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SCIENTIFIC RESEARCH CENTER OF KURDISTAN CENTRE DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE DU KURDISTAN (CRSK)
Association de Loi 1901 RDA N°W212005346, 4 Rue de Saverne, 21000 DIJON FRANCE
Dr Ali KILIC Président
Doctor of Philosophical Sciences
Paris le 10 fèvrier 2015
www.dralikilic.wordpress.com
« Journée ARN »en hommage á Marianne GRUNBERG-MANAGO
Marianne Grunberg Manago(1921–2013)
Academie des Sciences a rendu “ Journée ARN en hommage á
Marianne GRUNBERG-MANAGO le 10 fevrier 2015 à Marianne
Grunberg-Manago, remarquable biochimiste et personnalité hors du commun,
a découvert la polynucléotide phosphorylase (PNPase), une enzyme qui
synthétise des polyribonucléotides, éléments constitutifs de l’ARN tel l’ARN
2
polyU. Cette enzyme est à l’origine de la compréhension du code génétique. En
effet, Marshall Nirenberg et Heinrich Matthaei montrent en 1961 que l’ARN
polyU synthétisé par l’enzyme dirige à son tour la synthèse d’un fragment de
protéine, l’oligopeptide polyphénylalanine. La passion de Marianne Grunberg-
Manago pour la molécule d’ARN n’a cessé de s’amplifier et l’un des objectifs
de cette journée est d’illustrer la place croissante de l’ARN dans tous les
domaines de la biologie grâce à quelques exemples aussi éloignés que la
virulence bactérienne ou l’empreinte parentale chez l’homme. Les académiciens
et les Scientifiques ont y assistés et ont du hommage à Marianne Grunberg-
Manago, á cette grande scientifique. Le CRSK rende hommage á cette grande
académicienne qui a présidé la première fois dans l’histoire de la Science en
France l’Académie des Sciences.
Lors de la séance en date du 10 février 2015 ont y assistés Eric
WESTHOF1 a fait l’introduction et Mathias SPRINGER
2 a présenté l’oeuvre
de Marianne GRUNBERG-MANAGO, Pascale COSSART3 en précisant des
Nouveaux concepts en régulation ARN-dépendante chez les bactéries et Eric
MEYER4 a insisté sur ARN et hérédité non mendélienne chez la paramécie,
Emmanuelle CHARPENTIER5 a mis l’accent sur CRISPR/Cas9 : une
révolution dans le génie génétique,puis Christine GASPIN6 a intervenu sur la
Bioinformatique de l’ARN. Quant á Pascale ROMBY7 elle a présenté Les
multiples fonctions des ARN bactériens: communication, adaptation, défense et
virulence et Jérôme Cavaillé8 a abordé la question de Biogenèse et fonction des
ARN dont les gènes sont régulés par l'empreinte génomique parentale . Les
conclusions ont été rendues par François GROS.9
En tant que membres du CRSK, nous rendons hommage dans un premier
temps á la vie académique et scientifique de Marianne Grunberg-Manago, en
précisant la pareticularité de sa présence en tant que première femme qui a
dirigé l'Union internationale de biochimie, elle a également présidé l'Académie
française des sciences où elle a été élue en 1982. En 1990, elle a été élue à la
National Academy of Sciences américaine, dans un deuxième temps sa place
1 Académie des sciences, professeur à l’université de Strasbourg, Institut de biologie moléculaire et cellulaire du CNRS,
Strasbourg 2 Académie des sciences, directeur de recherche au CNRS, Institut de biologie physico-chimique, Paris 3 Académie des sciences, professeur à l’Institut Pasteur, Unité des interactions bactéries-cellules, Inserm U604, INRA
USC2020, Paris 4 directeur de recherche au CNRS, Institut de biologie de l’École normale supérieure, Paris 5 Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Braunschweig Hannover Medical School Allemagne. Lauréate du Prix Jean-
Pierre Lecocq 2014 de l’Académie des sciences et du prix Breakthrough 2015 in Life Sciences 6 directrice de recherche, Unité de Mathématiques et Informatique Appliquées, Institut national de la recherche agronomique,
Toulouse 7 directrice de recherche au CNRS, Institut de biologie moléculaire et cellulaire du CNRS, Strasbourg 8 directeur de recherche au CNRS, Laboratoire de biologie moléculaire des eucaryotes, CNRS/Université Toulouse III-Paul
Sabatier, Toulouse 9 Académie des sciences, professeur honoraire au Collège de France et à l'Institut Pasteur
3
dans l’histoire de la Science, et troisième lieu d’examiner la particularité de la
Journée ARN en hommage á Marianne GRUNBERG-MANAGO.
1.Sur la la vie académique et scientifique de Marianne Grunberg-Manago
Marianne Grunberg-Manago est née le 6 janvier 1921 à Saint-
Petersbourg. Élue Correspondant dans la section de Biologie moléculaire et
cellulaire le 31 octobre 1977, puis Membre de cette même section le 1er mars
1982, elle demeure la seule femme de notre Compagnie qui, depuis sa création,
fut portée à la Présidence (1995-1996) de l’académie des Sciences.. Elle est
décédée le 3 janvier 2013 à Paris.
Son œuvre scientifique, considérable, les responsabilités multiples qu'elle
assuma, tant au plan national qu'international et singulièrement européen en
font une des figures la plus marquante de la biologie. Les débuts de sa carrière
scientifique, dans le laboratoire d'E. Aubel à l'Institut de Biologie
physicochimique, dont elle deviendra Chef de service en 1967, comportent des
recherches sur le métabolisme microbien : effets de l'oxygène sur les microbes
anaérobies et études de nombreux processus impliquant le transfert actif des
ions phosphates, etc. Toutefois, sa contribution la plus connue, réalisée en partie
aux États-Unis, est la découverte d'une enzyme, la polynucléotide-
phosphorylase, la première du genre à catalyser la synthèse in vitro de
polymères apparentés aux acides ribonucléiques. Ces travaux d'une portée
considérable allaient ouvrir de multiples voies à la physico-chimie des
macromolécules et conduire au déchiffrement du code génétique. Marianne
Grunberg-Manago s'illustrera, par la suite, dans l'élucidation de nombreuses
étapes de la traduction génétique ("initiation" des chaînes protéiques, rôle des
ribosomes, interactions codons/anti-codons), travaux qui lui ont valu le prix
Charles-Léopold Mayer en 1966. Grand Officier de la Légion d'Honneur,
directeur de recherche au CNRS, Professeur associé à l'Université Paris 7 (1977-
1982) et à l'Université de Harvard (1977), elle était membre de l'EMBO (1964),
de l'American Society of Biological Chemistry, de la Société française de
Biochimie et Biologie moléculaire10
, et de nombreuses académies étrangères
dont la National Academy of Sciences des États-Unis (1982), et de l'Académie
des sciences de Russie.
10
La Société française de biochimie et de biologie moléculaire (SFBBM) est une société savante dans le domaine de la
biochimie et de la biologie moléculaire. Elle a été créée en 1914 sous le nom de Société de chimie biologique. Elle est
reconnue d'utilité publique depuis 1933. Sa mission est en particulier de promouvoir l'enseignement de la biochimie et la
recherche dans ce domaine
4
Elle fut une véritable ambassadrice de la Science Française qu'elle
représenta à l'ICSU (Conseil international de la Science)11
à l'Union
Internationale de Biochimie et dans de nombreux programmes d'échanges
officiels notamment avec les USA et la Russie.
