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7.7 : Découvrir l'ARN : structure et quelques fonctions - Biologie


L'ADN n'est pas le seul acide nucléique présent dans les cellules. Une deuxième classe d'acide nucléique est connue sous le nom d'acide ribonucléique (ARN). L'ARN diffère de l'ADN en ce que l'ARN contient

  1. le sucre ribose (avec un groupe hydroxyle sur le 2'C) plutôt que le désoxyribose ;
  2. il contient l'uracile pyrimidine au lieu de la thymine pyrimidine présente dans l'ADN ; et
  3. L'ARN est généralement simple plutôt que double brin.

Néanmoins, les molécules d'ARN peuvent s'associer à une molécule d'ADNsb avec la séquence nucléotidique complémentaire. Au lieu de l'appariement A-T dans l'ADN, nous trouvons un appariement A avec U à la place. Ce changement ne fait pas de différence significative lorsque le brin d'ARN interagit avec l'ADN, puisque le nombre d'interactions de liaison hydrogène est le même. Lorsque l'ARN est isolé des cellules, une population s'est avérée se réassocier à des séquences uniques au sein de l'ADN. Comme nous le verrons plus tard, cette classe d'ARN comprend des molécules, appelées messagers ou ARNm, qui transportent des informations de l'ADN vers la machinerie moléculaire qui médie la synthèse des protéines. En plus des ARNm, il existe d'autres types d'ARN dans les cellules. Ceux-ci comprennent les ARN structurels, catalytiques et régulateurs. Comme vous l'avez peut-être déjà soupçonné, les mêmes considérations hydrophobes/hydrophiles/liaison H qui étaient pertinentes pour la structure de l'ADN s'appliquent à l'ARN, mais comme l'ARN est généralement simple brin, les structures trouvées dans l'ARN sont quelque peu différentes. Une molécule d'ARN simple brin peut se replier sur elle-même pour créer des régions double brin. Tout comme dans l'ADN, ces brins repliés sont anti-parallèles les uns aux autres. Il en résulte des "tiges" double brin qui se terminent par des "boucles" simple brin. Les régions à l'intérieur d'une tige qui ne s'apparient pas seront bombées. Le résultat final est que les molécules d'ARN peuvent adopter des structures tridimensionnelles complexes en solution. De tels ARN forment souvent des complexes avec d'autres molécules, en particulier des protéines, pour réaliser des fonctions spécifiques. Par exemple, le ribosome, la machine macromoléculaire qui médie la synthèse des polypeptides, est un complexe d'ARN structurels et catalytiques (appelés ribosomal ou ARNr) et de protéines. Les ARN de transfert (ARNt) font partie intégrante du système de synthèse des protéines. Les ARN, en combinaison avec des protéines, jouent également un certain nombre de fonctions régulatrices, notamment la reconnaissance et la régulation de la synthèse et des comportements ultérieurs des ARNm, sujets généralement examinés plus en détail dans les cours de biologie moléculaire.

La capacité de l'ARN à à la fois coder des informations dans sa séquence de bases et à médier la catalyse par sa structure tridimensionnelle a conduit à l'hypothèse du « monde de l'ARN ». Il propose qu'au début de l'évolution de la vie, divers proto-organismes se soient appuyés sur des ARN, ou plus probablement des molécules plus simples de type ARN, plutôt que sur l'ADN et les protéines, pour stocker des informations génétiques et catalyser au moins un sous-ensemble de réactions. Certains virus modernes utilisent des ARN simple ou double brin comme matériel génétique. Selon l'hypothèse du monde de l'ARN, ce n'est que plus tard dans l'histoire de la vie que les organismes ont développé des systèmes plus spécialisés basés sur l'ADN pour le stockage de l'information génétique et des protéines pour la catalyse et d'autres fonctions structurelles. Bien que cette idée soit convaincante, il n'y a aucune raison de croire que des polypeptides simples et d'autres molécules n'étaient pas également présents et ne jouaient pas un rôle critique dans les premiers stades des origines de la vie. Dans le même temps, il existe de nombreux problèmes non résolus associés à une vision simpliste du monde de l'ARN, le plus important étant la complexité de l'ARN lui-même, sa synthèse abiogénique (c'est-à-dire sans vie) et la survie des nucléotides triphosphates en solution. Néanmoins, il est clair que les ARN catalytiques et régulateurs jouent un rôle clé dans les cellules modernes et tout au long de leur évolution. L'activité catalytique du ribosome ubiquitaire, qui est impliqué dans la synthèse des protéines dans tous les organismes connus, est basée sur un ribozyme, un catalyseur à base d'ARN.


ARN ribosomique

L'acide ribonucléique ribosomique (ARNr) est le composant ARN des ribosomes, les machines moléculaires qui catalysent la synthèse des protéines. L'ARN ribosomique constitue plus de soixante pour cent du poids du ribosome et est crucial pour toutes ses fonctions - de la liaison à l'ARNm et au recrutement de l'ARNt pour catalyser la formation d'une liaison peptidique entre deux acides aminés. Même la structure d'un ribosome est déterminée par la forme tridimensionnelle de son noyau d'ARNr. Les protéines présentes dans le ribosome servent à stabiliser cette structure par des interactions avec le noyau.

Les ARN ribosomiques sont transcrits dans le noyau, au niveau de structures spécifiques appelées nucléoles. Ce sont des formes sphériques denses qui se forment autour des loci génétiques codant pour l'ARNr. Les nucléoles sont également cruciaux pour la biogenèse éventuelle des ribosomes, par la séquestration des protéines ribosomiques.


