Faits :
A.
Le bâtiment n° A499, sis sur la parcelle n° 145 du registre foncier de la commune de Genève, à l'adresse 2-4, rue des Deux-Ponts est propriété de la société A._ SA (ci-après : la société). Il se trouve en troisième zone de construction au sens de l'art. 19 al. 1 de la loi d'application de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire du 4 juin 1987 (LaLAT; RS/GE L 1 30) ainsi que des art. 26 à 29 de la loi cantonale sur les constructions et les installations diverses du 14 avril 1988 (LCI; RS/GE L 5 05). Il s'agit d'un bâtiment édifié en 1910, qui a abrité l'ancienne manufacture de chaînes Eugène Tissot puis la manufacture de cadrans Beyeler. Ce bâtiment a reçu la mention "intéressant" lors du recensement du patrimoine industriel du canton de Genève car il constituait un objet intéressant au niveau local ou régional, présentait des qualités architecturales évidentes en termes de volume ou de proportions, était représentatif d'une époque, d'un style ou d'un mouvement artistique ou artisanal ou que sa valeur pouvait être renforcée par son intégration à un ensemble dont il pourrait être dissocié.
Le bâtiment précité se situe aussi dans le périmètre n° 17 du relevé de l'inventaire fédéral des sites construits d'importance nationale à protéger en Suisse (ISOS), recensé en tant que "quartier de la Jonction", lequel bénéficie d'un objectif de sauvegarde A.
B.
Ce bâtiment a fait l'objet d'une transformation, d'une démolition partielle et d'une surélévation dans les années 2006 à 2007. Ces modifications ont entraîné par ailleurs un changement de l'affectation industrielle en une affectation administrative. Une autorisation de construire avait été délivrée en date du 3 avril 2007 et exécutée depuis lors.
C.
Par arrêté du 8 avril 2009, le Département des constructions et des technologies de l'information (devenu entre-temps le Département de l'aménagement, du logement et de l'énergie [ci-après : le DALE ou le Département]), a ordonné l'inscription à l'inventaire des immeubles dignes d'être protégés du bâtiment n° A499 et de la parcelle n° 145 de la commune de Genève. A la suite d'un recours de la société, le Tribunal administratif du canton de Genève a rendu un arrêt le 1 er juin 2010, réformant partiellement cet arrêté; les effets de l'inscription à l'inventaire étaient limités à ses façades originelles, avant surélévation, côté rue, fenêtres comprises. Par arrêté du 1 er septembre 2010, le Conseil d'Etat du canton de Genève, tenant compte de l'arrêt du 1 er juin 2010, a modifié son arrêté du 8 avril 2009, en ce sens que l'inscription à l'inventaire du bâtiment se limite à ses façades originelles, avant surélévation, côté rue, fenêtres comprises.
D.
Le 16 mars 2010, la société a déposé une demande définitive d'autorisation de construire tendant à la surélévation de l'immeuble, en créant deux étages supplémentaires, identiques à ceux réalisés dans le cadre de l'autorisation du 3 avril 2007.
Lors de l'instruction de la requête en autorisation de construire, la Commission des monuments, de la nature et des sites (ci-après : CMNS), la Ville de Genève et le Département de l'aménagement du territoire rattaché à l'Office de l'urbanisme ont émis des préavis défavorables.
La société a ensuite présenté six versions du projet de surélévation. La sixième version, datée du 20 décembre 2013, a recueilli un préavis favorable de la CMNS à l'octroi de la dérogation de l'art. 11 de la loi sur les constructions et les installations diverses du 14 avril 1988 (LCI; RS/GE L 5 05). En revanche, la Direction de la planification directrice cantonale et régionale, la Ville de Genève et la Commission d'architecture ont émis un préavis défavorable, pour des motifs esthétiques (mauvaise insertion urbanistique du projet).
Par décision du 1 er octobre 2014, le DALE a délivré l'autorisation de construire, assortie de deux conditions: les dispositions de la loi sur les démolitions, transformations et rénovations de maisons d'habitation du 25 janvier 1996 (LDTR; RS/GE L 5 20) devaient être respectées; le service juridique LDTR gardait une position réservée, en particulier concernant les loyers des logements créés par la surélévation.
E.
La Ville de Genève, Patrimoine Suisse Genève, Action Patrimoine Vivant et l'Association genevoise des locataires ont recouru auprès du Tribunal administratif de première instance du canton de Genève contre la décision du 1 er octobre 2014.
