V I I a m

1976, 58, n ° 10.

9.

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( ( N a t u r e ) ) e t l a m u t a g e n b s e

Une th~orie g~n~rale des erreurs dans la r#plication du DNA et dans la traduc- tion g#n#tique fait robjet de deux articles copieux dans la prestigieuse revue Nature [11, 2]. De m#me que, ~ i'aube du si6cle dernier, Charles et Mary Lamb avaient r#&crit Shakespeare en prose, en le con- densant, E. G. Richards, chroniqueur occasionnel de Nature a mis ~ notre dis- position dans la rubrique <( News and Views )) une version r#~crite et condens~e de la mutagen6se selon Topal et Fresco [3 ] . On assiste I~ b I'#closion d'une nou- velle g#n#ration de critiques scientifiques, form,s ~ l'#cole du Reader's Digest. Le critique tente de s' identif ier ~ rauteur et ne laisse en aucun cas transparaitre u n savoir qui d#borderait des limites du texte analys#.

En amont de la nouvelle th#orie, on trouve des arguments relatifs ~ la physico- chimie des acides nucl#iques, et des constructions de modules ; en aval, on trouve des donn~es g#n6tiques et bio- chimiques dont la th#orie doit rendre compte : taux de mutations, nature des erreurs dans la r#plication et la traduc- tion.

Les auteurs ne semblent pas trop m#- contents de leur travail puisqu'ils d#- clarent : (( Pour #valuer notre hypoth6se, nous avons consid#r# la litt#rature sur la chimie des acides nucl#iques, sur la sp#cificit# in vitro et in vivo de la biosyn- th6se des acides nucl#iques et sur le m#canisme de la mutagen6se. Nous n'avons pas trouv# une seule observation exp#rimentale qui ne puisse #tre inter- pr#t#e au moyen de nos deux postulats )).

Le noyau pratique de la th#orie appa- rail dans le Tableau I. On y voit par exemple que A peut remplacer C par erreur. Donc une paire G.C peut se trans- former au premier cycle de r#plication en une paire G.A qui donnera naissance une paire T.A ~ la deuxi6me r#plication. Le bilan de ces ~v6nements est une transversion G.C - 9 T.A. La th#orie

admet que toutes les transitions et trans- versions concevables sont effectivement r#alisables. Une paire de bases compl#- mentaires quelconque peut se transformer

TABLEAU 1. Nature des erreurs

permises dans la th#orie de Topal et Fresco.

Nucl6otide correct

T C A G

Nucl6otide pouvant le remplacer

par erreur

C,A,G T,A,G G A

en rune quelconque des trois autres paires de bases. Toutefois, le chemin de la mutation n'est pas quelconque. Par exemple, la th#orie permet la transver- sion G.C.- ~- T.A via la paire G.A, e t par cette voie seulement. Comme on peut le d#duire du Tableau I, la th#orie interdit la paire C.T. ainsi d'ail leurs que routes les oppositions pyrimidines-pyrimidines.

C'est bien dommage, En effet, de toutes les erreurs de polym#risation ~tu- di#es in vitro, celle qui a fait robjet du travail le plus approfondi est justement une erreur de type C.T [4 ] . Quand la DNA polym~rase de T4 incorpore du dGTP sur matrice de Po ly (dC) , elle ins6re aussi des thymines dans les chaines de Poly (dG) en voie de syn- th6se. Si le dGTP et le dCTP sont en con- centrations voisines #gales, le taux d'er- reurs T /G est de rordre de 2.10 -8, et il passe ~ 8. 10 -~ pour la polym#rase muta- trice L56. II s'agit I~ d'un travail clas- sique de Hall et Lehman souvent cit6, et notamment 6voqu# dans les ouvrages de Kornberg et de Drake (r#f#rences 20 et 32 dans Topal et Fresco). Un travail tout r#cent de Gill in et Nossal [5] met #gale- ment en #vidence des erreurs de type C.T. Cette fois, la matrice est du Poly (dA). Po ly(dT) . Les substrats corrects sont le dATP et le dTTP, les substrats incorrects #tant le dCTP et le dGTP. Quand le dCTP est incorpor#, i l a de

VIII

fortes chances d'etre excis~ par I'activit6 exonucl~asique associ~e ~ la polym~rase, et rincorporation avort~e se manifeste sous la forme d'une conversion dCTP - - > - dCMP. L'~tude de cette conversion en fonction des concentrations de dATP et de dTTP montre qu'elle est concur- rente de rincorporation de dA TP et n o n de celle de dTTP. Donc C est incorpord dans ce cas via la paire C.T et n o n via la paire A.C [ 5 ] .