Contenu

Les RdRps virales ont été découvertes au début des années 1960 à partir d'études sur le mengovirus et le poliovirus lorsqu'il a été observé que ces virus n'étaient pas sensibles à l'actinomycine D, un médicament qui inhibe la synthèse d'ARN cellulaire dirigée par l'ADN. Ce manque de sensibilité suggère qu'il existe une enzyme spécifique au virus qui pourrait copier l'ARN à partir d'une matrice d'ARN et non à partir d'une matrice d'ADN.

Les RdRps sont hautement conservés dans tous les virus et sont même liés à la télomérase, bien que la raison en soit une question en cours depuis 2009. [3] La similitude a conduit à la spéculation que les RdRps virales sont ancestrales à la télomérase humaine.

L'exemple le plus connu de RdRp est celui du poliovirus. Le génome viral est composé d'ARN, qui pénètre dans la cellule par endocytose médiée par des récepteurs. À partir de là, l'ARN est capable d'agir immédiatement comme matrice pour la synthèse d'ARN complémentaire. Le brin complémentaire est alors lui-même capable de servir de matrice pour la production de nouveaux génomes viraux qui sont ensuite conditionnés et libérés de la cellule prêts à infecter davantage de cellules hôtes. L'avantage de cette méthode de réplication est qu'il n'y a pas d'étape d'ADN. La réplication est simple et rapide. L'inconvénient est qu'il n'y a pas de copie d'ADN « de sauvegarde ».

De nombreux RdRps sont étroitement associés aux membranes et sont donc difficiles à étudier. Les RdRps les plus connues sont le poliovirus 3Dpol, le virus de la stomatite vésiculeuse L, [4] et la protéine NS5B du virus de l'hépatite C.

De nombreux eucaryotes ont également des RdRps impliqués dans l'interférence ARN, ils amplifient les microARN et les petits ARN temporels et produisent de l'ARN double brin en utilisant de petits ARN interférents comme amorces. [5] En fait ces mêmes RdRps qui sont utilisées dans les mécanismes de défense peuvent être usurpées par des virus à ARN à leur profit. [6] Leur histoire évolutive a été revue. [7]

RdRp diffère de l'ARN polymérase car il agit pour catalyser la synthèse d'un brin d'ARN complémentaire d'une matrice d'ARN donnée, plutôt que d'utiliser une matrice d'ADN. Le processus de réplication de l'ARN est un mécanisme en quatre étapes, comme décrit.

  1. Liaison du nucléotide triphosphate (NTP) - initialement, le RdRp se présente avec un site actif vacant dans lequel le NTP se lie. Une liaison NTP correcte provoque un changement de conformation du RdRp. [8]
  2. Fermeture du site actif - le changement conformationnel initié par la liaison NTP correcte, entraîne la restriction de l'accès au site actif et produit un état catalytiquement compétent. [8]
  3. Formation de liaisons phosphodiester - deux ions Mg 2+ sont présents à l'état catalytiquement actif et s'organisent de telle manière autour de l'amorce d'ARN que le substrat NTP est capable de subir un transfert de phosphatidyle et de former une liaison phosphodiester avec la chaîne nucléotidique existante. [9] Avec l'utilisation de ces ions Mg 2+, le site actif n'a plus la stabilité catalytique et le complexe RdRp passe à une conformation ouverte. [9]
  4. Translocation - une fois le site actif ouvert, le brin d'ARN est capable de se déplacer à travers le complexe protéique RdRp et de se lier à un nouveau NTP et de continuer l'allongement de la chaîne, sauf indication contraire de la matrice. [8]

La synthèse d'ARN peut être réalisée au moyen d'une amorce indépendante (de novo) ou un mécanisme dépendant d'une amorce qui utilise une amorce de protéine virale liée au génome (VPg). [10] Le de novo l'initiation consiste en l'ajout d'un nucléoside triphosphate (NTP) au 3'-OH du premier NTP initiateur. [10] Au cours de la phase d'élongation suivante, cette réaction de transfert de nucléotidyle est répétée avec les NTP suivants pour générer le produit d'ARN complémentaire. La terminaison de la chaîne d'ARN naissante produite par RdRp n'est pas complètement connue, cependant, il a été montré que la terminaison RdRp est indépendante de la séquence. [11]

Un inconvénient majeur de la réplication de l'ARN polymérase dépendante de l'ARN est l'immense taux d'erreur lors de la transcription. [10] Les RdRps sont connus pour avoir un manque de fidélité de l'ordre de 104 nucléotides, ce qui est considéré comme le résultat direct de ses capacités de relecture insuffisantes. [10] Ce taux élevé de variation est favorisé dans les génomes viraux car il permet au pathogène de surmonter les défenses développées par les hôtes essayant d'éviter l'infection permettant une croissance évolutive.

Les ARN polymérases virales/procaryotes dirigées par l'ARN, ainsi que de nombreuses polymérases dirigées par l'ADN à une seule sous-unité, emploient un pli dont l'organisation a été liée à la forme d'une main droite avec trois sous-domaines appelés doigts, paume et pouce. [12] Seul le sous-domaine palm, composé d'une feuille bêta antiparallèle à quatre brins avec deux hélices alpha, est bien conservé parmi toutes ces enzymes. Dans RdRp, le sous-domaine palm comprend trois motifs bien conservés (A, B et C). Le motif A (D-x(4,5)-D) et le motif C (GDD) sont juxtaposés spatialement les résidus d'acide aspartique de ces motifs sont impliqués dans la liaison de Mg 2+ et/ou Mn 2+ . Le résidu asparagine du motif B est impliqué dans la sélection des ribonucléosides triphosphates par rapport aux dNTP et, ainsi, détermine si l'ARN plutôt que l'ADN est synthétisé. [13] L'organisation du domaine [14] et la structure 3D du centre catalytique d'une large gamme de RdRps, même ceux avec une faible homologie de séquence globale, sont conservés. Le centre catalytique est formé de plusieurs motifs contenant un certain nombre de résidus d'acides aminés conservés.