Après avoir tenu deux audiences de comparution personnelle et entendu deux témoins, le Tribunal administratif de première instance a admis les recours et annulé l'autorisation de construire, par jugement du 3 juillet 2015.
F.
La société a recouru auprès de la Chambre administrative de la Cour de justice du canton de Genève (ci-après: la Cour de justice) contre le jugement du 3 juillet 2015. Après avoir tenu une audience de comparution personnelle et d'enquêtes, la Cour de justice a admis le recours et rétabli l'autorisation de construire du 1 er octobre 2014, par arrêt du 5 avril 2016.
G.
Agissant par la voie du recours en matière de droit public, la Ville de Genève demande principalement au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du 5 avril 2016 et l'autorisation de construire du 1 er octobre 2014 et de rétablir le jugement du Tribunal administratif de première instance du 3 juillet 2015. Elle conclut subsidiairement au renvoi de la cause à l'instance précédente pour complément d'instruction et nouvelle décision au sens des considérants.
Invités à présenter des observations, le Département conclut au rejet du recours, alors que la société conclut à son irrecevabilité, subsidiairement à son rejet. La Cour de justice renonce à se déterminer. Un second échange d'écritures a eu lieu, au terme duquel les parties ont maintenu leurs conclusions.
Invité à se déterminer sur le fait que l'immeuble en question se trouve dans un quartier figurant à l'inventaire ISOS, l'Office fédéral de la culture est d'avis que le projet en question porte une atteinte significative à un site d'importance nationale sans qu'un intérêt public suffisant justifie cette atteinte. La Ville de Genève, le DALE et la société ont fait parvenir leurs observations à cet égard.

Considérant en droit :
1.
Dirigé contre une décision finale (<ref-law>) prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) dans le domaine du droit public des constructions (<ref-law>), le recours est en principe recevable comme recours en matière de droit public selon les <ref-law>, aucune des exceptions prévues à l'<ref-law> n'étant réalisée.
1.1. Une collectivité publique peut fonder sa qualité pour recourir sur l'<ref-law> si l'acte attaqué l'atteint de la même manière qu'un particulier ou de façon analogue, dans sa situation matérielle (patrimoine administratif ou financier) ou juridique et qu'elle a un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification. Un intérêt général à une correcte application du droit n'est cependant pas suffisant au regard de cette disposition (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 158; <ref-ruling> consid. 2.4.2 p. 406; <ref-ruling> consid. 1.3 p. 62 et les références citées).
Selon la jurisprudence, le voisin a qualité pour agir lorsque son terrain jouxte celui du constructeur ou se trouve à proximité immédiate de celui-ci (<ref-ruling> consid. 2b p. 174; <ref-ruling> consid. 5c p. 511). La distance par rapport à l'objet du litige ne constitue toutefois pas l'unique critère pour déterminer la qualité pour agir du voisin. S'il est certain ou très vraisemblable que l'installation litigieuse sera à l'origine d'immissions - bruit, vibrations, lumières ou autres - touchant spécialement les voisins, même situés à quelque distance, ces derniers peuvent avoir qualité pour recourir (<ref-ruling> consid. 2.3.1 p. 285; arrêt 1C_565/2012 du 23 janvier 2013 consid. 2.1 in SJ 2013 I 526). Le voisin doit en outre retirer un avantage pratique de l'annulation ou de la modification de la décision contestée qui permette d'admettre qu'il est touché dans un intérêt personnel se distinguant nettement de l'intérêt général des autres habitants de la collectivité concernée de manière à exclure l'action populaire; il doit ainsi invoquer des dispositions du droit public des constructions susceptibles d'avoir une incidence sur sa situation de fait ou de droit (<ref-ruling> consid. 2.2.3 et 2.3 p. 33 s.; <ref-ruling> consid. 1.3.1 s. p. 252 s.).
1.2. En l'espèce, la Ville de Genève a pris part à la procédure de recours devant la Cour de justice. Elle est particulièrement touchée par l'arrêt cantonal qui confirme le projet de construction sis sur une parcelle voisine de plusieurs biens-fonds lui appartenant; elle est notamment propriétaire des parcelles n° 1'300 et 1'897, situées de l'autre côté du Rhône, à partir desquelles le projet litigieux serait particulièrement visible. Elle dispose ainsi de la qualité pour recourir en vertu de l'<ref-law>. Il convient dès lors d'entrer en matière.