La m~me remarque vaut pour le deuxi~me volet de la th~orie. Topal et Fresco postulent que les erreurs de tra- duction font intervenir les m~mes appa- riements incorrects que les erreurs de r~plication, auxquels il faut ajouter cer- taines erreurs dont rinosine (mais pas la guanine ou I'ad~nine) serait responsable. Une fois de plus les paires pyrimidine- pyrimidine sont exclues. Or, il se trouve que de toutes les erreurs ~tudi~es in vi t ro, une des mieux caract~ris~es est celle ob I'isoleucine est incorpor~e au lieu de la ph~nylalanine, le messager ~tant le Poly(U). L'erreur fait intervenir une oppo- sition de type pyrimidine-pyrimidine (U.U) en premiere position de I'associa- tion codon-anticodon.

Une compilation des erreurs de r~plica- tion que j'estime ~tre les mieux caractd- ris~es est donn~e dans le Tableau 2. II

TABLEAU 2. Erreurs de polym~risation

bien caract~ris~es in vitro (r~f6rences entre parentheses).

Nucl6otide correct

T A G

Nucl6otide pouvant le remplacer

par erreur

c (6 ,7 ,8 ) , G(6,9) G (5), C (5) T (4, 6), A (6)

faut noter que I'exploration du tableau des erreurs possibles est encore tr~s lacu- naire, du fait de certaines limitations inh~rentes aux m~thodes par lesquelles les erreurs sont raises en ~vidence. A vec les polym6rases, la substitution d'une base par une base compl~mentaire est difficile ~ dtablir. Les r~sidus A qui s'in- corporent Iors de la r~plication d'une matrice de Poly(dA )-oligo (dT) le font-ils en rdponse ~ des r~sidus A ou des r~si- dus T ? Pour le savoir avec certitude, i l

faut effectuer ranalyse des proches voi- sins, et d~terminer si A est incorpor~ c6t~ de T (auquel cas il s'agit presque certainement d'une incorporation erron- n~e), ou si A est contigu ~ A (voir notam- ment ref. 7). De plus, on n'a pratique- ment pas d'information sur les erreurs de lecture des r~sidus G puisque le Poly(dG) est difficilement utilisable comme ma- trice. Pour ce qui est des erreurs de tra- duction in vi tro, elles n'ont jamais dt~ ~tudi~es de mani~re syst~matique.

Les donn~es in v ivo ne sont gu~re plus explicites. Comment d~terminer que la transition A. T - - 9 G.C s'est faite selon une route plut6t que rautre ? Plusieurs m~thodes sont envisageables quand on ~tudie raction d'un agent mutag~ne [ I 0 ] . Mais pour le probldme des mutations spontan6es qui nous occupe ici, le seul moyen th~orique (pour rinstant peu pra- ticable et peu pratiqu6) semble ~tre de modifier les concentrations in vivo des d6oxynucl~otides triphosphates [ I 1-12]. Les transversions qui seraient induites par t'exc~s ou la d~privation de thymidine pourraient difficilement s'expliquer autre- ment que par les oppositions pyrimidine- pyrimidine. On a peu de donn~es sur les erreurs in v ivo de la traduction, les meil- leures ~tant celles de Strigini et Brickman [14 ] . Ces auteurs ont 6tudi~ la lecture d'un codon nonsens par un tRNA suppres- seur qui correspond normalement ~ u n autre codon nonsens. La s~quence m~me des codons impliqu~s fait qu'un tel sys- t~me ne peut a priori pas mettre en ~vi- dence les appariements pyrimidine-pyri- midine.

