Si des décennies de science-fiction ringard et de culture pop nous ont appris quelque chose, c’est que le rayonnement est une mauvaise chose universelle qui provoque invariablement les mutations génétiques qui nous ont donné tout, de Godzilla à Blinky le poisson à trois yeux. Il y a un noyau de vérité là-dedans, bien sûr. Il suffit de regarder des images de ce qui est arrivé aux survivants d’Hiroshima ou aux premiers intervenants de Tchernobyl pour voir des exemples extrêmes de ce que le rayonnement peut faire aux tissus vivants.
Mais comme c’est généralement le cas, un examen plus approfondi d’exemples un peu plus éloignés des extrêmes peut être instructif et nous en dire un peu plus sur la façon dont les rayonnements, ionisants et non ionisants, peuvent endommager les structures et les processus biochimiques. Cela révèle que, bien que l’ADN soit certainement dans la ligne de mire des dommages causés par les radiations, ce n’est pas la seule cible – les protéines, les glucides et même les lipides qui forment les membranes des cellules sont sujets aux dommages causés par les radiations, à la fois directement et indirectement. Et les mécanismes sous-jacents à tout cela finissent par révéler beaucoup sur l’évolution de la vie, tout en étant intéressants en eux-mêmes.
Une proposition radicale
Curieusement, la principale cible des rayonnements ionisants dans la cellule n’est pas l’un des suspects habituels comme l’ADN ou les protéines, mais quelque chose d’assez inattendu : l’eau. Cela a du sens quand on y pense; en moyenne, 70% de chaque cellule est composée de molécules d’eau, c’est donc de loin la cible la plus importante en termes de volume. L’eau absorbe la majeure partie de l’énergie transférée aux cellules par les radiations, que ce soit sous forme de photons – rayons gamma, rayons X, rayons cosmiques et lumière ultraviolette – ou de particules – rayons alpha et bêta, neutrons rapides, etc. Et les changements que ce transfert d’énergie induit dans les molécules d’eau peut être responsable d’effets biologiques dramatiques.
Lorsqu’une molécule d’eau est frappée par un événement ionisant, elle laisse derrière elle une espèce chargée positivement et un électron libre. Ces deux éléments sont assez réactifs et déclenchent une cascade de réactions pouvant entraîner la production de radicaux libres, qui sont essentiellement des molécules possédant un électron non apparié. Le radical libre primaire qui résulte de l’ionisation de l’eau est le radical hydroxyle, qui est un hydrogène et l’oxygène de la molécule d’eau d’origine, avec un électron non apparié sur l’oxygène. Les radicaux hydroxyles et les produits apparentés des événements ionisants sont connus collectivement sous le nom d’espèces réactives de l’oxygène, ou ROS.
Grâce à cet électron non apparié, les radicaux hydroxyle sont si réactifs qu’ils sont pratiquement assurés de réagir avec quelque chose dans le diamètre de seulement deux molécules d’eau à partir de l’événement d’ionisation, à une très petite distance en effet. C’est une très mauvaise nouvelle, car ce que l’hydroxyle veut vraiment, c’est se connecter à un proton pour qu’il puisse redevenir de l’eau ordinaire, et peu importe d’où il tire ce proton. Cela peut sonner le glas de quelque chose comme l’ADN, qui est principalement composé de désoxyribose de sucre à cinq carbones; lorsqu’un radical hydroxyle retire un proton de ce sucre, il laisse une lésion sur le squelette de la double hélice d’ADN qui le rend sujet à la rupture.
Quelle que soit la cible, les dommages biologiques résultant d’un stress oxydatif radio-induit sont appelés dommages indirects, car l’énergie du rayonnement d’origine est transférée par l’intermédiaire de radicaux libres. On estime que 70% à 80% des dommages causés par les radiations sont des dommages indirects, ce qui est encore une fois logique en raison de la quantité d’eau dans une cellule.
Trous dans les os
Les macromolécules biologiques peuvent également subir des dommages directs dus aux radiations et, selon la cible, les résultats peuvent être catastrophiques. Cela peut entraîner une grande partie du même type de dommages que les réactions de stress oxydatif provoquent, sauf sans la limitation imposée par la fenêtre d’opportunité étroite que les radicaux hydroxyle doivent agir. De plus, en raison de la façon dont l’ADN est emballé dans les cellules – chaque cellule de votre corps contient plus d’un mètre d’ADN ; pour emballer le tout, il est étroitement enroulé autour de protéines appelées histones – il est probable qu’un photon incident de rayonnement ionisant puisse causer plus d’une lésion sur une petite portion d’ADN. Ceci est aggravé par la structure réelle de l’ADN – malgré les caricatures simplifiées, l’ADN n’est pas une échelle, mais plutôt une double hélice avec des brins opposés en fait très proches les uns des autres – ce qui rend très probable que le rayonnement direct se traduira par une cassure double brin de l’ADN. Les bases contenant des informations à l’intérieur de la double hélice sont également soumises à des dommages directs par rayonnement.
