Acides nucléiques
ADN : réparation
Vue d’ensemble et enzymes de réparation

L’ADN, support chimique de l’information génétique, est une macromolécule relativement stable, mais soumise en permanence à des altérations chimiques et structurales.

Dans chaque cellule, plusieurs milliers de lésions apparaissent quotidiennement sous l’effet de processus endogènes ou d’agents environnementaux, ce qui impose l’existence de systèmes enzymatiques spécialisés capables de détecter, corriger ou contourner ces altérations afin de préserver l’intégrité du génome.

Dommages de l'ADN et réponse aux dommages (DDR)

Les dommages de l'ADN affectent soit l’intégrité chimique des bases, soit la structure de la double hélice, soit la continuité du squelette phosphodiester.

Dommages à l’ADN et systèmes de surveillance du génome

1. Les dommages de l’ADN peuvent être classés selon la nature de la modification affectant la molécule.

a. Une partie importante des dommages résulte de l’instabilité chimique intrinsèque des bases azotées et des nucléotides et apparaît spontanément dans les cellules en raison de l’environnement métabolique ( propriétés et agencement des bases).

• La désamination spontanée transforme par exemple la cytosine en uracile, ce qui introduit un mésappariement potentiel.
• La perte hydrolytique d’une base purique entraîne la formation d’un site abasique.
• L’oxydation des bases par les espèces réactives de l’oxygène (ROS) peut générer des dérivés tels que la 8-oxoguanine, capables de provoquer des erreurs d’appariement.
• La méthylation spontanée ou induite par des agents alkylants peut également modifier certaines bases, par exemple la formation de O⁶-méthylguanine, méthylation de la guanine sur l’atome d’oxygène en position 6, qui s’apparie préférentiellement avec la thymine et induit des transitions G-C → A-T.

b. D’autres lésions proviennent d’agents exogènes capables d’altérer directement l’ADN.

• Les rayonnements ultraviolets induisent la formation de dimères de pyrimidines et de photoproduits 6-4 qui perturbent la géométrie de la double hélice (réparation par excision de nucléotides ou NER),
• Les rayonnements ionisants provoquent des cassures du squelette phosphodiester et peuvent générer des cassures simple brin ou double brin par production de radicaux libres.
• De nombreuses molécules chimiques mutagènes peuvent former des adduits covalents avec les bases de l’ADN ou modifier leur structure (réparation par excision de nucléotides ou NER).

c. Ces altérations peuvent bloquer la réplication ou la transcription et, en l’absence de correction, conduire à des mutations permanentes ou à des réarrangements chromosomiques lorsque les cassures double brin sont réparées de manière incorrecte.

2. Pour faire face à ces dommages, les cellules possèdent un ensemble coordonné de mécanismes de surveillance et de réparation regroupés sous le terme de réponse aux dommages de l’ADN (DNA Damage Response, DDR), qui comprennent plusieurs niveaux d’intervention (Structural basis of homologous recombination 2019) :

• détection des lésions et activation de cascades de signalisation impliquant notamment ATM, ATR et leurs kinases effectrices Chk1 et Chk2,
• des capteurs précoces de cassures comme PARP1 (Poly(ADP-ribose) polymerase 1), qui se fixe sur l’ADN endommagé et catalyse la synthèse de poly(ADP-ribose) à partir de NAD⁺, modification qui favorise le recrutement de protéines de réparation et la réorganisation locale de la chromatine ( code des histones),
• activation de systèmes enzymatiques de réparation spécialisés,
• arrêt transitoire du cycle cellulaire afin de permettre la correction des dommages ( points de contrôle ou checkpoints).
• déclenchement de la mort cellulaire programmée (apoptose) lorsque les altérations sont irréparables.

Mécanismes de réparation de l'ADN

La réparation de l’ADN correspond spécifiquement à la correction enzymatique des lésions affectant la molécule d’ADN et repose sur plusieurs systèmes spécialisés qui se distinguent selon la nature du dommage.

1. La réparation des lésions n’impliquant pas de cassure double brin repose sur les mécanismes suivants :

• BER (Base Excision Repair), qui corrige les altérations chimiques affectant une base individuelle de l’ADN
• NER (Nucleotide Excision Repair), qui élimine des segments d’ADN contenant des lésions volumineuses qui déforment la double hélice,
• MMR (Mismatch Repair), qui corrige les mésappariements de bases et les petites insertions ou délétions générés principalement lors de la réplication.

