Coopération de deux chaînes peptidiques antiparallèles recouvrant le grand sillon de l'adn. Modèle moléculaire de la congruence poly-lysine/poly-at

J. Lejeune

LEJEUNE J. - Coopération de deux chaînes antipeptidiques an-tiparallèles recouvrant le grand sillon de l'ADN. Modèle molécu-laire de la congruence polv-Iysine/poly-AT. Ann Génét, 1986, 29, n° 4, 229-231.


Résumé :

RESUME : Deux chaînes peptidiques, antiparallèles, orientées de 5' en 3' peuvent s'adapter sur le pi-lier central du grand sillon d'un ADN poly-A/poly-T. Des résidus lysines dont le e-NH2 se fixe sur le phosphate, recouvrent alors entièrement le grand sillon. Ce modèle répond à toutes les propriétés connues du complexe poly-lysine/poly-AT. Une généralisation de cette disposition antiparallèle serait le repliement en épingle à cheveux d'une chaîne peptidique, réalisant un véritable " doigt " capable de reconnaître la séquence des bases du grand sillon.

Sommaire

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Analyse d'un modèle poly-A/poly-T

La conformation en double hélice d'un ADN poly-A/poly-T présente deux brins antiparallèles reliés par des ponts hydrogènes entre adénine et thymine.

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Brin poly-A

Vu par le grand sillon et lu de 5' en 3', le brin poly-A est comparable à la volée montante d'un es-calier en spirale dextrogyre dont les marches se-raient constituées par la partie exposée de l'adénine. La rembarde serait représentée par l'enchaînement désoxyribose-phosphate et le pilier central serait réalisé par l'empilement des azotes amino-6 de l'adénine (liés aux oxygènes oxy-4 de la thymine de la volée descendante, antiparallèle).

Conformément à une remarque déjà ancienne (Lejeune, 1977), il est possible de réaliser des ponts hydrogènes entre les azotes amino-6 de l'adénine et les oxygènes des carbonyles d'une chaîne polypeptidique. Si une chaîne L est orientée de 5' en 3' (l'NH2 terminal étant en 5') chaque résidu d'acide aminé se projette vers l'adénine, alors que les azotes peptidiques se projettent vers l'autre volée.

L'essai systématique des 20 acides aminés possi-bles révèle que la lysine, indéfiniment répétée, per-met de couvrir exactement la volée adénine, chaque e-NH2 entrant en liaison avec un phosphate de la rambarde.

L'arginine pourrait elle aussi prendre la même configuration, alors qu'aucun autre acide aminé ne permet une adaptation satisfaisante.

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Brin poly-T

De la même façon, une chaîne peptidique, orientée de 5' en 3', peut fixer ses azotes peptidiques sur l'oxygène oxy-4 de fia thymine. Le méthyle-5 de la thymine, qui fait saillie dans le grand sillon, permet bien l'adaptation de la lysine mais pas celle de l'arginine. L'azote guanidique de cet acide aminé viendrait en effet au contact du méthyle, ce qui serait très défavorable.

Lorsque les deux poly-lysines ont ainsi couvert les deux volées antiparallèles, les azotes peptidiques de la chaîne fixée sur la volée adénine et les oxygènes carbonyliques de la chaîne fixée sur la volée thymine sont en regard les uns des autres. Un pontage des deux chaises peptidiques antiparallèles est alors possible ; à la manière d'une fermeture éclair maintenant les deux moitiés d'une draperie recouvrant entièrement le grand sillon.

Cette analyse sur modèle permet de penser que la poly-lysine possède une " congruence " extrêmement élevée pour une séquence poly-A/polly...

Alors que le seul polymère voisin, la poly-argi...

est nettement moins bien adaptée.

Il reste que le pontage des deux chaînes pep...

ques entre elles rompt la planéité des liaisons ca...

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ADN poly-AT

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La congruence de la poly-lysine et de l'ADN dépend donc seulement de la richesse en AT et de la longueur du segment ne possédant que des bases AT, quelle que soit leur séquence. Toutefois l'adaptation est d'autant plus aisée que les séquences monotones sont plus longues.

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Adaptation de la poly-d-lysine

Les précédente montages ne portaient que sur des polypeptides de la série L des acides aminés naturels. Un polypeptide de la série D ne peut être adapté sur le pilier central en respectant l'orientation 5'-3' car les résidus d'acides aminés se projetteraient alors sur l'autre volée, ce qui excluerait toute possibilité de coopération.

En revanche, l'orientation de 3' en 5' (NH2 peptidique terminal en 3') rétablit une topologie comparable à celle d'une chaîne L orientée de 5' en 3'. Dès lors, la coopération entre les deux chaînes est possible et le recouvrement du grand sillon par les résidus lysine est aussi exact qu'avec des L--polypeptides.