2.
Dans un grief formel qu'il convient d'examiner en premier lieu, la recourante se plaint de la constatation manifestement inexacte d'un fait.
2.1. Conformément à l'<ref-law>, le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente. L'<ref-law> lui permet cependant de rectifier ou compléter d'office les constatations de l'autorité précédente si les faits ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'<ref-law>.
2.2. La recourante reproche à l'instance précédente d'avoir retenu que l'architecture du quartier était amenée à évoluer, en particulier dans le sentier des Saules. La recourante soutient au contraire que les bâtiments existants ne vont subir aucune modification de leur gabarit dans les prochaines années.
Il ressort cependant du dossier que, lors de l'audience du 28 avril 2015, un membre de la CMNS a précisé que "lors de l'examen de la construction projetée, il n'avait pas été tenu compte du fait que l'immeuble voisin risquait d'être détruit". La Cour de justice n'a donc pas établi ce fait de façon arbitraire.
3.
La recourante soutient que c'est de manière insoutenable qu'une dérogation au gabarit de la construction a été octroyée. Elle se plaint d'une application arbitraire des art. 11 al. 4 et al. 6 LCI.
Elle se prévaut aussi à cet égard d'une violation de l'obligation de motiver (art. 29 al. 2 Cst.). Fût-il recevable, ce grief pourrait être d'emblée rejeté dans la mesure où la Cour de justice a amplement exposé les motifs qui l'ont guidée (voir infra consid. 3.2).
3.1. Le Tribunal fédéral ne revoit l'interprétation et l'application du droit cantonal et communal que sous l'angle de l'arbitraire. Une décision est arbitraire lorsqu'elle viole gravement une norme ou un principe juridique clair et indiscuté, ou lorsqu'elle contredit d'une manière choquante le sentiment de la justice et de l'équité. Le Tribunal fédéral n'a pas à déterminer quelle est l'interprétation correcte que l'autorité cantonale aurait dû donner des dispositions applicables; il doit uniquement examiner si l'interprétation qui a été faite est défendable. Par conséquent, si celle-ci ne se révèle pas déraisonnable ou manifestement contraire au sens et au but de la disposition ou de la législation cantonale en cause, elle sera confirmée, même si une autre solution paraît également concevable, voire préférable. De plus, il ne suffit pas que les motifs de la décision attaquée soient insoutenables, encore faut-il que cette dernière soit arbitraire dans son résultat (<ref-ruling> consid. 2.1 p. 18). Dans ce contexte, le recourant est soumis aux exigences accrues de motivation de l'<ref-law>.
3.2. La Ville de Genève reproche d'abord aux juges cantonaux de ne pas avoir passé en revue les quatre conditions prévues par l'art. 11 al. 4 LCI. Elle se limite cependant à dénoncer l'absence d' "analyse tangible et compréhensible" de ces conditions, sans pour autant démontrer en quoi elles ne seraient pas réunies. Il est ainsi douteux que ce grief satisfasse aux exigences accrues de motivation de l'<ref-law>. Fût-il recevable, ce grief devrait de toute façon être rejeté pour les motifs suivants.
3.2.1. A teneur de l'art. 11 al. 4 LCI, le Département peut, après consultation de la Commission d'architecture, autoriser un dépassement du gabarit prescrit par la loi lorsque les constructions prévues :
a) sont édifiées sur des terrains dont la surface libre est suffisante pour préserver les voisins des inconvénients que pourrait impliquer le supplément de hauteur;
b) n'excèdent pas l'indice d'utilisation du sol qui résulterait de la stricte application de la loi;
c) ne nuisent pas à l'harmonie de la silhouette de l'agglomération ni à la perception de sa topographie;
d) se justifient par leur aspect esthétique et leur destination et sont compatibles avec le caractère, l'harmonie et l'aménagement du quartier.
L'art. 11 al. 4 LCI prévoit encore que l'art. 4 al. 1 de la loi sur les commissions d'urbanisme et d'architecture du 24 février 1961 (LCUA; RS/GE L 1 55) est réservé. Il ressort de l'art. 4 al. 1 LCUA que la Commission d'architecture n'est plus consultée lorsque le projet fait l'objet d'un préavis de la Commission des monuments, de la nature et des sites.