Marianne Grunberg-Manago, remarquable biochimiste et personnalité
hors du commun, a découvert la polynucléotide phosphorylase (PNPase), une
enzyme qui synthétise des polyribonucléotides, éléments constitutifs de l’ARN
tel l’ARN polyU. Cette enzyme est à l’origine de la compréhension du code
génétique. En effet, Marshall Nirenberg et Heinrich Matthaei montrent en 1961
que l’ARN polyU synthétisé par l’enzyme dirige à son tour la synthèse d’un
fragment de protéine, l’oligopeptide polyphénylalanine. La passion de Marianne
Grunberg-Manago pour la molécule d’ARN n’a cessé de s’amplifier et l’un des
objectifs de cette journée est d’illustrer la place croissante de l’ARN dans tous
les domaines de la biologie grâce à quelques exemples aussi éloignés que la
virulence bactérienne ou l’empreinte parentale chez l’homme.
Descendante du pédagogue Johann Heinrich Pestalozzi elle émigre en
France alors qu'elle a neuf mois.
Elle fait des études de biologie physico-chimique, commence dans la
recherche au laboratoire de biologie marine de Roscoff, part en stage aux États-
Unis, rejoint le laboratoire de biologie moléculaire de Severo Ochoa en 1954,
ce qui l'amènera à découvrir la polyribonucléotide nucléotidyltransférase, une
enzyme qui va bouleverser la recherche sur l'hérédité en permettant une
meilleure compréhension des mécanismes de réplication de l'acide
désoxyribonucléique. Cette découverte vaudra le Prix Nobel de physiologie ou
médecine à son directeur de laboratoire Severo Ochoa.
Première femme à diriger l'Union internationale de biochimie, elle a
également présidé l'Académie française des sciences où elle a été élue en 1982.
En 1990, elle a été élue à la National Academy of Sciences américaine.
11
ICSU Le Conseil international pour la science a été créé en 1931 dans le but de promouvoir l'activité scientifique
internationale dans les différentes branches de la science et leurs applications pour le bénéfice de l'humanité. Lors d'une
Assemblée Générale Extraordinaire en avril 1998, le CIUS a pris pour nouveau nom CIUS : le Conseil International pour la
Science. Depuis sa création, il a vigoureusement poursuivi une politique de non-discrimination, affirmant les droits et la
liberté des scientifiques du monde entier de s'associer à l'activité scientifique internationale sans préjudice de facteurs tels que
la citoyenneté, la religion, les croyances, l'opinion politique, l'origine ethnique, la race, la couleur, la langue, l'âge ou le sexe.
Le CIUS est une organisation non-gouvernementale qui comporte deux catégories de membres : les académies des sciences
ou conseils de recherche, qui sont des organismes nationaux et multidisciplinaires (95 membres), et les Unions
Scientifiques, qui sont des organisations internationales et disciplinaires (25 membres). Ces deux groupes se complètent pour
réunir une large gamme d'expertise scientifique, permettant aux membres d'aborder des questions internationales et
interdisciplinaires d'une importance majeure qu'aucun d'entre eux ne pourrait aborder isolément. Le CIUS compte, en outre,
28 Associés scientifiques.
5
Décorée de la Légion d'honneur, elle a été élevée à la dignité de Grand
Officier le 30 janvier 2008. Elle est également commandeur de l'ordre national
du mérite.
2- Sur son eouvre scientifique et surses apports
académiques
Son œuvre scientifique, considérable, les responsabilités multiples qu'elle
assuma, tant au plan national qu'international -et singulièrement européen- en
font une des figures la plus marquante de la biologie. Les débuts de sa carrière
scientifique, dans le laboratoire d'E. Aubel à l'Institut de Biologie
physicochimique, dont elle deviendra Chef de service en 1967, comportent des
recherches sur le métabolisme microbien : effets de l'oxygène sur les microbes
anaérobies et études de nombreux processus impliquant le transfert actif des ions
phosphates, etc.
Toutefois, sa contribution la plus connue, réalisée en partie aux États-
Unis, est la découverte d'une enzyme, la polynucléotide-phosphorylase, la
première du genre à catalyser la synthèse in vitro de polymères apparentés aux
acides ribonucléiques. Ces travaux d'une portée considérable allaient ouvrir de
multiples voies à la physico-chimie des macromolécules et conduire au
déchiffrement du code génétique. Marianne Grunberg-Manago s'illustrera, par la
suite, dans l'élucidation de nombreuses étapes de la traduction génétique
("initiation" des chaînes protéiques, rôle des ribosomes, interactions codons/anti-
codons). Grand Officier de la Légion d'Honneur, directeur de recherche au
CNRS, Professeur associé à l'Université Paris 7 (1977-1982) et à l'Université de
Harvard (1977), elle était membre de l'EMBO (1964), de l'American Society of
Biological Chemistry, de la Société française de Biochimie et Biologie
moléculaire, et de nombreuses académies étrangères dont la National Academy
of Sciences des États-Unis (1982), et de l'Académie des sciences de Russie.
3- « Journée ARN »en hommage á Marianne GRUNBERG-MANAGO
L'acide ribonucléique (ARN) est une molécule biologique présente chez
pratiquement tous les êtres vivants, et aussi chez certains virus. L'ARN est une
molécule très proche chimiquement de l'ADN et il est d'ailleurs en général
synthétisé dans les cellules à partir d'une matrice d'ADN dont il est une copie.
Les cellules vivantes utilisent en particulier l'ARN comme un support
intermédiaire des gènes pour synthétiser les protéines dont elles ont besoin.
L'ARN peut remplir de nombreuses autres fonctions et en particulier intervenir
dans des réactions chimiques du métabolisme cellulaire.
6
Chimiquement, l'ARN est un polymère linéaire constitué d'un enchaînement de
nucléotides. Chaque nucléotide contient un groupe phosphate, un sucre (le
ribose) et une base azotée. Les nucléotides sont liés les uns aux autres par des
liaisons phosphodiester. On trouve quatre bases azotées dans l'ARN : l'adénine,
la guanine, la cytosine et l'uracile. L'ARN a de nombreuses similitudes avec
l'ADN, avec cependant quelques différences importantes : d'un point de vue
structurel, l'ARN contient des résidus de ribose là où l'ADN contient du
désoxyribose, ce qui rend l'ARN chimiquement moins stable, tandis que la
thymine de l'ADN y est remplacée par l'uracile, qui possède les mêmes
propriétés d'appariement de base avec l'adénine. Sur le plan fonctionnel, l'ARN
se trouve le plus souvent dans les cellules sous forme monocaténaire, c'est-à-dire
de simple brin, tandis que l'ADN est présent sous forme de deux brins
complémentaires formant une double hélice. Enfin, les molécules d'ARN
présentes dans les cellules sont plus courtes que l'ADN du génome, leur taille
variant de quelques dizaines à quelques milliers de nucléotides, contre quelques
millions à quelques milliards de nucléotides pour l'acide désoxyribonucléique
(ADN).
Dans la cellule, l'ARN est produit par transcription à partir de l'ADN situé dans
le noyau. L'ARN est donc une copie d'une région de l'un des brins de l'ADN.
