Quel(s) modèle(s) pour expliquer la chiralité de la topo 4?

Plusieurs modèles ont été proposés pour expliquer l’activité asymétrique de la topo 4.

3.1.3.1 Reconnaissance globale de la topologie

L’idée la plus simple consiste à penser que l’enzyme est capable de reconnaître la géométrie glo- bale de la molécule d’ADN. En d’autres termes, ceci revient à dire que l’enzyme serait capable de

"calculer l’intégrale de Calugareanu" sur un contour fermé, c’est-à-dire en parcourant la molécule, et en décidant ensuite d’effectuer un passage de brin ou non !

D’une manière générale, on imagine difficilement comment une topoisomérase, qui agit locale- ment (quelques nm), puisse "sentir" une propriété globale de son substrat (le contour du chromosome d’E coliest de environ 1 mm) . Tout modèle basé sur une reconnaissance globale n’est donc pas très réaliste.

3.1.3.2 Modèle de Klenin-Langowski-Vologodskii (KLV)

Plus raisonnablement, Kleninet al.[60] ont proposé que l’ADN, en s’enroulant autour de l’enzyme de manière chirale (sous la forme d’une hélice gauche, voir figure 3.2), favorise la juxtaposition du segment T avec le segment G dans le cas d’un supertour (+).

FIG. 3.2 – Enroulement de l’ADN autour de l’enzyme dans le modèle KLV. A gauche , le modèle d’enroulement hélicoidale gauche de l’ADN autour de l’enzyme. Au milieu et à droite, configuration typiques de plasmides super-enroulées respectivement positivement et négativement. La présence (en rouge) de la structure hélicoidale proche d’un segment T potentiel montre qu’il est plus facile de piéger un segment T dans le cas d’une supertour (+) que d’un supertour (-). Image tirée de [60].

En effet, les supertours (+) sont des structures hélicoidales enroulées à gauches alors que les su- pertours (-) sont des structures enroulées à droite. Ainsi, si l’enzyme impose une chiralité gauche (imposant ainsi une rotation locale d’angleαà l’ADN et un pas h ≡ 10nm) sur une longueur de 5 segments élémentaires (= 50nm), elle augmente la probabilité de contact entre deux brins pour un supertour (+) par rapport à un supertour (-) . En faisant des simulations Monte-Carlo sur des plas- mides super-enroulés (voir figure 3.2), Klenin et al. ont calculé le rapport de ces deux probabilités pour différentes valeurs deα.

Un angle deα= 240^◦entraîne une différence d’un facteur d’environ 1000 sur la juxtaposition des segments entre un plasmide super-enroulé positivement et un plasmide super-enroulé négativement.

En outre, ce modèle prédit une variation d’énergie libre lors de l’accrochage de l’enzyme d’environ

−2.6k_BT (pourα= 240^◦).

Il semble assez bien établi que l’enzyme impose à l’ADN une forte courbure à l’endroit où elle s’accroche[133] (voir en particulier la section 3.2), ce qui est un des fondements de ce modèle. Cepen- dant, compte tenu des données expérimentales concernant la taille d’ADN en contact avec l’enzyme (environ 30 bp[63, 125]), la taille du pas (h ' 10nm) et le rayon de la boucle (entre 12 et 16nm pour α= 240^◦etα= 180^◦respectivement) paraissent nettement sur-évalués, comme l’évoquent d’ailleurs les auteurs . Si l’empreinte ("footprinting") laissée par l’enzyme est réellement de 30 paires de bases, il est difficile d’imaginer que l’enzyme puisse imposer localement une arrangement hélicoïdal de l’ADN sur une distance de 50 nm.

Finalement, le reproche que l’on peut faire à ce modèle est du même ordre qu’au précédent : l’action très localisée de l’enzyme implique que le mécanisme de reconnaissance ne doit pas être lié à une propriété du substrat à moyenne (la dizaine de nanomètres) ou grande échelle.

3.1.3.3 Sensibilité au couple

Un autre modèle consiste à considérer que l’enzyme est sensible à la différence de torsade (et donc de couple) entre un supertour (+) et un supertour (-). Le super-enroulement (+) augmente la torsade

et empêche la séparation des brins de l’ADN, alors que le super-enroulement (-) favorise l’ouverture de la double-hélice et diminue la torsade.

Nous verrons, à la section 3.3, que ce modèle est invalidé par les expériences de décaténation sur molécule d’ADN nickées (pour lesquelles la torsade ne varie pas).

3.1.3.4 Reconnaissance d’un croisement d’ADN

Compte tenu du mécanisme d’action de l’enzyme (nécessité d’accrocher deux brins d’ADN pour effectuer le passage de brin), il a été suggéré que la reconnaissance du susbtrat ((+) ou (-)) se fasse sur la base de la géométrie locale du croisement d’ADN[24]. Comme le montre la figure 3.3, la structure de l’enzyme pourrait être telle que le segment T ait une orientation convenable dans le cas d’un supertour (+), et puisse être accrochée par la pince N-terminal de l’enzyme. A l’inverse, une mauvaise orientation, dans le cas d’un supertour (-), empêcherait l’accrochage du segment T et donc le passage de brin.

FIG. 3.3 –Modèle de reconaissance du croisement d’ADN. A gauche, le segment T a la bonne orienta- tion, ce qui permet à l’enzyme de l’attraper. A droite, le segment T est mal orienté, et le passage de brin n’est pas possible. Image tirée de [24].

En effet, un croisement d’ADN est un objet chiral si l’angle θ = 2α entre les croisements est différent de90^◦, comme le montre la figure 3.4.

croisement L croisement R

α α π/2−α

supertour (+) tresse L supertour (-) tresse R

(L) (R)

FIG. 3.4 –Définition des croisements d’ADN.A gauche : on peut définir deux objets chiraux, notés L et R, à partir d’un croisement (ou noeud) d’ADN en imposant un angleθ= 2αdifférent de90^◦. Remarquons, qu’un croisement R avec un angleπ/2−αa la même chiralité qu’un croisement L avec un angleα. C’est pourquoi un croisement pour lequelα = 45^◦ n’a pas de chiralité. A droite : un supertour (+) a des croisements L, alors qu’un supertour (-) a des croisements R. La même classification peut être appliquée aux tresses d’ADN.

Nous noterons (L) (left) et (R) (right) les deux énantiomères. remarquons cependant qu’un croi- sement (R) avec un demi-angle π/2 −α est entièrement superposable avec un croisement (L) de demi-angleα. Ainsi, dans le cas particulier oùα= 45^◦, un croisement n’a plus de chiralité.

Quel est le lien avec les structures plectonémiques ? Il a été montré expérimentalement[10] et numériquement[137] que l’angle moyen< θ >entre deux segments juxtaposés dans un plectonème vaut environ 60^◦, dès lors que σ < −0.03 . Ainsi, on peut distinguer nettement à partir de l’angle entre croisement un supertour (+) d’un supertour (-), mais également des tresses d’ADN dont le sens d’enroulement diffèrent (voir figure 3.4).

Ce modèle, convient particulièrement au mécanisme d’action de l’enzyme, qui est censé interagir très localement avec deux molécules d’ADN. Il suppose que l’enzyme ait une certaine affinité pour la géométrie des croisements de l’ ADN attendus dans un plectonème (+).