Acides Ribonucléiques : Structure, Types et Transcription

Les Acides Ribonucléiques (ARN)

Les acides ribonucléiques (ARN) sont des polymères de ribonucléotides essentiels à la vie, jouant un rôle central dans l'expression génétique. Ils sont chimiquement plus fragiles que l'ADN en raison de la présence d'un groupe 2'-OH sur le ribose et sont majoritairement monocaténaires, bien qu'ils puissent se replier sur eux-mêmes pour former des structures complexes.

I) Généralités sur les ARN

Les ARN sont 5 à 10 fois plus abondants que l'ADN dans la cellule et présentent une grande diversité de populations, chacune remplissant des fonctions biologiques spécifiques. Ils assurent la transmission de l'information génétique de l'ADN vers les protéines, via la transcription et la traduction (Dogme Central).

A. Différents types d'ARN

B. Propriétés des ARN

• Localisation: Nucléaire, cytoplasmique et mitochondriale (chez les eucaryotes).
• Taille variable: De 20 à > 10 000 nucléotides (nt).
• Bases modifiées: Plus fréquentes que dans l'ADN, notamment dans les ARNt, par modifications enzymatiques post-transcriptionnelles.
• Molécule monocaténaire: Peut se replier sur elle-même (ex: ARNt) via appariements intramoléculaires (tige-boucle), donnant une forme bicaténaire locale.
• Dénaturation: Par élévation de la température ou du pH, rompant les appariements.
• Sensibilité à l'hydrolyse alcaline: Due à la présence du ribose, rendant l'ARN plus fragile.
• Quantification: Par spectrophotométrie d'absorption à 260 nm (l'ARN absorbe plus que l'ADN).

II) Familles d'ARN

A. ARN ribosomiques (ARNr)

• Constituent environ 80% des ARN cellulaires.
• Essentiels à la synthèse protéique, formant la structure des ribosomes.
• Un ribosome (particule 80S chez les eucaryotes) est composé de deux sous-unités:
  • Petite sous-unité 40S: ARN 18S + 30/35 protéines.
  • Grande sous-unité 60S: ARN 5S, 28S et 5.8S + 45/50 protéines.
• Les sous-unités s'auto-assemblent dans le nucléole et s'assemblent entre elles dans le cytoplasme.
• Gènes codant les ARNr:
  • Un gène pour l'ARN 5S (chromosome 1).
  • Un gène pour l'ARN 45S, clivé ensuite en 18S, 28S et 5.8S (bras courts des chromosomes acrocentriques).
• Les mitochondries possèdent leurs propres ARNr spécifiques (12S et 16S), codés par le génome mitochondrial.

B. ARNt (ARN de transfert)

• Constituent environ 15% des ARN.
• Fonction d'adaptateur, délivrant les acides aminés (AA) aux ribosomes et décodant l'information de l'ARNm.
• Chaque ARNt possède un anticodon reconnaissant un codon spécifique de l'ARNm.
• Caractéristiques:
  • Petite taille (75 à 85 nt), solubles dans le cytoplasme.
  • Spécifique d'un seul AA.
  • Séquence 3' terminale -CCA, à laquelle l'AA se lie (ajoutée après transcription).
  • Proportion importante de bases modifiées post-transcriptionnellement.
  • Anticodon: Triplet de bases complémentaires du codon de l'ARNm.
  • Structure secondaire en feuille de trèfle et tertiaire en L inversé.
• Exemples de bases modifiées:
  • Hypoxanthine (dérivé de la guanine) → Inosine (I), très présente dans les anticodons.
  • 1-méthyl-guanine → 1-méthyl-guanosine (m¹G).
  • Pseudo-uracile → Pseudouridine (Ψ).
  • Dihydro-uracile → Dihydro-uridine (DHU).
• La boucle T contient de la thymidine (thymine liée à un ribose), une exception dans l'ARN.

C. ARNm (ARN messager)

• Constituent < 5% des ARN chez les eucaryotes et procaryotes.
• Rôle de matrice pour la synthèse des protéines (seul ARN codant).
• Copie d'un brin d'ADN (brin codant), donc complémentaire du brin matrice.
• Taille et abondance variables.
• S'associent temporairement aux ribosomes pour la traduction.
• Demi-vie brève et étroitement contrôlée par la cellule (quelques minutes chez les procaryotes, quelques heures chez les cellules animales).
• Transcriptome: Ensemble des ARNm produits par un type cellulaire ou tissu donné à un moment précis, reflétant l'expression des gènes actifs. Il varie en fonction de nombreux facteurs.

