteurs, mais, lorsque nos écouteurs sont trop enroulés, couper un seul brin ne sera pas assez efficace…

Pas de panique, il nous reste la dernière solution, la plus osée… couper les deux brins d’un coup !

Dans nos cellules, ce sont les topoisomérases II qui sont capables de réguler les torsions de l’ADN en coupant ses deux brins. Ces enzymes sont composées de plusieurs parties formant une structure en « 8 » où chaque boucle est capable de s’ouvrir :

Au niveau de nos écouteurs, l’action de cette enzyme s’apparente à supprimer le supertour formé des deux fils.

Regardons là aussi le mécanisme d’action de la topoisomérase de type II et procédons de la même façon sur nos écouteurs :

  • La première étape consiste à la fixation de l’enzyme sur un fragment de la double hélice d’ADN. La topoisomérase II coupe ensuite ce fragment et prend une structure ouverte (en « U ») au sein de laquelle les deux extrémités nouvellement créées sont maintenues.
    Nous pouvons donc effectuer la même chose : positionnons-nous comme ci-dessous sur vos écouteurs puis coupez-les en veillant à maintenir les deux extrémités formées.
  • La seconde étape consiste à faire passer la seconde double hélice à travers l’enzyme (qui change de conformation au fur et à mesure pour permettre son passage) avant de recoller le premier brin.
    Ici, nous pouvons donc prendre le deuxième brin et le faire passer à travers les brins segmentés. L’écartement de nos mains pour laisser passer le second fil est apparenté au changement de conformation de l’enzyme. Il ne nous reste plus qu’à recoller les brins coupés!

L’ensemble de ces mécanismes peut être réalisé plusieurs fois de suite afin d’éliminer de nombreux supertours.

Super !! Vous avez vu que même si ça pouvait paraître difficile, il est très simple de couper un ou deux brins de vos écouteurs et les résultats sont sans appel, ils se démêlent très vite.

Vous devriez à présent être capable de démêler totalement vos écouteurs ! Ils ne fonctionnent peut-être plus aussi bien par contre…

Vous avez remarqué qu’avoir des écouteurs complètement emmêlés peut vous empêcher d’écouter votre playlist préférée. Dans le cas de l’ADN, c’est presque la même chose ! Il est très difficile, voire impossible de lire l’information génétique portée par la molécule d’ADN sans démêler tous ses nœuds et séparer les deux brins. Le rôle des topoisomérases et des hélicases est donc crucial pour la vie de la cellule.

L’activation des gènes est un processus très complexe dans la cellule et est soumise à un contrôle permanent. La relation entre le surenroulement de la molécule d’ADN et la transcription des gènes est encore mal comprise et des équipes de recherche travaillent pour élucider ce mystère. Les supertours positifs empêchent le passage des complexes de transcription, c’est pourquoi ils doivent être supprimés par les topoisomérases. Cependant, il a été remarqué que certains gènes fortement activés possèdent des supertours négatifs. D’après d’autres études, ces supertours faciliteraient l’initiation de la transcription. Le surenroulement de l’ADN serait alors un niveau de régulation de l’activation des gènes.

L’ADN et l’information génétique qu’il porte sont vitaux pour la cellule. Cela implique que la dérégulation de l’un ou plusieurs des mécanismes qu’il subit peut avoir des conséquences très lourdes sur l’intégrité de la cellule, et même sur l’organisme tout entier. La compréhension de la relation entre surenroulement et transcription reste encore l’un des grands défis de la biologie.

Sources bibliographiques :

Articles et reviews

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Sites Web

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