Les enzymes qui effectuent la copie ADN → ARN s'appellent des ARN
polymérases. Les ARN ainsi produits peuvent avoir trois grands types de
fonctions : ils peuvent être supports de l'information génétique d'un ou plusieurs
gènes codant des protéines (on parle alors d'ARN messagers), ils peuvent
adopter une structure secondaire et tertiaire stable et accomplir des fonctions
catalytiques (par exemple l'ARN ribosomique), ils peuvent enfin servir de guide
ou de matrice pour des fonctions catalytiques accomplies par des facteurs
protéiques (ce qui est par exemple le cas des microARN).
Structure de l'ARN et Structure chimique
Structure d'un brin d'ARN. Les atomes du ribose sont numérotés. La base
représentée est l'uracile, qui n'est présente naturellement que dans l'ARN, à la
place de la thymine, présente dans l'ADN.
7
L'ARN est un acide nucléique, c'est-à-dire une molécule constituée d'un
enchaînement de nucléotides. Chaque nucléotide de l'ARN est constitué d'un
pentose, le ribose , dont les atomes de carbone sont numérotés de 1′ à 5′, d'une
base nucléique, ou base azotée , et d'un groupe phosphate . La base azotée est
reliée par un atome d'azote au carbone 1′ du ribose. Les nucléotides sont liés
les uns aux autres par des groupes phosphate, par l'intermédiaire de liaisons
phosphodiester au niveau des carbones 3′ et 5′. L'ARN possède quatre bases
azotées différentes : l'adénine (notée A), l'uracile (noté U), la cytosine (notée
C) et la guanine (notée G). La thymine de l'ADN est remplacée par l'uracile
dans l'ARN2. La différence entre ces deux bases est le remplacement d'un
groupe méthyle en position 5 de la thymine par un atome d'hydrogène dans
l'uracile. Cette modification de structure ne change pas les propriétés
d'appariement avec l'adénine3,4
.
Adénine.
Guanine.
Cytosine.
Uracile.
8
Stéréochimie
Conformation C2′-endo, observée dans les hélices de type B (ADN).
Conformation C3′-endo, observée dans les hélices de type A (ARN).
Sur le plan structurel, la présence d'un atome d'oxygène sur la position 2′ du
ribose influence la conformation du cycle furanose du ribose. Cet hétérocycle
à cinq atomes n'est pas plan, ce qui conduit à deux conformères principaux du
sucre, appelés C2′-endo et C3′-endo. Dans l'ARN, qui comporte un atome d'
oxygène en position 2′, la position C3′-endo est privilégiée5, ce qui modifie
profondément la structure des doubles hélices comportant des brins ARN. Ces
duplex d'ARN forment une hélice de type A, différente de celle qui est observée
de façon majoritaire dans l'ADN classique, qui est une hélice de type B, où le
désoxyribose est en conformation C2′-endo6.
Double hélice d'ARN
Comparaison des structures de l'hélice B de l'ADN7 et de l'hélice A de
l'ARN8. Le grand sillon est fortement modifié.
L'hélice de type A qu'adopte l'ARN lorsqu'il forme un duplex a des
propriétés géométriques assez différentes de celles de l'hélice de type B. Tout
d'abord le nombre de paires de bases par tour d'hélice est de 11 au lieu de 10
pour l'ADN en forme B. Le plan des paires de bases n'est plus perpendiculaire à
l'axe de l'hélice, mais forme un angle d'environ 75° avec celui-ci9,10
. Il en résulte
un déplacement de l'axe de l'hélice qui ne passe plus par le centre de
l'appariement des bases, mais à l'intérieur du grand sillon. Ceci induit une
augmentation du diamètre de l'hélice qui passe d'environ 20 Å pour l'ADN en
9
forme B à environ 26 Å pour l'ARN en forme A11
. Enfin, la géométrie des deux
sillons est profondément affectée : le petit sillon devient très accessible, tandis
que le grand sillon devient très profond, étroit et pincé. Ceci a un impact sur la
manière dont l'ARN double brin peut interagir avec des protéines, car l'étroitesse
du grand sillon est une barrière à l'accessibilité de ligands protéiques12
.
Structure in vivo
La plupart des ARN naturels sont présents sous forme monocaténaire
(simple brin) dans la cellule, contrairement à l'ADN qui est sous forme d'un
double brin apparié2. Les brins d'ARN se replient le plus souvent sur eux-
mêmes, formant une structure intramoléculaire qui peut être très stable et très
compacte. La base de cette structure est la formation d'appariements internes,
entre bases complémentaires (A avec U, G avec C et, parfois, G avec U). La
description des appariements internes entre les bases d'un ARN s'appelle la
structure secondaire. Cette structure secondaire peut être complétée par des
interactions à distance qui définissent alors une structure tridimensionnelle ou
structure tertiaire.
La formation de la structure des ARN est très souvent dépendante des conditions
physicochimiques environnantes et en particulier de la présence, dans la
solution, de cations divalents, comme l'ion magnésium Mg2+
. Ces cations
interagissent avec les groupes phosphate du squelette et stabilisent la structure,
en particulier en faisant écran à la répulsion électrostatique entre les charges
négatives de ces phosphates13
.
La structure tertiaire des ARN est à la base de la richesse de leurs fonctions et en
particulier de leur capacité à catalyser des réactions chimiques (ribozymes).
Structure secondaire
Structure « en épingle à cheveux », ou tige-boucle, formée par une
séquence palindromique sur l'ARN.
La structure secondaire d'un ARN est la description de l'ensemble des
appariements internes au sein d'une molécule simple brin14
. Cet ensemble
d'appariements induit une topologie particulière, composée de régions en hélice
10
(tiges) et de régions non-appariées (boucles). Par extension, la structure
secondaire recouvre également la description de cette topologie.
La formation de structures secondaires au sein d'un ARN simple brin
résulte de l'existence de régions contenant des séquences palindromiques, qui
peuvent s'apparier pour former localement une structure en double hélice. Par
exemple, si l'ARN contient les deux séquences suivantes : --GUGCCACG------
CGUGGCAC--, celles-ci forment une séquence palindromique, les nucléotides
du second segment étant les complémentaires de ceux du premier, après
inversion de leur sens de lecture ; ces deux segments peuvent alors s'apparier de
manière antiparallèle pour former une région localement en duplex. La région
entre les deux segments forme une « boucle » reliant les deux brins appariés, cet
appariement formant une « tige ». On parle alors de structure en « épingle à
cheveux », ou tige-boucle.
Dans des ARN de longueur plus importante, il peut exister des structures plus
complexes qui résultent de l'appariement de plusieurs régions complémentaires
ou palindromiques. En fonction de la manière dont sont « emboîtées » ces
différentes régions, on obtient des éléments topologiques variés, avec des tiges
ou régions appariées, et divers types de boucles15
:
les boucles terminales, situées à l'extrémité d'une tige ;
les boucles internes, qui connectent deux tiges ;
11
les boucles multiples, qui connectent trois tiges ou plus et constituent des
points de branchement de la structure ;
les hernies (en anglais bulge), ou boucles latérales, qui sont sur un seul
des deux brins d'une hélice. La continuité de l'hélice n'est en général pas
affectée et les bases restent empilées de manière coaxiale, de part et
d'autre de la hernie.
Il n'existe pas toujours une structure unique stable pour une séquence donnée et
il arrive que certains ARN puissent adopter plusieurs conformations alternatives
en fonction de la liaison d'un ligand (protéine, petite molécule…) ou des
conditions physico-chimiques (force ionique, pH). On peut en général suivre la
formation ou la fusion de la structure secondaire d'un ARN par des mesures
spectroscopiques. Ainsi, par exemple, l'absorption dans l'ultraviolet des bases de
l'ARN est plus importante à l'état déplié qu'à l'état replié (phénomène
d'hyperchromicité16
).
