Acides nucléiques
ARN : épissage (splicing)
Vue d’ensemble et principes généraux

Vue d'ensemble

L’épissage des ARN constitue une étape majeure de maturation des pré-ARNm synthétisés par l’ARN polymérase II chez les eucaryotes afin de produire des ARN messagers (ARNm) matures et fonctionnels pouvant être exportés vers le cytoplasme et traduits par les ribosomes.

Cependant, l’épissage ne concerne pas uniquement les pré-ARNm et intervient également dans la maturation de certains autres ARN cellulaires ainsi que dans différents mécanismes d’auto-épissage catalysés par des ARN possédant une activité ribozymique intrinsèque ( ribozymes).

1. L’épissage est réalisé par un complexe ribonucléoprotéique dynamique appelé spliceosome, constitué de snARN (small nuclear RNA) associés à de nombreuses protéines spécialisées formant les snRNP (small nuclear ribonucleoproteins).

Ce processus est étroitement couplé :

• à la transcription,
• à l’organisation de la chromatine, qui influence la reconnaissance des sites d’épissage et le recrutement des facteurs d’épissage,
• aux mécanismes de maturation co-transcriptionnelle des ARN,
• à l’export nucléaire des ARN,
• aux mécanismes de surveillance, de contrôle qualité et de dégradation des ARN, notamment via la mise en place du complexe EJC (exon junction complex).

2. L’épissage peut être :

• constitutif, lorsque tous les introns sont éliminés selon un schéma unique,
• alternatif, lorsqu’un même pré-ARNm peut produire plusieurs isoformes d’ARNm par sélection différentielle des sites d’épissage, contribuant fortement à la diversification des protéines et à la spécialisation cellulaire.

Principe de l'épissage

L’épissage repose sur des mécanismes moléculaires distincts selon les organismes et les transcrits concernés et on peut notamment distinguer :

• l’épissage des pré-ARNm réalisé principalement par le spliceosome,
• l’épissage d’autres ARN cellulaires reposant sur des mécanismes distincts, notamment l’auto-épissage catalysé par des ARN ribozymiques ( ribozymes).

Notions d'exons et d'introns

Chez les eucaryotes, les gènes sont généralement constitués :

• d’exons, correspondant aux séquences conservées dans l’ARNm mature,
• d’introns, correspondant aux régions éliminées lors de la maturation.

1. Dans les pré-ARNm eucaryotes, les exons peuvent correspondre à :

• des régions codantes traduites,
• des régions non codantes telles que les régions UTR (untranslated regions),
• des exons constitutifs présents dans toutes les isoformes,
• des exons alternatifs inclus ou exclus selon les mécanismes d’épissage alternatif,
• des microexons de très petite taille, de 3 à 27 nucléotides (parfois jusqu'à une cinquantaine selon les définitions), particulièrement abondants dans le système nerveux où leur inclusion ou leur exclusion module finement les propriétés de nombreuses protéines impliquées dans le développement neuronal, la synaptogenèse et le fonctionnement des synapses

2. Les introns présentent une diversité structurale et mécanistique importante et peuvent être classés en plusieurs grandes catégories selon leur mécanisme d’épissage et leur distribution évolutive.

a. Chez les animaux supérieurs et la majorité des eucaryotes, les introns sont principalement représentés par :

• les introns spliceosomaux, majoritaires chez les eucaryotes et principalement présents dans les pré-ARNm synthétisés par l’ARN polymérase II, éliminés par le spliceosome,
• certains introns présents dans les ARN de transfert (ARNt), excisés par des endonucléases par le complexe endonucléase d'épissage des ARNt (TSEN), puis dont les exons sont reliés par le complexe de ligation RTCB, spsécialisé dans la maturation des ARNt (transcription et maturation des ARNt).

b. Les introns des groupes I et II, qualifiés d’introns autoépissables car ils sont capables de catalyser eux-mêmes leur excision, sont principalement retrouvées chez les bactéries, dans les mitochondries et chloroplastes des plantes, champignons et protistes, ainsi que chez certains eucaryotes ( autres mécanisme d'épissage).

3. La définition des limites des introns dépend de plusieurs éléments de séquence conservés localisés aux jonctions exon-intron ( jonctions exon-intron)

Épissage des pré-ARNm par le spliceosome

1. Le pré-ARNm est synthétisé lors de l'étape de l’élongation de la transcription par l’ARN polymérase II.

a. Au cours de l’élongation, le pré-ARNm naissant recrute plusieurs complexes de maturation qui comprennent :

• le coiffage 5′,
• l’épissage,
• la maturation de l’extrémité 3′ par clivage et polyadénylation.

b. L’épissage constitue ainsi l’une des principales étapes de la maturation co-transcriptionnelle des pré-ARNm avant leur export nucléaire.