2. La réparation des cassures double brin (DSBR ou Double-Strand Break Repair) comprend :

• HR (recombinaison homologue), qui répare la cassure en copiant l’information génétique à partir d’une séquence d’ADN homologue intacte, généralement la chromatide sœur, ce qui permet une restauration fidèle de la séquence initiale,
• la réparation par jonction des extrémités d’ADN (NHEJ, SSA, MMEJ/TMEJ), dans laquelle les extrémités rompues sont réalignées puis religuées, parfois avec perte de séquence.

Enzymes impliquées dans la réparation de l’ADN

Les mécanismes de réparation de l’ADN reposent sur l’action coordonnée de plusieurs grandes familles d’enzymes spécialisées :

• les nucléases, qui clivent les brins d’ADN afin d’éliminer les régions endommagées ou de générer des intermédiaires de réparation,
• les ADN polymérases, qui synthétisent l’ADN nécessaire au remplacement des séquences excisées ou à la réparation des cassures,
• les ADN ligases, qui rétablissent la continuité du squelette phosphodiester en reliant les extrémités d’ADN réparées.

L’accès à l’ADN endommagé nécessite également l’intervention d’hélicases capables d’ouvrir localement la double hélice et de remodeler certaines structures nucléiques au cours de la réplication, de la recombinaison et de la réparation.

Nucléases impliquées dans la réparation de l’ADN

Les systèmes de réparation de l’ADN reposent sur l’action d’enzymes capables de cliver les liaisons phosphodiester du squelette nucléotidique.

1. Ces enzymes, appelées nucléases, constituent un élément central de nombreux mécanismes de maintenance du génome en permettant :

• d’inciser l’ADN au voisinage d’une lésion,
• d’éliminer un fragment endommagé,
• de remodeler les extrémités d’une molécule d’ADN avant sa resynthèse.

Remarque : les fragments nucléotidiques libérés lors des processus de réparation sont ensuite hydrolysés et recyclés par les enzymes du métabolisme des nucléotides ( catabolisme des nucléitides).

2. Les nucléases intervenant dans la réparation de l’ADN peuvent être classées selon la position de leur activité de clivage sur la molécule d’ADN.

Endonucléases

Les endonucléases clivent une liaison phosphodiester à l’intérieur d’un brin d’ADN, produisant une coupure interne dans la molécule.

1. Dans les mécanismes de réparation, cette activité permet généralement d’inciser l’ADN à proximité immédiate d’une lésion afin d’initier l’excision du segment endommagé.

a. Selon l’enzyme et le mécanisme de réparation, l’incision peut se produire du côté 5' ou du côté 3' de la lésion, voire de part et d’autre de celle-ci.

• APE1 incise l’ADN du côté 5′ au niveau des sites abasiques générés lors de la éparation par excision de base (BER).
• XPF-ERCC1 et XPG réalisent une double incision encadrant le fragment d’ADN endommagé, respectivement du côté 5′ et du côté 3′ de la lésion dans la réparation par excision de nucléotides (NER).
• Artemis, activée par le complexe DNA-PK, clive les extrémités d’ADN incompatibles ou les structures en épingle à cheveux lors de la jonction des extrémités non homologues (NHEJ), facilitant leur préparation avant la ligation.

b. MRE11, composant du complexe MRN (MRE11-RAD50-NBS1), possède une activité endonucléase essentielle à l’initiation de la résection des extrémités lors des cassures double brin, bien qu’il possède également une activité exonucléase 3′ ➞ 5′.

c. Ces coupures internes constituent souvent la première étape permettant l’élimination d’une portion d’ADN contenant une lésion.

3. Les résolvases constituent un sous-groupe d’endonucléases spécialisées qui interviennent dans la résolution des intermédiaires de recombinaison formés lors de la réparation des cassures double brin.

• Elles clivent les jonctions de Holliday en coupant deux brins opposés de la structure d’ADN ramifiée, permettant la séparation des molécules recombinées (dissolution nucléolytique ou dHJ résolution)
• Chez les eucaryotes, cette fonction est assurée notamment par GEN1 ou par des complexes nucléasiques comme MUS81-EME1 et SLX1-SLX4.