De la même façon, la coopération entre deux chaînes poly-D-lysine reste possible sur un ADN poly--AT.

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Comparaison du modèle avec les données expérimentales

En résumant les travaux de Leng et Felsenfeld (1966) et de Shapiro et roll. (1969) revus et discutés par Von Hippel et McGee (1972), il est possible de comparer les propriétés expérimentales du complexe ADN riche en AT/poly-L-lysine avec les particularités du montage proposé.

1) Le complexe poly-L-lysine/ADN révèle une relation stoïchiométrique 1;1 entre le nombre de résidus lysine et le nombre de phosphates. Cette relation est respectée dans le modèle décrit, elle est même la seule possible.

2) Le complexe stoïchiométrique précipite, cela correspondrait au fait que toutes les liaisons ioniques disponibles de la protéine, d'une part, et du grand sillon, de l'autre, sont engagées dans des ponts hydrogènes, diminuant d'autant la solubilité.

3) La formation du complexe révèle une coopération entre molécules de poly-lysine ; en cas d'excès d'ADN, les polypeptides se fixent en recouvrant complètement certaines molécules d'ADN et en laissant nues celles qui sont en trop. Cette coopération est la particularité du modèle : pontage entre les chaînes antiparallèles.

4) Dans le complexe, le quart des hydrogènes de l'ADN engagés dans les liaisons interbases passent crus une classe d'échanges rapides. Cette particularité correspondrait â la fixation des carbonyles sur les azotes 6-amino de l'adénine. D'ailleurs Von Hippel et McGee (1972) tiraient argument de ce fait pour proposer un étalement de la poly-lysine en feuillet ß sur le grand sillon ; toutefois, cette disposition ne permet pas un remplissage congruent, alors que deux chaînes antiparallèles le réalisent exactement.

5) Ces dispositions entraîneraient une inclinaison des bases par rapport à l'axe de la spirale (forme A) ; c'est ce que l'on observe sur le modèle.

6) La poly-D-lysine donne avec le poly-AT des complexes en tous points identiques à ceux produits par la poly-L-tysine. Cette efficacité de l'isomère D s'explique par le fait que deux chaînes D antiparallèles, orientées de 3' en 5', fournissent une conformation topologiquement identique à celle des deux chaînes L orientées de 5' en 3'.

En revanche un copolymère mixte, DL, ne forme pas de complexe. Un tel polymère D-L ne peut pas prendre la configuration voulue.

7) Le complexe forme une phase séparée réalisant de véritables micelles. Les deux chaînes antiparallèles de poly-lysine recouvrent toute la surface du grand sillon comme une draperie unique, fixée de chaque côté aux rambardes de phosphate. De telles surfaces fournissent des possibilités d'interactions hydrophobes capables de produire une sorte de séparation de phase.

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Conclusion

L'adéquation stérique et ionique d'un modèle et la non-contradiction avec les données expérimentales ne peuvent être tenues pour des preuves. Il semble cependant que l'hypothèse de deux chaînes peptidiques antiparallèles, unies entre elles par des ponts hydrogènes et fixées sur le pilier central du grand sillon, soit applicable à de nombreux types d'interaction spécifique ADN/protéines.

Une généralisation du modèle serait de considérer que les deux chaînes antiparallèles appartiennent en fait à la même chaîne polypeptidique, repliée sur elle-même en épingle à cheveux. Cette conformation constituerait une sorte de " doigt " capable de " palper " le grand sillon de l'ADN et de reconnaître ainsi une certaine séquence de base. Un tel modèle n'est pas en désaccord avec de récentes observations expérimentales (Harrison, 1986).


Fig. 1. - ADN poly-A/poly-T vu par le grand sillon. Fig, 1. - ADN poly-A/poly-T, seen by the major groove


Fig. 2. - Coopération entre deux chaînes de poly-L-lysine antiparallèles, couvrant tout le grand sillon. Fig. 2. - Cooperation between two antiparallel chains of L-lysine, covering entirely the major groove.


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Références

1. HARRISON S. C. - Fingers and DNA half-turns. Nature, 1986, 322, 597-598.

2. LEJEUNE J. - Congruence de polymères monotones ADN/protéine. CR A rad Sci Paris, 1977, 285, série D, 249-252.

3. LENG M., FELSENFELD G. - The preferential interactions of poly-lysine and poly-arginine with specific base sequences in DNA. Proc NAS, 1966, 56,1327-1332.

4. SHAPIRO J.T., LENG M., FELSENFELD G. - Desoxyribonucleic acid poly-lysine complexes. Structure and Nucteotide Specificity Bioche-mistry, 1969, 8, 3219-3232.

5. VON HIPPEL P. H., McGEE J.D. - DNA-protein interaction. Ann Rev Biochem, 1972, 41, 231-300.