Biotechnologie : application des principes scientifiques et de l’ingiéneurie à la transformation de matériaux par des agents biologiques pour produire des biens ou des services.
Infox : Tous les cours de BTS sont issus de la filière BTS biotechnologie du lycée la Martinière-Duchère, à Lyon 9.
Chapitre 6 : Les mécanismes de réparation du génome
La réparation de l’ADN comprend un ensemble de processus mis en œuvre par une cellule pour identifier et corriger les dommages de l’ADN génomique. Celui-ci est continuellement soumis à des modifications métaboliques normales (tautomérisation, dépurination) et à des facteurs environnementaux (agents alkylants, radiations UV, rayonnements ionisant X ou gamma, agents mutagènes…) portant atteinte à son intégrité. On estime entre mille et plus de un million le nombre de lésions par cellule et par jour.
La vitesse et le taux de réparation de l’ADN dépend de nombreux facteurs, comme le type de cellules, l’âge de la cellule et l’environnement extracellulaire. Une cellule qui a accumulé une grande quantité de dommage sur son ADN, ou une cellule qui n’est plus capable d’effectuer efficacement les réparations des dommages subis sur son ADN, peut entrer dans l’un des trois états suivants :
- un état de dormance irréversible, connu sous le nom de sénescence
- une apoptose ou mort cellulaire programmée
- une division cellulaire non contrôlée qui va conduire à la formation d’une tumeur cancéreuse.
La capacité de réparation de l’ADN d’une cellule est donc essentielle à son fonctionnement normal et à celui de l’organisme.
Remarque : de nombreux gènes impliqués dans les mécanismes de réparation ont été identifiés (souvent appelés gènes mutateurs), et certains d’entre eux étaient précédemment connus pour influencer la durée de vie des organismes.
On appelle gène mutateur : gène dont la fonction normale est d’éviter les erreurs d’où un phénotype dit « mutateur » quand ils sont mutés.
De nombreuses ADN-polymérases possèdent une activité exonucléase capable de limiter les mésappariements. Cette activité intervient directement lors de la polymérisation : correction d’épreuves ou PROOF READING.
Les enzymes ont donc deux ou trois activités :
- polymérase
- exonucléase
- exonucléases
Grace à cette activité, l’ADN pol1 permet une réplication vingt fois plus conservative. L’ADN pol3 réduit par mille le même type d’erreurs.
MMR: methyl Mismatch Repair
Le système MMR mobilise un ensemble de gène dont les produits ont une action spécifique :
- MutS patrouille sur l’ADN à la recherche de mésappariement. Il détecte le brin porteur de l’erreur (toujours le brin nouvellement synthétisé) en distinguant le degré de méthylation des deux brins. En effet, la Dam méthylase, lors de la réplication, reconnaît et méthyle le brin parental.
- L’hélicase, MutU déroule la double hélice en hydrolysant les liaisons hydrogènes.
- L’endonucléase MutH incise et coupe le brin muté à une certaine distance de part et d’autre de la base erronée.
- L’ADN pol1 resynthétise le fragment manquant.
- La ligase permet de réassembler les deux morceaux.
Le mécanisme BER est un des systèmes de réparation des ADN eucaryote par excision de bases.
Etape du mécanisme :
- des ADN glycosylases reconnaissent et enlèvent la base modifié (hydrolyse de la liaison N-glycosidique). Cela produit un site AP (APurique ou APyrimidique) sur l’ADN (trou d’une base). Elle se fait par une ADN glycosylase spécifique de la base mutée (ex : uracile ADN glycosylase, hypoxanthine…)
- le site AP est reconnut par une AP endonucléase qui coupe le squelette sucre-phosphate sur le brin portant la lésion.
- Le résidu
- La resynthèse du nucléotide par une DNA polymérase, puis ligase pour religaturer les deux fragments d’ADN obtenu.
Remarque : le système BER est essentiel à la survie cellulaire puisque l’absence de la polymérase B nécessaire à ce mécanisme est létale.
Les mécanismes de réparation de nécessitent pas l’action de nucléases qui coupent l’ADN : ils réparent ou agissent directement sur la mutation.