Structure tertiaire
Exemple d'appariement non canonique : la paire G-A en cisaille
(sheared). Celle-ci est présente par exemple dans la structure de l'ARN
ribosomique 5S.
Appariements non canoniques
Au-delà de la topologie des boucles et des hélices composées de paires de
bases standard, un ARN peut adopter une structure tridimensionnelle compacte,
ou structure tertiaire, comme une protéine. À l'intérieur de cette structure, les
hélices canoniques sont complétées par des appariements non canoniques, c'est-
à-dire distincts des appariements classiques, de type Watson-Crick (A=U et
G≡C) et bancals (wobble, G=U). On a observé une grande variété de ces
appariements dans les structures tridimensionnelles d'ARN résolues par
cristallographie aux rayons X ou par résonance magnétique nucléaire. On
12
trouve par exemple des appariements Hoogsteen17
et des appariements « en
cisaille » (sheared)18
. Il existe également des interactions base-ribose ,
notamment avec l'hydroxyle 2', qui peut former des liaisons hydrogène. Une
nomenclature systématique de toutes ces interactions a été proposée par Éric
Westhof et ses collaborateurs19
. Plus de 150 types d'appariements ont été
observés et ont été regroupés en douze grandes familles. Ces appariements non
canoniques impliquent toujours des liaisons hydrogène entre les bases, qui sont
coplanaires, comme dans les paires Watson-Crick.
Interactions à grande distance
Des appariements canoniques ou non canoniques peuvent intervenir entre
des régions distantes de la structure secondaire, souvent localisées dans des
boucles, ce qui permet de stabiliser un repliement compact de la structure.
Parmi ces interactions non canoniques à grande distance figurent :
les pseudonœuds, structures formées par l'interaction d'une boucle avec
une région située à l'extérieur de la tige qui la délimite20
;
les triplex de brin, qui surviennent lorsqu'une région simple brin vient
s'insérer dans le grand sillon d'une région en hélice ;
les interactions tétraboucle -récepteur : interactions entre boucles
hyperstables de quatre nucléotides (tétraboucles) et structures en duplex
ou quasi-duplex21
.
Similitudes et différences entre l'ADN et l'ARN
Les principales différences entre les deux molécules sont que :
l'ARN a pour sucre le ribose là où l'ADN a du désoxyribose ;
la base uracile remplit dans l'ARN la fonction assurée par la thymine
dans l'ADN ;
l'ARN existe généralement sous forme monocaténaire (simple brin),
hormis chez quelques virus tels que les réovirus22
, tandis que l'ADN est
double brin (bicaténaire) avec une structure en double hélice ;
l'ARN est court : de quelques dizaines à quelques milliers de nucléotides
pour les ARN cellulaires (ARNm ou ARN structurés), contre quelques
millions à quelques milliards (trois milliards chez l'Homme) dans l'ADN
qui constitue le génome de la cellule.
Les trois premières différences donnent à l'ARN une stabilité bien moindre
que celle de l'ADN :
13
le ribose possède un groupe hydroxyle en position 2′, qui est absent dans
le désoxyribose de l'ADN . Cette fonction 2′-OH a des incidences
multiples sur la structure de l'ARN. Tout d'abord sur le plan chimique,
cette fonction alcool rend l'ARN sensible à l'hydrolyse alcaline. La
présence des deux oxygènes en cis sur les positions 2′ et 3′ rend possible
la cyclisation du phosphate sur les positions 2′ et 3′, qui se produit très
rapidement lorsqu'une base vient arracher le proton du 2′-OH. Cette
cyclisation du nucléotide provoque une coupure de la chaîne ribose-
phosphate et libère des extrémités 5′-OH et 2′, 3′ phosphate cyclique]23
l'uracile est moins coûteux énergétiquement à produire pour les
organismes vivants que la thymine, puisqu'il nécessite une étape de
synthèse de moins qu'est la méthylation par la thymidylate synthase. La
présence de thymine dans l'ADN permet à la cellule de détecter des
lésions spontanées de la cytosine qui est sensible à l'oxydation. La
désamination spontanée de la cytosine en présence d'oxygène convertit
cette dernière en uracile. La présence de désoxyuridine dans l'ADN est
anormale, puisque le désoxyribonucléotide complémentaire de la
désoxyadénosine est la thymidine . Grâce à cette distinction entre
thymine et uracile au moyen d'un groupe méthyle, le système de
réparation par excision de base peut détecter et corriger le défaut. Dans
l'ARN, la désamination des cytosines produit des uraciles et n'est pas
réparée. L'ARN ayant une durée de vie beaucoup plus courte que celle de
l'ADN (de l'ordre de la minute), il est dégradé et recyclé ;
si un brin d'ARN monocaténaire est endommagé, la lésion n'est pas
réparée et le dommage est irréversible ; en revanche, si un des deux brins
d'ADN est endommagé, la cellule peut utiliser l'information portée par le
brin complémentaire intact pour réparer la lésion .
D'un point de vue évolutif, certains éléments permettent de penser que
l'ARN serait antérieur à l'ADN comme support de l'information génétique, ce
14
qui expliquerait ses fonctions plus étendues et sa généralisation. L'ADN serait
apparu plus tard et n'aurait supplanté l'ARN que pour le rôle de stockage à long
terme, en raison de sa plus grande stabilité24
.
Synthèse de l'ARN à partir de l'ADN
La synthèse d'une molécule d'ARN à partir de l'ADN s'appelle la
transcription. C'est un processus complexe qui fait intervenir une enzyme de la
famille des ARN polymérases ainsi que des protéines associées. Les différentes
étapes de cette synthèse sont l'initiation, l'élongation et la terminaison. Le
processus de synthèse des ARN est sensiblement différent chez les organismes
procaryotes et chez les cellules eucaryotes25
. Enfin, après la transcription
proprement dite, l'ARN peut subir une série de modifications post-
transcriptionnelles dans le cadre d'un processus de maturation au cours duquel
sa séquence et sa structure chimique peuvent être modifiées.
Le démarrage de la transcription d'un ARN par une ARN polymérase
s'effectue au niveau d'une séquence spécifique sur l'ADN, appelée promoteur.
Ce promoteur comporte un ou plusieurs éléments de séquence conservés26
sur
lesquels se fixent en général des protéines spécifiques, les facteurs de
transcription. Juste en amont du site d'amorçage de la transcription, l'élément
proximal est en général riche en nucléotides T et A, et est pour cette raison
appelé boîte TATA27
chez les eucaryotes ou boîte de Pribnow chez les
bactéries28
. Les facteurs de transcription favorisent le recrutement de l'ARN
polymérase sur le promoteur et l'ouverture du duplex d'ADN. Il se forme alors
ce qu'on appelle une bulle de transcription avec l'ADN ouvert, dont l'un des
brins (la matrice) est hybridé avec l'ARN en cours de synthèse.
Élongation
15
Vue en microscopie électronique des « arbres de Noël » ou « arbres de
Miller » produits par la transcription d'un gène actif29
. Le « tronc » de l'arbre est
constitué de l'ADN et les « branches » sont les différentes molécules d'ARN en
cours de synthèse. Celles-ci sont plus courtes vers le début de la région transcrite
et plus longues vers la fin.
