Blanc SIMI 8 - Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie

Ionisation à un photon de l’ADN: de l’éjection d’électron à la formation des dommages oxydatifs – OPHID

Oxydation de l’ADN par absorption de rayonnement UV de basse énergie

Pouvoir oxydatif du rayonnement UV : hautes et basses énergies.

Quantifier les électrons éjectés par l’ADN et suivre l’évolution des radicaux formés.

Lorsque l’ADN perd un électron, il subit une série de transformations susceptibles de modifier le code génétique. La perte d’un électron peut être déclenchée par des réactions chimiques impliquant d’autres molécules présentes dans la cellule ou par des rayonnements ionisants. Il est également possible que l’absorption d’un photon UV directement par l’ADN conduise à l’éjection d’un électron, pourvue que son énergie soit suffisamment élevée (longueurs d’onde inférieures à 200 nm). L’objectif d’OPHID était d’examiner si le rayonnement UV de plus basse énergie (longueurs d’onde supérieures à 260 nm) provoque le même effet et d’en déterminer la probabilité. La compréhension de ce phénomène est cruciale pour la conception de protections solaires efficaces. <br />En travaillant avec différents types d’ADN en solution aqueuse, nous avons caractérisés les espèces chimiques primaires à l’origine des dommages oxydatifs : les électrons qui sont éjectés après absorption UV ainsi que les radicaux des bases qui en résultent. Ces espèces n’étant pas stables, nous les avons étudiées en enregistrant leur spectre UV-visible après excitation avec des impulsions laser aux échelles nanoseconde à milliseconde. Nous avons interprété nos résultats à l’aide des calculs de chimie quantique. Par ailleurs, nous avons recherché par des méthodes de chimie analytique des marqueurs attestant l’oxydation de l’ADN.

Approche expérimentale et théorique mettant en œuvre 1) la spectroscopie d’absorption résolue en temps, 2) l’analyse quantitative des produits finaux par chromatographie et 3) des méthodes de chimie quantique. De simples et doubles brins sont étudiés. Les guanines ayant le plus faible potentiel d’ionisation parmi les bases, l’étude de structures quadruplexes identifiées dans les télomères, occupe une place centrale dans ce projet.

Nos travaux ont clairement mis en évidence que l’absorption d’un photon UV de basse énergie directement par l’ADN est bien capable de générer des radicaux des bases. La probabilité que cela se produise est de l’ordre de 10-3. Cette probabilité est comparable à celle qui correspond à la formation d’autres lésions bien connues de l’ADN produites par un rayonnement UV de même énergie. Les radicaux des bases survivent plusieurs millisecondes et leur durée de vie augmente lorsque les bases sont appariées. Les marqueurs d’oxydation ont été détectés suite à irradiation d’ADN génomique avec du rayonnement UVC ou UVB.

R. Improta, partenaire d’OPHID, a obtenu une Chaire d'Alembert (Idex) à l’Université Paris Saclay. Il sera accueillit au LIDYL (2018-2019) pour mettre en place le projet “Towards the study of the interaction between Nucleic Acids and protein by Time Resolved optical methods: insights from Quantum Mechanical calculations”.

Un projet COST entitulé « EU-DNA netwwork : undrestanding damage repair and developing novel DNA sensitizers«, auquel participent les trois partenaires d'OPHID, a été depose.

OPHID a déjà donné lieu à 17 articles. Les résultats ont également été présentés dans 12 conférences internationales (dont 10 correspondent à des conférences invitées). Bien que l’approche suivie dans le projet soit celle de la chimie physique, les résult

