Recombinaison homologue

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La recombinaison homologue est un type de recombinaison génétique où les séquences de nucléotides sont échangées entre des molécules d'ADN identiques (homologues) ou similaires (homéologues)(Figure 1). Au sens large, la recombinaison homologue est un mécanisme ubiquitaire de réparation des cassures double-brins de l'ADN [1]. Sa caractéristique principale est l'utilisation d'une molécule d'ADN homologue intacte (comme la chromatide sœur) comme modèle pour la restauration de la séquence nucléotidique de la molécule lésée, participant ainsi à la stabilité du génome [2]. La résolution des intermédiaires tardifs de cette voie de réparation peut conduire à l'échange entre la molécule d'ADN lésée receveuse et la molécule d'ADN intacte donneuse au niveau d'un crossover. Ces crossovers permettent notamment l'attachement physique et l'échange génétique entre chromosomes parentaux lors de la méiose, faisant de la recombinaison homologue un processus fondamental pour la reproduction sexuée chez de nombreux organismes [3]. L'inactivation des gènes codant des protéines de recombinaison homologues confère une susceptibilité à certains types de cancers et des infertilités [4].

Schéma du chromosome 1 après recombinaison homologue
Figure 1. La recombinaison homologue peut produire de nouvelles combinaisons de gènes entre les chromosomes parentaux, notamment lors de la méiose.

Mécanisme[modifier | modifier le code]

Le mécanisme de la recombinaison homologue, conservé dans le monde vivant, suit trois grandes étapes, initiées par une cassure double-brin de l'ADN:

- Une phase présynaptique durant laquelle le site de cassure est reconnu, partiellement dégradé et où les protéines de recombinaison sont assemblées;

- une phase synaptique, qui englobe la recherche et l'échange de brins avec un ADN double-brin intact dont la séquence est similaire (homologues) à la molécule lésée;

- une phase post-synaptique durant laquelle la synthèse d'ADN est initiée au site d'échange de brin (ce qui restaure la séquence perdue au site de cassure en utilisant l'ADN intact comme matrice) puis la résolution des intermédiaires d'échange de brins .

Phase présynaptique[modifier | modifier le code]

Résection[modifier | modifier le code]

À la suite de la formation d'une cassure double brin de l'ADN, la recombinaison homologue est initiée par la dégradation, de part et d'autre de la cassure, du brin d'ADN orienté dans le sens 5'-3'. Cette étape, dite de résection, expose un ADN simple brin dont l'extrémité est orientée 3', qui pourra par la suite être utilisée comme amorce par des ADN polymérases. Chez les eucaryotes la résection a lieu en deux temps: un mécanisme de faible portée initiée par le clivage à quelques dizaines de nucléotides de la cassure initialle par le complexe MRE11-RAD50-NBS1 (MRN) et CtIP chez l'humain. Un mécanisme de longue portée conféré par une exonucléase (EXO1) et un couple hélicase-endonucléase (BLM-DNA2) qui expose de l'ADN simple brin sur plusieurs kilobases [5].

Assemblage du filament de RAD51[modifier | modifier le code]

La protéine centrale de la voie de recombinaison homologue est Rad51/RAD51 chez les eucaryotes (RecA chez les procaryotes), assemblée en un filament nucléoprotéique sur l'ADN simple brin généré par la résection. Son assemblage implique un remplacement de RPA, une protéine abondante à haute affinité pour l'ADN qui lie en premier lieu l'ADN simple brin généré par la résection. Ce remplacement est catalysé par des médiateurs, tels que la protéine BRCA2 chez l'homme [6]. D'autres protéines s'associent au filament pour assurer sa stabilité et sa fonction, tels que les paralogues de RAD51 et la translocase RAD54. Chaque monomère de RAD51 lie un triplet de nucléotides qui conserve sa conformation initiale (i.e. ADN B). Chaques triplets se trouvent séparés du suivant par un étirement du squelette phosphate entre les monomères de RAD51, conduisant à une extension de la molécule d'ADN de 50% [7].

Phase synaptique: recherche d'homologie et invasion de brin[modifier | modifier le code]

Recherche d'homologie[modifier | modifier le code]

Le filament de RAD51 utilise l'information de séquence de l'ADN simple brin pour interroger les molécules d'ADN alentours. Comme le filament de RAD51 possède une longue surface de contact continue, il engage de multiples molécules d'ADN double-brins, multipliant ainsi le nombres de têtes de lecture pour la recherche d'homologie [8]. L'ADN double-brin localement engagé est déstabilisé ce qui autorise la tentative d'association Watson-Crick avec l'ADN simple-brin receveur [9]. Cette recherche s'accompagne à l'échelle cytologique d'une augmentation de la mobilité des cassures dans le noyau, permettant potentiellement d'identifier des homologies distantes, tel que le chromosome homologue [10].