Une fois l'ARN polymérase fixée sur le promoteur et la bulle de
transcription formée, elle synthétise les premiers nucléotides de manière statique
sans quitter la séquence du promoteur. Les facteurs de transcription se détachent
et l'ARN polymérase devient processive30
. Elle transcrit alors l'ARN dans le sens
5' vers 3', en utilisant l'un des deux brins de l'ADN comme matrice et des
ribonucléotides triphosphates (ATP, GTP, CTP et UTP) comme précurseurs.
In vivo , chez Escherichia coli, la vitesse d'allongement de l'ARN polymérase
est d'environ 50 à 90 nucléotides par seconde31
.
Terminaison
La terminaison de la transcription de l'ARN procède selon des
mécanismes complètement différents chez les bactéries et chez les eucaryotes.
Chez les bactéries, le mécanisme principal de terminaison fait intervenir
une structure particulière de l'ARN, le terminateur, composé d'une tige-boucle
stable suivie d'une série de résidus d'uridine (U). Lorsque l'ARN polymérase
synthétise cette séquence, le repliement de la tige d'ARN provoque une pause de
la polymérase32
. L'ARN, qui n'est plus apparié à l'ADN matrice que par une
série d'appariements A-U faibles, se détache, sans intervention d'autres facteurs
protéiques. La terminaison peut aussi se faire via l'intervention d'un facteur
protéique spécifique, le facteur Rho33
.
Chez les eucaryotes, la terminaison de la transcription par l'ARN
polymérase II est couplée à la polyadénylation. Deux complexes protéiques,
CPSF (en) et CStF (en) reconnaissent les signaux de polyadénylation (5′-
AAUAAA-3′) et de coupure de l'ARN. Ils clivent l'ARN, induisent le
détachement de la polymérase de l'ADN et recrutent la poly-A polymérase qui
ajoute la queue poly(A)34
(voir plus bas).
Maturation
La maturation des ARN comprend un ensemble de modifications post-
transcriptionnelles principalement observées chez les eucaryotes et jouent un
rôle important dans le devenir de l'ARN maturé. Les principales modifications
sont l'adjonction d'une coiffe en 5′, la polyadénylation en 3′, l'épissage,
16
l'introduction de modifications chimiques au niveau de la base ou du ribose et
enfin l'édition.
Coiffe
Structure de la coiffe en 5′ des ARN messagers.
La coiffe, ou 5′-cap en anglais, est un nucléotide modifié qui est ajouté à
l'extrémité 5' de l'ARN messager dans les cellules d'eucaryotes. Elle se compose
d'un résidu de guanosine méthylé lié par une liaison 5′-5′ triphosphate au
premier nucléotide transcrit par l'ARN polymérase35
. Cette modification est
introduite dans le noyau de la cellule, par l'action successive de plusieurs
enzymes : polynucléotide 5'-phosphatase, ARN guanylyltransférase,
méthyltransférases.
La coiffe joue plusieurs rôles : elle accroît la stabilité de l'ARN en le protégeant
de la dégradation par des exonucléases 5′-3′ et permet également le recrutement
de facteurs d'initiation de la traduction nécessaires à la fixation du ribosome sur
les ARN messagers cellulaires. La coiffe est donc essentielle à la traduction de
la plupart des ARNm.
Polyadénylation
La polyadénylation consiste en l'addition d'une extension à l'extrémité 3′
de l'ARN composée exclusivement de ribonucléotides de type adénosine (A).
Pour cette raison, l'extension est appelée queue poly(A). Bien que composée de
nucléotides standard, cette queue poly(A) est ajoutée de façon post-
transcriptionnelle par une enzyme spécifique appelée poly(A) polymérase36
et
n'est pas codée dans l'ADN génomique. La queue poly(A) est trouvée
principalement à l'extrémité des ARN messagers. Chez les eucaryotes, la
polyadénylation des ARNm est nécessaire à leur traduction par le ribosome et
participe à leur stabilisation. La queue poly(A) est en particulier reconnue par la
PABP (poly (A) binding protein, « protéine de liaison de la poly (A) »).
Chez les bactéries et dans certaines mitochondries, la polyadénylation des
ARN est au contraire un signal de dégradation37
.
17
Épissage
Épissage des introns dans un ARN messager. L'épissage est une
modification post-transcriptionnelle qui consiste en l'élimination des introns et la
suture des exons dans les ARN messagers et dans certains ARN structurés
comme les ARNt2. Présents chez les organismes eucaryotes, les introns sont des
segments d'ARN qui sont codés dans le génome et transcrits dans l'ARN
précurseur, mais qui sont éliminés du produit final. Dans la plupart des cas, ce
processus fait intervenir une machinerie spécifique complexe appelée le
splicéosome38
. L'épissage se produit dans le noyau des cellules eucaryotes, avant
l'export de l'ARN maturé vers le cytoplasme.
Nucléotides modifiés
Après leur transcription par l'ARN polymérase, certains ARN subissent des
modifications chimiques sous l'action d'enzymes spécifiques. Les principaux
ARN subissant des modifications sont les ARN de transfert et les ARN
ribosomiques. On peut également considérer que les méthylations intervenant
dans la synthèse de la coiffe sont des modifications de nucléotides particulières.
Dans le cas général, les modifications peuvent porter soit sur la base, soit sur le
ribose. Les principales modifications rencontrées sont :
sur le ribose : des O-méthylations de la position 2′-OH ;
sur la base :
o l'isomérisation des uridines qui donne des pseudouridines39
,
o des méthylations, soit sur des atomes de carbone (ribothymidine),
soit sur des atomes d'azote (7-méthylguanosine...),
o une réduction, qui transforme les uridines en dihydrouridines,
o des thiolations,
o des modifications plus complexes (prénylation, thréonyl-
carbamoylation...).
Dans les ARN de transfert, l'introduction de nucléotides modifiés
contribue à augmenter la stabilité des molécules40
.
Édition
L'édition des ARN consiste en une modification de la séquence de l'acide
ribonucléique, postérieure à la transcription par l'ARN polymérase. À l'issue du
18
processus d'édition, la séquence de l'ARN est donc différente de celle de l'ADN.
Les changements opérés peuvent être la modification d'une base, la substitution
d'une base ou encore l'ajout d'une ou plusieurs bases. Ces modifications sont
effectuées par des enzymes qui agissent sur l'ARN, comme les cytidine
désaminases, qui transforment chimiquement les résidus de cytidine en uridine.
Fonction dans la cellule
Dans les cellules, les ARN remplissent quatre rôles distincts et
complémentaires :
support temporaire de l'information génétique : c'est l'ARN messager qui
remplit ce rôle, il est utilisé par la cellule pour transmettre l'information
correspondant à un gène donné à l'extérieur du noyau, puis pour
synthétiser des protéines à partir de ces informations ;
catalyseur enzymatique : comme les protéines, les ARN peuvent se replier
en trois dimensions pour former des structures complexes. Ces structures
permettent à certains ARN de se comporter comme des enzymes, on parle
alors de ribozyme. Le ribosome, la ribonucléase P et certains introns sont
des ribozymes. Il existe des arguments indirects indiquant que la
machinerie d'épissage des ARN messagers (le splicéosome) est également
aussi un ribozyme41
, même si la démonstration formelle n'en a pas encore
été apportée ;
guide pour des enzymes : certains ARN sont utilisés comme cofacteurs
par des protéines pour permettre leur ciblage vers des séquences
spécifiques. Parmi ceux-ci, on peut citer les petits ARN nucléolaires
(snoARN), qui guident les enzymes de modification de l'ARN
ribosomique , l'ARN télomérique, qui est un cofacteur de la télomérase,
l'enzyme qui fabrique les extrémités des chromosomes, ou encore les
ARN interférents ;
régulateurs de l'expression génétique : certains ARN non codants jouent
un rôle dans la répression de l'expression de certains gènes ou groupes de
gènes. C'est le cas par exemple des ARN antisens qui s'apparient à un
ARN cible et en bloquent la traduction par le ribosome.
