Les instructions de la vie sont écrites dans l’ADN, mais c’est l’enzyme ARN polymérase II (Pol II) qui lit le script, transcrit l’ARN dans les cellules eucaryotes et donne finalement naissance aux protéines. Les scientifiques savent que Pol II doit progresser dans le gène en parfaite synchronisation avec d’autres processus biologiques ; des aberrations dans le mouvement de cette enzyme ont été liées au cancer et au vieillissement. Mais des obstacles techniques les ont empêchés de déterminer avec précision comment cette importante machine moléculaire se déplace le long de l’ADN et ce qui régit ses pauses et ses accélérations.

Une nouvelle étude comble bon nombre de ces lacunes dans les connaissances. Dans un article publié dans Nature Biologie structurale et moléculaireles chercheurs ont utilisé une plate-forme monomoléculaire pour observer les complexes de transcription individuels des mammifères en action. Le résultat est une vision claire de la façon dont ce moteur moléculaire accélère, fait des pauses et change de vitesse au fur et à mesure qu’il transcrit l’information génétique.

Ce qui est vraiment frappant, c’est la façon dont cette machine fonctionne presque comme une automobile finement réglée. Il a l’équivalent de plusieurs vitesses, ou modes de vitesse, chacun contrôlé par la liaison de différentes protéines régulatrices. Nous avons compris, pour la première fois, comment chaque vitesse est contrôlée. »

Shixin Liu, chef du Laboratoire de biophysique et biochimie à l’échelle nanométrique

« Nous voyons enfin où en est Pol II, à la fois dans le temps et dans l’espace, au cours du processus », ajoute Joel E. Cohen, responsable du Laboratoire des Populations. « Notre plateforme nous a permis d’évaluer objectivement quand cette machine change de vitesse et à quelle vitesse elle va. »

Un nouvel outil apporte de nouvelles réponses

Découvert pour la première fois il y a plus de cinquante ans par Robert Roeder de Rockefeller, Pol II se déplace étape par étape le long de la molécule d’ADN, construisant un brin d’ARN correspondant qui donnera finalement naissance à des protéines. Mais Pol II ne voyage pas le long de l’ADN à un rythme régulier, en particulier dans les organismes supérieurs comme les humains.

Après l’initiation, il ralentit et s’arrête souvent près du début d’un gène avant que des protéines régulatrices telles que P-TEFb et PAF1C ne le propulsent en mode de transcription rapide. À l’approche de la fin d’un gène, l’enzyme décélère à nouveau pour terminer proprement. Ce rythme est crucial : trop rapide ou trop lent, et les molécules d’ARN ne peuvent pas être correctement traitées ou coordonnées avec d’autres événements cellulaires vitaux. Les faux pas dans le contrôle de la vitesse de Pol II ont été associés au vieillissement et à une myriade de maladies, dont le cancer.

« Beaucoup de gens ne sont pas conscients de ces liens. En fait, on me demande souvent : tant qu’elle peut produire de l’ARN et que nous savons comment elle le fait, est-ce que nous nous soucions vraiment de la vitesse de la machine, ou si elle fait une pause ? » dit Liu. « Nous nous en soucions précisément parce que nous savons que la cinétique de transcription est importante pour l’expression correcte des gènes et est liée à diverses maladies. »

Les limitations techniques expliquent en grande partie pourquoi les études antérieures ont eu du mal à éclairer sans ambiguïté la manière dont Pol II régule son mouvement. Les techniques mesurant les moyennes de nombreuses molécules ont brouillé les contributions de protéines individuelles, tandis que les études de molécules uniques dans des organismes plus simples tels que la levure ne représentaient pas pleinement les mécanismes de régulation complexes des cellules de mammifères. Liu, un expert en méthodes à molécule unique, s’est rendu compte qu’il ne pouvait surmonter ces obstacles qu’en reconstruisant in vitro un système de transcription de mammifère, pièce par pièce à partir de protéines purifiées, et en l’associant à des techniques d’imagerie avancées et à des algorithmes informatiques.