Invasion de brin[modifier | modifier le code]

L'identification d'homologie au sein du filament de RAD51, lorsqu'elle excède une certaine taille, conduit à la conversion par la protéine RAD54 de ce complexe synaptique en un intermédiaire de molécules d'ADN jointes dont la stabilité ne dépend plus de RAD51 [11]. Les brins receveur et donneur sont associés par complémentarité Watson-Crick en un "hétéroduplexe" d'ADN au sein d'une structure dites de "boucle de déplacement", ou D-loop. Cette structure peut être désassemblée par de nombreuses protéines régulatrices de la recombinaison homologue, dont l'action conduit à une plus grande stringence dans le choix de l'ADN donneur et promeut la stabilité du génome [12].

Phase post-synaptique[modifier | modifier le code]

Synthèse d'ADN[modifier | modifier le code]

L'extrémité 3' de la molécule cassée se retrouve hybridé à son homologue intact au sein de la D-loop. Une polymérase ADN étend cette extrémité en utilisant l'ADN complémentaire intact comme matrice. C'est cette étape de synthèse qui permet la ré-acquisition de l'information perdue au site de cassure.

Résolution[modifier | modifier le code]

Une fois l'étape de synthèse accomplie, la D-loop peut être démantelée ou résolue. Plusieurs sous-mécanismes branchent à partir de cet intermédiaire [13].

SDSA (Synthesis-Dependent Strand Annealing)[modifier | modifier le code]

Dans le modèle du SDSA, la D-loop est démantelée, et l'extrémité d'ADN étendue peut se réassocier à l'autre extrémité de la cassure grâce à la séquence nouvellement acquise. Suit alors une étape de synthèse d'ADN qui comble l'ADN simple brin généré par la résection sur les deux molécules.

DSBR (Double-Strand Break Repair)[modifier | modifier le code]

Le modèle du DSBR postule la capture du brin déplacé par la synthèse au sein de la D-loop par le brin situé de l'autre côté de la cassure. Cette capture et la synthèse d'ADN qui s'ensuit conduisent à la formation d'un intermédiaire contenant deux hétéroduplexes, avec à leur frontière deux jonctions de Holliday. Des enzymes appelées "structure-selective endonucleases" reconnaissent et clivent ces jonctions [14]. Suivant les brins clivés, la résolution conduira ou non à un cross-over. Un cross-over implique la translocation entre la molécule initialement cassée et la molécule qui servait de matrice pour la réparation. Cette issue est généralement évitée dans les cellules somatiques mais est requise dans les cellules germinales pour la réalisation de la première division méiotique.

BIR (Break Induced Replication)[modifier | modifier le code]

Dans le modèle du BIR, la synthèse d'ADN initiée au niveau de la D-loop se poursuit jusqu'à l'extrémité du chromosome [15]. Ce mode de réparation est principalement mis en œuvre au niveau d'une cassure d'ADN ne possédant pas de deuxième extrémité, comme celles générées par la cassure d'une fourche de réplication.

Régulations[modifier | modifier le code]

Au cours du cycle cellulaire[modifier | modifier le code]

Les lésions double-brins peuvent être réparées par recombinaison homologue ou par recombinaison non-homologue (non-homologous end joining ou NHEJ). Contrairement à la recombinaison homologue qui utilise une molécule intacte comme matrice, le NHEJ rejoint simplement les deux extrémités de la cassure. Le NHEJ est actif tout au long du cycle cellulaire, alors que la recombinaison homologue n'est active qu'en phase S et G2, quand l'ADN a été répliqué et qu'une copie identique, intacte, et spatialement proche pour la réparation se trouve sous la forme de la chromatide sœur [16]. Le point de décision entre ces deux voies de réparation sont les protéines de résection: dès que l'un des deux brins de la cassure est dégradé, le substrat pour le NHEJ est perdu. Ce choix est sous le contrôle de régulations complexes dominées par l'antagonisme entre le 53BP1 (anti-résection) et BRCA1 (pro-résection) chez l'humain [17], dont les influences respectives sont soumises, via modifications post-traductionnelles (phosphorylation, sumoylation, ubiquitination, etc.) à la phase du cycle cellulaire. Notamment, les CDK (cyclin-dependent kinases), qui influent sur l'activité d'autres protéines par phosphorylation, sont des régulateurs importants de la recombinaison homologue chez les eucaryotes[18]. Chez S. cerevisiae, la CDK Cdc28 induit la recombinaison homologue en phosphorylant la protéine Sae2, qui initie la résection [19],[20].

Réversibilité au sein de la recombinaison homologue[modifier | modifier le code]

La voie de recombinaison homologue consiste en la succession de nombreuses associations non-covalentes ADN-protéines et ADN-ADN qui peuvent être réversées. Cette capacité de réversion, controlée par de nombreuses protéines, limite la toxicité, augmente la fidélité, et détermine le produit de réparation (crossover ou non-crossover) de cette voie de réparation des cassures de l'ADN [2].

