La vie serait impossible si l'ADN des cellules en division était répliqué avec une précision inférieure à la perfection. Chaque fois qu'une cellule nucléée s'engage à devenir deux cellules, chaque "lettre" de son génome doit être répliquée une et une seule fois. Chez l'homme, la tâche dépasse l'imagination. Si déroulé, la double hélice entassée dans chacune de nos cellules mesurerait 6 pieds de longueur. Dans notre moelle osseuse seule, un demi-milliard de nouvelles cellules naissent chaque minute. Ces cellules contiennent à elles seules suffisamment d'ADN pour faire 25 fois le tour de l'équateur terrestre. Dans des tolérances redoutables, chaque nouvelle cellule doit avoir un génome identique à celui de la cellule qui lui a donné naissance. Le cancer et d'autres maladies peuvent survenir lorsque le processus tourne mal.

Comprendre comment la réplication précise fonctionne au niveau des molécules et des atomes individuels est l'une des grandes réalisations de la science moderne. Le voyage des enquêteurs n'est pas encore terminé, toutefois. Une partie majeure du puzzle non résolue consiste à comprendre comment commence l'ensemble du processus de copie du génome. Dans de nouvelles recherches, un aperçu de la façon dont les deux supports de la double hélice se séparent dans les premiers stades de la réplication devient clair.

Une collaboration de longue date de chercheurs à Londres, Grand Rapids, Le Michigan et le Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) à New York rapportent la structure au niveau atomique d'enzymes à double hélicase chargées tête à tête, avec la double hélice d'ADN visible dans le canal circulaire qui traverse les deux hélicases. La config, une partie du complexe pré-réplicatif (pré-RC), n'a jamais été correctement imagé dans cette configuration auparavant.

L'exploit a été rendu possible grâce à une nouvelle installation de microscopie cyro-électronique (cryo-EM) à l'Institut de recherche Van Andel, domicile de l'un des enquêteurs principaux, Dr Huilin Li. Le Dr Li a collaboré avec le Dr Bruce Stillman du CSHL et le Dr Christian Speck, Professeur de biochimie du génome et de biologie moléculaire à l'Imperial College de Londres pendant plus d'une douzaine d'années. En 1992, Stillman et ses collègues ont découvert le complexe protéique appelé complexe de réplication d'origine (ORC), qui assemble des complexes protéiques à de nombreux endroits appelés « sites de départ » le long de la double hélice, où la réplication commence. Les travaux du Dr Speck ont ​​montré que l'ORC se combine avec d'autres protéines—Cdc6, Cdt1 et l'hexamère de Mcm2-7—pour commencer le processus de duplication de l'ADN.

De nombreux efforts passés ont révélé comment ORC assemble et trouve des sites de départ. Il existe de nombreux sites de ce type, organisé par domaines, dans le génome humain complexe; beaucoup moins dans des formes de vie plus simples comme la levure de boulanger. La nouvelle recherche concerne ce qui se passe après la reconnaissance initiale des sites de départ et comment l'hélice d'ADN pourrait être déroulée.

Comme le montrent clairement les nouvelles images cryo-EM ", " les enzymes jumelles hélicase Mcm2-7 à six côtés qui entourent la double hélice ressemblent à des insectes symétriques ou, peut-être, vaisseau spatial jumeau amarré tête à tête. La question à laquelle répond la nouvelle structure est de savoir comment la double hélice est située dans le canal qu'elles forment, et comment l'ADN interagit avec la structure environnante. Sur la base de ces nouvelles connaissances, un aperçu de la façon dont les deux brins d'ADN se séparent, longtemps un mystère, commence à être découvert.

"Les nouvelles images montrent qu'une fois chargé dans le double hexamère—ou DH, comme nous appelons les hélicases tête-à-tête - la double hélice emprunte un chemin en zigzag à travers le canal central, qui est en quelque sorte tordu, " expliquent les auteurs. " Les deux hexamères en forme de tonneau sont disposés de telle manière qu'ils sont prêts à détordre la double hélice lorsqu'ils sont activés. "

Une conséquence est particulièrement importante :la torsion de la structure du complexe formé par les doubles anneaux crée une tension de torsion :ils se chargent d'une tension inhérente qui les fait ressembler à un ressort hélicoïdal. Des détails de la structure jamais vus auparavant révèlent comment diverses sous-unités protéiques des hexamères jumeaux s'accrochent à la double hélice, via de minuscules structures en forme de boucle.

Le scénario avancé par Li, Grain, Stillman et leurs collègues est que les hexamères jumeaux se chargent en tension, amenant l'un des deux brins de l'ADN qui les traversent à se regrouper littéralement contre une "porte" fermée d'un côté de l'anneau, et l'autre brin contre une autre "porte" fermée du côté opposé. L'équipe propose que l'une des deux portes s'ouvre lorsque le processus de réplication est activé (grâce à l'intervention de protéines kinases et d'autres molécules auxiliaires).

Par la porte ouverte de l'hélicase - mais seulement d'un côté - un brin de la double hélice est expulsé, ou "extrudé". L'équipe propose qu'il devienne ce qu'on appelle le « brin retardé » dans le processus de réplication de l'ADN. L'autre brin, restant au centre du canal hélicoïdal, devient le « brin principal » dans la réplication. Des moteurs moléculaires chargés sur les deux hexamères fournissent l'énergie nécessaire à leur séparation. Une hélicase activée passe l'autre, comme la réplication de chaque brin se déroule dans des directions opposées, comme déduit par les biologistes il y a des décennies.

Les dernières structures ont été rendues possibles par les progrès de la technique appelée cryo-microscopie électronique, où un faisceau d'électrons est passé à travers gelé, particules de protéine-ADN uniques pour obtenir une image tridimensionnelle proche du niveau atomique. Les principaux développeurs de la méthode, qui est maintenant largement utilisé, a reçu le prix Nobel de chimie 2017.