3.2.2. En l'occurrence, l'absence d'inconvénients pour les voisins (art. 11 al. 4 let. a LCI) n'a jamais été mise en cause; les voisins n'ont par ailleurs pas fait opposition. S'agissant du respect de l'indice d'utilisation du sol (art. 11 al. 4 let. b LCI), il n'a jamais été sujet à discussion; le Département a rappelé, sans être contredit, qu'il n'existe pas de prescription en matière d'indice d'utilisation du sol pour la zone où est érigé le bâtiment à surélever.
S'agissant de l'absence de nuisance à l'harmonie de la silhouette de l'agglomération et à la perception de sa topographie (art. 11 al. 4 let. c LCI), les juges cantonaux ont exposé les raisons pour lesquelles le projet s'intégrait harmonieusement dans le quartier. En effet, l'instance précédente a retenu que la CMNS avait accordé une réelle importance à l'intégration de la surélévation dans le milieu existant, exigeant notamment que la cinquième façade, soit la toiture de la surélévation, fasse l'objet d'un traitement soigné, en raison de sa visibilité depuis le quartier de Saint-Jean. La cour cantonale a mis l'accent sur le fait que le projet autorisé résultait d'un travail concerté entre la CMNS et les mandataires de la société et que, par conséquent, la CMNS possédait une connaissance globale et approfondie de tous les aspects de cette surélévation; la CMNS avait travaillé à une intégration adéquate de cette dernière à cet endroit particulièrement exposé du bord du Rhône.
Quant à l'aspect esthétique et à la destination (art. 11 al. 4 let. d LCI), la cour cantonale a relevé que la CMNS avait exigé que l'esthétisme offert à la vue, depuis le quartier de Saint-Jean, qui surplombe directement les lieux, soit particulièrement soigné et, notamment, que la toiture de la surélévation s'apparente à une cinquième façade; elle a en outre précisé que l'affectation du projet était compatible avec l'aménagement du quartier, étant donné qu'elle s'inscrivait dans la continuité des logements pour étudiants existants dans le bâtiment.
3.2.3. La Ville de Genève conteste cette appréciation en se fondant sur les préavis défavorables - en particulier sur celui de la Commission d'architecture - selon lequel la surélévation rompt "radicalement avec la continuité du bâtiment altérant ainsi gravement la cohérence globale de l'immeuble".
La cour cantonale a cependant expliqué de manière défendable pourquoi elle se fondait sur le préavis de la CMNS, s'agissant de l'aspect esthétique. En effet, s'appuyant sur les travaux préparatoires (Mémorial du Grand Conseil 2003-2004/XI A 5893; Mémorial du Grand Conseil 2005-2006/V A 3504 et ss), elle a d'abord retenu que lors de l'adoption de ces normes, le souhait du législateur était d'exclure une double consultation de la CMNS et de la Commission d'architecture, afin d'alléger la procédure; cette modification devait également permettre d'éviter les préavis contradictoires. Elle en a déduit, sans arbitraire, que seule la CMNS était compétente pour donner son avis sur des projets régis par la loi genevoise sur la protection des monuments, de la nature et des sites du 4 juin 1976 (LPMNS; RS/GE L 4 05) ou situés dans des zones protégées et que la Commission d'architecture ne devait plus être consultée pour ces projets.
La cour cantonale a ensuite rappelé qu'aucune hiérarchie entre les différents préavis n'était requise par la LCI, mais que de jurisprudence cantonale constante une prééminence était reconnue à celui de la CMNS dans la mesure où cette dernière est composée de spécialistes en matière d'architecture, d'urbanisme et de conservation du patrimoine (art. 46 al. 2 LPMNS).
La Cour de justice a encore exposé que le DALE jouissait d'un large pouvoir d'appréciation dans l'octroi des dérogations, que les autorités des recours n'examinent qu'avec retenue. Elle a estimé que le DALE - confronté à deux préavis opposés - n'avait pas excédé ou abusé du pouvoir d'appréciation, en choisissant de suivre le préavis de la CMNS et en délivrant l'autorisation querellée. Pour arriver à ce résultat, la Cour de justice a analysé les différents préavis; elle a pris en compte le fait que le projet litigieux était issu des discussions entre la CMNS et les architectes, qui ont tenu compte des remarques et des souhaits formulés par la CMNS au cours des séances; le principal reproche formulé par les préavis négatifs était précisément la problématique qui a occupé les discussions entre la CMNS et les architectes du projet, soit de trouver une solution permettant à la surélévation de s'intégrer dans le milieu existant.
