des topoisomérases) atteint une valeur de 5 à 90 pour les noeuds, de 3 à 10 pour les caténanes, et de 1.4 à 1.8 pour le super-enroulement. Ainsi, de manière surprenante, il existe des différences impor- tantes (mais corrélées entre les différentes expériences) suivant les topoisomérases de type II utilisées.
La topo 4 d’E. coliprésente la meilleur capacité à dénouer (R= 90) et à décaténer (R= 10.5). La topo 2 de drosophile se situe de manière intermédiaire (R = 20pour le dénouage etR = 10pour la dé- caténation) entre la topo 4 et la topo 2 deS. cerevisiae(R = 5 pour le dénouage et R = 3 pour la décaténation). Les expériences concernant la relaxation du super-enroulement ont été confirmées par d’autres études[126].
Bien que les topoisomérases de type II simplifie la topologie au dessous de l’équilibre , cette propriété ne viole pas la thermodynamique car ces enzymes consomment de l’énergie (hydrolyse de l’ATP) pour effectuer leur isomérisation, contrairement aux topoisomérases de type I. La topo 3, topoisomérase de type I, est d’ailleurs incapable de maintenir une population de plasmide dans un état dénoué inférieur au niveau de l’équilibre thermodynamique[102]. Cependant, le mécanisme qui couple cette propriété de reconnaissance active des topoisomérases de type II à l’utilisation d’ATP reste incertain. Dans la section suivante, nous décrivons trois modèles proposés.
à cheveu (voir figure4.2, et assure un passage unidirectionnel d’un segment T piégé à l’intérieur de l’épingle à cheveu vers l’extérieur.
FIG. 4.2 –Modèle de Vologodskii. En courbant l’ADN, l’enzyme créé localement une structure qui permet le dénouement mais défavorise la réaction inverse. Image tirée de [133].
Des simulations Monte-Carlo de molécules circulaires montrent que, dans ces conditions, la pro- babilité qu’une molécule soit nouée diminue d’un facteur 14. L’épingle à cheveu à tendance à défa- voriser la réaction qui conduit à la formation d’un noeud. Les simulations montrent, en particulier , que la juxtaposition de segments G et T est réduite par la présence d’une épingle à cheveu dans le cas d’une molécule dénouée. De plus, la probabilité qu’un passage de brin change la topologie est également affecté pour des molécules dénouées présentant une épingle à cheveu[133].
Ce modèle repose sur le fait que le passage de brin se fasse toujours de l’intérieur vers l’extérieur de l’épingle à cheveu. Ce hypothèse est motivée par l’observation que l’enzyme transporte toujours le segment T de son extrémité N-terminal vers son extrémité C-terminal[96, 97]. Selon les auteurs, l’ATP, dont l’hydrolyse sert à garantir l’unidirectionalité, permet ainsi de simplifier la topologie en dessous de l’équilibre.
4.2.3 Modèle d’amplification cinétique
Yanet al.[147, 146] ont proposé un modèle basé sur le principe de l’amplification cinétique[53, 85], originellement utilisé pour expliquer le faible taux d’erreur dans certains processus enzymatiques, comme par exemple la réplication de l’ADN.
Les enzymes catalysent des réactions chimiques plus ou moins complexes, dont le produit a une énergie libre plus basse que le réactif. La proportion de produits et de réactifs est liée, à l’équi- libre thermodynamique, à la différence d’énergie libre entre les deux constituants. Si cette différence d’énergie libre est petite ( ou s’il existe une réaction concurrente menant à un autre produit), l’effica- cité de la réaction enzymatique (en admettant que la fonction de l’enzyme soit de transformer tous les réactifs en produits) est faible. Cependant, si l’enzyme consomme elle-même de l’énergie, elle peut utiliser cette énergie pour modifier la répartition des réactifs et des produits à l’équilibre.
Pour une topoisomérase qui ne consomme pas d’ATP (comme la topo 3) le rapport de la probabi- lité à l’équilibre d’obtenir une molécule d’ADN nouéePneqet de la probabilité d’obtenir une molécule dénouéePdeq varie comme le rapport des fréquences de collisionκnet κd(ou de juxtaposition) des brins d’ADN :
Pneq
Pdeq = κd
κn
(4.1) Ceci illustre le cas d’une réaction dans laquelle l’enzyme fasse passer un segment à travers l’autre pourvu qu’il y ait juxtaposition entre deux croisements d’ADN.
Les auteurs suggèrent un mécanisme plus complexe de dénouement par les topoisomérases de type II, basée sur le schéma de la figure 4.3. Suivant ce modèle, la réaction s’effectue de la manière
suivante : l’enzyme, une fois accrochée sur un segment d’ADN, attend la juxtaposition du segment T.
Une fois cette condition réalisée (état (2)), il n’y pas passage de brin, mais l’enzyme passe dans un état activé (état (1*). En cas de nouvelle juxtaposition (état (2*)), cette fois, le passage de brin est possible et permet le dénouement de la molécule d’ADN. Le même schéma s’applique pour la réaction inverse.
FIG. 4.3 –Modèle de cycle enzymatique avec amplification cinétique proposé Yanet al.. Image tirée de [147]
Ce modèle est donc fondé sur le fait que deux juxtapositions successives soient nécessaires pour que la réaction soit effective. Dans le cas où les réactions 2 -> 1* (activation) et 1* -> 1 (désactivation) sont irréversibles, et à condition que l’étape de passage de brin soit lente, la fraction de molécules nouées à l’équilibre varie désormais comme le carré des rapports des fréquences de juxtaposition (en supposant que 1->2 et 1*->2* aient les mêmes constantes cinétiques) et donc comme le carré de la probabilité d’obtenir un noeud:
Pn Pd
=
²κd κn
³2
=
²Pneq
Pdeq
³
(4.2)
ce qui permet de réduire considérablement la proportion des noeuds[147].
Pour concilier ce modèle avec les observations concernant le rôle de l’ATP dans le cycle enzyma- tique (voir le chapitre 2 de la partie III), les auteurs suggèrent que l’étape 2->1* soit rendue irréversible par l’accrochage d’une molécule d’ATP suite à la juxtaposition des segments G et T. L’étape 1*->1 de désactivation correspondrait à la fermeture de la pince N-terminal de l’enzyme. L’hydrolyse de l’ATP n’interviendrait que dans l’étape de passage de brin.
Plus récemment, Yanet al.ont affiné leur modèle pour rendre compte quantitativement des dif- férences entre les capacités des topoisomérases de type II à décaténer , dénouer et relaxer le super- enroulement de l’ADN[146].