Transfert d'énergie photo-induit dans des hélices methylées d'ADN et son implication dans les dommages provoqués par le rayonnement UV : une étude interactive théorie-expérience – DNAexciton

Nous avons suivi le devenir de l’énergie en détectant des signaux optiques ; grâce à des techniques spectroscopiques laser, nous avons pu sonder la fluorescence et/ou l’absorption des acides nucléiques à des temps allant de 100 fs à 1 ms après l’absorption des photons UV. Nous avons également quantifié les produits formés suite à des irradiations UV par des méthodes de chimie analytique : chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse. Nous avons enfin rationalisé les phénomènes observés en utilisant plusieurs méthodes de chimie théorique: la chimie quantique, la dynamique moléculaire et la théorie excitonique. C’est la première fois que les réactions de l’ADN induites par absorption de rayonnement rayonnement UV ont été examinées en parallèle avec les questions de l’énergie dans le cadre d’une étude interactive modélisation-expérience.

Les travaux du DNAexciton ont clairement mis en évidence le comportement collectif des bases de l’ADN vis-à-vis du rayonnement UV, non seulement pour des systèmes modèles, mais aussi pour l’ADN naturel isolé en solution aqueuse. Un tel comportement est dû à la proximité des briques élémentaires du code génétique au sein des doubles hélices. Il dépend fortement de leurs mouvements internes qui sont affectés par des facteurs biologiquement pertinents comme, par exemple, la quantité des sels présents dans l’eau environnante. Du fait de cette coopérativité, une fraction très importante de l’énergie du photon absorbé peut se conserver plus longtemps que l’on pensait auparavant. De plus, l’énergie peut être canalisée vers des endroits spécifiques en y renforçant la réactivité des bases. C’est le cas des cytosines méthylées, dont la méthylation est un processus naturel qui joue un rôle clé dans plusieurs fonctions biologiques.

Les conclusions du projet DNAexciton sont utilisées actuellement dans le cadre du projet ANR OPHID visant à caractériser les dommages du code génétique induit par photo-ionisation des bases de l'ADN.

DNAexciton a déjà donné lieu à 14 articles, dont la majorité implique au moins deux équipes du projet. Certains ont été publiés dans la meilleure revue de chimie (Journal of the American Chemical Society) alors que d’autres ont ciblé la communauté des photobiologistes. Les résultats ont également été présentés dans 12 conférences internationales (dont 11 correspondent à des conférences invitées).

Articles importants

“Electronic Excitation Energy Transfer between Nucleobases of Natural DNA« Vayá, I., Gustavsson, T., Douki, T., Berlin, Y., Markovitsi, D. (2012) J. Am. Chem. Soc. 134, 11366-11368

“Electronic Excited States Responsible for Dimer Formation upon UV Absorption Directly by Thymine Strands: Joint Experimental and Theoretical Study” Banyasz, A., Douki, T., Improta, R., Gustavsson, T., Onidas, D., Vayá, I., Perron, M., Markovitsi, D. (2012), J. Am. Chem. Soc. 134, 14834–14845

«Cation Effect on the Electronic Excited States of Guanine Nanostructures Studied by Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy« Hua, Y., Changenet-Barret, P., Improta, R., Vayá, I., Gustavsson, T., Kotlyar, A. B., Zikich, D., Šket, P., Plavec, J., Markovitsi, D. (2012) J Phys Chem C 116, 14682–14689

“Multi-Pathway Excited State Relaxation of Adenine Oligomers in Aqueous Solution: A Joint Theoretical and Experimental Study” Banyasz, A., Gustavsson, T., Onidas, D., Changenet-Barret, P., Markovitsi, D., Importa, R. (2013), Chem. Europ. J. 19, 3762-3774

«Effect of C5-methylation of cytosine on the photoreactivity of DNA: a joint experimental and computational study of TCG trinucleotides” Esposito, L,. Banyasz, A., Douki, T., Perron, M., Markovitsi, D., Improta, R. (2014) J. Am. Chem. Soc. 136, 10838-10841

