Dissecting enzymatic features of reverse Gyrase and hyperthermophilic Topoisomerase III through a single-molecule perspective

par Xi Yang

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Marc Nadal.

Soutenue le 12-09-2019

à l'Université de Paris (2019-....) , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Institut Jacques Monod (Paris) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Yves Pommier.

Le jury était composé de Marc Nadal, Yves Pommier, David Bensimon, Jean-François Riou, Valérie Lamour.

Les rapporteurs étaient David Bensimon, Jean-François Riou.

  • Titre traduit

    [Dissection des caractéristiques enzymatiques de la gyrase inverse et de la topoisomérase III hyperthermophile dans une perspective à molécule unique]


  • Résumé

    Les ADN topoisomerérasessont des enzymes présentent chez tous les organismes vivant et elles résolvent les problèmes topologique de l’ADN grâce à des réactions de clivage et de religation. Ces enzymes ubiquitaires jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus du métabolisme de l’ADN tel que la réplication et la reparation de l’ADN, la transcription, la recombinaison, la séparation des chromatides et la stabilité des génomes. Les topoisomérases sont classées en famille de type I et de type II selon leur structure et leur méchanisme. Parmi les topoisomérases de type I, une sous-famille a une structure en forme de cadenas et une reaction fondamentale de passage de brin qui supprime les surenroulement négatif un par un. Elles sont divisées en trois groupes : les Topo I, les TopoIII et les reverse gyrase (RG). Les TopoI sont très efficace pour relaché les ADN sous-enroulés alors que les Topo III sont plus apte à traiter les problèmes de caténation de l’ADN. La reverse gyrase est une enzyme chimérique composé d’une hélicase de type RecQ et d’une Top IA. L’interaction helicase–topoisomérase confère à la reverse gyrase une nouvelle fonctionnalité lui permettant d’augmenter l’enchevêtrement des deux brins d’ADN en s’opposant à la torsion. Nous avons effectué des expériences en molécule unique pour disséquer le mécanisme de RG2 (TopR2) de Sulfolobus solfataricus dont l’activité est strictement dépendante de la présence d’ATP. Nous avons observé que la fixation initiale de TopR2 génère une bulle d’ADN de 20 paires de base et que la fixation de l’ATP referme l’ADN sur 10 paires de base. L’hydrolyse d’ATP entraine ensuite le passage de brin d’ADN et la reformation de la bulle initiale d’ADN de 20 paires de base aboutissant à une augmentation de l’enchevêtrement des brins d’ADN de un. Nous avons également décrit une caractéristique unique de TopA de S. solfataricus, une Topo III hyperthermophile. Cette enzyme peut séparer efficacement des caténanes fermés covalement et cette activité tire parti de la présence de régions d’ADN simple brin qui est favorisée haute température et qui peut être également stabilisée par des protéines liant l’ADN simple brin.


  • Résumé

    DNA topoisomerases are present among all the living organisms and they resolve DNA topological problems through strand cleavage and re-ligation reactions. These ubiquitous enzymes play crucial roles in plenty of processes of DNA metabolism such as DNA replication and repair, transcription, recombination and chromatid segregation. Topoisomerases are categorized into type I and type II families concerning their differences in protein structure and mechanism. Among type I topoisomerases, Top IA sub-family enzymes share a padlock shape and a strand-passage core reaction which removes DNA negative supercoils one by one. They are subdivided into three groups: Topo I, Topo III and reverse gyrase (RG). Topo I is efficient at relaxing underwound DNA while Topo III ismore adept at dealing with DNA catenation issues. RG is a chimera composed of a RecQ-like helicase and a Top IA. The helicase-topoisomerase interplay provides new functionality to RG which allows it to increase DNA linking number against torque. We applied single-molecule experimentation to dissect the mechanism of a Sulfolobus solfataricus RG (TopR2) which catalysis is strictly dependent on the presence of ATP. We observed that the initial binding of TopR2 on DNA generates a 20 base pair DNA bubble and ATP binding rewinds about 10 base pair within the bubble. The following ATP hydrolysis leads to DNA strand-passage and reforming of the initial 20 base pair DNA bubble, resulting in one unit increase of DNA linking number. We also describe the unique functionality of S. solfataricus TopA, a hyperthermophilic Topo III, to efficiently unlink covalently closed DNA catenanes. This activity is found benefited from the single-strand DNA region generated with high thermal energy and also promoted by single-strand DNA binding proteins.

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