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 le mécanisme qui cause l'échange entre molécules d'ADN. La recombinaison homologue est initiée par une cassure double-brin de l'ADN.

Schéma du chromosome 1 après recombinaison homologue
Figure 1. Au cours de la méiose, la recombinaison homologue peut produire de nouvelles combinaisons de gènes comme montré ici entre des copies similaires mais pas identiques du chromosome 1 humain.

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-brins de l'ADN:

- Une phase pré-synaptique 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 brin d'ADN avec une séquence similaire (homologue) intacte pour opérer la réparation de la cassure.

- Une phase post-synaptique durant laquelle les intermédiaires d'échanges de brins d'ADN sont résolus à la suite de la synthèse d'ADN requise pour restaurer la séquence perdue au site de cassure.

Phase pré-synaptique[modifier | modifier le code]

Résection[modifier | modifier le code]

Suite à 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 orienté dont l'extrémité est 3'. Deux mécanismes de résections ont été décrits: un mécanisme de résection de faible portée qui rogne l'ADN sur moins d'un kilobase, et un mécanisme de résection de grand portée qui expose de l'ADN simple-brin sur plusieurs kilobases.

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

L'ADN simple brin généré par la résection est immédiatement lié par RPA, une protéine abondante à haute affinité pour l'ADN. Cette protéine doit être déplacée pour permettre à la recombinase Rad51/RAD51 (RecA chez les procaryotes) de s'assembler en un filament sur cet ADN simple-brin. Chez l'homme, la protéine BRCA2 catalyse ce remplacement. D'autres protéines s'associent au filament pour assurer sa stabilité.

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

La recombinase RAD51 utilise l'information de séquence de l'ADN simple brin pour interroger les molécules d'ADN alentours en recherche d'une séquence identique. Le mécanisme de cette recherche d'homologie, qui s'apparente à la recherche d'une aiguille dans la botte de foin qu'est le génome, est encore assez mal connu [1]. Une fois la séquence homologue identifiée au sein du filament de RAD51, la protéine RAD54 glisse le long du filament et, en même temps qu'elle enroule le brin d'ADN "chercheur" et son complémentaire pour former un ADN hétéroduplex, elle détache la protéine RAD51[2]. La structure résultant de cet échange de brins, qui comporte un ADN double-brin hétéroduplex et un ADN simple-brin déplacé, est connu sous le nom de D-loop (pour Displacement loop).

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 complementaire intact comme matrice. C'est cette étape de synthèse qui permet la ré-acquisition 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 [3].

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 ré-associer 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 conduit à la formation d'un intermédiaire contenant deux hétéroduplexes, avec à leurs frontières deux jonctions de Holliday. Des enzymes appelées "structure-selective endonucleases" reconnaissent et clivent ces jonctions [4]. 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 requis 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 [5]. 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 .

Régulation[modifier | modifier le code]

Figure 3. La recombinaison homologue répare l'ADN avant que la cellule n'entre en mitose.

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 le mécanisme de réparation principale durant la phase G1 du cycle cellulaire (qui précède la réplication de l'ADN). La recombinaison homologue est dé-réprimée 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 soeur [6]. 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, et la cellule s'engage irréversiblement dans la voie de la recombinaison homologue. Ce choix est sous le contrôle de plusieurs modifications post-traductionnelles (phosphorylation, sumoylation, ubiquitination, ...) qui dépendent de l'organisme, du type cellulaire, et de la phase du cycle. 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[7]. Un exemple de contrôle chez la levure Saccharomyces cerevisiae réside en la CDK Cdc28 qui induit la recombinaison homologue en phosphorylant la protéine Sae2 [8],[9]. Sae2 est une endonucléase capable de faire une coupure propre autour d'une lésion double-brin dans l'ADN, initiant ainsi l'étape de résection, poursuivit par le complexe endo/exonucléase Mre11-Rad50-Xrs2, le duo hélicase-nucléase Sgs1-Dna2, et l'exonucléase Exo1.

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

Anti-recombinaison[modifier | modifier le code]

Démantèlement du filament de Rad51[modifier | modifier le code]
Démantèlement de la D-loop[modifier | modifier le code]

Anti-crossover[modifier | modifier le code]

Démantèlement de la D-loop après extension[modifier | modifier le code]
Dissolution[modifier | modifier le code]

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. Jörg Renkawitz, Claudio A. Lademann et Stefan Jentsch, « Mechanisms and principles of homology search during recombination », Nature Reviews. Molecular Cell Biology, vol. 15, no 6,‎ , p. 369–383 (ISSN 1471-0080, PMID 24824069, DOI 10.1038/nrm3805, lire en ligne)
  2. William Douglass Wright et Wolf-Dietrich Heyer, « Rad54 functions as a heteroduplex DNA pump modulated by its DNA substrates and Rad51 during D loop formation », Molecular Cell, vol. 53, no 3,‎ , p. 420–432 (ISSN 1097-4164, PMID 24486020, PMCID 4059524, DOI 10.1016/j.molcel.2013.12.027, lire en ligne)
  3. Wolf-Dietrich Heyer, Kirk T. Ehmsen et Jie Liu, « Regulation of homologous recombination in eukaryotes », Annual Review of Genetics, vol. 44,‎ , p. 113–139 (ISSN 1545-2948, PMID 20690856, PMCID 4114321, DOI 10.1146/annurev-genet-051710-150955, lire en ligne)
  4. Erin K. Schwartz et Wolf-Dietrich Heyer, « Processing of joint molecule intermediates by structure-selective endonucleases during homologous recombination in eukaryotes », Chromosoma, vol. 120, no 2,‎ , p. 109–127 (ISSN 1432-0886, PMID 21369956, PMCID 3057012, DOI 10.1007/s00412-010-0304-7, lire en ligne)
  5. Ranjith P. Anand, Susan T. Lovett et James E. Haber, « Break-induced DNA replication », Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, vol. 5, no 12,‎ , a010397 (ISSN 1943-0264, PMID 23881940, PMCID 3839615, DOI 10.1101/cshperspect.a010397, lire en ligne)
  6. (en) Alberts B et al., Molecular Biology of the Cell, Garland Science, (ISBN 978-0-8153-4105-5), p. 303
  7. M Shrivastav, LP De Haro et JA Nickoloff, « Regulation of DNA double-strand break repair pathway choice », Cell Research, vol. 18, no 1,‎ , p. 134–147 (PMID 18157161, DOI 10.1038/cr.2007.111, lire en ligne)
  8. EP Mimitou et LS Symington, « Nucleases and helicases take center stage in homologous recombination », Trends in Biochemical Science, vol. 34, no 5,‎ , p. 264–272 (PMID 19375328, DOI 10.1016/j.tibs.2009.01.010)
  9. P Huertas, F Cortés-Ledesma, AA Sartori, A Aguilera et SP Jackson, « CDK targets Sae2 to control DNA-end resection and homologous recombination », Nature, vol. 455, no 7213,‎ , p. 689–692 (PMID 18716619, PMCID 2635538, DOI 10.1038/nature07215)

Liens externes[modifier | modifier le code]

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