D. Petits ARN nucléaires (snARN)

• Taille: 60 à 300 nt.
• Présents uniquement chez les eucaryotes.
• Associés à des protéines pour former des petites particules ribonucléoprotéiques nucléaires (Snurps).
• Riches en Uracile.
• Interviennent dans la maturation des ARN (épissage des ARNm via SNuRNP, maturation des ARNr via SNoRNP).

E. Petits ARN cytoplasmiques (scARN)

• Présents chez les eucaryotes et les procaryotes.
• Associés sous forme de petites particules ribonucléoprotéiques.
• Interviennent dans la synthèse protéique (facteurs d'initiation et d'élongation).
• Certains font partie de la SRP (particule de reconnaissance de la séquence signal), permettant l'adressage des protéines en cours de synthèse vers le Réticulum Endoplasmique (RE).

F. miARN (micro ARN)

• Petite taille (21-25 nt).
• ARN simple brin non codants.
• Régulent l'expression des gènes (riborégulateurs) en bloquant la traduction par liaison à l'ARNm cible.

G. Autres ARN

• lncARN: Longs ARN non codants, rôle de riborégulateurs.
• ARNter: ARN de la télomérase.

III) La Transcription

La transcription est le processus par lequel l'information génétique d'un gène est copiée de l'ADN vers une molécule d'ARN. C'est la première étape de l'expression génétique.

A. Caractéristiques générales

• Une région d'un des deux brins d'ADN (brin matrice) sert de modèle pour la synthèse d'ARN par appariement des bases complémentaires.
• L'ARN polymérase synthétise un ARN dont la séquence est complémentaire du brin matrice et identique au brin codant (avec U à la place de T).
• La transcription est sélective (copie certaines parties du génome) et produit de nombreuses copies d'un segment donné.
• Le taux d'erreurs est d'environ 10^-4.
• La régulation de la transcription permet l'expression différentielle des gènes selon les cellules ou les conditions.

Définition d'un gène

• Unité d'information génétique fonctionnelle, conduisant à la formation d'un ARN ou d'un polypeptide.
• Comprend:
  • La région transcrite (unité de transcription).
  • Les séquences régulatrices (en 5' ou 3'), incluant au minimum un promoteur.
  • Le promoteur: Segment d'ADN permettant la fixation de l'ARN polymérase en amont du site d'initiation.

Principe de la transcription

• Synthèse d'ARN catalysée par des ARN polymérases ADN-dépendantes.
• Réaction d'addition de ribonucléotides par attaque nucléophile de l'hydroxyle 3' sur le phosphate α du nucléotide entrant.
• Réaction irréversible (libération de 2Pi).
• Ne nécessite pas d'amorces.
• Nécessite la présence d'un promoteur.
• L'ARN polymérase se déplace le long du brin matrice de 3' en 5'.
• La chaîne ARN est synthétisée dans le sens 5' → 3'.
• Plusieurs ARN polymérases peuvent transcrire simultanément le même brin matrice.

Étapes de la transcription

1. Initiation:
   • Fixation de l'ARN polymérase au promoteur.
   • Dénaturation locale de l'ADN (bulle de transcription).
   • Début de la synthèse d'ARN à partir du brin matrice.
2. Élongation:
   • Déplacement de l'ARN polymérase sur l'ADN (3' en 5' sur le brin matrice).
   • Polymérisation de ribonucléotides complémentaires (synthèse d'ARN 5' en 3').
   • Le double brin d'ADN se reforme après le passage de l'ARN polymérase.
3. Terminaison:
   • Libération de l'ARN polymérase et de l'ARN synthétisé.
   • L'ADN redevient double brin.

B. ARN polymérases

Chez les eucaryotes, il existe trois classes d'ARN polymérases, chacune transcrivant des types de gènes spécifiques:

Empoisonnement par l'amanite phalloïde:

• La toxine α-amanitine inhibe l'ARN polymérase II eucaryote à faible concentration et l'ARN pol III à forte concentration.
• Cela entraîne une inhibition de la synthèse protéique et des dommages hépato-rénaux sévères.

