Les protéines de liaison à l’ADN remplissent un rôle crucial dans la régulation de l’activité génique. Elles interagissent spécifiquement avec la molécule d’acide désoxyribonucléique, participant à divers processus biologiques tels que sa réplication, sa transcription et sa réparation. Les histones, les facteurs de transcription et les nucléases font partie de cette catégorie de molécule.

Description des protéines de liaison à l’ADN

Les protéines de liaison à l’ADN présentent un domaine unique capable de se fixer à l’ADN, qu’il soit simple brin (monocaténaire) ou double brin (bicaténaire). Elles sont généralement en interaction avec le grand sillon de la forme la plus courante de cette macromolécule (B), qui expose davantage les paires de bases, facilitant ainsi leur identification. Cependant, certaines molécules peuvent interagir avec le petit sillon. Tel est le cas de la distamycine, de la netropsine, de la pentamidine, du colorant Hoechst 33258, du 4′,6-diamidino-2-phenylindole et bien d’autres.

Les types de protéines de liaison à l’ADN

Les protéines de liaison à l’ADN sont nombreuses. Parmi elles figurent :

• les facteurs de transcription, qui ont pour rôle de moduler la transcription de l’ADN en ARN ;
• de nombreuses polymérases, qui participent à la synthèse de l’acide désoxyribonucléique ;
• des nucléases, qui interviennent dans la coupure de molécules du code génétique ;
• les histones, qui jouent un rôle crucial dans le conditionnement des chromosomes ainsi que dans la régulation de la transcription au sein du noyau cellulaire.

Ces protéines de liaison présentent souvent des motifs structuraux distincts, tels que le doigt de zinc, la glissière à leucine et l’hélice-coude-hélice, qui facilitent leur attachement aux molécules d’ADN et ARN. Par ailleurs, d’autres versions moins conventionnelles, à l’instar des effecteurs TAL (Transcription Activator-Like Effectors), existent aussi.

Le fonctionnement des protéines de liaison à l’ADN

Les protéines de liaison à l’ADN agissent par le biais de différents types de liaisons qui contribuent à la régulation génique et à d’autres processus biologiques.

Ces protéines interagissent avec l’acide désoxyribonucléique monocaténaire et bicaténaire. La différence entre ces deux macromolécules réside dans le nombre de brins : un brin pour le premier et deux brins complémentaires pour le deuxième. Cette distinction a des implications significatives sur la stabilité de la molécule ainsi que sur ses rôles fonctionnels dans divers contextes biologiques.

En outre, elles sont également en interaction avec des brins d’acide désoxyribonucléique non spécifiques.

Rôles

Le rôle prédominant des protéines de liaison à l’ADN simple brin se manifeste au cours de processus cruciaux où la double hélice du matériel génétique est temporairement séparée en deux brins.

Les protéines SSB sont également impliquées dans d’autres processus de maintenance de l’ADN, tels que la réparation par excision de nucléotides et la recombinaison. Dans ces mécanismes, une étape cruciale requiert la synthèse d’un brin de cet acide nucléique par une autre polymérase.

Mode d’action

La réplication nécessite temporairement la conversion de l’ADN en une forme monocaténaire pour permettre à la polymérase de synthétiser le brin complémentaire.

Pendant ce procédé, protéines de liaison à l’ADN simple brin sont souvent générées par une hélicase, une enzyme qui utilise de l’adénosine triphosphate comme source d’énergie nécessaire à l’ouverture du duplex de l’acide nucléique. Cette fixation permet d’éviter le rappariement immédiat du duplex, préservant ainsi l’énergie dépensée. En se liant à un brin d’acide désoxyribonucléique, les SSB l’empêchent ainsi de se reconnecter avec son brin complémentaire.