“Stabilization of mixed Frenkel-charge transfer excitons extended across both strands of guanine-cytosine DNA duplexes” Huix-Rotllant, M. Brazard, J., Improta, R., Burghardt, I., Markovitsi, D. J. Phys. Chem. Lett. (2015) DOI:0.1021/acs.jpclett.5b00813

Il est bien établi aujourd'hui que l'absorption du rayonnement UV par l'ADN déclenche des réactions photochimiques qui peuvent provoquer des cancers de la peau. Si les produits finaux de ces réactions sont déjà caractérisés, les processus fondamentaux qui précèdent leur formation ne sont pas encore compris. En particulier, on ne connaît pas la raison pour laquelle la méthylation de l'ADN, qui a lieu de façon naturelle à la position 5 de la cytosine, augmente la probabilité de l'apparition de mutations carcinogènes induites par le rayonnement UV : bien que la 5-méthylcytosine (5-mC) ne représente que 2% des bases du génome humain, elle est impliquée dans 40% des cancers de la peau. Comprendre les mécanismes des toutes premières étapes de mutagenèse fait partie des grands défis de la physico-chimie moléculaire.

Des études spectroscopiques réalisées récemment par le partenaire 2 ont donné quelques indications quant aux questions posées plus haut. Il a été montré que le spectre d'absorption de la 5-mC isolée en solution est déplacé vers le rouge par rapport à ceux des bases majoritaires (adénine, thymine, guanine, cytosine). De plus, ses expériences de femtochimie ont révélé qu'un transfert d'énergie ultrarapide a lieu entre les bases au sein des hélices composées de paires adénine-thymine ou guanine-cytosine. On s'attend alors à ce que la méthylation de l'ADN intervient dans les processus de transfert d'énergie. La 5-mC pourrait jouer le rôle d'un piège, menant à une localisation d'énergie d'excitation dans certaines régions du génome leur conférant ainsi une réactivité accrue (ex: dimérisation).

L'objectif de ce projet est de développer une description précise du transfert et du piégeage de l'énergie d'excitation dans l'ADN méthylé et de
déterminer leur implication à la formation des photodommages, en couplant des techniques de pointe aussi bien expérimentales que théoriques. Nous nous proposons de mener une étude interactive modélisation-expérience basée sur (i) la théorie des états excités délocalisés (états excitoniques) de l'ADN en y introduisant des données de chimie quantique et des simulations de dynamique moléculaire classique et quantique (partenaire 1), (ii) la spectroscopie d'absorption et/ou de fluorescence en régime stationnaire et résolue en temps sur un large domaine de temps entre 100 fs et 100 ns et des irradiations continues (partenaire 2) et (iii) la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (partenaire 3).

Le projet réunit trois équipes pionnières dans le domaine ayant les compétences requises pour sa réalisation. I. Burghardt est spécialiste du transfert d'énergie dans des système complexes ; elle travaillera en collaboration avec des théoriciens reconnus en modélisation de l'ADN : H. Lischka (Université de Vienne, Autriche) et E. R. Bittner (Université de Houston, USA) pour la chimie quantique, R. Lavery (IBCP, Lyon) pour la dynamique moléculaire. C'est le groupe de D. Markovitsi qui a récemment mis en évidence le caractère collectif des états excité de doubles hélices, démontré le rôle du désordre conformationnel (en collaboration avec R. Lavery) et relié propriétés spectroscopiques aux photodommages (en collaboration avec T. Douki). Le groupe de T. Douki est internationalement connu pour ses capacités d'analyser des lésions des acides nucléiques ; il s'est déjà penché sur la photochimie de 5-mC.

Bien que, depuis la première publication en 2005, le transfert d'énergie ultrarapide a été mis en évidence pour plusieurs séquences de bases, ce
phénomène n'a jamais été relié de façon explicite aux photodommages induits par le rayonnement UV. La compréhension, à l'échelle moléculaire, de cette corrélation nécessite une synergie théorie-expérience qui n'existe pas encore à l'échelle internationale; nous nous proposons de la créer dans le cadre du présent projet.