Relecture cinétique - Kinetic proofreading

La relecture cinétique (ou amplification cinétique ) est un mécanisme de correction d'erreurs dans les réactions biochimiques , proposé indépendamment par John Hopfield (1974) et Jacques Ninio (1975). La relecture cinétique permet aux enzymes de discriminer entre deux voies de réaction possibles conduisant à des produits corrects ou incorrects avec une précision supérieure à ce que l'on pourrait prédire sur la base de la différence d' énergie d'activation entre ces deux voies.

Une spécificité accrue est obtenue en introduisant une étape irréversible sortant de la voie, avec des intermédiaires de réaction conduisant à des produits incorrects plus susceptibles de sortir prématurément de la voie que des intermédiaires de réaction conduisant au produit correct. Si l'étape de sortie est rapide par rapport à l'étape suivante de la voie, la spécificité peut être augmentée d'un facteur allant jusqu'au rapport entre les deux constantes de taux de sortie. (Si l'étape suivante est rapide par rapport à l'étape de sortie, la spécificité ne sera pas augmentée car il n'y aura pas assez de temps pour que la sortie se produise.) Cela peut être répété plus d'une fois pour augmenter encore la spécificité.

Paradoxe de spécificité

En synthèse protéique , le taux d'erreur est de l'ordre de 1 sur 10 000. Cela signifie que lorsqu'un ribosome fait correspondre les anticodons de l' ARNt aux codons de l' ARNm , il fait correspondre correctement les séquences complémentaires presque tout le temps. Hopfield a noté qu'en raison de la similitude des substrats (la différence entre un mauvais codon et un bon codon peut être aussi petite qu'une différence dans une seule base), un taux d'erreur aussi faible est impossible à atteindre avec un mécanisme en une étape. Les ARNt faux et corrects peuvent se lier au ribosome, et si le ribosome ne peut les distinguer que par appariement complémentaire de l'anticodon, il doit s'appuyer sur la petite différence d' énergie libre entre la liaison de trois bases complémentaires appariées ou seulement deux.

Une machine à un coup qui teste si les codons correspondent ou non en examinant si le codon et l'anticodon sont liés ne sera pas en mesure de faire la différence entre le mauvais et le bon codon avec un taux d'erreur inférieur à à moins que la différence d'énergie libre soit d'au moins 10 kT , ce qui est beaucoup plus grand que la différence d'énergie libre pour la liaison d'un seul codon. Il s'agit d'une limite thermodynamique, elle ne peut donc pas être contournée en construisant une machine différente. Cependant, cela peut être surmonté par la relecture cinétique, qui introduit une étape irréversible par l'apport d'énergie. ${\displaystyle e^{-10}}$

Un autre mécanisme de reconnaissance moléculaire, qui ne nécessite pas de dépense d'énergie gratuite, est celui de la relecture conformationnelle . Le produit incorrect peut également être formé mais hydrolysé à un taux plus élevé que le produit correct, donnant la possibilité d'une spécificité théoriquement infinie plus vous laissez cette réaction se dérouler, mais au prix de grandes quantités du produit correct également. (Il y a donc un compromis entre la production du produit et son efficacité.) L'activité hydrolytique peut être sur la même enzyme, comme dans les ADN polymérases avec des fonctions d'édition, ou sur des enzymes différentes.

Cliquet multi-étapes

Hopfield a suggéré un moyen simple d'obtenir des taux d'erreur plus faibles en utilisant un cliquet moléculaire qui prend de nombreuses étapes irréversibles, chaque test pour voir si les séquences correspondent. À chaque étape, de l'énergie est dépensée et la spécificité (le rapport du substrat correct au substrat incorrect à ce point de la voie) augmente.

Le besoin en énergie à chaque pas du rochet est dû à la nécessité que les pas soient irréversibles ; pour que la spécificité augmente, l'entrée du substrat et de l'analogue doit se produire en grande partie par la voie d'entrée et sortir en grande partie par la voie de sortie. Si l'entrée était un équilibre, les étapes précédentes formeraient un pré-équilibre et les avantages spécifiques de l'entrée dans la voie (moins probable pour l'analogue du substrat) seraient perdus ; si l'étape de sortie était un équilibre, alors l'analogue de substrat serait capable de réintégrer la voie par l'étape de sortie, en contournant complètement la spécificité des étapes précédentes.

