Comment les enzymes de restriction coupent-elles les séquences d'ADN?

Dans la nature, les organismes doivent constamment se protéger des envahisseurs étrangers, même au niveau microscopique. Chez les bactéries, il existe un groupe d'enzymes bactériennes qui agissent en démantelant l'ADN étranger. Ce processus de démantèlement est appelé restriction et les enzymes qui effectuent ce processus sont appelées enzymes de restriction.

Les enzymes de restriction sont très importantes dans la technologie de l'ADN recombinant. Des enzymes de restriction ont été utilisées pour aider à produire des vaccins, des produits pharmaceutiques, des cultures résistantes aux insectes et une foule d'autres produits.

Points clés à retenir

• Les enzymes de restriction démontent l'ADN étranger en le coupant en fragments. Ce processus de démontage est appelé restriction.
• La technologie de l'ADN recombinant repose sur des enzymes de restriction pour produire de nouvelles combinaisons de gènes.
• La cellule protège son propre ADN du démontage en ajoutant des groupes méthyle dans un processus appelé modification.
• L'ADN ligase est une enzyme très importante qui aide à relier les brins d'ADN via des liaisons covalentes.

Qu'est-ce qu'une enzyme de restriction?

Les enzymes de restriction sont une classe d'enzymes qui coupent l'ADN en fragments sur la base de la reconnaissance d'une séquence spécifique de nucléotides. Les enzymes de restriction sont également appelées endonucléases de restriction.

Bien qu'il existe des centaines d'enzymes de restriction différentes, elles fonctionnent toutes essentiellement de la même manière. Chaque enzyme possède ce que l'on appelle une séquence ou un site de reconnaissance. Une séquence de reconnaissance est généralement une courte séquence nucléotidique spécifique dans l'ADN. Les enzymes coupent à certains points de la séquence reconnue. Par exemple, une enzyme de restriction peut reconnaître une séquence spécifique de guanine, d'adénine, d'adénine, de thymine, de thymine, de cytosine. Lorsque cette séquence est présente, l'enzyme peut effectuer des coupes échelonnées dans le squelette sucre-phosphate dans la séquence.

Mais si les enzymes de restriction sont coupées en fonction d'une certaine séquence, comment les cellules comme les bactéries protègent-elles leur propre ADN des enzymes de restriction? Dans une cellule typique, les groupes méthyle (CH₃) sont ajoutés aux bases de la séquence pour empêcher la reconnaissance par les enzymes de restriction. Ce processus est effectué par des enzymes complémentaires qui reconnaissent la même séquence de bases nucléotidiques que les enzymes de restriction. La méthylation de l'ADN est connue sous le nom de modification. Avec les processus de modification et de restriction, les cellules peuvent à la fois couper l'ADN étranger qui présente un danger pour la cellule tout en préservant l'ADN important de la cellule.

Sur la base de la configuration double brin de l'ADN, les séquences de reconnaissance sont symétriques sur les différents peuplements mais s'exécutent dans des directions opposées. Rappelons que l'ADN a une "direction" indiquée par le type de carbone à l'extrémité du brin. L'extrémité 5 'a un groupe phosphate attaché tandis que l'autre extrémité 3' a un groupe hydroxyle attaché. Par exemple:

5 '- fin - guanine, adénine, adénine, thymine, thymine, cytosine ... - 3' fin

Extrémité 3 '-… cytosine, thymine, thymine, adénine, adénine, guanine… - extrémité 5'

Si, par exemple, l'enzyme de restriction coupe dans la séquence entre la guanine et l'adénine, elle le ferait avec les deux séquences mais à des extrémités opposées (puisque la deuxième séquence va dans le sens opposé). Étant donné que l'ADN est coupé sur les deux brins, il y aura des extrémités complémentaires qui peuvent se lier à l'hydrogène. Ces extrémités sont souvent appelées «extrémités collantes».

Qu'est-ce que l'ADN ligase?

Les extrémités collantes des fragments produits par les enzymes de restriction sont utiles en laboratoire. Ils peuvent être utilisés pour joindre des fragments d'ADN de sources différentes et d'organismes différents. Les fragments sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène. D'un point de vue chimique, les liaisons hydrogène sont de faibles attractions et ne sont pas permanentes. Cependant, en utilisant un autre type d'enzyme, les liaisons peuvent être rendues permanentes.

L'ADN ligase est une enzyme très importante qui fonctionne à la fois dans la réplication et la réparation de l'ADN d'une cellule. Il fonctionne en aidant la jonction des brins d'ADN ensemble. Il fonctionne en catalysant une liaison phosphodiester. Cette liaison est une liaison covalente, beaucoup plus forte que la liaison hydrogène précitée et capable de maintenir ensemble les différents fragments. Lorsque différentes sources sont utilisées, l'ADN recombinant résultant qui est produit possède une nouvelle combinaison de gènes.

Types d'enzymes de restriction

Il existe quatre grandes catégories d'enzymes de restriction: les enzymes de type I, les enzymes de type II, les enzymes de type III et les enzymes de type IV. Tous ont la même fonction de base, mais les différents types sont classés en fonction de leur séquence de reconnaissance, de leur clivage, de leur composition et de leurs besoins en substances (besoin et type de cofacteurs). En général, les enzymes de type I coupent l'ADN à des emplacements éloignés de la séquence de reconnaissance; ADN coupé de type II à l'intérieur ou à proximité de la séquence de reconnaissance; ADN coupé de type III près des séquences de reconnaissance; et l'ADN méthylé clivé de type IV.

Sources

• Biolabs, Nouvelle-Angleterre. "Types d'endonucléases de restriction." New England Biolabs: réactifs pour l'industrie des sciences de la vie, www.neb.com/products/restriction-endonucleases/restriction-endonucleases/types-of-restriction-endonucleases.
• Reece, Jane B. et Neil A. Campbell. Campbell Biology. Benjamin Cummings, 2011.