4. Certaines endonucléases se distinguent par la diversité de leurs substrats et de leurs modes de reconnaissance, pouvant agir sur l’ADN ou l’ARN et, dans certains cas, utiliser un ARN guide pour cibler leur substrat.

a. Les protéines Argonaute possédant une activité dite " slicer ", réalisent un clivage dirigé par un ARN guide (miRNA/siRNA), reconnaissant leur substrat par appariement et clivant l’ARN cible en un site défini (en face des nucléotides 10-11), contrairement aux endonucléases canoniques qui reconnaissent directement des séquences ou des structures.

b. D’autres endonucléases illustrent cette diversité de substrats.

• Certaines, comme les RNase H, clivent spécifiquement l’ARN au sein d’hybrides ARN/ADN (par exemple lors de l’élimination des amorces d’ARN des fragments d’Okazaki).
• D’autres, comme Dicer (RNase III), clivent des ARN double brin pour générer des petits ARN fonctionnels (miRNA/siRNA)

Exonucléases

Les exonucléases catalysent l’hydrolyse progressive des liaisons phosphodiester à partir d’une extrémité libre d’un brin d’ADN.

1. Les exonucléases retirent ainsi successivement des nucléotides à partir d’une extrémité 5’ ou 3’, ce qui permet d’éliminer un segment d’ADN endommagé après une incision initiale.

• L’exonucléase EXO1 intervient dans la réparation des mésappariements (MMR) en éliminant une portion du brin néosynthétisé contenant l’erreur.
• L’activité nucléase de MRE11 du complexe MRN (MRE11-RAD50-NBS1) participe à la résection des extrémités lors de la réparation des cassures double brin par recombinaison homologue (HR).

2. Cette dégradation contrôlée de l’ADN est essentielle pour permettre la resynthèse correcte du segment éliminé.

Remarque : les ADN polymérases réplicatives ε et δ possèdent une activité exonucléase 3' → 5' associée qui assure une correction d’épreuve (proofreading) permettant d’éliminer les nucléotides mal appariés immédiatement après leur incorporation et d’augmenter ainsi la fidélité de la synthèse de l’ADN.

Aparté sur les nucléases impliquées dans la réplication de l’ADN

Les nucléases FEN1, EXO1 et DNA2 participent au traitement des structures d’ADN transitoires générées lors de la réplication, en particulier lors de la maturation des fragments d’Okazaki où elles interviennent dans le clivage ou le remodelage des structures en flap ( formation du flap 5' et élimination de l'amorce lors de la réplication).

Remarque : certaines de ces nucléases interviennent également dans des mécanismes de réparation de l’ADN.

• FEN1 participe notamment à certaines étapes de la réparation par excision de base (BER) dans la voie réparation longue (long-patch BER).
• EXO1 et DNA2 contribuent à la résection 5' des extrémités d’ADN lors de la réparation des cassures double brin par recombinaison homologue (HR).

ADN polymérases impliquées dans la réparation de l’ADN

Après l’excision d’un segment d’ADN endommagé, la réparation nécessite la synthèse d’un nouveau fragment d’ADN utilisant le brin intact comme matrice.

La synthèse des nouveaux brins d’ADN est catalysée par des ADN polymérases, enzymes capables d’ajouter des désoxyribonucléotides à l’extrémité 3'-OH d’un brin d’ADN en croissance en utilisant un brin matrice complémentaire ( synthèse de l'ADN).

1. Cette étape est assurée par plusieurs ADN polymérases spécialisées qui se distinguent des polymérases réplicatives qui appartiennent à la famille B, impliquées dans la duplication du génome, i.e. α, ε et δ ( ADN polymérases réplicatives).

a. Ces enzymes possèdent néanmoins la même architecture tridimensionnelle typique en " main droite ", composée de trois domaines principaux (paume, doigts et pouce) qui entourent l’ADN et forment une gorge catalytique dans laquelle s’insèrent l’ADN matrice et le brin néosynthétisé.

b. Ces polymérases impliquées dans la réparation se distinguent cependant des polymérases réplicatives par plusieurs caractéristiques structurales et fonctionnelles :

• taille et organisation des domaines accessoires,
• ouverture du site actif, permettant l’incorporation de nucléotides en face de bases altérées, ce qui permet à la réplication ou à la réparation de se poursuivre malgré la présence de lésions,
• présence ou absence d’une activité de relecture exonucléase 3' → 5' (correction d’épreuve ou proofreading),
• faible degré de processivité, caractéristique des polymérases de réparation qui synthétisent généralement de courts segments d’ADN plutôt que de longues régions continues.

