Acide ribonucléique - Définition
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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 eucaryotes. Enfin, après la synthèse proprement dite, l'ARN peut subir un processus de maturation, qui conduit à la modification de la séquence et/ou de la structure chimique de l'ARN (voir plus bas).
L'initiation
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 conservés sur lesquels se fixent en général des protéines spécifiques, les facteurs de transcription. Juste en amont du site de démarrage de la transcription, l'élément proximal est en général riche en nucléotides T et A, appelé boîte TATA chez les eucaryotes ou boîte de Pribnow chez les bactéries. 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.
L'élongation
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 processive. Elle transcrit alors l'ARN de 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 seconde.
La 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 d'uridines (U). Lorsque l'ARN polymérase synthétise cette séquence, le repliement de la tige d'ARN provoque une pause de la polymérase. 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 Rho.
Chez les eucaryotes, la terminaison de la transcription par l'ARN polymérase II est couplée à la polyadénylation. Deux complexes protéiques, CPSF (Cleavage and Polyadenylation Specificity factor) et CStF (Cleavage Stimulation Factor) 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 va ajouter la queue poly-A (voir plus bas).
La maturation
La maturation des ARN comprend un ensemble de modifications chimiques postérieures à l'étape de transcription proprement dite par l'ARN polymérase. Ces modifications sont 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, l'introduction de modifications chimiques au niveau de la base ou du ribose et enfin l'édition.
La coiffe
La coiffe ou 5'-cap est un nucléotide modifié qui est ajouté à l'extrémité 5' de l'ARN messager dans les cellules eucaryotes. Elle se compose d'une guanosine méthylée reliée par une liaison 5'-5' triphosphate au premier nucléotide transcrit par l'ARN polymérase. Cette modification est introduite dans le noyau de la cellule, par l'action successive de plusieurs enzymes : triphosphatase, guanylyltransférase, méthyltransférases.
La coiffe joue plusieurs rôles : elle augmente la stabilité de l'ARN en le protégeant contre la dégradation par des exonucléases 5'-3', elle permet aussi 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.
La 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 post-transcriptionnellement par une enzyme spécifique appelée poly (A) polymérase 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 dégradation.
L'épissage
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 ARNt. 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 splicéosome. 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 nucléotide 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 :
- l'isomérisation des uridines qui donne des pseudouridines,
- des méthylations, soit sur des atomes de carbone (ribothymidine), soit sur des atomes d'azote (7-méthyl-guanosine, ...),
- une réduction, qui transforme les uridines en dihydrouridine,
- des thiolations,
- des modifications plus complexes (isopenténylation, thréonyl-carbamoylation...)
Dans les ARN de transfert, l'introduction de nucléotides modifiés contribue à augmenter la stabilité des molécules.
L'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 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 par exemple les cytidines déaminases, qui transforment chimiquement les cytidines en uridines.