Pour répondre à cette préoccupation, la cour cantonale a pris en compte le fait que l'architecture du quartier était amenée à évoluer, en particulier sur le sentier des Saules et que c'était précisément l'expression différenciée et asymétrique du projet par rapport à la surélévation déjà réalisée qui avait incité la CMNS à entrer en matière; quant à l'exigence du respect de la continuité du bâtiment, les avis étaient partagés au sein même de la profession, si bien qu'il ne s'agissait nullement d'une exigence absolue; enfin, la surélévation était précisément conçue pour accueillir des universitaires, dans un complexe comprenant non seulement des logements mais également des salles de cours, d'étude et de réunion; ce projet venait terminer l'ensemble du bâtiment existant, qui propose déjà des solutions d'hébergement pour les étudiants; il était ainsi en relation avec l'affectation du bâtiment.
3.2.4. Par conséquent, la cour cantonale pouvait, vu l'argumentation qu'elle a développée, confirmer l'octroi d'une dérogation au gabarit, sans sombrer dans l'arbitraire. Il faut rappeler à cet égard que, s'agissant d'application du droit cantonal, il ne suffit pas de prétendre que la solution inverse serait aussi soutenable, ce que l'on peut envisager ici en raison des prises de position différentes des diverses instances saisies et des services consultés. Le caractère soutenable, voire même préférable, d'une autre solution ne rend pas choquante ou totalement déraisonnable celle retenue par la dernière instance cantonale. En l'occurrence, une application non arbitraire de l'art. 11 al. 4 LCI pouvait conduire au résultat adopté par la cour cantonale. Le grief d'application arbitraire de l'art. 11 al. 4 LCI doit ainsi être rejeté.
3.3. La Ville de Genève affirme ensuite que c'est de manière arbitraire que l'instance cantonale n'a pas examiné l'application de l'art. 11 al. 6 LCI.
Ce grief peut être d'emblée rejeté dans la mesure où l'art. 11 al. 6 LCI prévoit que, afin de permettre des solutions architecturales particulières et améliorer l'insertion dans le site, le Département peut, après consultation de la Commission d'architecture, autoriser l'application de gabarits différents sur les faces d'une construction. Il vise uniquement les gabarits différents sur les faces d'une construction, ce qui représente une situation différente de celle d'une surélévation de la même hauteur pour toutes les faces comme en l'espèce. Il n'y a par conséquent pas d'arbitraire à ne pas faire usage de cette dérogation.
4.
La recourante fait aussi valoir une violation des art. 6 de la loi fédérale sur la protection de la nature et du paysage du 1 er juillet 1966 (LPN; RS 451), 6, 9 et 17 LAT, dans la mesure où le projet litigieux se situe dans le périmètre "P 17 Quartier de la Jonction" figurant à l'inventaire fédéral ISOS. L'association Patrimoine Suisse Genève avait déjà fait valoir cet argument dans son recours auprès du Tribunal de première instance. La Cour de justice n'a cependant pas traité de ce grief dans son arrêt, celui-ci n'ayant pas été soulevé devant elle. Le DALE et la société estiment que ce nouvel argument n'est pas recevable, dans la mesure où la Ville de Genève ne s'y est jamais référée auparavant.
4.1. La LTF ne prévoit aucune disposition quant aux arguments juridiques que la partie recourante peut faire valoir devant le Tribunal fédéral. Elle connaît certes l'épuisement des instances (cf. <ref-law> pour le recours en matière civile, <ref-law> pour le recours en matière pénale et <ref-law> pour le recours en matière de droit public), mais ne prévoit formellement aucune règle quant à l'épuisement des griefs. Cela signifie donc que, dans la mesure où un nouveau grief se fonde sur l'état de fait retenu et qu'il n'augmente ni ne modifie les conclusions, il devrait en principe être recevable. Cette règle vaut en principe toujours lorsqu'il s'agit de droit fédéral (<ref-ruling> consid. 4.4.3 p. 156 s.).
4.2. En l'espèce, le DALE et la société ne contestent pas que le quartier dans lequel se situe bâtiment litigieux figure à l'inventaire ISOS. Il s'agit d'ailleurs d'un fait notoire. Dans la mesure où le nouveau grief ne se fonde pas sur un fait nouveau et où il n'augmente ni ne modifie les conclusions, il est recevable.
