Illustration montrant la structure de Lettuce, un ADN qui lie et active des fluorophores dérivés de la protéine fluorescente verte. Crédit : Luiz F.M. Passalacqua
Dans une étude révolutionnaire, des chercheurs de la Weill Cornell Medicine et du National Heart, Lung, and Blood Institute, un département des National Institutes of Health, ont découvert que l’ADN peut imiter les fonctions des protéines en formant des structures tridimensionnelles complexes.
Cette recherche, récemment publiée dans la revue Nature, a utilisé des technologies d’imagerie haute définition pour découvrir la configuration unique et multiforme d’une molécule d’ADN synthétisée. Cette molécule a été conçue pour simuler le comportement d’une protéine connue sous le nom de protéine fluorescente verte (GFP). Extraite à l’origine de méduses, la GFP est devenue un outil essentiel dans les laboratoires, servant de marqueur luminescent ou de balise à l’intérieur des cellules.
Ces découvertes font progresser la science sur la façon dont l’ADN peut être plié en formes complexes et aideront les chercheurs à construire de telles molécules d’ADN pour une variété d’applications cliniques et de laboratoire. Une étiquette fluorescente entièrement constituée d’ADN qui imite la GFP, par exemple, serait souvent idéale pour marquer des morceaux d’ADN ciblés dans des études biologiques et dans des kits de tests de diagnostic, et serait relativement peu coûteuse à fabriquer.
« Ces résultats modifient réellement notre compréhension de ce que nous pouvons faire avec l’ADN », a déclaré le Dr Samie Jaffrey, co-auteur de l’étude, professeur de pharmacologie Greenberg-Starr et membre du Sandra and Edward Meyer Cancer Center de la Weill Cornell Medicine.
Dans la nature, l’ADN existe principalement sous forme de double brin, en « échelle torsadée » ou « hélicoïdale », et sert de réserve relativement stable d’informations génétiques. Tous les autres processus biologiques complexes dans les cellules sont réalisés par d’autres types de molécules, en particulier les protéines.
L’année dernière, le Dr Jaffrey et ses collègues ont découvert l’une de ces molécules : un ADN simple brin qui se replie d’une manière qui lui permet d’imiter l’activité de la GFP. La molécule d’ADN, que le Dr Jaffrey a baptisée « laitue » en raison de la couleur de ses émissions fluorescentes, fonctionne en se liant à une autre petite molécule organique, un « fluorophore » potentiellement fluorescent similaire à celui qui se trouve au cœur de la GFP, et en la comprimant de manière à activer sa capacité à devenir fluorescente. Les chercheurs ont démontré que la combinaison laitue-fluorophore était une étiquette fluorescente pour la détection rapide du SARS-CoV-2, à l’origine du COVID-19.
Le Dr Jaffrey et son équipe ont découvert la laitue en fabriquant de nombreux ADN monocaténaires et en sélectionnant ceux qui présentaient la capacité d’activation du fluorophore souhaité. Mais ils ne savaient pas quelle structure la laitue utilisait pour acquérir cette capacité. Pour déterminer cette structure, ils se sont tournés vers leur collaborateur de longue date, le Dr Adrian R. Ferré-D’Amaré, chercheur principal au NHLBI.
Dans la recherche dirigée par le Dr Luiz Passalacqua, chercheur associé à l’équipe du Dr Ferré-D’Amaré, des techniques avancées d’imagerie structurelle ont été utilisées, notamment la cryo-microscopie électronique, pour résoudre la structure de la laitue à l’échelle atomique. Ils ont découvert que la laitue se plie en une forme qui comporte en son centre une jonction quadruple d’ADN, d’un type jamais vu auparavant, qui enferme le fluorophore d’une manière qui l’active.
Ils ont également observé que les pliages de la laitue sont maintenus par des liaisons entre les nucléobases, les éléments constitutifs de l’ADN qui sont souvent appelés les « lettres » de l’alphabet à quatre lettres de l’ADN.
« Ce que nous avons découvert, ce n’est pas un ADN qui essaie de ressembler à une protéine ; c’est un ADN qui fait ce que fait la GFP, mais à sa manière », a déclaré M. Ferré-D’Amaré.
Selon les chercheurs, ces résultats devraient accélérer le développement de molécules d’ADN fluorescentes telles que la laitue pour les tests de diagnostic rapide, ainsi que pour une multitude d’autres applications scientifiques dans lesquelles une étiquette fluorescente à base d’ADN est souhaitable.
« Des études comme celle-ci seront essentielles pour la création de nouveaux outils basés sur l’ADN », a déclaré le Dr Jaffrey.
Références : « Intricate 3D architecture of a DNA mimic of GFP » par Luiz F. M. Passalacqua, Michael T. Banco, Jared D. Moon, Xing Li, Samie R. Jaffrey et Adrian R. Ferré-D’Amaré, 21 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06229-8
« Detection of SARS-CoV-2 RNA Using a DNA Aptamer Mimic of Green Fluorescent Protein » par Bria S. VarnBuhler, Jared Moon, Sourav Kumar Dey, Jiahui Wu et Samie R. Jaffrey, 26 mars 2023, ACS Chemical Biology.
DOI: 10.1021/acschembio.1c00893