L'interférence ARN eucaryote nécessite une ARN polymérase ARN dépendante cellulaire (c RdRp). Contrairement aux polymérases "à la main", elles ressemblent à des ARN polymérases ADN-dépendantes multi-sous-unités simplifiées (DdRP), en particulier dans les sous-unités catalytiques β/β', en ce sens qu'elles utilisent deux ensembles de barils β à double psi dans le site actif. QDE1 ( Q9Y7G6 ) dans Neurospora crassa, qui a les deux barils dans la même chaîne, [15] est un exemple d'une telle enzyme. [16] Les homologues de bactériophages, y compris le DdRp yonO à chaîne unique similaire (O31945), semblent être plus proches de c RdRps que les DdRP. [5] [17]

Il existe 4 superfamilles de virus qui couvrent tous les virus à ARN sans stade ADN :

  • Virus contenant un ARN brin positif ou un ARN double brin, à l'exception des rétrovirus et Birnaviridae
    • Tous les virus eucaryotes à ARN à brin positif sans stade ADN
    • Tous les bactériophages contenant de l'ARN, il existe deux familles de bactériophages contenant de l'ARN : Léviviridae (phages ARNsb positifs) et Cystoviridae (phages ARNdb)
    • famille de virus à ARNdb Réoviridae, Totiviridae, Hypoviridae, Partitiviridés

    La transcription de l'ARN est similaire à [ comment? ] mais pas la même chose que la réplication de l'ADN.

    Les flavivirus produisent une polyprotéine à partir du génome de l'ARNss. La polyprotéine est clivée en un certain nombre de produits, dont l'un est NS5, une ARN polymérase dépendante de l'ARN. Cette ARN polymérase dirigée par l'ARN possède un certain nombre de régions courtes et de motifs homologues à d'autres ARN polymérases dirigées par l'ARN. [18]

    Les réplicases d'ARN trouvées dans les virus à ARNss à brin positif sont liées les unes aux autres, formant trois grandes superfamilles. [19] La réplicase d'ARN de Birnaviral est unique en ce qu'elle manque de motif C (GDD) dans la paume. [20] Mononegaviral RdRp (PDB 5A22) a été automatiquement classé comme similaire à (+)-ssRNA RdRps, en particulier un de Pestivirus et un de Léviviridae. [21] Le monomère Bunyaviral RdRp (PDB 5AMQ) ressemble au complexe hétérotrimérique d'Orthomyxoviral (Influenza PDB 4WSB) RdRp. [22]

    Puisqu'il s'agit d'une protéine universelle des virus à ARN, RdRp est un marqueur utile pour comprendre leur évolution. [23] L'évolution structurelle globale des RdRps virales a été examinée. [24]

    Recombinaison Modifier

    Lors de la réplication de son génome (+)ssRNA, le poliovirus RdRp est capable d'effectuer une recombinaison. La recombinaison semble se produire par un mécanisme de choix de copie dans lequel le RdRp commute les matrices d'ARNss (+) pendant la synthèse du brin négatif. [25] La fréquence de recombinaison est déterminée en partie par la fidélité de la réplication RdRp. [26] Les variantes de RdRp avec une fidélité de réplication élevée montrent une recombinaison réduite, et les RdRps de faible fidélité présentent une recombinaison accrue. [26] La recombinaison par commutation de brin RdRp se produit également fréquemment pendant la réplication dans les carmovirus et les tombusvirus des plantes (+)ssRNA. [27]

    Complémentation intragénique Modifier

    Virus Sendai (famille Paramyxoviridae) possède un génome à ARN linéaire, simple brin, de sens négatif, non segmenté. La RdRp virale se compose de deux sous-unités codées par le virus, une plus petite P et une plus grande L. Lorsque différents mutants RdRp inactifs présentant des défauts sur toute la longueur de la sous-unité L ont été testés par paires, la restauration de la synthèse d'ARN viral a été observée dans certains combinaisons. [28] Cette interaction L-L positive est appelée complémentation intragénique et indique que la protéine L est un oligomère dans le complexe viral d'ARN polymérase.

    Les RdRps peuvent être utilisées comme cibles médicamenteuses pour les agents pathogènes viraux car leur fonction n'est pas nécessaire à la survie des eucaryotes. En inhibant la fonction de l'ARN polymérase dépendante de l'ARN, les nouveaux ARN ne peuvent pas être répliqués à partir d'un brin de matrice d'ARN, cependant, l'ARN polymérase dépendante de l'ADN restera fonctionnelle.

    Il existe actuellement des médicaments antiviraux contre l'hépatite C et le COVID-19 qui ciblent spécifiquement RdRp. Il s'agit notamment du Sofosbuvir et de la Ribavirine contre l'hépatite C [29] et du Remdesivir, le seul médicament approuvé par la FDA contre le COVID-19.

    Le triphosphate GS-441524 est un substrat pour RdRp, mais pas pour les polymérases de mammifères. Il en résulte une terminaison prématurée de la chaîne et une inhibition de la réplication virale. Le triphosphate GS-441524 est la forme biologiquement active du promédicament phosphaté, le Remdesivir. Le remdesivir est classé comme un analogue nucléotidique dans lequel il agit pour inhiber la fonction de RdRp en se liant de manière covalente à et en interrompant la terminaison de l'ARN naissant par une terminaison précoce ou retardée ou en empêchant un allongement supplémentaire du polynucléotide d'ARN. [30] [31] Cette terminaison précoce conduit à un ARN non fonctionnel qui sera dégradé par des processus cellulaires normaux.