4.3. Aux termes de l'<ref-law>, l'inscription d'un objet d'importance nationale dans un inventaire fédéral indique que l'objet mérite spécialement d'être conservé intact ou en tout cas d'être ménagé le plus possible, y compris au moyen de mesures de reconstitution ou de remplacement adéquates. Cette protection ne souffre aucune exception lorsqu'elle intervient dans le cadre de l'accomplissement d'une tâche fédérale, au sens de l'<ref-law> (cf. <ref-law>; arrêt 1C_488/2015 du 24 août 2016 consid. 4.3). Lorsqu'il n'est, comme en l'espèce, pas question de l'exécution d'une telle tâche, la protection des objets inventoriés est concrétisée par le droit cantonal conformément à l'art. 78 al. 1 Cst. (cf. <ref-ruling> consid. 2.1 p. 212 s.; arrêt 1C_488/2015 précité consid. 4.3).
L'inventaire ISOS doit être pris en considération dans la pesée des intérêts de chaque cas d'espèce - y compris lors de l'accomplissement de tâches purement cantonales et communales -, en tant que manifestation d'un intérêt fédéral (THIERRY LARGEY, La protection du patrimoine, in : RDAF 2012 p. 295). Une atteinte demeure possible lorsqu'elle n'altère pas l'identité de l'objet protégé ni le but assigné à sa protection; celui-ci découle du contenu de la protection mentionné dans l'inventaire et les fiches qui l'accompagnent (LARGEY, op. cit., p. 292; JÖRG LEIMBACHER, Commentaire LPN ad <ref-law> n. 5 ss).
En l'occurrence, la question juridique qui se pose est celle de savoir si le fait que le bâtiment litigieux se situe dans un quartier figurant à l'inventaire fédéral ISOS a été pris en considération dans la pesée des intérêts opérée par les instances cantonales.
4.3.1. Le bâtiment supporté par la parcelle n° 145 se trouve dans un quartier qui figure à l'inventaire fédéral des sites construits d'importance nationale à protéger en Suisse (ISOS); celui-ci fait partie du périmètre "P17 Quartier de la Jonction" et bénéficie d'un objectif de sauvegarde prioritaire (A). L'objectif de sauvegarde "A" préconise la sauvegarde de la substance (conservation intégrale de toutes les constructions et composantes du site, de tous les espaces libres).
Selon le descriptif de l'inventaire fédéral ISOS relatif à la commune de Genève et datant de 1983/1984, le quartier de la Jonction est caractérisé par son mode d'urbanisation rayonnant, centré sur un rond-point, typique du 19 ème siècle. Une rangée de locatifs d' "entrepreneurs", implantée en limite ouest du tissu et créée en liaison avec l'implantation des Transports publics genevois (TPG), présente des qualités historico-architecturales de tout premier plan et souligne le caractère populaire du quartier. Les perturbations les plus récentes (deux immeubles en cours d'achèvement) sont particulièrement graves, dans la mesure où ces constructions ne respectent absolument pas les alignements sur rue existants.
4.3.2. Il est vrai qu'une référence explicite à l'inventaire fédéral ne ressort ni du préavis de la CMNS ni de la décision du DALE. Quant aux instances judiciaires, le Tribunal administratif de première instance a mentionné l'appartenance du quartier à l'ISOS, alors que la cour cantonale ne s'y réfère pas.
Cependant, même si elle ne mentionne pas explicitement l'inventaire ISOS, l'instance précédente a tenu compte du quartier dans lequel se situe la surélévation litigieuse pour opérer sa pesée des intérêts (voir supra consid. 3.2). Elle a retenu en particulier que la surélévation devait s'intégrer dans le milieu existant, raison pour laquelle la CMNS avait exigé notamment que la cinquième façade, soit la toiture de la surélévation, fasse l'objet d'un traitement soigné, du fait de sa visibilité depuis le quartier de Saint-Jean. Elle a aussi relevé que la CMNS possédait une connaissance globale et approfondie de tous les aspects de cette surélévation; la CMNS avait travaillé à une intégration adéquate de la surélévation dans cet endroit particulièrement exposé au bord du Rhône ainsi qu'à l'esthétisme offert à la vue depuis le quartier de Saint-Jean, qui le surplombe directement.