Bien que l’ADN reçoive beaucoup d’attention, ce n’est pas la seule cible potentielle de dommages directs causés par les radiations, ni nécessairement la plus importante. Les protéines sont également sujettes à des dommages, parfois visiblement. Des expériences récentes ont en fait montré la trace physique des rayons X à haute énergie lorsqu’ils traversaient des échantillons d’os, se présentant sous la forme d’une série de minuscules trous où le rayonnement détruisait le collagène, une protéine fibreuse résistante présente dans les tissus structuraux. On pense que les dommages causés par les rayons X ont été amplifiés dans une certaine mesure par les cristaux minéraux de calcium et de phosphore dans l’os, entraînant des dommages au-delà du chemin d’origine du rayonnement. Bien que les protéines non structurelles, comme les enzymes, n’aient pas été étudiées ici, on peut supposer qu’elles subiraient le même type de dommages par rayonnement direct, le même type d’amplification étant possible.
Lié par la lumière
Ce ne sont pas seulement les rayonnements ionisants qui causent des dommages directs aux macromolécules biologiques. Comme le savent tous ceux qui ont déjà eu un coup de soleil, la lumière ultraviolette peut aussi causer beaucoup de dégâts. Alors que l’ADN est en fait assez efficace pour se protéger des dommages causés par les UV – la majeure partie de l’énergie des UV est simplement convertie en chaleur par l’ADN – une partie des UV se glisse jusqu’aux bases de codage de l’information à l’intérieur de la double hélice. Ici, il peut former ce que l’on appelle des dimères de pyrimidine, où les bases de pyrimidine adjacentes – la thymine (T) et la cytosine (C) – se lient de manière covalente. Cela se produit lorsque la lumière dans la gamme UV-B frappe les doubles liaisons carbone-carbone dans la structure cyclique des bases pyrimidiques. Le résultat est que les deux bases adjacentes sont reliées par un cycle à quatre carbones, appelé cycle cyclobutane :
Lorsqu’un dimère se forme, il introduit un « pli » conformationnel dans le squelette de l’ADN, désigné par le « R – R » dans le diagramme. Normalement, la thymine (T) sur un brin de la double hélice d’ADN se lie à l’adénine (A) sur l’autre brin, mais la formation d’un dimère laisse ces résidus A inégalés. Le tout est une situation désordonnée qui présente un certain nombre de défis à la cellule.
Le premier est le problème de la réplication de l’ADN. Normalement, une enzyme appelée ADN polymérase parcourt la longueur d’un brin d’ADN, le décompresse et fait une copie exacte des deux brins. Le pli induit par un dimère de thymine rend difficile la descente de l’ADN polymérase dans le brin, ralentissant potentiellement la réplication ou même s’arrêtant complètement au niveau de la lésion. Heureusement, il existe des variantes de l’ADN polymérase qui ont évolué pour traiter les dimères de thymine ; malheureusement, ils ont tendance à être un peu sujets aux erreurs, bourrant n’importe quelle ancienne base dans le brin d’ADN en croissance plutôt que la paire d’adénines qu’elle devrait. Cela entraîne des modifications du code génétique dans les nouveaux brins d’ADN, ce qui peut être une très mauvaise chose.
Il existe également un problème de transcription, qui crée la matrice d’ARN messager (ARNm) utilisée pour diriger la synthèse des protéines. L’enzyme qui dirige cela s’appelle l’ARN polymérase, qui peut également se bloquer au niveau du coude produit par les dimères de thymine. Cela peut entraîner des modèles d’ARNm tronqués, avec des résultats potentiellement désastreux s’ils finissent par être transcrits en protéines de longueur partielle. Il y a beaucoup de choses qui peuvent mal tourner avec une cellule grâce à un peu de lumière UV.
La brigade de réparation
Ironiquement, cependant, le fait que les dimères de thymine puissent se former si facilement – certaines estimations indiquent que 50 à 100 dimères de thymine se forment chaque seconde la peau humaine est exposée au soleil, à un lit de bronzage ou même à la lumière UV nécessaire pour durcir le vernis à ongles, semble-t-il – peut avoir été la pression évolutive nécessaire pour construire la machinerie biochimique nécessaire pour réparer ces lésions. Toute une série d’enzymes de réparation de l’ADN, appelées photolyases, ont évolué pour fixer les dimères de thymine et d’autres dommages radio-induits à l’ADN, en particulier chez les plantes, qui sont évidemment constamment sollicitées par la lumière ultraviolette. Les photolyases sont intéressantes car elles sont littéralement alimentées par l’énergie solaire – elles contiennent un « complexe d’antennes » composé de cofacteurs qui peuvent absorber la lumière à l’extrémité bleue du spectre et à leur tour transférer des électrons dans les dimères pour les dissocier.
Les photolyases sont évolutivement anciennes; on les trouve dans presque tous les organismes depuis les premières bactéries. Les humains et la plupart des autres mammifères ont développé une voie de réparation supplémentaire, appelée réparation par excision de nucléotide, pour traiter les dimères de thymine ; essentiellement, il reconnaît le pli de la colonne vertébrale et coupe enzymatiquement une section de chaque côté du brin d’ADN, qui est immédiatement remplie par une équipe d’enzymes.
Il est facile de dire que rien de bon ne peut provenir des rayonnements ionisants ou non ionisants agissant sur les tissus biologiques ; le simple fait de regarder les traces laissées dans les os par les rayons X confirme certainement cela. Mais les dommages causés par les radiations, en particulier à l’ADN, sont une arme à double tranchant. Oui, la plupart des lésions qui ne sont pas réparées peuvent potentiellement causer des problèmes, jusqu’à provoquer des cancers mortels. Mais les dommages causés par les radiations ont également été un moteur majeur des mutations qui alimentent l’évolution et, en tant que tels, sont à peu près responsables de ce que la vie est devenue au cours des deux derniers milliards d’années.
