Réparation par excision de nucléotide

S. Bourgerie
2006-07
L3-BH01
Cours n°7
Réparation de l’ADN
Ce cours est présent sur le web à l’adresse suivante :
http://www.univ-orleans.fr/sciences/BIOCHIMIE/L/ressources.htm
Plan
Introduction
I- Erreurs de la réplication – mécanisme de leur réparation
fonction de correction d’épreuve des ADN polymérases
activité 3’-5’ exonucléasique de l’ADN pol I
système de réparation des mésappariements
mécanisme de réparation
méthylation
II- Dommages de l’ADN
dommages spontanés
désamination
dépurination
dommages provoqués
radiation UV
alkylation
agents intercalant
analogues de bases
III- Systèmes de réparation des dommages de l’ADN
réparation par simple réversion
photoréactivation
dé-alkylation
B.E.R : ‘base excision repair’
N.E.R : ‘nucleotide excision repair’
Synthèse translésionnelle
Récapitulatif
INTRODUCTION
Les mutations
- correspondent à des changements permanents dans la séquence nucléotidique de l’ADN
- peuvent aller du remplacement d’une paire de bases par une autre (substitution)
à l’addition ou la délétion d’une ou plusieurs paires de bases (insertion ou délétion)
Mutation silencieuse : mutation touchant un ADN non essentiel ou qui occasionne un effet négligeable
Mutation favorable : celle qui confère un avantage à la cellule
Le plus souvent les mutations sont néfastes
Toutes les cellules possèdent
de multiples systèmes de réparation de l’ADN
Système
Enzymes - protéines
Réparation des erreurs Dam méthylase
Protéines MutH, MutL,
d’appariement
Type d’altération
Erreurs d’appariement
MutS
ADN hélicase II
SSB
ADN polymérase III
Exonucléase I
ADN ligase
Réparation directe
ADN photolyases
O6-méthylguanine
transférase
Dimères de pyrimidine
O6-méthylguanine
Réparation par
excision d’une base
ADN glycosylases
Endonucléases
ADN polymérase I
ADN ligase
Bases anormales
Bases alkykées
(dimères de pyrimidine)
Réparation par
excision d’un
nucléotide
Excinucléase ABC
ADN polymérase I
ADN ligase
Lésions de l’ADN qui
provoquent des
changements structuraux
La correction d’épreuve des ADN polymérases
Un exemple d’accident de la réplication : Transition TA - CG
Transition : remplacement d’une purine par une purine
ou remplacement d’une pyrimidine par une pyrimidine
Erreurs dans la réplication : un exemple
1er type de réaction catalysée par l’ADN pol I : synthèse d’ADN
Structure de l’ADN polymérase I d’E. coli
Fonction de correction d’épreuves
des ADN polymérases
Mise en œuvre d’une
activité 3’-5’ exonucléolytique
Correction d'épreuve
Fonction de correction sur épreuve de l’ADN polymérase I : modèle
2ème type de réaction catalysée par l’ADN pol I : Exonucléase
Correction de l’ADN pol I : activité 3’-5’ exonucléase
Lorsqu’un nucléotide mal apparié par des liaisons hydrogène est
accidentellement incorporé lors de la synthèse d’ADN, la polymérase
s’arrête, excise le nucléotide en cause et reprend sa copie.
Fidélité de la réplication de l’ADN
Processus
Appariement des bases
Sélectivité de l'ADN polymérase et action
correctrice par activité exonucléase 3'- 5'
Rôle des protéines accessoires (ssb par
exemple)
Correction postréplicative des
mésappariements
Fréquence d'erreur
cumulée
10-1 à 10-2
10-5 à 10-6
10-7
10-10
Le système de réparation des erreurs de réplication de l’ADN
(système MMR, mismatch repair ou système MutHLS chez E. coli)
Les mésappariements de l’ADN susceptibles d’être réparés
par le système MMR sont, dans la grande majorité des
cas, la conséquence d’erreurs commises par l’ADN polymérase
au cours du processus de réplication.