L’idée a pris de l’ampleur grâce à une rencontre fortuite avec Cohen au Bass Dining Commons de Rockefeller. « Nous nous sommes assis ensemble et Joel m’a demandé si je travaillais sur quelque chose d’intéressant », se souvient Liu. « Je lui ai en quelque sorte présenté ce projet, nous avons commencé à y réfléchir ensemble et nous collaborons depuis. Je suis tellement contente que nous soyons assis à la même table ce jour-là. »

« Notre travail est collaboratif entre différentes disciplines, nos deux laboratoires, ainsi qu’au-delà des frontières nationales », ajoute Cohen, faisant référence aux coauteurs chinois du groupe de Yanhui Xu de l’Université de Fudan qui ont apporté des contributions essentielles à la recherche. « Si nous voulons que la science prospère, nous devons continuer à permettre une collaboration au-delà des frontières. »

Une boîte de vitesses moléculaire

En travaillant ensemble, les chercheurs ont développé une plateforme qui fusionne la biochimie, l’imagerie d’une seule molécule et le calcul pour révéler Pol II à l’œuvre avec des détails sans précédent.

En reconstruisant pièce par pièce la machinerie de transcription à partir de protéines de mammifères purifiées et en suivant son mouvement en temps réel – et en utilisant un cadre informatique et une modélisation structurelle pour identifier exactement le moment où l’enzyme change de vitesse – l’équipe a montré que plusieurs protéines régulatrices clés régissent la façon dont Pol II se déplace. Le P-TEFb, une sorte d’interrupteur principal, phosphoryle à la fois Pol II et un complexe protéique, DSIF, pour libérer sa pleine activité. (Le DSIF s’est avéré plus compliqué que prévu : selon son état, il pouvait soit faire avancer Pol II, soit le retenir.) Ensuite, la protéine PAF1C est apparue comme le principal accélérateur de Pol II, mettant en mouvement la transcription au moment où elle s’est liée à l’ADN. La protéine SPT6 a joué le rôle de stabilisant, garantissant que PAF1C reste solidement fixé afin que la machine puisse continuer à fonctionner sans problème.

Une fois le PAF1C en place, il a permis à un autre facteur, RTF1, de se lier. RTF1 a fourni une augmentation supplémentaire de la vitesse de transcription et a fait passer Pol II à la vitesse supérieure, une étape qui nécessitait strictement PAF1C mais pas DSIF. Cela suggère un lien fonctionnel entre PAF1C, RTF1 et DSIF dans les cellules de mammifères qui n’est pas encore observé chez la levure, soulignant la sophistication évolutive du système.

« C’est la première fois que nous pouvons observer Pol II chez les mammifères se déplacer à une vitesse physiologique en temps réel et, comme nous avons marqué les différents facteurs d’élongation, nous avons également pu mesurer leur cinétique de liaison lors de la transcription active », explique Yukun Wang, chercheur postdoctoral au laboratoire Liu. « Parfois, voir, c’est comprendre. Le pouvoir de la visualisation en temps réel réside dans le fait que vous pouvez vraiment voir la molécule, vous pouvez l’observer et apprendre. »

Les résultats mettent également en lumière la façon dont les perturbations de ce contrôle peuvent contribuer au cancer et au vieillissement en fournissant de nouvelles informations sur des facteurs tels que le P-TEFb, considéré comme une cible médicamenteuse prometteuse contre la leucémie et les tumeurs solides.

« Le P-TEFb s’est révélé notoirement difficile à inhiber sans effets secondaires toxiques », explique Liu. « Notre travail peut offrir des indices pour concevoir des traitements plus spécifiques. Dans le même temps, la compréhension de la manière dont Pol II est régulé à travers chacune des étapes dans les cellules saines devrait nous donner une compréhension encore plus large de ce qui pourrait mal se passer en cas de maladie. »

Toutefois, le plus grand impact de l’étude pourrait être la plateforme elle-même. En prouvant que la visualisation d’une seule molécule est possible dans un système mammifère entièrement reconstitué, les chercheurs ont créé un outil qui peut désormais être utilisé pour aborder des questions de longue date en biologie. Des travaux sont déjà en cours pour améliorer la plateforme en ajoutant des nucléosomes – les unités de base de l’emballage de l’ADN dans les chromosomes eucaryotes – afin de mieux comprendre comment Pol II se déplace à travers des modèles plus proches de son environnement naturel.

Et les applications potentielles de la composante informatique de la plateforme pourraient également être de grande envergure. « Tout ce qui implique la navigation dans l’espace et les changements de vitesse pourrait potentiellement utiliser ce logiciel. » dit Cohen.