Protéines de liaison à l’ADN spécifiques d’une séquence nucléotidique

Quelques protéines de liaison à l’ADN ont évolué afin de se lier essentiellement à certaines séquences nucléotidiques. Parmi elles, les facteurs de transcription sont bien connus. Ces molécules régulent le processus de transcription, qui consiste à convertir l’information génétique de l’ADN en ARN. Chacune d’elles se rattache uniquement à une chaîne précise, activant ou inhibant ainsi la transcription des gènes qui la possèdent près de leur promoteur.

Spécificité

La spécificité de la liaison entre les facteurs de transcription et l’ADN s’explique par les nombreux contacts établis par ces protéines avec les côtés des bases nucléiques. Cette particularité leur permet de comprendre les séquences d’acide désoxyribonucléique. La majorité de ces interactions se produit dans le grand sillon de la macromolécule, là où les bases sont plus faciles à atteindre.

Les modèles mathématiques décrivant la liaison protéine-ADN prennent en compte cette spécificité, ainsi que la compétition et la coopération des différentes protéines, utilisant des modèles en réseau. Des méthodes de calcul ont été proposées en vue d’identifier la chaîne à laquelle une molécule protéinée se lie à l’acide désoxyribonucléique, en utilisant les nombreuses séquences génomiques disponibles.

Modes d’action

Les facteurs de transcription accomplissent leur rôle de deux façons différentes. D’un côté, ils ont la possibilité de se lier à l’ARN polymérase, soit directement, soit par le biais d’autres protéines médiatrices. De cette manière, la polymérase peut être placée sur le promoteur, déclenchant le processus de transcription. De l’autre, ces substances peuvent aussi agir avec des enzymes qui changent les histones près de la séquence promotrice. Ce procédé facilite l’accès des polymérases à l’ADN.

Les chaînes nucléotidiques ciblées par ces facteurs de transcription peuvent être dispersées dans tout le génome d’un organisme. Ainsi, des modifications dans l’activité d’un genre en particulier peuvent avoir un impact sur des milliers de gènes. Ces protéines sont souvent impliquées dans la différenciation cellulaire et la croissance des organismes. Elles sont également essentielles aux processus de signalisation qui contrôlent la réponse à des changements environnementaux.

Protéines de liaison non spécifiques

Parmi les protéines de liaison à l’ADN peuvent également être comptées les protéines dites « structurelles ». Leur interaction avec l’ADN au sein des chromosomes est un exemple de liaisons non spécifiques protéines-ADN.

Les histones subissent des changements chimiques, notamment sous forme de phosphorylations, de méthylations et d’acétylations. Ces modifications post-traductionnelles ne sont pas simplement des ajustements mineurs. Il s’agit en réalité de transformations significatives qui ont un impact crucial sur la dynamique des interactions entre le code génétique et les histones.

Rôle

Ces molécules ont pour fonction d’organiser l’acide nucléique, afin que ce dernier puisse se transformer en chromatine. Chez les procaryotes, divers types de protéines participent à ce processus. Chez d’autres organismes, dont les eucaryotes, cette organisation implique la liaison de la macromolécule avec les histones. Ces dernières sont des molécules basiques forment un nucléosome, un complexe à l’apparence de disque. Cet élément enveloppe deux tours complets de la chaîne nucléotidique double brin.

Mode d’action

Cette forme particulière d’interaction repose sur des liaisons ioniques spéciales entre deux éléments clés. D’un côté se trouvent les résidus d’acides aminés basiques, chargés positivement, présents sur les histones. De l’autre figure le squelette ose-phosphate acide de l’ADN, portant une charge négative. Cette caractéristique la rend indépendante vis-à-vis de la séquence spécifique des nucléotides du matériel génétique.

Autres types de protéines

Les protéines à grande mobilité constituent également des protéines de liaison à l’ADN. Ces  acteurs importants se distinguent au sein de la chromatine par leur capacité à se lier à l’ADN, même lorsqu’il est déformé ou présente des irrégularités. Ces molécules participent activement au processus d’organisation des nucléosomes.