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Quand l’ADN est dans son tore


Quand l'ADN est dans son tore

On peut jouer avec la molécule d’ADN, chercher à l’ouvrir comme une fermeture éclair, ou à l’étirer comme un élastique. On peut également en faire des écheveaux comme nos grands-mères avec de la laine. On forme alors des tores qui suscitent depuis longtemps un fort intérêt en raison de leur beauté intrinsèque, des problèmes théoriques qu’ils soulèvent et de leurs applications potentielles. Une équipe du Laboratoire de Physique des Solides a réussi à les préparer en grand nombre et à les étudier individuellement en les séquestrant dans les têtes des bactériophages. Nous avons ainsi révélé leur complexité structurale par cryomicroscopie électronique et révélé la plasticité de la conformation de l’hélice d’ADN.

On sait depuis plus de 30 ans qu’une chaîne d’ADN peut se condenser sous forme torique mais analyser sa structure restait une gageure en raison de : i) la difficulté à maintenir les tores isolés car ils ont tendance à s’agréger en solution, ii) la difficulté à contrôler le nombre et la longueur des chaînes impliquées et iii) la difficulté à obtenir des données structurales à haute résolution.
La solution a consisté à produire ces tores en grand nombre et à les maintenir isolés les uns des autres au sein de capsules qui ne sont rien d’autre que les capsides protéiques de virus bactériens (également appelés bactériophages), puis à les analyser par cryomicroscopie électronique à haute résolution. Une équipe du Laboratoire de Physique des Solides a utilisé les bactériophages T5, qu’ils ont fait éjecter une partie de leur ADN après interaction avec leur récepteur préalablement isolé et purifié. L’ADN restant dans la capside, de longueur très variable dans leurs conditions expérimentales, est alors condensé au sein de sa propre capside icosahédrique par addition d’ions multivalents dans la solution. La figure 1 montre une vue d’ensemble de la solution de phages ainsi traitée, chaque capside contenant un et un seul fragment d’ADN dont la longueur varie de 3000 à 114 000 paires de bases. Les chaînes les plus courtes forment des tores de section circulaire vus selon différentes orientations. Des formes plus complexes ont été obtenues avec les chaînes plus longues.
Regardons maintenant ces tores avec attention : on y reconnaît le réseau hexagonal dense de la chaîne compacte sur les vues latérales (la distance inter-hélice est ici de 28.4Å) et les cercles concentriques des vues apicales correspondent aux plans réticulaires du réseau (encarts de la Figure1). On peut visualiser sur ces images la structure en hélice de l’ADN (Figure 2), ce qui révèle un alignement parfait -et en phase- des hélices dans l’épaisseur du tore. Latéralement, les hélices sont par contre en décalage de phase (Figure 2). On peut ainsi décrire le tore comme un cristal 3D dans lequel les hélices sont corrélées entre elles. Le plus étonnant est sans doute que le pas de l’hélice varie périodiquement le long de la circonférence du tore entre 3.4 nm (la conformation classique de l’ADN en solution) et 1.7nm (une forme très surenroulée). La structure est encore plus complexe puisque des défauts sont introduits pour résoudre la frustration qui émerge de la compétition entre la chiralité de l’édifice et la structure dense hexagonale. A l’aide de ce dispositif, d’autres conditions ioniques pourront maintenant être étudiées pour suivre comment ces tores se font et se défont.

Figure 1 : Vue d’ensemble de la population de bactériophages dont l’ADN restant dans la capside a été condensé par des cations multivalents (spermine, 4+). Certaines capsides sont pleines, d’autres vides ; la plupart contiennent seulement un fragment de la chaîne initiale. Les encarts montrent les structures toriques ainsi formées en vue latérale et apicale. Le diamètre de la capside est de 80nm.

Figure 2 : Détail de la vue apicale d’un tore (a) sur lequel on peut mesurer la distance d entre les plans réticulaires d et la période P du pas de l’hélice. De l’alignement dans l’épaisseur de la préparation et du décalage de phase entre hélices voisines, on peut déduire la structure du réseau tridimensionnel, illustré ici en vue latérale (b) et apicale (c). Les petits et grand sillons de l’ADN sont indiqués en bleu et rouge, respectivement. Le modèle d présente une vue d’ensemble d’un secteur du tore.

 

Contact : A. Leforestier (leforestier@lps.u-psud.fr) et F. Livolant (livolant@lps.u-psud.fr).

 

Structure of the toroidal DNA collapsed inside the page capsid. Proc. Natl. Acad. Sci. (In press).