C’est le transfert de groupement méthyle ou éthyle sur des bases (ou des phosphates) de l’ADN, la guanine pouvant être mutée en O6-méthyl-guanine. Celle-ci peut alors s’apparier par erreur avec une thymine, induisant une mutation G-C vers A-T.
Cette réparation s’effectue de façon direct (sans incision de l’ADN) par une enzyme, la O6-méthyle-guanine-méthyle-transférase (ou MGMT). Elle transfert le groupement méthyle de la base vers un de ses acides aminés, une cystéine. L’enzyme de réparation est alors alkylé de façon irréversible, et donc à chaque réparation, une enzyme est sacrifiée. En cas d’alkylation très élevé, le système peu alors être saturé, et la réparation ne pourra pas se faire correctement.
Remarque : dans de nombreuses formes de cancer humain, il a été montré que la MGMT était sous exprimé.
La réparation des dimères pyrimidiques induit par une exposition aux UV dépend d’un système utilisant la lumière visible pour dissocier ses dimères. Ce clivage est effectué par une enzyme de photoréaction, la photolyase activé par la lumière du soleil. La lumière solaire est indispensable, mais son rôle sur l’activité enzymatique demeure inconnu. Ce système est largement présent chez les eucaryotes et les procaryotes, mais pas chez l’Homme.
Tout le système décrit jusqu’ici utilise pour la réparation l’information contenu sur le brin complémentaire. Il arrive cependant qu’au moment de la réplication, la polymérase rencontre sur un des brins matrice une lésion ancienne qui n’a pas été réparé (un site AP). Dans ce cas, l’information génétique utile pour l’information est absente puisque les deux brins parentaux sont déjà séparés, ce qui conduit au blocage de la réplication :
- après quelque seconde, il y a reprise de la réplication par un nouveau démarrage au delà de la lésion.
- Il y a alors recombinaison : un segment d’ADN issu du brin parental correctement répliqué est transféré en face de l’ADN simple brin formé (implication de la protéine RepA)
- Le segment contenant la lésion est éliminé par une endonucléase.
- La synthèse des fragments manquant est effectuée par l’ADN pol1 grâce aux matrices complémentaires
- Les fragments sont reliés par la ligase
Il est mis en œuvre chez les bactéries quand les dommages causés à l’ADN sont très important. Il s’agit donc d’un système de survie d’urgence. Il est qualifié de mutagène car il permet des mutations imparfaites.
Déclanchement du système
Lorsque les lésions sont graves et nombreuses, la synthèse de l’ADN est stoppée, ce qui provoque l’apparition de zones monocaténaires. Ces zones sont reconnues par l’enzyme de réparation et recombinaison RecA qui agit :
- d’une part en assurant les événements de recombinaison
- d’autre part en hydrolysant par une activité protéolytique la protéine LexA, qui est un répresseur des gènes SOS.
Cette enzyme induit donc l’expression d’une vingtaine de gènes impliquée dans la réparation de l’ADN.
Mécanisme (figure 8)
Quand le système de réplication aborde une zone non réparée, il est stoppé et redémarre plus loin. Une portion d’ADN simple brin se forme, ce qui recrute la protéine RecA, qui se dispose en hélice autour de la portion simple brin. Le répresseur LexA s’attache au complexe RecA-ADN simple brin, et est clivé. Le clivage entraine son inactivation et crée un signal SOS, permettant l’expression d’une vingtaine de gènes.
On observe entre autre :
- l’activation du gène UvrA, impliqué dans les mécanismes de réparation par excision
- la synthèse en grande quantité de RecA (induit sa propre expression)
- la synthèse des gènes UmuD et UmuC qui jouent un rôle important dans la mutagénèse SOS.
Mutagénèse SOS (figure 9)
Le déclanchement du système SOS permet la reprise de la réplication. Dans ces conditions d’urgence, le complexe de réplication ignore la lésion que se trouve sur le brin parental, et synthétise un brin fils en face de la lésion. Comme la matrice est aberrante, il y a des mutations qui ne sont pas corrigées, la réplication perd alors de sa fidélité qui la caractérise. Ainsi, la réplication fidèle est temporairement suspendue au profit de la viabilité, même si cela doit créer une modification ou une altération de l’information génétique. On parle donc de réplication fautive.