La perte d'un électron par l’ADN est l'un des principaux processus à l’origine des altérations du code génétique. Il est bien connu que cette perte peut se produire indirectement par photosensibilisation, faisant intervenir d'autres composants cellulaires. Un électron peut aussi être éjecté suite à l’absorption d’un seul photon UV d’énergie suffisante directement par l’ADN. Ce processus a été largement étudié pour des longueurs d’onde d’excitations inférieures à ~200 nm. Toutefois, des études éparses ont montré l'éjection d’électron par des photons de plus faible énergie, correspondant à la bande absorption de l’ADN centrée autour de 260 nm qui se prolonge jusqu'à 400 nm. Ainsi, les rayonnements UVA et UVB de la lumière solaire auxquels nous sommes soumis, en plus de leur capacité à générer des radicaux libres dans les cellules ou de provoquer des dimérisations des bases pyrimidiques, se comporteraient comme des oxydants directs de l’ADN. Par conséquent, la compréhension d’un tel mécanisme d’action des UVA et UVB sur l'ADN constitue un défi pour la recherche fondamentale, relié à des enjeux de santé publique.
L’objectif d’OPHID est d’étudier les facteurs qui contrôlent l’ionisation mono-photonique de l’ADN et de décrire les mécanismes mis en jeu dans la formation des lésions. Nous utiliserons à la fois une approche expérimentale et théorique mettant en œuvre 1) la spectroscopie d’absorption résolue en temps, 2) l’analyse quantitative des produits finaux par chromatographie et 3) des méthodes de chimie quantique. Nous étudierons des simples et doubles brins. Les guanines ayant le plus faible potentiel d’ionisation parmi les bases, l’étude de structures quadruplexes identifiées dans les télomères, occupera une place centrale dans ce projet.
Les trois équipes participantes ont acquis une reconnaissance internationale pour leur contribution à la photophysique et la photochimie de l’ADN. Le groupe de D. Markovitsi (équipe 1) a été le premier à démontrer le comportement collectif des bases au sein des hélices et a réalisé une série d’expériences pionnières résolues en temps, de la femtoseconde à la milliseconde. Le groupe de T. Douki (équipe 2) a développé des outils d’analyse performants nécessaires à la caractérisation des lésions de l’ADN. R. Improta (équipe 3, collaborateur international) a réalisé une description de la relaxation des états excités des composants de l’ADN par des méthodes de chimie quantique. L’équipe 1 a une collaboration fructueuse de longue date avec les équipes 2 et 3 sur l’étude de l’ADN.
Notre étude comportera trois étapes. 1) Nous déterminerons les rendements quantiques d’ionisation induite par des rayonnements UVA, UVB et UVC, en détectant l’absorption de l’électron solvaté formé. Ces résultats expérimentaux seront corrélés aux potentiels d’ionisation calculés pour les différentes séquences. 2) Nous analyserons les lésions oxydatives de l’ADN générées et déterminerons le rendement quantique des différents photoproduits en fonction de la longueur d’onde d’irradiation. 3) Connaissant les spectres d’absorption des différents photoproduits finaux, nous chercherons leur contribution dans les spectres d’absorption transitoires d’ADN, ce qui nous permettra de déterminer la dynamique de leur formation. Parallèlement, des calculs de chimie quantique seront réalisés pour obtenir une description des chemins réactionnels impliqués.
L’ionisation de l’ADN induite par absorption d’un photon de basse énergie peut avoir lieu à partir d’un état électronique excité. Ce type d’ionisation ne génère pas nécessairement la même distribution relative de photoproduits que l’oxydation par voie chimique impliquant l’état fondamental de l’ADN. Bien que de nombreuses études portant sur les dommages oxydatifs de l’ADN et les mécanismes du transport des charges associé, aient déjà été réalisées, les travaux proposés par OPHID seront les premiers capables d’établir une corrélation entre l’éjection de l’électron et la formation des lésions.

Coordinateur du projet

Madame Dimitra Markovitsi (Centre National de la Recherche Scientifique) – dimitra.markovitsi@cea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IBB/CNR Instituto Biostrutture e Bioimmagini/Consiglio Nazionale delle Ricerche (Italie)
INAC/SCIB Institut Nanoscience et Cryogénie
CNRS Centre National de la Recherche Scientifique

Aide de l'ANR 322 355 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2013 - 36 Mois

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