Jonction de Holliday
La jonction de Holliday est un intermédiaire clé dans la recombinaison homologue, un processus biologique qui augmente la diversité génétique en déplaçant des gènes entre deux chromosomes, ainsi que dans les événements de recombinaison site-spécifique impliquant des intégrases. Ils sont également impliqués dans la réparation des cassures double brin. En outre, des structures cruciformes impliquant des jonctions de Holliday peuvent apparaître pour soulager la tension hélicoïdale dans les séquences symétriques des super-bobines d’ADN. Bien que des jonctions à quatre bras apparaissent également dans des molécules d’ARN fonctionnelles, comme l’ARN spliceosomal U1 et le ribozyme en épingle à cheveux du virus de la tache annulaire du tabac, celles-ci contiennent généralement des nucléotides non appariés entre les domaines à double hélice appariés, et n’adoptent donc pas strictement la structure de Holliday.
Les jonctions de Holliday dans la recombinaison homologue se trouvent entre des séquences identiques ou presque identiques, ce qui conduit à un arrangement symétrique des séquences autour de la jonction centrale. Cela permet à un processus de migration de branche de se produire où les brins se déplacent à travers le point de jonction. Le clivage, ou résolution, de la jonction de Holliday peut se produire de deux façons. Le clivage de l’ensemble original de brins conduit à deux molécules qui peuvent présenter une conversion génétique mais pas de croisement chromosomique, tandis que le clivage de l’autre ensemble de deux brins fait que les molécules recombinantes résultantes présentent un croisement. Tous les produits, indépendamment du clivage, sont des hétéroduplex dans la région de migration de la jonction de Holliday.
De nombreuses protéines sont capables de reconnaître ou de déformer la structure de la jonction de Holliday. Une de ces classes contient des enzymes de résolution de jonction qui clivent les jonctions, parfois de manière spécifique à la séquence. Ces protéines déforment la structure de la jonction de diverses manières, souvent en tirant la jonction dans une conformation non empilée, en brisant les paires de bases centrales et/ou en modifiant les angles entre les quatre bras. D’autres classes sont les protéines de migration de branche qui augmentent le taux d’échange de plusieurs ordres de grandeur, et les recombinases spécifiques de site. Chez les procaryotes, les résolvases de la jonction de Holliday se répartissent en deux familles, les intégrases et les nucléases, qui sont toutes deux structurellement similaires bien que leurs séquences ne soient pas conservées.
Chez les eucaryotes, deux modèles principaux expliquent comment la recombinaison homologue répare les cassures double brin de l’ADN : la voie de réparation de la cassure double brin (DSBR) (parfois appelée modèle de la double jonction de Holliday) et la voie de recuit du brin dépendant de la synthèse (SDSA). Dans le cas d’une rupture double brin, l’extrémité 3′ est dégradée et l’extrémité 5′ plus longue envahit la chromatide sœur contiguë, formant une bulle de réplication. Lorsque cette bulle se rapproche de l’ADN rompu, le brin antisens 5′ plus long envahit à nouveau le brin sens de cette portion d’ADN, transcrivant une seconde copie. Lorsque la réplication se termine, les deux queues sont reconnectées pour former deux jonctions de Holliday, qui sont ensuite clivées de diverses manières par des protéines. Une animation de ce processus peut être vue ici.