Le besoin de protection du quartier a donc été pris en considération dans le cadre de la pesée des intérêts, ce que les différentes évolutions que le projet a connues sous la direction de la CMNS démontrent. De plus, même si l'inventaire ISOS est dépourvu de force contraignante en l'espèce, le projet litigieux respecte les recommandations de l'ISOS qui préconisent principalement la conservation intégrale de toutes les constructions et l'interdiction de leur démolition puisque les travaux projetés ne modifient pas le bâtiment d'origine.
A cela s'ajoute que la cour cantonale a pris en considération le fait que le bâtiment litigieux figure aussi à l'inventaire cantonal au sens des art. 7 ss LPMNS et que les façades originelles, avant la première surélévation, côté rue, fenêtres comprises, sont protégées.
4.3.3. Pour l'Office fédéral de la culture, les constructions "d'entrepreneurs", modestes et dans une large mesure standardisées, marquent fortement l'image actuelle du quartier de la Jonction par leur sobriété; cette sobriété, qui se traduit par des alignements réguliers ainsi que par une certaine simplicité des volumes et de l'expression architecturale des façades, caractérise fortement l'urbanisme du quartier et l'architecture de ses bâtiments, notamment le front bâti dans lequel est compris le bâtiment concerné.
Au sujet du bâtiment litigieux, l'Office fédéral constate que la précédente surélévation, autorisée en 2007, a déjà altéré la substance du bâtiment, de sorte que l'objectif de conservation ne porte plus que sur la sauvegarde de la structure et du caractère de l'immeuble. En tant qu'elle ne respecte ni les alignements sur la rue ni les gabarits des constructions voisines, la surélévation projetée porterait atteinte à la structure et au caractère du bâtiment concerné. Aux yeux de l'Office, le volume prévu constituerait un empilement de boîtes, qui ne s'harmoniserait ni à la répartition des ouvertures ni à l'expression architecturale des façades des bâtiments caractéristiques du quartier et serait ainsi un élément inadapté au contexte.
La prise de position de l'Office fédéral de la culture ne remet cependant pas en cause le fait que le quartier a été pris en considération dans la pesée des intérêts opérée par les instances cantonales. L'Office met en réalité en avant son appréciation propre et subjective de ce type de surélévation, laquelle divise au demeurant les architectes et les commissions spécialisées. Cette opinion de l'Office, supplémentaire à celle déjà émises dans le cadre de l'instruction de la cause, ne suffit donc pas à démontrer le caractère illicite de l'argumentation du Tribunal cantonal, telle qu'exposée ci-dessus au considérant 4.3.2. De surcroît, il faut rappeler que, confronté à une décision cantonale fondée sur le droit cantonal et raisonnablement motivée, le Tribunal de céans s'impose une retenue dans l'appréciation de circonstances locales dont les autorités cantonales ont une meilleure connaissance que lui (cf. <ref-ruling> consid. 6.4 p. 89; <ref-ruling> consid. 5.4.1 p. 163; <ref-ruling> consid. 3c p. 79).
5.
Il s'ensuit que le recours est rejeté dans la mesure de sa recevabilité.
Succombant, la commune de Genève, qui agit en tant que propriétaire voisine du projet en cause (cf. consid. 1), doit supporter les frais judiciaires (art. 66 al. 1 et 4 LTF). Elle versera en outre une indemnité de dépens à la société intimée, qui obtient gain de cause avec l'assistance d'un avocat (<ref-law>). Le Département de l'aménagement, du logement et de l'énergie qui a agi dans l'exercice de ses attributions officielles n'a en revanche pas droit à des dépens (<ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté, dans la mesure de sa recevabilité.
2.
Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 francs, sont mis à la charge de la Ville de Genève.
3.
La Ville de Genève versera à la société intimée la somme de 3'000 francs à titre de dépens.
4.
Le présent arrêt est communiqué aux mandataires de la recourante et de la société intimée, au Département de l'aménagement, du logement et de l'énergie du canton de Genève, à la Chambre administrative de la Cour de justice du canton de Genève, au Patrimoine Suisse Genève, à l'Action Patrimoine Vivant et à l'Association genevoise des locataires (ASLOCA) ainsi qu'à l'Office fédéral de la culture.
Lausanne, le 28 juin 2017
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président : Merkli
La Greffière : Tornay Schaller