Correction des mésappariements suite à la réplication
Les causes de mésappariements
¾ Imperfections de la correction des épreuves
¾ Tautomérisation spontanée
Mésappariements provoqués par les formes tautomériques des bases
Appariement standard
H3C
H
O
N
H
Appariement standard
NH
HN
N
N
N
H3C
N
N
N
H
H
H3C
N
thymine (énol)
H
NH
HN
N
N
N
O
H
NH
guanine (céto)
Appariement anormal
O
N
N
cytosine (amino)
Appariement anormal
O
N
N
H
O
adénine (amino)
thymine (céto)
H3C
N
N
N
O
O
H
guanine (céto)
N
H
H
N
NH
N
N
N
N
O
cytosine (imino)
adénine (amino)
Un exemple de substitution par commutation tautomérique
type sauvage
…N G N…
…N C N…
G forme énol
…N Gé N…
…N T N…
type sauvage
…N A N…
…N T N…
mésappariement
…N G N…
…N C N…
1ère réplication
type mutant
2ème réplication
Transition GC-AT
Système MutHLS (chez E. coli)
1
2
La méthylation pour distinguer le brin parental et le brin néoformé
Structure de la protéine MutS fixée à l’ADN
Méthylation et réparation des mésappariements
ADN hémiméthylé
1
réplication
3
2
Le brin matrice est méthylé;
le brin néosynthétisé ne l’est pas
le brin néosynthétisé est méthylé
Les deux brins ne peuvent être
distingués
DIRECTIONALITE de la réparation : exonucléases intervenantes
(a) Le motif GATC non méthylé est situé en 5’ de la mutation
(b) Le motif GATC non méthylé est situé en 3’ de la mutation
Dommages de l’ADN
Mutations par modification chimique des bases
Agents mutagènes
Agents chimiques
qui transforment la base : désamination de la cytosine (en uracile)
qui perturbent la réplication en s’intercalant dans l’ADN
qui provoquent des transitions (A G)
Agents physiques
radiations (X, γ, UV)
(Mutation spontanée : phénomène rare)
Types de mutations qui entraînent un changement de base
Désamination
NH2
O
N
N
NH
N
O
O
O
O
CH2
désamination
O
O
P
O
CH2
O
O-
cytosine
O
conséquence
O
O
P
O
U-A remplace C-G
O-
uracile
¾corrigé par le retrait de U
(remplacé par un C)
Dépurination
NH2
N
N
N
N
O
O
CH2
CH2
O
O
O
P
O
O
adénine
conséquence
O
dépurination
O-
O
P
O
O-
Une purine est absente
¾ Correction par insertion
Dimère de thymine
O
O
H3C
H3C
NH
NH
N
O
N
CH2
CH2
O
O
O
O
H3C
O
O
O
ON
O
CH2
H3C
O
NH
P
O
NH
P
ON
O
CH2
O
O
O
O
P
O
O-
O
P
O
O
conséquence
Le dimère de thymine
déforme le duplex
irradiation
par les UV
O
O
O
O
O-
¾ correction par excision
Alkylation
CH3
O
N
N
O
N
NH
N
N
NH2
O
NH
N
NH2
O
CH2
alkylation
O
O
P
O
CH2
O
O-
guanine
O
conséquence
O
O
P
O
O-
méthyl-guanine
Le groupement méthyl
déforme la double hélice
¾ correction par désalkylation
Les agents intercalant provoquent des changements de cadre de lecture
H2N
N
NH2
proflavine
CH3
H3C
N
CH3
N
acridine orange
N
CH3
BET
Analogues des bases
l’ADN peut incorporer le 5-BU à la place de la Thymine
H3C
Br
O
NH
H
O
N
H
N
O
O
courant
N
O
5-bromo uracile
(forme céto)
NH
Br
N
adénine
O
5-bromo uracile
(forme énol)
O
N
N
N
5-bromo uracile
(forme céto)
N
N
thymine
OH
NH
N
Br
Br
O
H
N
H
O
N
N
N
N
N
O
5-bromo uracile
(forme énol)
H
NH
guanine
rare
Systèmes de réparation des dommages de l’ADN
Modes de réparation
1- réparation directe de la base mutée
2- réparation par excision d’un fragment (la plus courante)
(nécessite des nucléases)
Photoréactivation : élimination directe
O
Réparation des dimères de pyrimidin
par la photolyase
O
HN
NH
dimère de pyrimidine sous forme cyclobutane
O
N
O
N
FADH2*
FADH2
radical flavine
O-
O
.
HN
O
NH
N
N
O-
O
O
O-
O
.
HN
NH
NH
HN
.