Une classe particulière d'ARN, les ARN de transfert, se trouve à
l'interface de plusieurs de ces fonctions en guidant les acides aminés lors de la
traduction.
Enfin, le génome de certains virus est exclusivement constitué d'ARN et
non d'ADN. C'est en particulier le cas des virus de la grippe, du SIDA, de
19
l'hépatite C, de la poliomyélite ou encore du virus Ebola. Suivant les cas, la
réplication de ces virus peut passer par un intermédiaire ADN (rétrovirus), mais
peut aussi se faire directement d'ARN en ARN.
L'ARN est donc une molécule très polyvalente, ce qui a conduit Walter
Gilbert, co-inventeur du séquençage de l'ADN, à proposer en 1986 une
hypothèse selon laquelle l'ARN serait la plus ancienne de toutes les
macromolécules biologiques24
. Cette théorie, dite RNA world hypothesism
(« hypothèse du monde à ARN »), permet de s'affranchir d'un paradoxe de l'œuf
et de la poule qui survient lorsqu'on cherche à savoir qui des protéines
(catalyseurs) et de l'ADN (information génétique) sont apparus en premier. Dans
ce modèle, l'ARN, capable de combiner à la fois les deux types de fonctions,
serait le précurseur universel.
ARN messagers
L'information génétique contenue au sein de l'ADN n'est pas utilisée
directement par la cellule pour synthétiser des protéines. Celle-ci utilise pour
cela des copies transitoires de l'information génétique que sont les ARN
messagers ou ARNm42
. Chaque ARN messager porte un ou, parfois, plusieurs
cistrons, c'est-à-dire les instructions pour former une seule protéine. Il
correspond donc à la copie d'un seul des gènes du génome (on parle alors
d'ARNm monocistronique) ou parfois de quelques-uns (ARNm
polycistronique)43
.
L'ARN messager ne contient la copie que d'un seul des deux brins de
l'ADN, celui qui est codant, et non la séquence complémentaire. Par rapport à la
séquence du gène contenue dans l'ADN du génome, celle de l'ARNm
correspondant peut contenir des modifications, en particulier dues à l'épissage
(voir plus haut) qui élimine les régions non codantes. L'ARN messager
synthétisé dans le noyau de la cellule est exporté dans le cytoplasme pour être
traduit en protéine2. Contrairement à l'ADN, qui est une molécule pérenne,
présente pendant toute la vie de la cellule, les ARN messagers ont une durée de
vie limitée, de quelques minutes à quelques heures, après quoi ils sont dégradés
et recyclés.
Un ARN messager comporte trois régions distinctes : une région 5′ non
traduite dite 5′-UTR, située en amont du ou des cistrons qu'il porte ; une région
20
codante correspondant à ce ou à ces cistrons ; et enfin, une région 3′ non traduite
dite 3′-UTR2. Les ARN messagers sont traduits en protéines par les ribosomes.
La région 5′ non traduite contient en général les signaux de traduction
permettant le recrutement du ribosome sur le cistron. Le processus de traduction
fait également intervenir les ARN de transfert qui apportent au ribosome les
acides aminés nécessaires à la synthèse des protéines. Au sein du ribosome, par
leur anticodon, les ARNt s'apparient successivement aux triplets de bases, ou
codons, de la séquence de l'ARNm. Lorsque l'appariement codon-anticodon est
correct, le ribosome ajoute l'acide aminé porté par l'ARNt à la protéine en cours
de synthèse. Les correspondances entre codons et acides aminés constituent le
code génétique44
.
La fonction des ARN messagers est multiple. Ils permettent d'une part de
préserver la matrice d'ADN originale, qui n'est pas directement utilisée pour la
traduction, la cellule ne travaillant que sur la copie qu'est l'ARNm. L'existence
d'ARN messagers offre surtout à la cellule un mécanisme crucial de régulation
du cycle de production des protéines à partir du génome. Le besoin cellulaire en
telle ou telle protéine peut varier en fonction de l'environnement, du type de
cellule, du stade de développement. La synthèse protéique doit donc être activée
ou arrêtée en fonction des conditions cellulaires. La régulation de la
transcription de l'ADN en l'ARNm répond à cette nécessité et est contrôlée par
des facteurs de transcription spécifiques agissant sur les promoteurs des gènes
cibles. Lorsque la quantité d'une protéine donnée est suffisante, la transcription
d'ARNm est inhibée, celui-ci est progressivement dégradé et la production
protéique cesse. Il est donc important que l'ARNm soit une molécule transitoire,
afin de pouvoir réaliser cette régulation essentielle.
ARN de transfert
Vue tridimensionnelle de l'ARN de transfert pour la phénylalanine chez la
levure (PDB 1EHZ45
) :
- jaune : site de l'acide aminé ;
- violet : tige accepteur ;
- vert : boucle TΨC ;
21
- rouge : branche D ;
- orange : boucle variable ;
- bleu : boucle de l'anticodon ;
- gris : anticodon.
Les ARN de transfert, ou ARNt, sont de courts ARN, longs d'environ 70 à
100 ribonucléotides, impliqués dans l'adressage des acides aminés vers les
ribosomes lors de la traduction46
.
Les ARN de transfert ont une structure caractéristique en feuille de trèfle,
composée de quatre tiges appariées. L'une de ces tiges est terminée par une
boucle qui contient l'anticodon, le triplet de nucléotides qui s'apparie au codon
lors de la traduction d'un ARNm par le ribosome47
. À l'autre extrémité, l'ARNt
porte l'acide aminé correspondant attaché par une liaison ester à son extrémité
3′-OH. Cette estérification est catalysée par des enzymes spécifiques, les
aminoacyl-ARNt synthétases . En trois dimensions, la structure en feuille de
trèfle se replie en « L », avec l'anticodon à une extrémité et l'acide aminé
estérifié à l'autre extrémité48
.
Toutes les cellules vivantes contiennent un ensemble d'ARNt différents
portant les différents acides aminés et capable de lire les différents codons.
Les ARN de transfert sont parfois désignés comme des « adaptateurs » entre la
séquence nucléique et la séquence protéique. C'est Francis Crick qui a proposé
l'existence de ces adaptateurs, avant même leur découverte en 195849
.
ARN catalytiques ou ribozymes
Structure de la ribonucléase P, une enzyme présente dans toutes les
cellules vivantes et dont l'activité enzymatique est portée par un ARN.
La découverte d'ARN possédant des capacités catalytiques a été faite dans
les années 1980, en particulier par l'équipe de Thomas Cech, qui travaillait sur
22
les introns du gène de l'ARN ribosomique du protozoaire cilié Tetrahymena50
, et
celle de Sidney Altman, qui étudiait la ribonucléase P, l'enzyme de maturation
de l'ARNt51
. Cech et Altman ont été récompensés par le prix Nobel de chimie en
1989 pour cette découverte.
