Les réarrangements de type U-turn constituent une grande proportion des réarrangements génomiques totaux dans les organites, soit environ 25% dans le chloroplaste d’Arabidopsis, 38% dans la mitochondrie d’Arabidopsis, et 60 % dans la mitochondrie humaine (Fig. 37, page 123). Une telle abondance de ces très courtes inversions (<50 bp) soulève la possibilité que ce type de réarrangements constitue une caractéristique intrinsèque de l’ADN des organites. Suite à la ré-initiation de la réplication de l’ADN sur le brin matrice opposé, il est vraisemblable que l’extrémité 3’ du brin continu nouvellement synthétisé soit liguée à l’extrémité 5’ du brin discontinu (Fig. 55). Il a d’ailleurs été suggéré, chez la levure, que la formation de ce type d’inversions génomiques nécessite l’ADN polymérase delta du brin discontinu afin d’assurer l’élongation du brin continu jusqu’au fragment d’Okazaki adjacent [337]. Lors de la formation des réarrangements de type U-turn dans l’ADN des organites,
170
cette ligation au brin discontinu pourrait donc former une jonction d’ADN à trois brins (Fig. 55).
Figure 55. Conséquences possibles de la ligation du brin continu au brin discontinu lors d’un réarrangement de type U-turn. Lors d’un réarrangement de
type U-turn, la ré-initiation de la synthèse du brin continu sur le brin matrice opposé pourrait mener à la ligation de l’extrémité 3’ du brin continu à l’extrémité 5’ du brin discontinu. Une telle ligation mènerait à la formation d’une jonction d’ADN à trois brins. La résolution d’une telle structure peut mener à deux types de produits distincts : 1) le duplex initial et une molécule d’ADN partiellement répliquée, ou 2) une molécule d’ADN palindromique (isochromosome) en plus d’une molécule d’ADN partiellement répliquée. Les nombres 1, 2 et 3 représentent des positions relatives sur la molécule d’ADN.
Une telle jonction d’ADN à trois brins implique deux possibilités : la formation d’un branchement sur la molécule d’ADN ou la résolution de la jonction d’ADN à trois brins (Fig. 55). La résolution d’une telle jonction dans l’ADN semble possible, certaines résolvases possédant la capacité de cliver une jonction d’ADN à trois brins [338,339]. Selon l’orientation
171
d’une telle résolution, deux types de molécules d’ADN résultantes peuvent être générées. Selon l’orientation A sur la Figure 55, la résolution engendrera un duplex d’ADN identique au duplex matrice initial et une molécule d’ADN partiellement répliquée se terminant par un DSB à une seule extrémité. Bien qu’impliquant un DSB, les conséquences d’une telle résolution restent néanmoins modestes, la réplication de la molécule inachevée pouvant être redémarrée par le processus de BIR. Toutefois, une résolution selon l’orientation B risque d’occasionner des conséquences bien plus importantes pour le maintien de la stabilité génomique. En effet, une telle résolution générera plutôt un isochromosome, c’est-à-dire un chromosome palindromique, en plus d’une molécule d’ADN brisée par un DSB à une seule extrémité.
Les brins complémentaires des réarrangements de type U-turn sont rarement observés dans nos données de séquençage. Il semble donc peu probable que de telles jonctions d’ADN à trois brins soient résolues de manière à former des isochromosomes. Conséquemment, il semble davantage probable que ces jonctions d’ADN à trois brins persistent et forment des branchements au sein de l’ADN des organites. L’ADNpt est d’ailleurs composé d’un mélange de molécules circulaires, linéaires et branchées [35]. À l’instar de l’ADNpt, des branchements sont observés dans l’ADN mitochondrial de la levure Candida albicans et, vraisemblablement, également chez S. pombe et S. cerevisiae [340,341]. Jusqu’à présent, ce type de branchements a été associé à l’initiation de la réplication par le processus de BIR [35,340,341]. Toutefois, en plus des événements d’initiation de la réplication par BIR, il est possible que les réarrangements de type U-turn contribuent à cette particularité de l’ADN des organites. Les mécanismes de U-turn pourraient d’ailleurs servir d’alternatives dans les organites pour redémarrer la réplication lorsque les mécanismes adéquats de redémarrage ont échoués, les conséquences de ce type de réarrangements étant bien moins graves au sein d’un génome polyploïde.
Il est intéressant de constater que l’ADN mitochondrial du cœur et du cerveau humain présente lui aussi une structure hautement branchée [342] (Fig. 56). Il a été suggéré que, dans le cœur, la grande activité de la chaîne de transport des électrons provoque une
172
importante production de ROS qui, à son tour, endommage l’ADN et génère des DSBs. La réparation de ces DSBs par BIR mènerait subséquemment aux branchements [343]. Il est d’ailleurs connu que les ROS initient des événements de BIR dans les mitochondries de levures [344].
Figure 56. L’ADN mitochondrial du cœur humain est organisé en structures hautement branchées. ADN mitochondrial du cœur humain observé par
microscopie électronique. Cette figure est adaptée de [343].
Néanmoins, puisque certains produits de l’oxydation des bases azotées bloquent la progression des ADN polymérases, la génération de réarrangements de type U-turn pourrait aussi contribuer à ces branchements. Cette hypothèse est de plus supportée par une étude des réarrangements génomiques mitochondriaux dans le cœur de souris [345]. Curieusement, bien que l’ADN mitochondrial du cœur de souris ne soit que peu branché par rapport au cœur humain, des branchements similaires peuvent être induits par la surexpression de l’hélicase mitochondriale Twinkle [346]. Dans de telles conditions, l’analyse de l’instabilité génomique mitochondriale par séquençage de nouvelle génération révèle une forte accumulation de réarrangements génomiques se produisant à courte distance [345]. Aucune analyse des types de réarrangements génomiques n’a toutefois été effectuée. La
173
contribution des réarrangements de type U-turn aux branchements de l’ADN mitochondrial reste donc inconnue pour le moment.