    L'utilisation de l'ARN polymérase dépendante de l'ARN joue un rôle majeur dans l'interférence ARN chez les eucaryotes, un processus utilisé pour faire taire l'expression des gènes via de petits ARN interférents (siARN) se liant à l'ARNm les rendant inactifs. [32] RdRp eucaryote devient actif en présence d'ARNdb, cependant, RdRp n'est présent que dans un sous-ensemble sélectionné d'eucaryotes, y compris C. elegans et P. tetraurelia. [33] Cette présence d'ARNdb déclenche l'activation des processus RdRp et ARNi en amorçant l'initiation de la transcription de l'ARN par l'introduction de siARN dans le système. [33] Dans C. elegans, les siARN sont intégrés dans le complexe de silençage induit par l'ARN, RISC, qui travaille avec les ARNm ciblés pour l'interférence pour recruter plus de RdRps pour synthétiser plus de siARN secondaires et réprimer l'expression des gènes. [34]


    Types et fonctions de l'ARN

    Parmi les nombreux types d'ARN, les trois plus connus et les plus étudiés sont l'ARN messager (ARNm), l'ARN de transfert (ARNt) et l'ARN ribosomique (ARNr), qui sont présents dans tous les organismes. Ces types d'ARN et d'autres effectuent principalement des réactions biochimiques, similaires aux enzymes. Certains, cependant, ont également des fonctions régulatrices complexes dans les cellules. En raison de leur implication dans de nombreux processus de régulation, de leur abondance et de leurs diverses fonctions, les ARN jouent un rôle important à la fois dans les processus cellulaires normaux et dans les maladies.

    Dans la synthèse des protéines, l'ARNm transporte les codes génétiques de l'ADN du noyau aux ribosomes, les sites de traduction des protéines dans le cytoplasme. Les ribosomes sont composés d'ARNr et de protéines. Les sous-unités protéiques du ribosome sont codées par l'ARNr et sont synthétisées dans le nucléole. Une fois complètement assemblés, ils se déplacent vers le cytoplasme, où, en tant que régulateurs clés de la traduction, ils « lisent » le code porté par l'ARNm. Une séquence de trois bases azotées dans l'ARNm spécifie l'incorporation d'un acide aminé spécifique dans la séquence qui constitue la protéine. Les molécules d'ARNt (parfois aussi appelées ARN soluble ou activateur), qui contiennent moins de 100 nucléotides, amènent les acides aminés spécifiés vers les ribosomes, où ils sont liés pour former des protéines.

    En plus de l'ARNm, de l'ARNt et de l'ARNr, les ARN peuvent être largement divisés en ARN codant (ARNc) et non codant (ARNnc). Il existe deux types d'ARNnc, les ARNnc domestiques (ARNt et ARNr) et les ARNnc régulateurs, qui sont en outre classés en fonction de leur taille. Les longs ncRNA (lncRNA) ont au moins 200 nucléotides, tandis que les petits ncRNA ont moins de 200 nucléotides. Les petits ARNnc sont subdivisés en micro ARN (miARN), petit ARN nucléolaire (snoARN), petit ARN nucléaire (snARN), petit ARN interférent (siARN) et ARN interagissant avec PIWI (piARN).

    Les miARN sont particulièrement importants. Ils mesurent environ 22 nucléotides et fonctionnent dans la régulation des gènes chez la plupart des eucaryotes. Ils peuvent inhiber (faire taire) l'expression des gènes en se liant à l'ARNm cible et en inhibant la traduction, empêchant ainsi la production de protéines fonctionnelles. De nombreux miARN jouent un rôle important dans le cancer et d'autres maladies. Par exemple, les miARN suppresseurs de tumeurs et oncogènes (initiateurs de cancer) peuvent réguler des gènes cibles uniques, conduisant à la tumorigenèse et à la progression tumorale.

    Les piARN, qui ont une longueur d'environ 26 à 31 nucléotides et existent chez la plupart des animaux, sont également importants sur le plan fonctionnel. Ils régulent l'expression des transposons (gènes sauteurs) en empêchant les gènes d'être transcrits dans les cellules germinales (sperme et ovule). La plupart des piARN sont complémentaires de différents transposons et peuvent cibler spécifiquement ces transposons.

    L'ARN circulaire (circRNA) est unique par rapport aux autres types d'ARN car ses extrémités 5' et 3' sont liées ensemble, créant une boucle. Les circRNAs sont générés à partir de nombreux gènes codant pour des protéines, et certains peuvent servir de modèles pour la synthèse des protéines, similaires à l'ARNm. Ils peuvent également se lier aux miARN, agissant comme des « éponges » qui empêchent les molécules de miARN de se lier à leurs cibles. De plus, les circRNAs jouent un rôle important dans la régulation de la transcription et de l'épissage alternatif des gènes à partir desquels les circRNAs ont été dérivés.


    Fonctions de l'ARN dans la synthèse des protéines

    Les cellules accèdent aux informations stockées dans l'ADN en créant de l'ARN pour diriger la synthèse des protéines à travers le processus de Traduction. Les protéines au sein d'une cellule ont de nombreuses fonctions, notamment la construction de structures cellulaires et le rôle de catalyseurs enzymatiques pour les réactions chimiques cellulaires qui confèrent aux cellules leurs caractéristiques spécifiques. Les trois principaux types d'ARN directement impliqués dans la synthèse des protéines sont ARN messager (ARNm), ARN ribosomique (ARNr), et ARN de transfert (ARNt).

