Décrypter les structures 3D de l’ADN et de l’ARN grâce au dichroïsme circulaire

Les acides nucléiques (AN) ne sont plus considérés comme de simples vecteurs passifs de l’information génétique. En solution, l’ADN et l’ARN peuvent adopter une grande variété de conformations structurales, allant des doubles hélices canoniques à des motifs tels que les quadruplexes ou les pseudonœuds. Ces structures jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus biologiques, notamment la régulation de l’expression des gènes ou l’activité catalytique (ribozymes) de certaines molécules d’ARN. Ces arrangements structuraux sont très sensibles à leur environnement : de faibles variations de la concentration en ions, de la température ou de l’encombrement moléculaire peuvent modifier les équilibres thermodynamiques et, par conséquent, les fonctions biologiques des acides nucléiques. Cette plasticité structurale est au cœur du fonctionnement cellulaire et constitue également l’un des fondements du développement rapide des médicaments à base d’acides nucléiques, notamment ceux utilisant des ARN codants ou non codants.

Les techniques à haute résolution, telles que la cristallographie aux rayons X, la RMN ou la cryo-microscopie électronique, permettent d’obtenir des informations structurales détaillées. Elles sont toutefois souvent soumises à des contraintes liées à la cristallinité des échantillons, à la nécessité de travailler à des concentrations élevées ou à la taille des molécules étudiées. À l’inverse, les spectroscopies optiques offrent une approche rapide et non destructive pour suivre le repliement des molécules et leurs réponses aux variations de l’environnement en solution, sans limitation liée à leur taille. Parmi ces techniques, la spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD) est particulièrement intéressante en raison de sa sensibilité à l’organisation chirale des acides nucléiques. Dans l’ultraviolet, les signaux de dichroïsme circulaire résultent des transitions électroniques et produisent des profils spectraux caractéristiques qui renseignent sur l’hélicité, l’empilement des bases, leur appariement et, plus généralement, sur la structure secondaire des molécules.

Malgré son potentiel, l’utilisation de la spectroscopie CD pour analyser les structures des acides nucléiques est restée jusqu’à présent largement qualitative. Si des méthodes d’interprétation quantitative sont bien établies pour la caractérisation des protéines, les acides nucléiques présentent une difficulté particulière : ils existent sous forme d’ensembles hétérogènes de conformations. Des hélices canoniques, des intermédiaires partiellement repliés et des structures non canoniques peuvent coexister au sein d’un même échantillon, produisant des spectres composites dont les différentes signatures se chevauchent et sont particulièrement difficiles à interpréter. Par ailleurs, le dichroïsme circulaire par rayonnement synchrotron (SRCD) a permis d’élargir la gamme de longueurs d’onde accessible et d’augmenter la quantité d’informations obtenues. Le domaine ne disposait toutefois pas jusqu’ici d’un cadre de référence standardisé et suffisamment complet. Cette lacune limitait l’analyse CD à une simple « empreinte spectrale », empêchant d’effectuer les caractérisations structurales quantitatives et précises nécessaires au développement moderne de médicaments et à leur contrôle qualité.

Pour relever ce défi, NA-CDQuant est un nouvel algorithme de déconvolution conçu pour faire évoluer la spectroscopie CD, d’un outil essentiellement descriptif et qualitatif vers une méthode d’analyse quantitative précise. L’algorithme s’appuie sur plus de 200 spectres UV-SRCD déposés dans la base de données de spectres d’acides nucléiques (NACDDB) et utilise 18 spectres de référence correspondant à différentes familles conformationnelles. Cette approche systématique permet de surmonter les difficultés liées au chevauchement des signatures spectrales et au polymorphisme structural, en déterminant avec précision la proportion relative des différentes conformations d’ADN ou d’ARN coexistantes dans un échantillon.

Le développement de NA-CDQuant établit ainsi un lien concret entre la spectroscopie moléculaire des acides nucléiques et la compréhension de leurs fonctions biologiques. En permettant une caractérisation structurale précise, cette approche constitue un outil important pour le développement de nouvelles thérapies à base d’acides nucléiques. Cette avancée est le fruit d’une collaboration internationale entre la ligne de lumière DISCO du synchrotron SOLEIL, le CEA/LLB, SDSM&T (États-Unis), l’ISA (Danemark) et Sanofi.