C. Transcription des gènes de classe II (ARNm, miARN et ARNsn sauf U6)

Transcrits par l'ARN polymérase II.

1. Promoteur générique

• Permet une transcription basale dans toutes les cellules.
• S'étend sur environ 100 nucléotides en amont du site d'initiation.
• Comprend:
  • La boîte TATA (en -25), essentielle pour l'activité promotrice.
  • La boîte CAAT (en -90), augmentant la puissance du promoteur.
  • Les boîtes GC (autour de -50), souvent en plusieurs copies, présentes notamment dans les gènes de ménage.
• Le facteur TFIIB et la boîte TATA définissent précisément le site d'initiation.
• La liaison des facteurs de transcription généraux (TFII-X) permet l'initiation basale.
• Des séquences régulatrices supplémentaires et des facteurs transrégulateurs permettent une transcription régulée.

2. Initiation

Les facteurs généraux de la transcription s'assemblent séquentiellement pour former le complexe de préinitiation:

• TFIID (TBP + TAFs) se fixe sur la boîte TATA (via TBP) et d'autres promoteurs (via TAFs). TBP induit une courbure de l'ADN.
• TFIIA stabilise le complexe TFIID-ADN.
• TFIIB définit l'espacement entre la boîte TATA et le site d'initiation, et se lie à l'ARN pol II et TFIIF.
• TFIIF recrute l'ARN polymérase II au promoteur.
• TFIIE et TFIIH s'impliquent ensuite.

Point sur TFIIH:

• Complexe protéique avec plusieurs sous-unités.
• Impliqué dans la transcription et la réparation de l'ADN.
• Activités enzymatiques: ATPase ADN dépendante, kinase, hélicase.
• L'activité hélicase déroule l'ADN, créant la bulle de transcription.
• L'activité kinase phosphoryle le domaine C-terminal (CTD) de l'ARN polymérase II, essentiel pour l'élongation.
• Des mutations de l'activité hélicase de TFIIH sont associées à des maladies comme le Xeroderma pigmentosum et le syndrome de Cockayne.

En vivo, l'initiation nécessite aussi des complexes de remodelage de la chromatine et des enzymes HAT (histone acétyl transférase) pour rendre le promoteur accessible. Des activateurs et inhibiteurs de la transcription interagissent avec le complexe d'initiation via le complexe médiateur.

3. Élongation

• Après phosphorylation du CTD de l'ARN pol II et synthèse d'un fragment d'ARN suffisant, l'ARN pol II se détache des facteurs d'initiation.
• Elle est accompagnée de facteurs d'élongation qui modifient la chromatine, empêchent la formation d'obstacles et facilitent la polymérisation.
• Des facteurs de maturation de l'ARN interviennent également.
• Le transcrit primaire obtenu n'est pas encore mature.

4. Terminaison

• Processus complexe et mal connu.
• La transcription se poursuit au-delà du "nucléotide d'arrêt", l'extrémité 3' en trop étant clivée.
• Libération de l'ARN polymérase, de l'ARN synthétisé, et renaturation de l'ADN.

IV) Modifications "Post-Transcriptionnelles"

Les transcrits primaires subissent des modifications appelées maturation ou modifications post-transcriptionnelles. Ces modifications peuvent être:

• Élimination de segments polynucléotidiques (exo-/endo-nucléasique).
• Addition de séquences nucléotidiques aux extrémités 5' et 3'.
• Modifications de nucléosides spécifiques.

Ces modifications concernent les trois classes d'ARN et sont présentes chez les eucaryotes et procaryotes, bien que certaines soient spécifiques aux eucaryotes.

A. Maturation des ARNm (seulement chez les eucaryotes)

Chez les eucaryotes, le pré-ARNm subit des modifications dans le noyau, essentielles pour son passage dans le cytosol. Trois types majeurs de modifications:

• Coiffe en 5'.
• Queue polyadénylée en 3'.
• Épissage (élimination des introns).