    En 1961, les scientifiques français François Jacob et Jacques Monod ont émis l'hypothèse de l'existence d'un intermédiaire entre l'ADN et ses produits protéiques, qu'ils ont appelé ARN messager. [1] Des preuves à l'appui de leur hypothèse ont été recueillies peu de temps après, montrant que les informations de l'ADN sont transmises au ribosome pour la synthèse des protéines en utilisant l'ARNm. Si l'ADN sert de bibliothèque complète d'informations cellulaires, l'ARNm sert de photocopie d'informations spécifiques nécessaires à un moment donné qui sert d'instructions pour fabriquer une protéine.

    L'ARNm porte le message de l'ADN, qui contrôle toutes les activités cellulaires dans une cellule. Si une cellule nécessite la synthèse d'une certaine protéine, le gène de ce produit est activé et l'ARNm est synthétisé par le processus de transcription (voir Transcription d'ARN). L'ARNm interagit alors avec ribosomes et d'autres machines cellulaires (Figure 3) pour diriger la synthèse de la protéine qu'elle code au cours du processus de Traduction (voir Synthèse des protéines). L'ARNm est relativement instable et de courte durée dans la cellule, en particulier dans les cellules procaryotes, garantissant que les protéines ne sont fabriquées qu'en cas de besoin.

    Figure 3. Une illustration généralisée de la façon dont l'ARNm et l'ARNt sont utilisés dans la synthèse des protéines au sein d'une cellule.

    L'ARNr et l'ARNt sont des types stables d'ARN. Chez les procaryotes et les eucaryotes, l'ARNt et l'ARNr sont codés dans l'ADN, puis copiés dans de longues molécules d'ARN qui sont coupées pour libérer des fragments plus petits contenant les espèces d'ARN matures individuelles. Chez les eucaryotes, la synthèse, la coupe et l'assemblage de l'ARNr en ribosomes ont lieu dans la région du nucléole du noyau, mais ces activités se produisent dans le cytoplasme des procaryotes. Aucun de ces types d'ARN ne porte d'instructions pour diriger la synthèse d'un polypeptide, mais ils jouent d'autres rôles importants dans la synthèse des protéines.

    Les ribosomes sont composés d'ARNr et de protéines. Comme son nom l'indique, l'ARNr est un constituant majeur de ribosomes, composant jusqu'à environ 60% du ribosome en masse et fournissant l'emplacement où l'ARNm se lie. L'ARNr assure le bon alignement de l'ARNm, de l'ARNt et des ribosomes l'ARNr du ribosome a également une activité enzymatique (peptidyl transférase) et catalyse la formation des liaisons peptidiques entre deux acides aminés alignés lors de la synthèse des protéines. Bien que l'ARNr ait longtemps été considéré comme jouant principalement un rôle structurel, son rôle catalytique au sein du ribosome a été prouvé en 2000. [2] Les scientifiques des laboratoires de Thomas Steitz (1940-) et Pierre Moore (1939-) à l'Université de Yale ont réussi à cristalliser la structure du ribosome à partir de Haloarcula marismortui, un archéon halophile isolé de la mer Morte. En raison de l'importance de ce travail, Steitz a partagé le prix Nobel de chimie 2009 avec d'autres scientifiques qui ont apporté des contributions significatives à la compréhension de la structure des ribosomes.

    L'ARN de transfert est le troisième type principal d'ARN et l'un des plus petits, généralement de seulement 70 à 90 nucléotides. Il transporte le bon acide aminé vers le site de synthèse des protéines dans le ribosome. C'est l'appariement des bases entre l'ARNt et l'ARNm qui permet à l'acide aminé correct d'être inséré dans la chaîne polypeptidique en cours de synthèse (Figure 4). Toute mutation de l'ARNt ou de l'ARNr peut entraîner des problèmes globaux pour la cellule, car les deux sont nécessaires à une synthèse protéique appropriée (tableau 1).

    Figure 4. Une molécule d'ARNt est une molécule simple brin qui présente un appariement de bases intracellulaire significatif, lui conférant sa forme tridimensionnelle caractéristique.

    Tableau 1. Structure et fonction de l'ARN
    ARNm ARNr ARNt
    Structure Court, instable, simple brin ARN correspondant à un gène codé dans l'ADN Molécules d'ARN plus longues et stables composant 60% de la masse du ribosome Un ARN court (70-90 nucléotides) stable avec un appariement de bases intramoléculaire étendu contient un site de liaison aux acides aminés et un site de liaison à l'ARNm
    Fonction sert d'intermédiaire entre ADN et protéine utilisée par le ribosome pour diriger la synthèse de la protéine qu'il code Assure le bon alignement de l'ARNm, de l'ARNt et du ribosome pendant la synthèse des protéines catalyse liaison peptidique formation entre les acides aminés Transporte le bon acide aminé vers le site de synthèse des protéines dans le ribosome

    Pensez-y

    • Quelles sont les fonctions des trois principaux types de molécules d'ARN impliquées dans la synthèse des protéines ?

    Une molécule qui ne devrait pas exister

    Les chercheurs étudient la « glycobiologie » depuis des décennies. Les sucres jouent un rôle clé dans la communication cellulaire, entre autres fonctions. Auparavant, les scientifiques avaient trouvé des glycanes attachés aux protéines et aux graisses. Les glycomolécules parsèment même les parois cellulaires des bactéries et des champignons, aidant les cellules à communiquer et à infecter leurs hôtes.

