Chaque cellule vivante transcrit l’ADN en ARN. Ce processus commence lorsqu’une enzyme appelée ARN polymérase (RNAP) se fixe à l’ADN. En quelques centaines de millisecondes, la double hélice d’ADN se déroule et forme un nœud, appelé bulle de transcription, de sorte qu’un brin d’ADN exposé puisse être copié dans un brin d’ARN complémentaire.

La manière dont le RNAP accomplit cet exploit est largement inconnue. Un instantané de l’ouverture de cette bulle par le RNAP fournirait une mine d’informations, mais le processus se déroule trop rapidement pour que la technologie actuelle puisse facilement capturer des visualisations de ces structures. Maintenant, une nouvelle étude dans Biologie structurale et moléculaire de la nature décrit E. coli RNAP ouvrant la bulle de transcription.

Les résultats, capturés dans les 500 millisecondes suivant le mélange du RNAP avec l’ADN, mettent en lumière les mécanismes fondamentaux de la transcription et répondent à des questions de longue date sur le mécanisme d’initiation et l’importance de ses différentes étapes. “C’est la première fois que quelqu’un est capable de capturer des complexes de transcription transitoires au fur et à mesure qu’ils se forment en temps réel”, explique l’auteur principal Ruth Saecker, spécialiste de recherche au laboratoire de Seth Darst à Rockefeller. “Comprendre ce processus est crucial car il s’agit d’une étape régulatrice importante dans l’expression des gènes.”

Une vision inédite

Darst a été le premier à décrire la structure du RNAP bactérien, et l’élucidation de ses subtilités reste une priorité majeure de son laboratoire. Alors que des décennies de travail ont montré que la liaison du RNAP à une séquence d’ADN spécifique déclenche une série d’étapes qui ouvrent la bulle, la question de savoir comment le RNAP sépare les brins et positionne un brin dans son site actif reste vivement débattue.

Les premiers travaux dans ce domaine suggèrent que l’ouverture des bulles représente un ralentissement critique du processus et détermine la rapidité avec laquelle le RNAP peut passer à la synthèse d’ARN. Les résultats ultérieurs sur le terrain ont remis en question ce point de vue et plusieurs théories ont émergé sur la nature de cette étape limitante. “Nous savions grâce à d’autres techniques biologiques que lorsque le RNAP rencontre l’ADN pour la première fois, il forme une série de complexes intermédiaires hautement régulés”, explique le co-auteur Andreas Müller, chercheur postdoctoral au laboratoire. “Mais cette partie du processus peut se dérouler en moins d’une seconde, et nous n’avons pas pu capturer des structures en si peu de temps.”

Pour mieux comprendre ces complexes intermédiaires, l’équipe a collaboré avec des collègues du New York Structural Biology Center, qui ont développé un système robotique à jet d’encre capable de préparer rapidement des échantillons biologiques pour une analyse par cryomicroscopie électronique. Grâce à ce partenariat, l’équipe a capturé des complexes formés au cours des 100 à 500 premières millisecondes de la rencontre du RNAP avec l’ADN, fournissant ainsi des images de quatre complexes intermédiaires différents avec suffisamment de détails pour permettre l’analyse.

Pour la première fois, une image claire s’est dégagée des changements structurels et des intermédiaires qui se forment lors des premières étapes de la liaison de l’ARN polymérase à l’ADN.

La technologie était extrêmement importante pour cette expérience. Sans la capacité de mélanger rapidement l’ADN et le RNAP et d’en capturer une image en temps réel, ces résultats n’existent pas.


Ruth Saecker, premier auteur

Se mettre en position

En examinant ces images, l’équipe a pu décrire une séquence d’événements qui montrent comment le RNAP interagit avec les brins d’ADN lors de leur séparation, avec des détails sans précédent. Au fur et à mesure que l’ADN se déroule, le RNAP saisit progressivement l’un des brins d’ADN pour empêcher la double hélice de se reconstituer. Chaque nouvelle interaction provoque un changement de forme du RNAP, permettant ainsi la formation de davantage de connexions protéine-ADN. Cela implique d’extraire une partie d’une protéine qui empêche l’ADN de pénétrer dans le site actif du RNAP. Cela crée une bulle de transcription stable.

L’équipe suggère que l’étape limitante de la transcription pourrait être le positionnement du brin matrice d’ADN dans le site actif de l’enzyme RNAP. Cette étape implique de surmonter d’importantes barrières énergétiques et de réorganiser plusieurs composants. Les recherches futures viseront à confirmer cette nouvelle hypothèse et à étudier d’autres étapes de la transcription.

«Dans cette étude, nous n’avons examiné que les toutes premières étapes», explique Müller. “Ensuite, nous espérons examiner d’autres complexes, des points temporels ultérieurs et des étapes supplémentaires dans le cycle de transcription.”

Ces résultats résolvent non seulement des théories contradictoires sur la façon dont les brins d’ADN sont capturés, mais mettent également en évidence la valeur de la nouvelle méthode, qui peut capturer les événements moléculaires en temps réel en quelques millisecondes. Cette technologie permettra de réaliser de nombreuses autres études de ce type et aidera les scientifiques à visualiser les interactions dynamiques dans les systèmes biologiques.

“Si nous voulons comprendre l’un des processus les plus fondamentaux de la vie que toutes les cellules effectuent, nous devons comprendre comment son fonctionnement et sa vitesse sont régulés”, explique Darst. “Une fois que nous le saurons, nous aurons une image beaucoup plus claire de la façon dont cela se produit. la transcription commence.

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Référence du magazine :

Säcker, RMet coll. (2024). Les premiers intermédiaires de la fusion du promoteur de l’ARN polymérase bactérienne révélés par microscopie cryoélectronique résolue en temps. Biologie structurale et moléculaire de la nature. est ce que je.org/10.1038/s41594-024-01349-9.



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