Bien qu'un test échouera à faire la distinction entre les séquences non appariées et appariées une fraction du temps, deux tests échoueront tous les deux seulement du temps, et N tests échoueront du temps. En termes d'énergie libre, le pouvoir de discrimination de N tests successifs pour deux états avec une énergie libre est le même qu'un test entre deux états avec une énergie libre . ${\displaystyle p=e^{-\Delta F/kT}}$${\style d'affichage p^{2}}$${\style d'affichage p^{N}}$${\style d'affichage \Delta F}$${\style d'affichage N\Delta F}$

L'obtention d'un taux d'erreur de nécessite plusieurs étapes de comparaison. Hopfield a prédit sur la base de cette théorie qu'il existe un cliquet à plusieurs étages dans le ribosome qui teste la correspondance plusieurs fois avant d'incorporer l'acide aminé suivant dans la protéine. ${\displaystyle e^{-10}}$

Exemples expérimentaux

Comparaison entre un mécanisme classique d'interaction moléculaire (A) et une relecture cinétique en une étape (B). En raison de la réaction ajoutée marquée en orange en (B), le taux de production de la perle rouge est beaucoup plus dépendant de la valeur dont est l'objet de la relecture cinétique.${\displaystyle k_{-1}}$

• Charger les ARNt avec leurs acides aminés respectifs - l'enzyme qui charge l' ARNt est appelée aminoacyl ARNt synthétase . Cette enzyme utilise un état intermédiaire à haute énergie pour augmenter la fidélité de liaison de la bonne paire d'ARNt et d'acide aminé. Dans ce cas, l'énergie est utilisée pour rendre l'intermédiaire de haute énergie (rendant la voie d'entrée irréversible), et la voie de sortie est irréversible en raison de la différence de dissociation à haute énergie.
• Recombinaison homologue - La recombinaison homologue facilite l'échange entre des brins d'ADN homologues ou presque homologues. Au cours de ce processus, la protéine RecA polymérise le long d'un ADN et ce filament ADN-protéine recherche une séquence d'ADN homologue. Les deux processus de polymérisation RecA et de recherche d'homologie utilisent le mécanisme de relecture cinétique.
• Reconnaissance et réparation des dommages à l'ADN - un certain mécanisme de réparation de l'ADN utilise la relecture cinétique pour discriminer l'ADN endommagé. Certaines ADN polymérases peuvent également détecter lorsqu'elles ont ajouté une base incorrecte et sont capables de l'hydrolyser immédiatement ; dans ce cas, l'étape irréversible (nécessitant de l'énergie) est l'ajout de la base.
• Discrimination des antigènes par les récepteurs des cellules T - Les cellules T répondent aux antigènes étrangers à de faibles concentrations, tout en ignorant les antigènes du soi présents à une concentration beaucoup plus élevée. Cette capacité est connue sous le nom de discrimination antigénique . Les récepteurs des cellules T utilisent la relecture cinétique pour faire la distinction entre les antigènes d' affinité élevée et faible présentés sur une molécule du CMH . Les étapes intermédiaires de relecture cinétique sont réalisées par de multiples cycles de phosphorylation du récepteur et de ses protéines adaptatrices.

Considérations théoriques

Temps de premier passage universel

Les processus biochimiques qui utilisent la relecture cinétique pour améliorer la spécificité mettent en œuvre le cliquet à plusieurs étapes induisant un retard par une variété de réseaux biochimiques distincts. Néanmoins, de nombreux réseaux de ce type entraînent des délais d'achèvement de l'assemblage moléculaire et des étapes de relecture (également appelés temps de premier passage ) qui se rapprochent d'une forme exponentielle quasi universelle pour des taux de relecture élevés et des réseaux de grande taille. Étant donné que les temps d'achèvement exponentiels sont caractéristiques d'un processus de Markov à deux états , cette observation fait de la relecture cinétique l'un des rares exemples de processus biochimiques où la complexité structurelle se traduit par une dynamique phénoménologique à grande échelle beaucoup plus simple.

Topologie

L'augmentation de la spécificité, ou le facteur d'amplification global d'un réseau de relecture cinétique pouvant comporter plusieurs voies et notamment des boucles est intimement liée à la topologie du réseau : la spécificité croît de manière exponentielle avec le nombre de boucles du réseau. Un exemple est la recombinaison homologue dans laquelle le nombre de boucles évolue comme le carré de la longueur de l'ADN. Le temps de complétion universel apparaît précisément dans ce régime de grand nombre de boucles et d'amplification élevée.

Les références

Lectures complémentaires