Dynamiques conformationnelles de l’ADN G-quadruplex sondées par dichroïsme circulaire résolu en temps

Conformational dynamics of G-quadruplex DNA probed by time-resolved circular dichroism

• Auteur / Autrice : Marco Schmid
• Direction : François Hache, Pascale Changenet-Barret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Stefan Haacke
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Hache, Pascale Changenet-Barret, Frank Wien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Gabelica, Martin Volk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie résolue en temps

G-quadruplexes

Dichroïsme circulaire

Mots clés libres

Dichroisme circulaire

G-Quadruplexes

Resolu en temps

Circular dichroism

G-Quadruplexes

Fs time resolution

Résumé

Les quadruplexes de guanines (G4) sont des structures d’ADN non-canoniques qui résultent de l’empilement hydrophobe de tétrades de guanines, stabilisé par des cations métalliques (tels que Na+ et K+). Il existe aujourd’hui un nombre croissant de preuves expérimentales qui attestent de l’implication des G4 dans d’importantes fonctions cellulaires corrélées à leur mécanisme de repliement/dépliement. Toutefois, très peu d’études ont abordé les aspects dynamiques de leur formation. Aussi, nous avons entrepris l’étude de plusieurs G4 mono-moléculaires à l’aide d’une nouvelle extension d’expériences de saut de température, capable de mesurer la dynamique de dénaturation thermique et de renaturation consécutive de l’ADN, sur une fenêtre temporelle allant de quelques millisecondes aux secondes. Les changements conformationnels ont été sondés par dichroïsme circulaire (CD) résolu en temps, connu pour être très sensible à l’arrangement des guanines dans les G4. Au préalable des études résolues en temps, en collaboration avec DISCO/SOLEIL, nous avons mesuré les spectres CD statiques de différentes séquences G4 présentant des topologies distinctes, comme celles des télomères humains, de l’aptamère de la thrombine ou des promoteurs de c-MYC. Nous avons observé des cinétiques de dénaturation et renaturation biphasiques avec des constantes de temps de quelques centaines de millisecondes et quelques secondes. Ces cinétiques dépendent fortement de l’amplitude du saut de température et de la concentration de cations métalliques. L’ensemble de ces observations suggère l’existence de plusieurs voies de repliement/dépliement des G4 sur des surfaces de potentiel très rugueuses.

Guanine-quadruplexes (G4) are non-canonical DNA structures that result from the hydrophobic stacking of guanine quartets stabilized by metal cations (typically Na+ and K+). There is now an increasing body of experimental evidence of their occurrence in important cell functions correlated to their folding/unfolding mechanisms. However, only few studies have addressed the dynamical aspect of their formation. In this context, we have undertaken the study of several intramolecular G4 with a novel extension of temperature-jump experiments capable to measure the thermal denaturation and the consecutive renaturation of DNA over a time window spanning a few ten milliseconds to seconds. Conformational changes have been monitored by time-resolved circular dichroism (CD), which is known to be sensitive to the chiral arrangement of guanines in the G4 scaffolds.Prior to time-resolved measurements, within the frame of a collaboration with DISCO/SOLEIL, we have performed static synchrotron radiation CD measurements on several short G4-forming sequences, such as human telomere, thrombin-binding aptamer and c-MYC promoter sequences, displaying distinct topologies. Denaturation and renaturation kinetics are found to exhibit biphasic decays with time constants of a few hundred milliseconds and a few seconds, respectively. Those kinetics depend strongly on the amplitude of the temperature jump and the concentration of cations. Taken together these observations suggest the existence of multiple folding pathways on extremely rugged landscapes.