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Une nouvelle technique d'imagerie nanotechnologique met en lumière la structure de l'ADN

Pour les biologistes du monde entier, le 25 avril est de bon augure. C'est la Journée de l'ADN et commémore la date en 1953 lorsque les scientifiques Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson et Maurice Wilkins ont publié des articles scientifiques de premier plan décrivant la structure hélicoïdale de la molécule d'ADN. En 2003, le 25 avril a été utilisé pour annoncer l'achèvement du projet du génome humain. Les festivités annuelles de ce jour célèbrent la molécule de la vie avec de nouvelles découvertes. Quel meilleur moment pour fournir une nouvelle image de l'ADN.

Je suis DNA DAVE (ou du moins ma plaque d'immatriculation depuis 1984 l'indique), et l'une des choses que mon laboratoire aime faire est de «voir» l'ADN. Nous prenons des images de l'ADN afin de pouvoir mesurer directement des éléments difficiles à quantifier à l'aide de méthodes indirectes consistant généralement à séquencer les quatre unités chimiques de l'ADN, appelées bases.

Image ADN La première image révélatrice d'ADN prise par diffraction des rayons X. (Raymond Gosling / King's College de Londres)

Par exemple, j'aimerais savoir où commence le processus de réplication de l'ADN sur chaque chromosome. La duplication de l'ADN sans erreur est essentielle à la production de cellules saines. Lorsque ce processus est incomplet ou perturbé, le résultat peut provoquer le cancer et d'autres maladies.

À notre image, cet escalier à double hélice bien connu n'est pas visible car cette perspective est agrandie - comme si vous regardiez la carte d'un pays par rapport à une ville. De plus, chacune de ces molécules équivaut à 50 000 tours de l'escalier hélicoïdal - un segment substantiel d'un chromosome humain.

Faire une carte de l'ADN

Méthode d'imagerie par nanotechnologie de l'ADN

Cette image, prise avec un appareil appelé imageur Bionano Genomics Saphyr, présente des molécules d'ADN individuelles - colorées en bleu, vert et rouge. Ces brins d’ADN ont été alignés en les enfilant dans des tubes étroits, appelés nanocanaux, qui ne contiennent qu’un seul morceau d’ADN. Lorsque l'ADN se glisse dans le tube, les brins se redressent.

Toute la molécule d'ADN est colorée en bleu et les graduations vertes sont des repères - ou des séquences spécifiques d'ADN se produisant en moyenne toutes les 4 500 paires de bases. Le motif des repères fournit une empreinte digitale unique qui nous indique où nous en sommes sur la longueur d'un chromosome. Les blips fluorescents rouges marquent les emplacements où l'ADN a commencé à se répliquer. Ces sites sont appelés «origines de la réplication» et sont le lieu où l'ADN se déroule pour que le processus de duplication puisse commencer.

Des chercheurs de Bionano Genomics, à San Diego, ont mis au point cette technologie de nanocanaux afin de cartographier des régions de chromosomes qui étaient autrement impossibles à cartographier, en raison de séquences génétiques complexes qui rendent difficile la détermination de l'ordre des quatre bases. Ce dispositif a résolu le problème en «regardant» la disposition des séquences sur une molécule à la fois et est capable de lire 30 milliards de paires de bases en une heure, soit l'équivalent de 10 génomes humains.

Mon équipe et celle de Nick Rhind de l’Université du Massachusetts ont reconnu que cette technologie de nanocanaux nous permettrait de réaliser une expérience jamais tentée auparavant: cartographier tous les emplacements où la réplication de l’ADN commence simultanément sur des millions de fibres d’ADN uniques.

Avant qu'une cellule puisse se diviser en deux cellules indépendantes, l'ADN doit se copier afin que chacune reçoive un jeu complet de chromosomes. Pour comprendre comment le matériel génétique est dupliqué, il est essentiel de savoir où commence le processus le long du chromosome. C’est le plus grand défi d’étudier comment se passe la réplication de nos propres chromosomes et par conséquent ce qui ne va pas dans tant de maladies, comme le cancer, dans lesquelles la réplication tourne mal.

Réplication de l'ADN et cancer

Diagramme de réplication de l'ADN Chaque fois qu'une cellule se divise, la double hélice de l'ADN doit se dupliquer pour fournir une copie des instructions génétiques aux deux cellules. (Soleil Nordic / Shutterstock.com)

Les origines de la réplication n'ont pas été élucidées, car elles se produisent sur de nombreux sites de molécules différentes. Il est donc nécessaire d'examiner plusieurs molécules d'ADN pour les détecter. Bien que les scientifiques aient été en mesure de voir des molécules d'ADN uniques depuis le début des années 1960, nous ne pouvions pas dire d'où venaient les molécules des chromosomes, nous ne pouvions donc pas cartographier quoi que ce soit.

Kyle Klein, un doctorat Un étudiant de mon laboratoire a étiqueté des cellules souches humaines vivantes avec des molécules fluorescentes rouges indiquant les emplacements de la réplication de l'ADN, cartographiés à l'aide du dispositif Bionano. Ces images ont ensuite été superposées aux cartes d’ADN bleue et verte des mêmes molécules d’ADN.

Nous espérons que cette méthode transformera complètement notre compréhension de la réplication des chromosomes humains. De plus, comme la plupart des médicaments de chimiothérapie pour le traitement du cancer et la plupart des agents cancérigènes - ou des produits chimiques cancérigènes - agissent dans notre environnement en attaquant l'ADN lorsqu'il se réplique, nous nous attendons à ce que cette méthode fournisse un test rapide et complet de la manière dont ces produits perturbent la réplication de l'ADN. Nous espérons également qu'il vous montrera comment nous pourrions atténuer ces conséquences négatives et mettre au point des traitements de chimiothérapie de meilleure qualité et moins toxiques.


Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation. La conversation

David M. Gilbert, professeur de biologie moléculaire, Florida State University

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