Les cassures de l’ADN double brin chez les bactéries sont réparées par la voie RecBCD de recombinaison homologue. Les cassures qui se produisent sur un seul des deux brins d’ADN, appelées lacunes simple brin, sont censées être réparées par la voie RecF. Les voies RecBCD et RecF comprennent toutes deux une série de réactions connues sous le nom de migration des branches, au cours de laquelle des brins d’ADN simples sont échangés entre deux molécules d’ADN duplex croisées, et de résolution, au cours de laquelle ces deux molécules d’ADN croisées sont séparées et remises dans leur état normal de double brin. La recombinaison homologue se produit dans plusieurs groupes de virus. Chez les virus à ADN tels que l’herpèsvirus, la recombinaison se produit par un mécanisme de rupture et de jonction comme chez les bactéries et les eucaryotes. Chez les bactéries, la migration des branches est facilitée par le complexe RuvABC ou la protéine RecG, des moteurs moléculaires qui utilisent l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP pour déplacer la jonction. La jonction doit ensuite être résolue en deux duplex séparés, rétablissant soit la configuration parentale, soit une configuration croisée. La résolution peut se faire de manière horizontale ou verticale au cours de la recombinaison homologue, ce qui donne des produits patch (s’ils sont dans la même orientation au cours de la réparation des cassures double brin) ou des produits d’épissage (s’ils sont dans des orientations différentes au cours de la réparation des cassures double brin). RuvA et RuvB sont des protéines de migration de branche, tandis que RuvC est une enzyme de résolution de jonction.
Il existe des preuves de recombinaison dans certains virus à ARN, spécifiquement des virus à ARNs positifs comme les rétrovirus, les picornavirus et les coronavirus. Il y a une controverse sur la question de savoir si la recombinaison homologue se produit dans les virus à ARN ss de sens négatif comme la grippe.
RésolutionEdit
Dans la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae, les jonctions de Holliday peuvent être résolues par quatre voies différentes qui représentent essentiellement toute la résolution des jonctions de Holliday in vivo. La voie qui produit la majorité des croisements dans la levure bourgeonnante S. cerevisiae, et peut-être chez les mammifères, implique les protéines EXO1, l’hétérodimère MLH1-MLH3 (appelé MutL gamma) et SGS1 (orthologue de l’hélicase du syndrome de Bloom). L’hétérodimère MLH1-MLH3 se lie préférentiellement aux jonctions de Holliday. C’est une endonucléase qui provoque des cassures simple brin dans l’ADN double brin super enroulé. L’hétérodimère MLH1-MLH3 favorise la formation de recombinants croisés. Alors que les trois autres voies, impliquant respectivement les protéines MUS81-MMS4, SLX1 et YEN1, peuvent favoriser la résolution de la jonction de Holliday in vivo, l’absence de ces trois nucléases n’a qu’un impact modeste sur la formation de produits de croisement.
Des mutants doubles délétés à la fois pour MLH3 (voie majeure) et MMS4 (voie mineure) ont montré une réduction spectaculaire du crossing over par rapport au type sauvage (6 à 17 fois) ; cependant, la viabilité des spores était raisonnablement élevée (62%) et la disjonction chromosomique semblait essentiellement fonctionnelle.
Bien que MUS81 soit un composant d’une voie de croisement mineure dans la méiose de la levure bourgeonnante, des plantes et des vertébrés, chez le protozoaire Tetrahymena thermophila, MUS81 semble faire partie d’une voie de croisement essentielle, voire prédominante. La voie MUS81 semble également être la voie de croisement prédominante chez la levure de fission Schizosaccharomyces pombe.
Les protéines MSH4 et MSH5 forment une structure hétéro-oligomérique (hétérodimère) chez la levure et l’homme. Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, MSH4 et MSH5 agissent spécifiquement pour faciliter les croisements entre chromosomes homologues pendant la méiose. Le complexe MSH4/MSH5 se lie et stabilise les doubles jonctions de Holliday et favorise leur résolution en produits de crossover. Un mutant hypomorphe (partiellement fonctionnel) MSH4 de S. cerevisiae a montré une réduction de 30% du nombre de crossing-over à l’échelle du génome, et un grand nombre de méioses avec des chromosomes non échangés. Néanmoins, ce mutant a donné lieu à des modèles de viabilité des spores suggérant que la ségrégation des chromosomes non échangés s’est produite efficacement. Ainsi, chez S. cerevisiae, une ségrégation correcte ne dépend apparemment pas entièrement des croisements entre paires homologues.
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