En 1975, Lomant et Fresco [ 15] avaient pass~ en revue les donn~es physico-chi- miques sur les associations entre polynu- cl~otides dont les s~quences ne sont pas parfaitement compl~mentaires, comme par ex. Poly(U) et Poly(A89, Ull). Que font les r~sidus de la cha~ne de Poly(A89, UH), forment-ils une paire U.U avec un r~sidu uracile de la cha~ne de Poly(U) ou bien sortent-ils carr~ment de I'h~lice corn- me ci-dessous

- - - U - U - U - U - U - U - U . . . . - - - A - A - A . A A - A - A . . . .

V U

Lomant et Fresco avaient ainsi class~ les paires de bases non compl~mentaires en deux cat6gories : celles qui sont corn-

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patibles avec la structure en double h~lice (G.U et C.A) et celles qui ne le sont pas, un des r~sidus dtant alors exclu (A.A, U.U, C.C et G.C). Toutes les don- n~es physico-chimiques qu'i ls avaient examinees dtaient en accord avec cette classification. II faut se garder de trans- poser ces r~sultats ~ la reconnaissance codon-anticodon ou ~ la r~plication du DNA, notaient ~ juste titre Lomant et Fresco [16]. En effet, dans rinteraction figur~e ci-dessus, I'exclusion d'un r~sidu U permet de remplacer une paire U.U par une paire U.A alors que, dans une inter- action entre s~quences moins homog~nes, par exemple 5,GUAs, et s,CUU5,, I'exclu- sion d'un U central ne s'accompagne d'aucune compensation.

II faut penser que Fresco et ses collabo- rateurs ont eu le Ioisir d'affiner r~cemment leurs analyses et d'6tablir le classement entre paires intra et extra h~licoidales dans des conditions qui autorisent I'extra- polation aux probl~mes mentionn~s. En effet, Topal et Fresco d~clarent s'appuyer sur ce genre de donn~es pour effectuer le classement entre paires exclues (les oppositions pyrimidine-pyrimidine) et les paires permises (toutes les autres) dans les erreurs in vivo. Le nouveau classement s'appuie d'une part sur les donn~es ant~- rieures, d'autre part sur de nouvelles don- n~es dont nous attendons la publication avec int~r~t. Par ailleurs, Topal et Fresco ont dessin~ des modules de tous les appariements possibles entre deux bases, en se donnant certaines r~gles du jeu. Dans leurs modules, les formes tauto- m~res des bases sont permises ; en cela ils reprennent la th~orie classique de la mutagen~se qui attribue les transitions des appariements G.T ou C.A dans les- quels T ou G ont la forme dnol au lieu de la forme c~to, et C ou A ont la forme imino. De plus, ils admettent que les pu- rines peuvent se presenter retourn~es de 180 ° par rapport ~ leur position habitue# le, comme I'avaient notamment sugg~r~ Sakore et Sobell [1~]. Moyennant ces degr~s de libertY, ils ont cherch~ ~ for- mer les paires de bases qui ont une dimension tr~s voisine de celles de Watson et Crick. IIs trouvent justement ainsi celles qui correspondent au Tableau I. Leur postulat N ° I consiste dans I 'aff ir- mation que qualitativernent, les erreurs observ~es in vivo sont celles d~crites dans le Tableau I. Leur postulat N ° 2

permet de calculer quantitativement les taux d'erreurs. La probabilitd pour une base d'etre la forme tautom~re impro- bable est prise voisine de 10 °~, de m~me que la probabilitd pour une purine d'etre retourn~e de 180 °. Dans la reconnaissance codon-anticodon on doit donc s'attendre

un taux d'erreurs, de I'ordre de 3.10 -5. Dans la r~plication, compte-tenu de la fonction correctrice de la DNA polym6- rase (voir notre chronique pr~cddente : Regard sur la Biochimie, n ° 1, p. 14, 1975) on peut estimer que le taux d'er - reurs global sera proche du carr~ du taux d'erreurs ~ I' incorporation et avoisinera 10 -1°. Tenant compte de divers facteurs correctifs, Topal et Fresco en arrivent proposer des taux standard pour les six types de transitions et transversions, et comparent ces taux aux donndes exp~ri- mentales de Fowler, Degnen et Cox relati- ves aux mutations dans le g~ne de la tryp- tophane synth~tase [18]. Le lecteur qui aurait la patience de reporter sur un gra- phique les valeurs calcul6es par Topal et Fresco et les valeurs exp6rimentales four- nies par Fowler et coll. (Tableau 4, p. 185 de leur article) verra qu'entre les deux s~ries, la corr61ation est n~gative.