    Jusqu'à présent, la glycobiologie et la biologie de l'ARN ne se chevauchaient pas. Les scientifiques des deux domaines utilisent une chimie et des techniques différentes pour étudier leurs molécules. Le co-auteur de l'étude, Ryan Flynn, qui a passé ses années d'études supérieures à travailler sur l'ARN, n'avait rencontré la glycobiologie qu'après une rencontre fortuite avec un étudiant dans le laboratoire de Bertozzi. "Les glycanes sont essentiels en biologie, et je ne savais rien d'eux d'une manière ou d'une autre", dit-il. Flynn était intrigué.

    Carolyn Bertozzi, chercheuse HHMI à l'Université de Stanford

    Bertozzi a engagé Flynn en tant que postdoctorant en 2017. Plus il en apprenait, plus il se demandait si les glycanes pourraient être liés aux ARN. L'équipe connaissait, par exemple, une enzyme glycane qui pourrait se lier aux ARN. Cela a amené Flynn à se demander si l'ARN lui-même pouvait se connecter aux sucres. Et bien que la plupart des glycanes résident dans un compartiment cellulaire appelé Golgi, un type de glycane se mélange dans le cytoplasme, où réside généralement l'ARN.

    Flynn est donc parti à la recherche de glycoARN. Il a marqué chimiquement les glycanes dans la cellule, puis a recherché des ARN parmi les molécules marquées. Un coup signifierait qu'il a trouvé une molécule contenant à la fois de l'ARN et un sucre. Il a fait des expériences pendant des mois. Pendant tout ce temps, « je n'ai rien trouvé », dit-il. Mais ce n'était pas tout à fait vrai.

    Flynn avait également recherché des glycoARN dans l'appareil de Golgi. Comme on ne s'attendait pas à ce que l'ARN soit là, le test a servi de contrôle négatif - un moyen de confirmer que son expérience ne détectait pas d'ARN partout où il regardait.

    Mais le contrôle négatif revenait toujours positif. D'une manière ou d'une autre, les ARN se connectaient aux sucres dans l'appareil de Golgi. L'équipe a pensé que l'expérience devait avoir été contaminée, dit Bertozzi. "Nous essayions de trouver un million de réponses sur la façon dont ce sucre serait physiquement associé à l'ARN."

    Flynn a fait toutes les expériences auxquelles il pouvait penser pour exclure la possibilité que le signal provienne de quelque chose d'autre que l'ARN. La réponse n'a jamais changé. Il a trouvé les glycoARN dans chaque type de cellule qu'il pouvait cultiver en laboratoire. Il les a même trouvés dans des tissus de souris et, plus récemment, a découvert des glycoARN à la surface des cellules.

    Trois types de molécules à la surface des cellules, les glycoprotéines, les glycolipides et les glycoARN (de gauche à droite), aident les cellules à communiquer entre elles. Crédit R. Flynn et al./Cellule 2021

    "Ils ont appliqué tous les moyens possibles pour confirmer la présence d'ARN modifié par des glycanes", explique le biologiste chimique Chuan He, chercheur HHMI à l'Université de Chicago qui n'était pas impliqué dans les nouveaux travaux.

    Bertozzi et Flynn attribuent la découverte à leur intersection inhabituelle de compétences. La combinaison des outils et de l'expertise de la biologie de l'ARN et de la glycobiologie leur a permis de découvrir un phénomène qui était apparemment bien en vue – si vous saviez comment le rechercher.


    Micro ARN (miARN) : signification, formation et rôles | La génétique

    Les micro-ARN ont été décrits pour la première fois pour le ver C. elegans en 1993 par Lee et ses collègues du laboratoire Victor Ambros. Cependant, le terme micro ARN n'a été introduit qu'en 2001. En 2002, les miARN ont été confirmés dans diverses plantes et animaux, y compris C. elegans, l'homme et la plante Arabidopsis thaliana.

    Les travaux de l'Université de Louisville ont abouti à la production de puces à ADN contenant tous les miARN connus pour l'homme, la souris, le rat, le chien, C. elegans et la drosophile.

    En génétique, les micro-ARN (miARN) sont des molécules d'ARN simple brin d'environ 21 à 23 nucléotides de long qui régulent l'expression des gènes. En d'autres termes, une molécule d'ARN non codante d'environ 21 à 23 nucléotides qui inhibe l'expression de l'ARNm est connue sous le nom de micro ARN.

    Les principaux points concernant le micro ARN sont donnés ci-dessous :

    1. Le micro-ARN est impliqué dans la régulation de l'expression des gènes.

    2. Dans une cellule, le miARN est transcrit à partir de l'ADN mais pas traduit en protéines.

    3. Les micro-ARN sont des molécules non codantes d'environ 21-23 nucléotides.

    4. Les micro-ARN inhibent l'expression de la molécule d'ARNm.

    5. Les molécules de miARN matures sont partiellement complémentaires à une ou plusieurs molécules d'ARN messager (ARNm).

    6. La fonction principale des miARN est de réguler à la baisse l'expression des gènes.

    7. Il a été rapporté qu'une cellule de mammifère typique contient jusqu'à 50 000 miARN différents.

    8. Les micro-ARN ont été décrits pour la première fois, ni le ver C. elegans en 1993.

    9. Le terme micro ARN n'a été introduit qu'en 2001.

    10. Un seul brin d'ADN peut servir de matrice pour donner naissance à un miARN.

    Formation de micro-ARN (miARN):

    La formation de micro-ARN se compose de trois étapes importantes, à savoir :

    (i) Formation de miARN primaire,

    (ii) Formation de miARN précurseur, et

    (iii) Formation de miARN fonctionnel mature.