1. Coiffe en 5'

Pour l'ARNm:

• Présence d'une 7-méthylguanosine méthylée sur N⁷, liée au premier nucléotide de l'ARN par une liaison 5'-5' triphosphate.
• La coiffe est ajoutée très tôt, dès le début de la transcription (co-transcriptionnelle).
• Méthylation éventuelle en 2' du ribose sur les deux nucléotides adjacents (Coiffe 0, 1 ou 2).
• Trois activités enzymatiques nécessaires:
  • ARN 5' triphosphatase (élimine le phosphate γ en 5').
  • ARN guanylyltransférase (ajoute un GMP en 5' via une liaison 5'-5' triphosphate).
  • ARN (guanine-7) méthyltransférase (méthyle la guanine en N7, le groupement méthyl est fourni par le SAM).
• Ces enzymes se lient au CTD phosphorylé de l'ARN polymérase II, assurant un bon timing.
• Rôles de la coiffe:
  • Stabilisation de l'ARNm, protection contre les exonucléases.
  • Transport des ARN matures vers le cytoplasme.
  • Intervention dans l'épissage.
  • Initiation de la synthèse protéique (augmente l'efficacité de liaison à la petite sous-unité ribosomique 40S).

Les U ARN (sauf U6) possèdent une coiffe en 5' de 2,2,7-triméthylguanosine, ajoutée dans le cytoplasme. Elle pourrait empêcher leur traduction et servir de signal d'adressage pour le retour au noyau.

2. Polyadénylation en 3' (QUE ARNm)

• Presque tous les ARNm matures possèdent une queue polyA (sauf les ARNm des histones).
• Le transcrit est d'abord clivé par une endonucléase, puis polyadénylé à l'extrémité 3' en présence d'ATP.
• Deux signaux nécessaires:
  • Le signal de polyadénylation AAUAAA (en 3' du transcrit).
  • Une séquence riche en GU ou U, 25 nt en aval.
• Ces séquences sont reconnues par des protéines spécifiques (CPSF, CStF, CFI, CFII).
• La poly(A) polymérase (PAP) ajoute 200 à 250 résidus adénylés à l'extrémité de l'ARNm, avec fixation de PABP (polyA Binding Protein).
• Rôle de la queue polyadénylée:
  • Migration des ARNm vers le cytoplasme.
  • Protection de l'ARNm de la dégradation (ralentie par PABP).
  • Participation à l'initiation de la traduction (rapprochement avec la coiffe).

3. Épissage

• Processus très précis qui a lieu dans le noyau.
• Élimine les introns du transcrit primaire, ne conservant que les exons et les régions 5'UTR et 3'UTR.
• Loi de Breathnach et Chambon:
  • Séquence GU en bordure 5' de l'intron (site donneur d'épissage).
  • Séquence AG en bordure 3' de l'intron (site accepteur d'épissage).
  • Un site de branchement (Adénine) 20 à 50 nt avant l'extrémité 3' de l'intron, au sein d'une séquence YNCURAY, suivie d'un élément riche en pyrimidine (polyPyr).
• Ces séquences consensus sont essentielles; des mutations sont délétères.
• Mécanisme en 2 étapes de transestérification:
  1. Clivage de l'extrémité 5' de l'intron et liaison à l'adénine du site de branchement, formant un lasso.
  2. Liaison du groupement 3'-OH libre de l'exon en amont avec le 5'-P de l'exon en aval.
• Ne nécessite pas d'apport d'énergie (ATP).
• Le lasso est libéré et dégradé.

Le Spliceosome

• Complexe multimérique (particule d'épissage) permettant la reconnaissance et le rapprochement des séquences-clés.
• Composé du pré-ARNm, de protéines accessoires et de ribonucléoprotéines (Snurps, contenant les snRNP U1, U2, U4, U5 et U6).
• Assemblage séquentiel:
  • U1 se lie au site donneur d'épissage en 5' de l'intron.
  • U2 se lie au site de branchement.
  • U5 reconnaît le site accepteur d'épissage en 3' de l'intron.
  • Cela conduit au clivage du site donneur, formation du lasso, clivage du site accepteur, ligation des exons et libération du lasso.
• L'ARNm mature contient la coiffe en 5', la queue polyA en 3', et une région codante continue (exons).
• Les ARNm matures sont transportés activement vers le cytosol à travers les pores nucléaires.