O
N
N
O
O
N
N
O
O
NH
HN
O
O
N
N
O
Les agents alkylants
l’Ethylméthane Sulfonate (EMS) alkyle la Guanine
Protéines de dé-alkylation : élimination
directe
NH2
4
6
CH3
+
5
N
1
N
NH2
NH2
3-méthyl-cytosine
O
αCG
O2
succinate
CO2
CH2OH
+
N
CH2OH
N
N
AlkB
3
2
+
O
HCHOH
N
cytosine
O
Systèmes de réparation par excision
Tous les systèmes de réparation par excision fonctionnent de la même manière :
Étapes :
1- reconnaissance de la région d’ADN endommagé
2- le brin d’ADN endommagé est scindé par une endonucléase
3- une exonucléase élimine un fragment du brin endommagé
4- une ADN polymérase et une ligase réparent de concert la brèche
Base Excision Repair : vue générale
Réaction de l’uracylglycosylase
Réparation oxoG:A
Réparation par excision de nucléotide :
Système UvrABC chez E. coli
Deux molécules de UvrA et une molécule de
UvrB forment un complexe.
Ce complexe se déplace au hasard le long de
l'ADN.
Quand le complexe rencontre une lésion, un
changement de conformation se produit qui
entraîne une dénaturation locale de l'hélice d'ADN
et une pliure de 130°.
Le dimère d'UvrA se dissocie de UvrB et
l'endonucléase UvrC (excinuclease) se fixe et coupe le brin
d'ADN en deux sites séparés de 12 à 13 bases.
UvrB et UvrC se dissocient et une hélicase
déroule la région endommagée et relâche le
brin de 12 nucléotides qui est dégradé. Le trou
est comblé par l’ADN polymérase I et recollé
par la ligase.
“Nucleotide excision repair” chez E. coli : récapitulatif
Enzyme
Protéine
UvrA (104kDa)
UvrB (78kDa)
Excinucléase
UvrC (68kDa)
ADN hélicase
ADN
polymérase
ADN ligase
UvrD
ADN polymérase I
Lig
Fonction
scanne l’ADN, se fixe à UvrB
se fixe à l’ADN ; clive l ’ADN,
5 nucléotides en aval de la lésion
se fixe à UvrB ; clive l ’ADN,
8 nucléotides en amont de la lésion
enlève le fragment d’ADN
remplit la brèche
scelle
Systèmes NER chez E. coli et chez l’Homme
Réparation par recombinaison (ou réparation post-réplicative)
b
a
3’
lésion
5’
3’
5’
BLOCAGE de la REPLICATION
puis reprise, laissant une lacune
Synthèse trans-lésionnelle
RECAPITULATIF
Base modifiée par commutation
tautomérique
Réparation des mésappariements
Dérapage réplicatif
Réparation des mésappariements
Dépurination
Réparation par excision de base
Désamination oxydative
Réparation par excision de base
Base remplacée par analogue de base
Réparation par excision de base
Alkylation
Réparation par réversion directe
Oxydation
Réparation par excision de base
Addition
Réparation par excision de nucléotides
Pontage interbrin : dimères de T
Réversion directe, excision de
nucléotides, recombinaison, SOS
Pontage interbrin
Réparation par recombinaison
Cassures simple brin
Réparation par recombinaison
Quelles sont les conséquences des mutations?
2 conséquences principales des mutations
1- perte de fonction
2- gain de fonction
Maladies héréditaires et cancers provoqués
par des anomalies du fonctionnement des systèmes de réparation de l’ADN
…et chez les eucaryotes ?
C’est plus complexe…
Systèmes de réparation chez les eucaryotes (cellules de mammifères)
3 principaux :
1- O6-méthylguanine méthyl transférase:
-responsable de l’enlèvement de groupements méthyl ajoutés sur les bases par
des agents alkylants (mécanisme de réparation directe)
2- Système BER (Base Excision Repair)
- répare les dommages causés par l’hydrolyse, les agents alkylant et les radicaux libres
- enzymes clés: ADN glycosylases
- chacune reconnaît un type spécifique d’altération de base
3- Système NER (Nucleotide Excision Repair)
- répare les dommages plus volumineux (ex: dimère pyrimidine)
- défaillance associée à certaines maladies (xeroderma pigmentosum)
BER chez les eucaryotes
Les enzymes du système BER :
Différentes glycosylases pour différents types de dommages:
8 glycosylases chez les eucaryotes:
- 4 qui reconnaissent les uraciles dans l’ADN
- 3 qui reconnaissent les lésions de type oxydative
- 1 spécifique pour les purines alkalonisées
NER chez les eucaryotes