    Ceux-ci sont discutés ci-dessous:

    1. Formation de miARN primaire:

    Le transcrit primaire est synthétisé à partir d'une matrice d'ADN. Les miARN sont d'abord transcrits en tant que transcrits primaires ou pri-miARN avec une coiffe et une queue poly-A, puis transformés en pré-miARN. Le brin sens ou le brin antisens de l'ADN peut fonctionner comme matrice pour donner naissance à un miARN.

    2. Formation de miARN précurseur à partir de pré-miARN:

    Une courte structure tige-boucle de 70 nucléotides connue sous le nom de pré-miARN est formée à partir de miARN primaire dans le noyau cellulaire. Ce traitement est effectué chez les animaux par un complexe protéique connu sous le nom de complexe de microprocesseur, composé de la nucléase Drosha et de la protéine de liaison à l'ARN double brin Pasha.

    3. Formation de miARN mature à partir de pré-miARN:

    Ces pré-miARN sont ensuite transformés en miARN matures dans le cytoplasme par interaction avec l'endonucléase Dicer, qui initie également la formation du complexe de silençage induit par l'ARN (RISC). Ce complexe est responsable du silençage génique observé en raison de l'expression des miARN et de l'interférence ARN. Les gènes codant pour les miARN sont beaucoup plus longs que la molécule de miARN mature traitée.

    Ainsi, le microARN (miARN) est produit à partir de microARN précurseur (pré-miARN), qui est formé à partir d'un transcrit primaire de microARN (pri-miARN). Le processus de formation de miARN peut être représenté comme suit.

    Chez les plantes, cette voie diffère légèrement car les plantes manquent d'homologues Drosha. Dans les plantes, les homologues Dicer effectuent à eux seuls plusieurs étapes de traitement. La voie est également différente pour les miARN dérivés des tiges-boucles introniques. Ceux-ci sont également traités par Dicer mais pas par Drosha.

    Traitement des micro-ARN (miARN) :

    Le traitement efficace du pré-miARN par Drosha nécessite la présence d'ARN simple brin étendu aux extrémités 3 et 5 de la molécule en épingle à cheveux. Ces motifs ssRNA pourraient être de composition différente, mais leur longueur est importante pour le traitement. Une analyse bioinformatique des pri-miARN humains et de mouches a révélé des régions structurelles très similaires, appelées « segments basaux » 8217, « tiges inférieures » 8217, « tiges supérieures » et « boucles terminales » 8217.

    Sur la base de ces structures conservées, des profils thermodynamiques de primiARN ont été déterminés. Le complexe de Drosha clive la molécule d'ARN -2 tours hélicoïdaux loin de la boucle terminale et

    1 tour loin des segments basaux. Dans la plupart des molécules analysées, cette région contient des nucléotides non appariés et l'énergie libre du duplex est relativement élevée par rapport aux régions de tige inférieure et supérieure.

    La plupart des pré-miARN n'ont pas une structure d'ARN double brin parfaite (ARNdb) surmontée d'une boucle terminale. Des similitudes claires entre les pri-miARN codés dans les brins respectifs (5 & 8242- ou 3 & 842-) ont été démontrées.

    La tige-boucle pré-miARN est clivée par Dicer en deux molécules d'ARN courtes complémentaires, mais une seule est intégrée dans le complexe RISC. Ce brin est connu sous le nom de brin guide et est sélectionné par la protéine argonaute. The remaining strand, known as the anti-guide or passenger strand, is degraded as a RISC complex substrate.

    After integration into the active RISC complex, miRNAs base pair with their complementary mRNA molecules and induce mRNA degradation by argonaute proteins, which are catalytically active members of the RISC complex.

    Differences Between Small Interfering RNA (siRNA) and Micro RNA (miRNA):

    Micro RNA [miRNA] is a short (about 21 to 23 nucleotides) single-stranded RNA molecule that is now recognized as playing an important role in gene regulation. It has some similarities and some differences with small interfering RNA (siRNA).

    Both miRNA and siRNA have gene regulation functions, but there are slight differences. The miRNA may be slightly shorter [21-23 nucleotides] than siRNA (20 to 25 nucleotides). The miRNA is single-stranded, while siRNA is formed from two complementary strands. The two kinds of RNAs regulate genes in slightly different ways.

    The miRNA attaches to a piece of messenger RNA (mRNA)—which is the master template for building a protein – in a non-coding part at one end of the molecule. This acts as a signal to prevent translation of the mRNA into a protein. siRNA, on the other hand, attaches to a coding region of mRNA, and so it physically blocks translation.

    Roles of Micro RNA [miRNA]:

    The miRNAs play important role in gene regulation. Micro RNAs arc also expected to be useful in detection of various diseases and their treatment in the years ahead.

    The role of miRNAs in gene regulation and disease detection are briefly discussed as follows:

    1. Gene Regulation:

    The important cellular function of miRNAs is related to gene regulation. The miRNA is attached to the mRNA at a specific point and inhibits protein translation. In other words, the miRNA complex blocks the protein translation machinery. This is thought to be the primary mode of action of plant miRNAs.

    In such cases, the formation of the double-stranded RNA through the binding of the miRNA leads to the degradation of the mRNA transcript. It is also believed’ that miRNA can prevent translation without causing degradation of the mRNA.

    2. Micro RNA and Diseases:

    The discovery of miRNA has opened up new areas of research. Now miRNA-based diagnostics and therapeutics are getting increasing importance. The miRNA technology is expected to help in diagnosis and treatment of serious diseases like cancer, heart diseases and diseases related to the nervous system.

    This will also help in reclassification of different types of cancers. Thus miRNA technology has wide applications in several areas such as cardiac research virology, cell biology in general and plant biology.

