Simulations multi-échelles de l'ADN nucléosomal : cartographie du cation radical guanine

Multiscale Simulations of the Nucleosomal DNA : mapping the Radical Cation Guanine

• Auteur / Autrice : Maxime Kermarrec
• Direction : Elise Dumont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie. Lyon (2003-….)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Jost
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Jost, Fabrizio Cleri, Juan José Nogueira Pérez, Emmanuelle Bignon, Natacha Gillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrizio Cleri, Juan José Nogueira Pérez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ionisation

Histones

Nucléosomes

ADN

Mots clés libres

QM/MM

ADN

Nucléosome

Histones

Potentiel d'ionisation

QM/MM

DNA

Nucleosome Core Particle

Histones

Ionization potential

Résumé

La particule de coeur du nucléosome (NCP) est un système complexe découvert dans les années 70 et qui n'a jamais cessé d'être étudié depuis. Elle est composée d’un brin d’ADN de 146-147 paires de bases enroulé autour d’un cœur protéique de 8 histones. Cette structure permet la compaction de l’ADN au sein de la chromatine. Principalement en raison de ses variantes de structure et de ses modifications post-traductionnelles, elle joue un rôle important dans différents processus biologiques tels que le la transcription génique, la réponse aux dommages de l'ADN ou encore la ségrégation des chromosomes. Le cœur d’histones et leurs queues, intrinsèquement désordonnées et très positivement chargées, contraignent l’ADN et créent un environnement hétérogène. Les propriétés chimiques des bases nucléiques peuvent en être affectées, entre autres vis-à-vis des phénomènes d’oxydation et de la formation des dommages associés. Dans ce travail de thèse, nous avons étudiés les conditions favorables à l'apparition de dommages oxydatif au sein du NCP à l’aide d’outils de chimie computationnelle. Nous avons d'abord conçu un protocole de simulation pour étudier les fluctuations du potentiel d'ionisation (IP) de la guanine en fonction de son environnement, la guanine étant la base azotée la plus sensible à l’oxydation. Nous avons produit 20 µs de simulations de dynamique moléculaire classique (MM MD), ce qui nous a permis de constituer un échantillonnage conformationnel important du NCP. Le long de ces simulations, nous avons effectué des calculs hybrides quantique/classique QM/MM pour calculer les IP. Nous avons notamment mis en évidence que la proximité de lysines et d’arginines des queues d’histones modifie significativement l’IP des guanines. Cet effet module l’impact de la séquence ADN sur l’ionisation de la guanine ce qui souligne l’importance de la prise en considération de l’environnement et de sa dynamique. Ensuite, nous nous sommes principalement concentrés sur les réticulations ADN-protéines (DPC) survenant après l’oxydation d’une séquence riche en guanine, en collaboration avec le groupe du Pr. Marc Greenberg (Johns Hopkins University, USA) qui mène des recherches sur la détection et la caractérisation des dommages de l'ADN-N. A partir de MM MD, nous avons montré une forte similarité entre les résidus impliqués dans les DPC expérimentalement et le taux d’interactions lysine-guanine dans nos simulations. Au contraire, les calculs QM/MM des IP des guanines ne permettent pas de distinguer un site d’oxydation préférentiel.

The nucleosome core particle (NCP) is a complex system that was discovered in the 1970s and has been studied ever since. It consists of a DNA strand of 146-147 base pairs wrapped around a protein core of 8 histones. This structure enables DNA compaction within chromatin. Primarily due to its structural variants and post-translational modifications, it plays an important role in various biological processes such as gene transcription, DNA damage response and chromosome segregation. Histone cores and their intrinsically disordered, highly positively charged tails constrain DNA and create a heterogeneous environment. This can affect the chemical properties of nucleic bases, including oxidation phenomena and the formation of associated damages. In this thesis, we investigated the conditions favorable to the oxidative damage formation within the NCP using computational chemistry tools. We first designed a simulation protocol to study the fluctuations of the ionization potential (IP) of guanine as a function of its environment. Guanine is the nucleobase the most sensitive to oxidation. We produced 20 µs of classical molecular dynamics (MM MD) simulations, enabling us to build up a substantial conformational sample of the NCP. Alongside these simulations, we performed hybrid quantum/classical QM/MM calculations to compute IP. In particular, we demonstrated that the proximity of lysines and arginines from histone tails significantly modifies the IP of guanines. This effect modulates the impact of DNA sequence on guanine ionization, underlining the importance of taking the environment and its dynamics into account. Secondly, we focused on DNA-protein crosslinks (DPCs) occurring after oxidation of a guanine-rich sequence, in collaboration with Prof. Marc Greenberg's group (Johns Hopkins University, USA), which is conducting research into the detection and characterization of N-DNA damage. Based on MM MD, we have shown a strong similarity between the residues involved in DPC experimentally and the rate of lysine-guanine interactions in our simulations. On the contrary, QM/MM calculations of guanine IP do not allow us to distinguish a preferential oxidation site.