Comment les dommages à l’ADN sont-ils réparés ?

En termes simples, la réparation des dommages à l'ADN est le phénomène de restauration de l'ADN endommagé dans les cellules sous l'action de nombreux types d'enzymes. Si cette technologie réussit, nous pourrons l'utiliser pour traiter les tumeurs ou lutter contre le vieillissement en temps opportun. Elle apportera de nombreux avantages aux humains et pourra également nous aider à comprendre le mécanisme de mutation génétique. Voici une introduction détaillée à la méthode de réparation des dommages à l'ADN.

Méthode de réparation

Photo-résurrection

Également appelé photoinversion. Il s'agit d'un processus de réparation dans lequel l'enzyme de photoréactivation reconnaît et agit sur le dimère sous l'irradiation de la lumière visible (longueur d'onde 3000-6000 angströms), en utilisant l'énergie fournie par la lumière pour ouvrir le cycle cyclobutyryle (Figure 2). Des enzymes de photoréactivation ont été trouvées dans les lymphocytes et les fibroblastes cutanés de bactéries, de levures, de protozoaires, d’algues, de grenouilles, d’oiseaux, de marsupiaux et de mammifères supérieurs, ainsi que d’humains. Bien que cette fonction de réparation soit courante, il s'agit principalement d'une méthode de réparation utilisée par les organismes inférieurs. À mesure que les organismes évoluent, son rôle s'affaiblit.

Le processus de photoréactivation ne consiste pas en ce que l'enzyme PR absorbe la lumière visible, mais en ce que l'enzyme PR se combine d'abord avec le dimère de thymine sur la chaîne d'ADN pour former un complexe. Ce complexe absorbe la lumière visible d'une certaine manière et utilise l'énergie lumineuse pour couper la liaison CC entre les dimères de thymine. Les dimères de thymine deviennent des monomères et l'enzyme PR se dissocie de l'ADN.

Réparation par excision

Également connu sous le nom de coupe et de réparation. Elle a été découverte pour la première fois chez Escherichia coli et comprend une série de processus enzymatiques complexes de réparation et de réplication de l'ADN, qui comprennent principalement les étapes suivantes : l'endonucléase reconnaît le site de dommage de l'ADN et effectue une coupure à l'extrémité 5', puis le dommage est éliminé de l'extrémité 5' vers l'extrémité 3' sous l'action de l'exonucléase ; puis, sous l'action de l'ADN polymérase, un nouveau fragment d'ADN simple brin est synthétisé en utilisant la chaîne complémentaire correspondant au site endommagé comme modèle pour combler le vide laissé après l'excision ; enfin, sous l'action de la ligase, le fragment simple brin nouvellement synthétisé est connecté au fragment simple brin d'origine avec une chaîne phosphodiester pour compléter le processus de réparation (Figure 3).

La réparation par excision ne se limite pas à la réparation des dimères de pyrimidine, mais peut également réparer d’autres types de dommages causés par des produits chimiques, etc. En fonction de l'objet de l'excision, la réparation par excision peut être divisée en deux catégories : la réparation par excision de base et la réparation par excision de nucléotides. La réparation par excision de base est un processus dans lequel les glycosylases reconnaissent et éliminent d'abord les bases endommagées, formant des lacunes sans purine ni pyrimidine sur le brin simple d'ADN. Cette position de base vacante peut être comblée de deux manières : l'une consiste à insérer la base correcte dans la position vacante sous l'action d'enzymes d'insertion ; l'autre consiste à couper la chaîne d'ADN à l'extrémité 5' de la vacance sous la catalyse des nucléases, déclenchant ainsi la série de processus de réparation par excision ci-dessus. Il existe des glycosylases spécifiques pour reconnaître différents types de dommages alcalins. Différentes endonucléases ont également une spécificité relative dans la reconnaissance de différents types de dommages.

La fonction de réparation par excision est largement présente chez les procaryotes et les eucaryotes, et constitue également la principale méthode de réparation chez l'homme. Les rongeurs (tels que les hamsters et les souris) sont intrinsèquement dépourvus de fonction de réparation par excision.

En 1978, le chercheur américain JL Marks a découvert que le processus de réparation par excision est différent entre les eucaryotes et les procaryotes en raison des différentes structures de chromatine. Les molécules d'ADN des eucaryotes ne sont pas nues comme celles des procaryotes, mais sont enroulées autour d'histones pour former une structure de nucléosome en perles. L'excision des dimères de pyrimidine chez les eucaryotes se divise en deux étapes : une phase d'excision rapide, qui dure environ 2 à 3 heures et qui consiste principalement à exciser la partie endommagée de l'ADN qui n'est pas liée aux histones ; une phase d'excision lente, qui dure au moins 35 heures et nécessite un certain facteur de contrôle pour reconnaître les dommages, de sorte que la partie endommagée de l'ADN soit exposée au nucléosome, puis une série d'étapes sont réalisées pour achever la réparation par excision. La molécule d'ADN réparée est ensuite enroulée autour de l'histone pour reformer le nucléosome.

Réparation par recombinaison

La réparation par recombinaison commence par une réplication semi-conservatrice des molécules d'ADN. Une lacune apparaît à la position correspondant au dimère de pyrimidine car la réplication ne peut pas se dérouler normalement. Il a été confirmé chez Escherichia coli que ces dommages à l'ADN induisent la production de protéines recombinantes. Sous l'action des protéines recombinantes, la chaîne mère et la chaîne fille sont recombinées. Après la recombinaison, le trou dans la chaîne mère d'origine peut être comblé par l'action de l'ADN polymérase pour synthétiser des fragments d'ADN monocaténaire en utilisant la chaîne fille opposée comme modèle. Enfin, sous l'action de la ligase, les nouvelles et anciennes chaînes sont connectées par des liaisons phosphodiester pour achever le processus de réparation. La réparation par recombinaison est également la principale méthode de réparation chez les rongeurs. La principale différence entre la réparation recombinante et la réparation par excision est que la première n’a pas besoin de retirer immédiatement la partie endommagée de la molécule d’ADN parentale, mais peut garantir que la réplication de l’ADN se poursuit. La partie endommagée restant dans la chaîne parentale d'origine peut être réparée par excision lors du cycle cellulaire suivant.

Les principales étapes de la réparation recombinogène sont :

1. copie

L'ADN contenant du TT ou d'autres dommages structurels peut toujours se répliquer normalement, mais lorsqu'il est répliqué sur le site endommagé, une coupure apparaît à la position correspondant au site endommagé dans la chaîne d'ADN fille, et la chaîne fille nouvellement synthétisée est plus courte que la chaîne d'ADN non endommagée.

2. Réorganisation

La chaîne parentale intacte est recombinée avec la chaîne fille entaillée, et l'entaille est remplie par le fragment nucléotidique de la chaîne parentale.

3. Resynthèse

Après recombinaison, l'écart dans la chaîne parentale est synthétisé en fragments d'acide nucléique par l'action de l'ADN polymérase, puis le nouveau fragment est connecté à l'ancienne chaîne par la ligase, achevant ainsi la réparation par recombinaison.

La réparation recombinatoire ne supprime pas le dimère de l’ADN parental. Lors de la deuxième réplication, le dimère restant dans la chaîne mère empêche toujours la réplication normale. L'incision produite lors de la réplication à travers le site endommagé doit encore être réparée par le même processus de recombinaison. Au fur et à mesure que la réplication de l'ADN se poursuit, après plusieurs générations, bien que le dimère ne soit jamais éliminé, la chaîne d'ADN endommagée est progressivement « diluée » et finalement réparée sans affecter les fonctions physiologiques normales.