La torsion mécanique de l’ADN aide l’ARN polymérase à se fixer aux promoteurs bactériens

Dans la cellule bactérienne, l’ADN est fortement compacté (d’un facteur 1000) par des protéines et par la présence de torsions mécaniques induisant un surenroulement (supercoiling). Ce dernier varie selon les conditions physiologiques, et joue un rôle régulateur important dans les fonctions du génome, suivant des mécanismes moléculaires encore peu élucidés. En particulier, le surenroulement et la transcription en ARN sont fortement couplés, mais du fait que ce couplage intervient à différentes étapes, sa complexité rend difficile l’établissement de modèles prédictifs comparables à ceux impliquant les facteurs de transcription.

Dans cette étude, les scientifiques proposent un modèle quantitatif, basé sur les propriétés mécaniques connues de l’ADN et essentiellement sans paramètre ajustable, prédisant un effet régulateur du surenroulement sur la fixation de l’ARN Polymérase sur le  promoteur (ses éléments -35 et -10) lors de l’étape initiale de la transcription (la formation du complexe fermé). Cette régulation dépend de façon subtile de distance physique (spacer) entre ces éléments. Dans le modèle proposé, cette distance est liée à  l’angle de torsion entre les deux éléments fixés par l’ARN polymérase en raison de l’hélicité de l’ADN. Le niveau de surenroulement module l’angle et engendre plusieurs types de promoteurs, les « plus courts » étant favorisés par le relâchement du chromosome, tandis que les « longs » sont favorisés par un état fortement surenroulé.

Le modèle proposé est un des rares exemples d’effets mécaniques simples, basés sur les propriétés fondamentales connues de l’ADN (structure et flexibilité), permettant des prédictions quantitatives pour un processus d’intérêt biologique (la régulation transcriptionnelle en réponse à des changements environnementaux). Ces prédictions sont validées d’une part par des études de transcription in vitro et in vivo impliquant des promoteurs présentant des spacers de taille variable et d’autre part grace à une analyse théorique rigoureuse pour séparer l’effet étudié d’autres effets complexes du surenroulement de l’ADN.

Enfin, par des analyses de transcription globale (transcriptomique), les scientifiques montrent que le mécanisme reposant sur l’interaction basale entre le promoteur bactérien et l’ARN polymérase (indépendamment de régulateurs plus spécifiques) constitue potentiellement un rôle régulateur global et ancestral. Ainsi,  chez E. coli, la réponse des promoteurs à des changements de surenroulement est corrélée à la taille du spacer conformément aux prédictions du modèle lors de changements rapides induits par l’environnement (antibiotiques) mais également lors de changements « évolutifs » (sélectionnés naturellement par adaptation à un milieu pauvre). Le même effet est détectable chez d’autres espèces bactériennes à forte distance phylogénétique, bien que les données existantes d’annotation des promoteurs soient encore insuffisantes pour valider de manière robuste ce résultat.