2. D'autres familles d’ADN polymérases regroupent plusieurs enzymes impliquées dans la réparation de l’ADN ou la synthèse translésionnelle (Quaternary structural diversity in eukaryotic DNA polymerases: monomeric to multimeric form 2020).

a. La famille X regroupe des polymérases spécialisées dans la réparation de l’ADN.

• La polymérase β intervient dans la réparation par excision de base (BER) et assure la resynthèse fidèle du segment excisé,
• Les polymérases λ et μ participent à la réparation des cassures double brin par jonction d’extrémités (NHEJ).
• La polymérase θ (Pol θ) joue un rôle central dans la voie de jonction dépendante de microhomologies MMEJ/TMEJ.

b. La famille Y correspond à des polymérases de synthèse translésionnelle capables de synthétiser l’ADN à travers certaines lésions qui bloquent les polymérases réplicatives, au prix d’une fidélité réduite, comme les polymérases η, ι, κ et Rev1 dont la fonction principale est de servir de plateforme de recrutement pour les polymérases de synthèse translésionnelle.

Remarque : Pol ζ (REV3L) intervient aussi dans la translésion mais appartient structurellement à la famille B, pas à la famille Y.

3. Des familles d’ADN polymérases interviennent principalement dans la réplication ou la maintenance d’ADN spécifiques et ne participent pas directement aux mécanismes classiques de réparation de l’ADN nucléaire.

• La famille A comprend notamment des polymérases impliquées dans la réplication et la réparation de l’ADN mitochondrial, comme la polymérase γ.
• La famille RT regroupe les polymérases possédant une activité de transcriptase inverse, comme la télomérase, enzyme spécialisée dans l’allongement des télomères.
• La primase-polymérase PrimPol appartient à une famille distincte (PrimPol/PriS-Like) et intervient dans la reprise de la réplication après un blocage de la fourche réplicative, ainsi que dans certaines voies de tolérance aux lésions de l'ADN.

ADN ligases

L’action de ces polymérases est généralement suivie de la ligation du brin réparé, assurée par des ADN ligases.

Les ADN ligases catalysent la formation de la liaison phosphodiester entre une extrémité 3'-OH et une extrémité 5'-phosphate, rétablissant ainsi la continuité du squelette phosphodiester après la synthèse d’un segment d’ADN.

1. Chez les eucaryotes, plusieurs ADN ligases nucléaires assurent cette fonction dans des contextes différents.

a. L'ADN ligase I (LIG1), recrutée principalement par le clamp de réplication PCNA, intervient principalement :

• dans la réplication de l’ADN, notamment lors de la maturation des fragments d’Okazaki.
• dans certaines réparations, NER et la voie BER (long-patch BER), impliquant la resynthèse de fragments relativement longs.

b. ADN ligase III (LIG3) possède un domaine BRCT (BRCA1 C-Terminal) lui permettant de s’associer à la protéine XRCC1 (X-ray repair cross-complementing protein 1) et intervient principalement dans la voie BER (short-patch BER), où elle assure la ligation de courts segments d’ADN remplacés, mais elle peut également participer à certaines formes de jonction d’extrémités alternatives, notamment dans la voie MMEJ.

Chez les mammifères, l’ADN ligase III possède également une isoforme mitochondriale qui assure la ligation lors de la réplication et de la réparation de l’ADN mitochondrial.

c. ADN ligase IV (LIG4) possède également un domaine BRCT qui lui permet d’interagir avec XRCC4 et de former avec XRCC4 et XLF le complexe ligase responsable de la réparation des cassures double brin par jonction non homologue des extrémités (NHEJ).

Remarque : aucune ADN ligase n’est désignée sous le nom de LIG2.

2. Ces différentes ligases possèdent une activité catalytique similaire mais se distinguent par leurs domaines d’interaction protéique, qui déterminent leur recrutement dans des voies spécifiques de réplication ou de réparation de l’ADN.

Principaux mécanismes de réparation de l’ADN