Dans ces deux cas, l'ARN seul est capable de catalyser une réaction de clivage
(coupure) ou de transestérification spécifique en l'absence de protéine. Ces
ARN catalytiques ont été appelés ribozymes, car ce sont des enzymes
constituées d'acide ribonucléique. Dans le cas de l'intron de Tetrahymena, il
s'agit d'un auto-épissage, l'intron étant son propre substrat, tandis que la
ribonucléase P est une enzyme agissant en trans, sur des substrats multiples.
Structure du ribozyme en tête de marteau présent dans le génome d'un
viroïde infectant le plant d'avocat.
Depuis ces découvertes initiales, d'autres ribozymes naturels ont été identifiés :
les ARN de viroïdes ou de virus satellites (virusoïdes) qui sont capables
de se cliver eux-mêmes52
;
il existe aujourd'hui des arguments très forts, basés sur la résolution de sa
structure 3D, pour affirmer que le ribosome, le complexe de
ribonucléoprotéines responsable de la traduction de l'ARNm en
protéines, est lui-même un ribozyme53
. Les deux sites actifs du ribosome,
le centre de décodage sur la petite sous-unité et le centre
peptidyltransférase qui forme les liaisons peptidiques, sont en effet
exclusivement composés de segments d'ARN ribosomique ;
le splicéosome, qui catalyse l'épissage des ARNm cytoplasmiques des
eucaryotes, est probablement aussi un ribozyme41
;
23
certains riboswitchs, qui sont des régions régulatrices structurées portées
par des ARN messagers, ont une activité catalytique de coupure en
présence d'un ligand54
;
il existe enfin des ribozymes synthétiques, qui ont été isolés par des
méthodes d'évolution in vitro, comme la technique SELEX55
. On a ainsi
pu isoler des ARN catalytiques synthétiques capables de catalyser une
grande variété de réactions chimiques et de fixer des ligands très divers,
ce qui a été interprété comme un argument en faveur de l'hypothèse du
monde à ARN De tels ARN synthétiques sont parfois appelés des
aptamères, puisqu'ils sont « aptes » à réaliser une tâche donnée55
.
De manière générale, dans tous ces ribozymes, c'est leur repliement spécifique
qui leur permet d'effecteur la reconnaissance de leur substrat et la catalyse,
comme dans le cas des enzymes protéiques.
ARN guides
Les ARN guides sont des ARN qui s'associent à des enzymes protéiques et
servent à en guider l'action sur des ARN ou des ADN de séquence
complémentaire. L'ARN guide s'apparie à l'acide nucléique substrat et permet de
cibler l'activité de l'enzyme. On a identifié plusieurs types :
les petits ARN nucléolaires ou snoARN : dans le nucléole des cellules
eucaryotes, ils dirigent l'action d'enzymes de modification de l'ARN
ribosomique, en particulier les 2′-O-méthylations par les snoARN C/D et
les pseudouridylations par les snoARN H/ACA56
. Ce mécanisme permet à
la cellule de modifier spécifiquement de multiples positions de l'ARNr,
avec une seule enzyme en utilisant différents snoARN comme guides. Les
snoARN sont souvent codés par des séquences introniques57
;
les microARN sont également des ARN guides qui interviennent dans le
processus d'interférence par ARN : associés à un complexe protéique
appelé RISC (RNA induced silencing complex), ces petits ARN
provoquent soit une dégradation de l'ARNm cible auquel ils s'apparient,
soit une répression de sa traduction58
;
TERC (telomerase RNA component), la sous-unité ARN de la télomérase :
cet ARN structuré est associé à la transcriptase inverse qui synthétise les
télomères, extrémités des chromosomes. Il contient une séquence qui sert
de substrat à la télomérase pour synthétiser l'ADN télomérique de
séquence complémentaire59
. Il guide donc l'activité de l'enzyme, mais en
servant de matrice, plutôt qu'en formant un appariement avec le substrat ;
24
les lincARN, présents chez les mammifères, sont de grands ARN
intergéniques non codants mais transcrits comme les ARNm par l'ARN
polymérase II. Leur longueur leur permet d'adopter une structure
tridimensionnelle complexe. Ces structures permettent leur interaction
avec différent cofacteurs transcriptionnels tel que hnRNP-K ou PRC2
(principalement des inhibiteurs de la transcription). Ces complexes sont
ensuite guidés grâce aux lincARN sur les séquences régulatrices des gènes
afin d'inhiber leur expression. La liaison des lincARN avec l'ADN
impliquerait un appariement des bases ARN avec les bases ADN
correspondantes après désappariement de la double hélice d'ADN, voire la
formation de triple hélice ADN-ADN-ARN60
.
ARN régulateurs
Chatte au pelage tricolore, dit écaille de tortue, lié à une inactivation du
chromosome X par l'ARN Xist. Seules les femelles XX présentent ce pelage
mélangé.
Certains ARN jouent un rôle de régulateurs directs de l'expression
génétique. C'est en particulier le cas d'ARN non codants possédant des régions
complémentaires d'ARN messagers cellulaires et qui peuvent donc s'y apparier
pour former localement un double brin d'ARN. Ces ARN antisens peuvent être
issus du même locus génétique que leur ARN cible, par transcription du brin
complémentaire, on parle alors d'ARN cis-régulateurs. Ils peuvent aussi être
issus de la transcription d'une autre région du génome, ce sont alors des ARN
trans-régulateurs.
L'appariement de l'ARN régulateur avec son ARN messager cible peut
agir sur la capacité de ce dernier à être traduit par le ribosome ou sur sa stabilité,
ce qui aboutit à une régulation de la traduction du ou des gènes portés par l'ARN
messager. Chez les bactéries, il existe ainsi de nombreux exemples d'ARN
antisens cis- ou trans-régulateurs qui bloquent le site de démarrage de la
25
traduction61
. Par exemple, le gène codant la porine OmpF est régulé par un ARN
antisens appelé MicF.
Chez les eucaryotes , il existe aussi de grands ARN régulateurs, qui
interviennent dans des processus de régulation épigénétique. L'exemple le mieux
connu est celui de l'ARN Xist chez les mammifères. Celui-ci inactive non pas
un gène, mais un chromosome entier. Xist recouvre l'un des deux chromosomes
X de chaque cellule chez les individus femelles qui devient ainsi inactif62
. Un
seul des deux chromosomes de la paire XX est ainsi actif, ce qui permet d'avoir
le même taux d'expression des gènes portés par le chromosome X que chez les
individus mâles, qui n'en ont qu'un. L'inactivation du X est un processus
aléatoire, ce qui peut conduire à l'expression de différents phénotypes par
différentes cellules, chez la même femelle. C'est par exemple le cas pour la
couleur du pelage chez les chattes.
Utilisations thérapeutiques et biotechnologiques
L'ARN est utilisé aujourd'hui dans un certain nombre d'applications en
biologie moléculaire, en particulier grâce au processus d'interférence par ARN,
qui consiste en l'introduction dans des cellules eucaryotes de courts fragments
d'ARN double-brin appelés « petits ARN interférents ». Longs d'une vingtaine
de paires de bases, ces petits ARN interférents (pARN) sont utilisés par une
machinerie cellulaire capable de dégrader les ARNm de manière spécifique.