    Studies on miRNA expression profiling demonstrated that expression levels of specific miRNAs changed in diseased human hearts, pointing to their involvement in cardiomyopathies.

    Furthermore, studies on specific miRNAs in animal models have identified distinct roles for miRNAs both during heart development and under pathological conditions, including the regulation of key factors important for cardio genesis, the hypertrophic growth response, and cardiac conductance. Similarly, several miRNAs have been found to have links with some types of cancer.


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    3.7 Summary

    • Nucleic acids are the class of biochemical compounds that includes DNA and RNA . These molecules are built of small monomers called nucleotides, which bind together in long chains to form polynucleotides . DNA consists of two polynucleotides, and RNA consists of one polynucleotide.
    • Each nucleotide consists of a sugar molecule, phosphate group, and nitrogen base. Sugars and phosphate groups of adjacent nucleotides bind together to form the “backbone” of the polynucleotide. Nitrogen bases jut out to the side of the sugar-phosphate backbone. Bonds between complementary bases hold together the two polynucleotide chains of DNA and cause it to take on its characteristic double helix shape.
    • DNA makes up genes , and the sequence of nitrogen bases in DNA makes up the genetic code for the synthesis of proteins. RNA helps synthesize proteins in cells. The genetic code in DNA is also passed from parents to offspring during reproduction, which explains how inherited characteristics are passed from one generation to the next.

    Les références

    Animated Biomedical Productions. (2013, January 30). 3D Medical animation – Peristalsis in large intestine/bowel || ©ABP. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=Ujr0UAbyPS4&feature=youtu.be

    Bozeman Science. (2012, January 9). Fight or flight response. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=m2GywoS77qc&feature=youtu.be

    Henk van ‘t Klooster. (2013). Adrenaline: Fight or flight response. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=FBnBTkcr6No&t=4s

    Mayo Clinic Staff. (n.d.). Type 1 diabetes. MayoClinic.org. https://www.mayoclinic.org/diseases-conditions/type-1-diabetes/symptoms-causes/syc-20353011

    Contributeurs de Wikipédia. (2020, July 22). Thyroid-stimulating hormone. Dans Wikipedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thyroid-stimulating_hormone&oldid=968942540

    A group of organs that work together to perform one or more functions. Each does a particular job in the body, and is made up of certain tissues.

    A division of the peripheral nervous system that controls involuntary activities.

    The body system which acts as a chemical messenger system comprising feedback loops of the hormones released by internal glands of an organism directly into the circulatory system, regulating distant target organs. In humans, the major endocrine glands are the thyroid gland and the adrenal glands.

    The highly complex body system of an animal that coordinates its actions and sensory information by transmitting signals to and from different parts of its body. The nervous system detects environmental changes that impact the body, then works in tandem with the endocrine system to respond to such events.

    A group of cells in an animal's body that synthesizes substances (such as hormones) for release into the bloodstream (endocrine gland) or into cavities inside the body or its outer surface (exocrine gland).

    A hormone is a signaling molecule produced by glands in multicellular organisms that target distant organs to regulate physiology and behavior.

    A body fluid in humans and other animals that delivers necessary substances such as nutrients and oxygen to the cells and transports metabolic waste products away from those same cells. In vertebrates, it is composed of blood cells suspended in blood plasma.

    A part of the brain that secretes hormones and connects the brain with the endocrine system.

    The master gland of the endocrine system that secretes many hormones, the majority of which regulate other endocrine glands.

    Any gland of the endocrine system, which is the system of glands that releases hormones directly into the blood.

    A set of metabolic reactions and processes that take place in the cells of organisms to convert biochemical energy from nutrients into adenosine triphosphate (ATP).

    The smallest unit of life, consisting of at least a membrane, cytoplasm, and genetic material.

    A complex organic chemical that provides energy to drive many processes in living cells, e.g. muscle contraction, nerve impulse propagation, and chemical synthesis. Found in all forms of life, ATP is often referred to as the "molecular unit of currency" of intracellular energy transfer.

    Glucose (also called dextrose) is a simple sugar with the molecular formula C6H12O6. Glucose is the most abundant monosaccharide, a subcategory of carbohydrates. Glucose is mainly made by plants and most algae during photosynthesis from water and carbon dioxide, using energy from sunlight.

    A body system including a series of hollow organs joined in a long, twisting tube from the mouth to the anus. The hollow organs that make up the GI tract are the mouth, esophagus, stomach, small intestine, large intestine, and anus. The liver, pancreas, and gallbladder are the solid organs of the digestive system.

    Refers to the body system consisting of the heart, blood vessels and the blood. Blood contains oxygen and other nutrients which your body needs to survive. The body takes these essential nutrients from the blood.

    The body system responsible for taking in oxygen and expelling carbon dioxide. The primary organs of the respiratory system are the lungs, which carry out this exchange of gases as we breathe.

    An involuntary human body response mediated by the nervous and endocrine systems that prepares the body to fight or flee from perceived danger.

    division of the peripheral nervous system that controls involuntary activities

    The body system responsible for the movement of the human body. Attached to the bones of the skeletal system are about 700 named muscles that make up roughly half of a person's body weight. Each of these muscles is a discrete organ constructed of skeletal muscle tissue, blood vessels, tendons, and nerves.

    The body system composed of bones and cartilage and performs the following critical functions for the human body: supports the body. The skeletal system facilitates movement, protects internal organs, and produces blood cells.

    A hormone made by the pancreas that allows your body to use sugar (glucose) from carbohydrates in the food that you eat for energy or to store glucose for future use.


    Voir la vidéo: Biologia RnaDNA (Décembre 2021).