Résection[modifier | modifier le code]

La dégradation directionnelle 5'-3' du brin d'ADN flanquant la cassure peut être réversé par synthèse d'ADN, initié par la Primase recrutée au site de cassure par le complexe Shieldin [21]. Cette étape réverse la décision d'engager la réparation par recombinaison homologue, et restore la possibilité de réparer par un mécanisme de "end joinding".

Filament de RAD51[modifier | modifier le code]

Le filament de RAD51 formé sur de l'ADN simple-brin peut être démantelé par de nombreuses hélicases chez l'humain, et Srs2 chez la levure S. cerevisiae. Ces activités contrecarrent la formation accidentelle de filament de RAD51, notamment lors de la réplication, et la formation d'intermédiaires d'échanges de brins toxiques. Pendant la réparation de l'ADN, ce démantèlement est contrecarré par les paralogues de RAD51 présents au sein du filament [22].

D-loop[modifier | modifier le code]

Les intermédiaires d'échange de brin de type D-loop peuvent être démantelés par de nombreuses protéines conservées chez les eucaryotes, telles que Mph1, Sgs1-Top3-Rmi1 et Srs2 chez S. cerevisiae [12]. Lorsque ce démantèlement survient avant initiation de la synthèse d'ADN au niveau de la D-loop, la voie de recombinaison est rétrogradée à l'étape de recherche d'homologie. Ces activités de démantèlement inhibent l'utilisation de séquences répétées pour la réparation, et promeuvent ainsi la stabilité du génome.

Lorsque le démantèlement survient après synthèse d'ADN, il permet la réassociation de l'extrémité étendue avec l'autre extrémité de la cassure, et ainsi la complétion de la réparation par "Synthesis-Dependent Strand Annealing". Cette branche de la recombinaison homologue, qui résulte exclusivement en la formation de non-crossover, est la plus conservatrice pour la stabilité du génome.

Applications[modifier | modifier le code]

La technique du gene targeting, qui permet d'introduire des changements dans le génotype d'organismes, a valu à Mario Capecchi, Martin Evans et Oliver Smithies le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 2007.

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Stephen C. Kowalczykowski, « An Overview of the Molecular Mechanisms of Recombinational DNA Repair », Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, vol. 7, no 11,‎ , a016410 (ISSN 1943-0264, PMID 26525148, PMCID PMC4632670, DOI 10.1101/cshperspect.a016410, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
  2. a et b (en) Wolf-Dietrich Heyer, « Regulation of Recombination and Genomic Maintenance », Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, vol. 7, no 8,‎ , a016501 (ISSN 1943-0264, PMID 26238353, PMCID PMC4526751, DOI 10.1101/cshperspect.a016501, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
  3. (en) Neil Hunter, « Meiotic Recombination: The Essence of Heredity », Cold Spring Harbor Perspectives in Biology,‎ , a016618 (ISSN 1943-0264, PMID 26511629, PMCID PMC4665078, DOI 10.1101/cshperspect.a016618, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
  4. (en) Rohit Prakash, Yu Zhang, Weiran Feng et Maria Jasin, « Homologous Recombination and Human Health: The Roles of BRCA1, BRCA2, and Associated Proteins », Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, vol. 7, no 4,‎ , a016600 (ISSN 1943-0264, PMID 25833843, PMCID PMC4382744, DOI 10.1101/cshperspect.a016600, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
  5. (en) Lorraine S. Symington, « Mechanism and regulation of DNA end resection in eukaryotes », Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, vol. 51, no 3,‎ , p. 195–212 (ISSN 1040-9238 et 1549-7798, PMID 27098756, PMCID PMC4957645, DOI 10.3109/10409238.2016.1172552, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
  6. (en) Jie Liu, Tammy Doty, Bryan Gibson et Wolf-Dietrich Heyer, « Human BRCA2 protein promotes RAD51 filament formation on RPA-covered single-stranded DNA », Nature Structural & Molecular Biology, vol. 17, no 10,‎ , p. 1260–1262 (ISSN 1545-9993 et 1545-9985, PMID 20729859, PMCID PMC2952495, DOI 10.1038/nsmb.1904, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
  7. (en) Zhucheng Chen, Haijuan Yang et Nikola P. Pavletich, « Mechanism of homologous recombination from the RecA–ssDNA/dsDNA structures », Nature, vol. 453, no 7194,‎ , p. 489–494 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/nature06971, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
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  9. (en) Haijuan Yang, Chun Zhou, Ankita Dhar et Nikola P. Pavletich, « Mechanism of strand exchange from RecA–DNA synaptic and D-loop structures », Nature, vol. 586, no 7831,‎ , p. 801–806 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/s41586-020-2820-9, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)
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  22. (en) Jie Liu, Ludovic Renault, Xavier Veaute et Francis Fabre, « Rad51 paralogues Rad55–Rad57 balance the antirecombinase Srs2 in Rad51 filament formation », Nature, vol. 479, no 7372,‎ , p. 245–248 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/nature10522, lire en ligne, consulté le 11 novembre 2020)

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