Seuls les ARNm contenant une séquence correspondant à celle du pARNi sont
dégradés, ce qui permet de diminuer sélectivement l'expression d'une protéine
donnée63
. Cette approche technologique est beaucoup plus simple et rapide que
l'établissement de lignées murines inactivées (knock-out) et s'appelle un knock-down.
Des essais d'utilisation de cette technique à des fins thérapeutiques sont
envisagés, par exemple en ciblant des gènes viraux pour lutter contre des
infections, ou des oncogènes, dans le cas de cancers64
. Ils nécessitent cependant
de stabiliser les petits ARN interférents (pARNi ) pour éviter leur dégradation
par des ribonucléases et de cibler leur action vers les cellules concernées.
Les acides nucléiques ont été découverts en 1868 par Friedric Miescher65
.
Miescher appela la nouvelle substance « nucléine » car elle se trouvait dans le
noyau des cellules. La présence d'acides nucléiques dans le cytoplasme de la
levure fut identifiée en 193966
et leur nature ribonucléique fut établie,
contrairement aux chromosomes qui contenaient de l'ADN avec des
désoxyriboses. À la fin des années 1950, Severo Ochoa parvint à synthétiser in
vitro des molécules d'ARN au moyen d'une enzyme spécifique, la
polynucléotide phosphorylase, ce qui permit l'étude des propriétés chimiques et
physiques de l'ARN. Le rôle de l'ARN comme « messager » intermédiaire entre
26
l'information génétique contenue dans l'ADN et les protéines fut proposé en
1960 par Jacques Monod et François Jacob67
à la suite d'une discussion avec
Sydney Brenner et Francis Crick68
. La démonstration de l'existence de l'ARN
messager a été faite par François Gros69
. Ensuite, le déchiffrage du code
génétique a été réalisé par Marshall Nirenberg dans la première moitié des
années 1960. Il utilisa pour cela des ARN synthétiques de séquence
nucléotidique connue dont il étudia les propriétés de codage.
Les ribosomes furent observés pour la première fois par le biologiste
belge Albert Claude au début des années 1940. Par des techniques de
fractionnement subcellulaire et de microscopie électronique, il mit en évidence
des « petites particules » de nature ribonucléoprotéique, présentes dans tous les
types de cellules vivantes. Il les baptisa « microsomes »70
, plus tard renommés
ribosomes.
La structure secondaire des ARNt a été établie par Robert Holley , qui est
parvenu à purifier et à analyser la séquence de l'ARNt spécifique de l'alanine en
196447
. Ce fut un progrès majeur dans la compréhension du déchiffrage du
message génétique porté par les ARN messagers. La structure tridimensionnelle
d'un ARNt a été résolue en 1974, indépendamment, par les équipes de Aaron
Klug et Alexander Rich48
, montrant pour la première fois la structure complexe
d'un ARN. L'existence de propriétés catalytiques des ARN a été établie
indépendamment par Sidney Altman et Tom Cech en 1982, sur la ribonucléas
P51
d'une part et sur les introns autoépissables d'autre part50
. La résolution de la
structure des sous-unités individuelles du ribosome en 2000 par les équipes de
Tom Steitz , Ada Yonath et Venki Ramakrishnan71,72,73
, puis celle du ribosome
entier par l'équipe de Harry Noller en 200174
, constituèrent un progrès essentiel
dans la compréhension du mécanisme central de la biologie qu'est la traduction
des ARNm en protéines. De plus, cela permit de montrer, entre autres, que le
ribosome était aussi un ribozyme.
Durant les années 1970, Timothy Leary, dans son ouvrage La Politique de
l'Extase, verra dans l'ARN la promesse d'une future modification de la
conscience (possiblement via de nouvelles drogues, et/ou d'exercices spirituels),
dont il serait une composante agrandissant les capacités d'apprentissage de celui
qui se livrerait à de telles expériences.75
.
Hypothèse du monde à ARN
L'hypothèse du monde à ARN est une hypothèse suivant laquelle l'ARN
serait le précurseur de toutes les macromolécules biologiques et particulièrement
de l'ADN et des protéines. Cette hypothèse permet une explication de
l'apparition des différentes fonctions biologiques dans le cadre de l'étude des
origines de la vie.
27
Prix et distinctions
Membre de l’EMBO (1964)
Prix Charles-Léopold Mayer (1966)
Membre étranger de l’American Society of Biological Chemists (1972)
Membre de la FASEB (Federation of American Societies for
Experimental Biology)
Membre de la Société française de biochimie et de biologie moléculaire
Membre étranger de la Franklin Society (1995)
Membre de la Société espagnole de biologie moléculaire
Membre de la Société grecque de biologie moléculaire
Membre du Comité général de l'ICSU
Membre étranger de la New York Academy of Sciences (1977)
Membre étranger de l’American Academy of Arts and Sciences (1978)
Membre étranger de la National Academy of Sciences des États-Unis
(1982)
Membre étranger honoraire de l’Académie des sciences de l’URSS (1988)
Membre de l’Academia Europea (1988)
Membre étranger honoraire de l’Académie des sciences de Russie (1991)
Membre étranger de l’Académie des sciences d’Ukraine (1991)
Grand Officier de la Légion d'honneur en 2008
Dr Ali KILIÇ, Paris le 10 février 2015
Notes et références
1. ↑ (en) Rebecca K. Montange et Robert T. Batey, « Structure of the S-adenosylmethionine riboswitch
regulatory mRNA element », Nature, vol. 441, no 7097, 29 juin 2006, p. 1172-1175 (PMID 16810258, lire en
ligne [archive]) 2. ↑
a, b, c, d et e H. Lodish, A. Berk, P. Matsudaira, C.A. Kaiser, M. Krieger, M.P. Scott, L. Zipursky et J.
Darnell, Biologie moléculaire de la cellule, Bruxelles, de Boeck, 2005, 3e éd. (ISBN 978-2804148027)
3. ↑ (en) Wolfram Saenger, Principles of nucleic acid structure, Springer, 1984 (ISBN 0-387-90762-9)
4. ↑ (en) Jan Barciszewski et Brian Frederic Carl Clark, RNA biochemistry and biotechnology, Springer,
1999, 73–87 p. (ISBN 0-7923-5862-7, OCLC 52403776)
5. ↑ (en) M. Sudaralingam, « Stereochemistry of nucleic acids and their constituents. IV. Allowed and
preferred conformations of nucleosides, nucleoside mono-, di-, tri-, tetraphosphates, nucleic acids and
polynucleotides », Biopolymers, vol. 7, no 6, 1969, p. 821-860 (lire en ligne [archive])
6. ↑ (en) R. Langridge et P.J. Gomatos, « The Structure of RNA. Reovirus RNA and transfer RNA have
similar three-dimensional structures, which differ from DNA. », Science, vol. 141, no 4, 1963, p. 694-
698 (PMID 13928677)
7. ↑ (en) H.R. Drew, R.M. Wing, T. Tanako, C Broka, S Tanaka, K Itakura et R.E. Dickerson, « Structure
of a B-DNA dodecamer: conformation and dynamics. », Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 78, no 4,
avril 1981, p. 2179-2183 (PMID 6941276, lire en ligne [archive])
8. ↑ (en) Peter S. Klosterman, Sapan A. Shah et Thomas A. Steitz, « Crystal structures of two plasmid
copy control related RNA duplexes: An 18 base pair duplex at 1.20 A resolution and a 19 base pair
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