La division cellulaire est fondamentale pour la vie, permettant aux organismes de se développer, de réparer les tissus et de se reproduire. Pour qu'une cellule se divise, tout l'ADN à l'intérieur de la cellule (le génome) doit d'abord être copié, dans un processus appelé réplication de l'ADN. Mais la dynamique précise des réplisomes - la machinerie protéique qui copie l'ADN - a été difficile à déterminer pour les scientifiques.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) au Japon ont développé un nouveau modèle capable de déterminer les variations de la vitesse à laquelle les réplisomes copient les génomes bactériens. Le modèle, combiné à des expériences, montre que certaines sections d'ADN sont copiées plus rapidement que d'autres et révèle un lien intrigant entre la vitesse de réplication et le taux d'erreur. La recherche a été publiée dans eLife le 25 juillet 2022.

"Les machines qui copient l'ADN sont incroyables - elles sont très rapides et très précises", a déclaré Simone Pigolotti, professeure associée à l'OIST qui dirige l'unité de complexité biologique. "Comprendre ces machines peut nous dire ce qui est important pour les cellules :quelles erreurs sont tolérables, quelles erreurs ne le sont pas, à quelle vitesse la réplication doit être."

Le modèle repose sur la mesure de l'abondance de différents emplacements d'ADN au sein d'une population de cellules bactériennes qui se divisent constamment. Chez les bactéries, pour démarrer la réplication de l'ADN, deux réplisomes se fixent à l'ADN à un point d'origine défini et se dirigent dans des directions opposées le long de la boucle d'ADN, copiant l'ADN jusqu'à ce qu'ils se rencontrent de l'autre côté. Cela signifie que l'ADN le plus proche du point d'origine est copié en premier, tandis que l'ADN le plus proche du point de terminaison est copié en dernier.

"Si vous laissez une population de bactéries se développer librement, à un moment donné, la plupart des cellules seront en cours de division cellulaire. Parce que la réplication de l'ADN commence toujours au même endroit, cela signifie que si vous séquencez ensuite tout l'ADN , il y aura une plus grande abondance d'ADN qui est le plus proche du point d'origine, et une quantité beaucoup plus faible d'ADN qui est plus proche du point final », a expliqué le professeur Pigolotti.

Dans l'étude, des chercheurs de l'unité de chimie et d'ingénierie des acides nucléiques de l'OIST ont cultivé des bactéries Escherichia coli (E. coli) à différentes températures. La section de séquençage a ensuite séquencé l'ADN de la bactérie.

En analysant les caractéristiques de la courbe de distribution, les chercheurs ont pu déterminer la vitesse exacte de la machinerie protéique. Ils ont constaté qu'à mesure que la température augmentait, la vitesse de réplication augmentait. Plus intéressant encore, les chercheurs ont découvert que les réplisomes variaient leur vitesse à différents points le long du génome.

L'une des raisons potentielles de leur vitesse fluctuante, spécule le professeur Pigolotti, est qu'il peut y avoir des limites sur les ressources nécessaires à la réplication, telles que les nucléotides, les éléments constitutifs de l'ADN.

Chez E. coli, lorsque les conditions sont bonnes, une seule cellule bactérienne peut se diviser toutes les 25 minutes. Mais le processus de réplication de l'ADN prend plus de temps, environ 40 minutes. Par conséquent, afin de maintenir des taux de croissance élevés, plusieurs copies du génome sont répliquées en même temps, ce qui augmente le nombre de réplisomes au travail. La compétition pour les nucléotides pourrait alors entraîner le ralentissement des réplisomes.

Des preuves supplémentaires étayent cette hypothèse. À basse température et dans des cultures pauvres en nutriments, lorsque le taux de croissance des bactéries est faible et qu'un seul génome serait copié à la fois, ces fluctuations de la vitesse de réplication disparaissent.

Curieusement, les chercheurs ont également découvert que les oscillations observées pour la vitesse de réplication correspondaient également aux oscillations du taux de mutation documentées dans d'autres études. Lorsqu'ils ont superposé les deux modèles, ils ont découvert que les zones du génome qui étaient copiées plus rapidement avaient également un taux de mutation plus élevé.

"Cela semble intuitif - si nous pensons à une action, comme taper sur un clavier, plus nous tapons vite, plus nous avons de chances de faire une erreur", a déclaré le professeur Pigolotti. "Nous pensons donc que lorsque les réplisomes vont plus vite, leur taux d'erreur est plus élevé."

Pour le professeur Pigolotti, la prochaine étape consiste à déterminer comment la vitesse de réplication change dans les souches mutantes d'E. coli, telles que celles qui manquent de protéines qui aident à la réplication. Il est également curieux de voir si le schéma se maintient dans d'autres souches de bactéries.

"C'est une direction de recherche vraiment passionnante", a déclaré le professeur Pigolotti. "Et tout le travail a été fait en collaboration avec d'autres unités ici. C'est le genre de collaboration interdisciplinaire qui ne peut se produire qu'à l'OIST." + Explorer plus loin

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