Selon toute vraisemblance donc, i l restera peu de chose des deux articles vedette de Nature.

Dans la plupart des branches en d~ve- Ioppement de la science, on voit des conceptions s'opposer, des ~coles s'af- fronter. Pendant Iongtemps la biologie mol~culaire a ~chapp6 ~ cette r~gle. A la quasi-unanimitY, on consid~rait que I'ob- jet de cette science ~tait d'expliquer la fonction par la structure. La tentative de Topal et Fresco s'inscrit dans cette ligne. Mais le ilion commence ~ s'~puiser, et I 'on d~couvre de plus en plus de ph~no- m~nes qui ne peuvent ~tre compris que dans une perspective globale et dyna- mique. Un des exemples les plus r~cents concerne le mutant X 86 du r~presseur de I'op~ron lactose [19]. Les ~tudes in vitro montrent que le r~presseur de X 86 a une affinit~ pour le site op~rateur cinquante fois plus grande que celle du r~presseur sauvage. Or, le mutant X 86 est constitutif, c'est-&-dire que tout se passe comme si le r~presseur ne jouait pas son r61e in vivo. L'explication est simple. Le r~presseur peut se fixer non seulement & I'op6rateur, mais en d'autres sites du DNA cellutaire. Le fait pour I'op~-

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rateur d'etre bloqu& par le r~presseur ou non bloqu~ va d~pendre du r~sultat de toutes les comp6titions entre le r~pres- sour et les autres molecules ayant de raf - finit6 pour le DNA aux divers sites op~- rateur et non op~rateur du g~nome. L'allble X 86 qui a une affinit6 plus grande tant pour le site sp~cifique que pour les sites non sp~cifiques aura des chances accrues d'etre de f a c t o li~ aux consequences non sp~cifiques, ainsi qu" on pout le d~montrer par le calcul. Une ~tude cristallographique de I'interaction DNA- r6presseur permettrait ~ventuellement de comprendre pourquoi X 86 a plus d'af- finit6 pour le DNA que I'all6le sauvage, mais ne permettrait en rien de com- prendre pourquoi X 86 est constitutif.

Alors que le point de vue dynamique est en train de s'imposer dans tous les probl~mes de reconnaissance et en parti- culier dans la comprehension des erreurs de traduction et de r6plication, I'attache- ment que manifeste Natu re au point de vue orthodoxe, structural, me para~t contribuer de mani~re n~gative au pro- gr~s des id les dans le domaine.

Dans un monde scientifique ob de plus en plus le chercheur est jug& en fonction de crit~res pseudo-objectifs et ob la presse scientifique francaise est publique- ment d~nigr~e au nom de ces crit~res [20, 21] i l n'~tait sans doute pas inutile de relever la t~te et porter ~ notre tour des appreciations critiques - - cette fois, fon- d~es scientifiquement ~ sur ce qui se fait et se publie ailleurs.

De notre correspondant en biochimie ~volutive.

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D. G. R. S .T .

Appel d'offres 1977 de I 'Action compl6mentaire coordonn~e (( Chimie analytique ))

Date limite de d6p6t des dossiers : 25 F6vrier 1977.

Pour tout renseignement, s'adresser ~ : M. Fleury M =" Kovacs T61. : 550.32.50

Pour r~soudre les probl~mes de com- position et caract6risation des mat$riaux $manant de secteurs tels que la chimie, la p~trochimie, la m6tallurgie, r~lectro- nique, les travaux publics, les industries de transformation, les domaines agricole et alimentaire, biomedical, etc.,, la D. G.R.S.T. soutiendra toute action caract~re incitatif propre ~ promouvoir la mise au point de m$thodes analytiques plus performantes ou d'application plus g~n6rale que celles actuellement utilis6es. En particulier, les quatre thames suivants ont $t6 retenus : I °) Capteurs chimiques s$iectifs. 2 °) D~termination des impuret~s ~ tr~s

faible teneur dans un mat$riau massif et de leurs profils de diffusion.

3 °) Electrochimie analytique. 4 °) Analyse multi~16mentaire.

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