2. La reconnaissance des introns dépend de plusieurs séquences consensus localisées au niveau des jonctions exon-intron.

• Le site donneur 5′ d’épissage (5′ splice site ou 5′SS) est localisé à l’extrémité 5′ de l’intron et contient généralement un dinucléotide GU (guanosine-uridine) conservé chez le spliceosome majeur.

Il correspond à la jonction où l’extrémité amont de l’intron est initialement clivée et " donnée " à la réaction d’épissage.

• Le site accepteur 3′ d’épissage (3′ splice site ou 3′SS) est localisé à l’extrémité 3′ de l’intron et contient généralement un dinucléotide AG (adénosine-guanosine) conservé.

Il correspond à la jonction recevant finalement l’extrémité de l’exon amont lors de la ligature des exons.

• Le point de branchement (branch point ou BP) correspond à une adénosine conservée située en amont du site 3′.
• Le tractus polypyrimidique, riche en uridines et cytidines, est localisé entre le point de branchement et le site 3′ et participe au recrutement des facteurs d’épissage.

3. Chez les mammifères, la reconnaissance des sites d’épissage repose souvent sur un mécanisme d’exon definition, dans lequel les facteurs d’épissage identifient d’abord les limites d’un exon avant de coordonner l’excision des introns flanquants (Mechanisms of alternative splicing regulation: insights from molecular and genomics approaches 2009).

Chez les organismes possédant des introns plus courts, la reconnaissance peut davantage reposer sur un mécanisme d’intron definition, centré directement sur les limites d’un même intron.

4. Le recrutement précoce du spliceosome dépend également du facteur U2AF (U2 auxiliary factor), un complexe protéique intervenant dans la reconnaissance du site 3′ d’épissage au cours des premières étapes d’assemblage spliceosomal (Revealing the role of U2AF1 in splicing regulation and chimeric RNA dynamics 2025).

a. Le complexe U2AF comprend principalement deux sous-unités :

• U2AF65/U2AF2, qui reconnaît le tractus polypyrimidique,
• U2AF35/U2AF1, qui interagit avec le dinucléotide AG du site accepteur 3′ d’épissage (The splicing factor U2AF1 contributes to cancer progression through a noncanonical role in translation regulation 2019).

b. U2AF agit en coopération avec la protéine SF1 (Splicing Factor 1)/BBP (Branch Point Binding Protein), qui reconnaît la séquence du point de branchement.

Ces interactions stabilisent la reconnaissance précoce de l’intron et favorisent ensuite le recrutement de la snRNP U2 au niveau du point de branchement lors des premières étapes d’assemblage du spliceosome (Branch site recognition by the spliceosome 2024 et figure a ci-dessous).

Remarque : la protéine SF1 (Splicing Factor 1) impliquée dans l’épissage ne doit pas être confondue ni avec la superfamille SF1 (Superfamily 1) des hélicases, ni avec RSF1 (Remodeling and Spacing Factor 1), une protéine associée au complexe RSF intervenant notamment dans l’organisation de la chromatine centromérique.

5. L’épissage catalysé par le spliceosome repose sur deux réactions successives de transestérification conduisant à l’excision de l’intron puis à la ligature des exons ( centre catalytique du spliceosome).

• Une réaction de transestérification correspond à un échange de liaisons phosphodiester entre différents groupements hydroxyles d’une molécule d’ARN sans consommation directe d’ATP, contrairement à de nombreuses réactions enzymatiques de clivage ou de ligature des acides nucléiques.
• Ces réactions sont réalisées par un centre catalytique ribozymique principalement organisé par les snARN U2 et U6 du spliceosome.

6. L’épissage spliceosomal conduit également au dépôt d’un complexe multiprotéique appelé EJC (Exon Junction Complex) généralement localisé à environ 20-24 nucléotides en amont des jonctions exon-exon nouvellement formées (A Day in the Life of the Exon Junction Complex 2020).

a. Le cœur de l’EJC comprend principalement la protéine EIF4A3 associée aux protéines MAGOH et RBM8A/Y14, ainsi qu’à différents facteurs périphériques dynamiques tels que CASC3/MLN51 ou RNPS1.

b. L’EJC participe notamment :

• à l’export nucléaire des ARNm (avec figure du cycle de vie de l'EJC),
• à certaines étapes de la traduction,
• aux mécanismes de surveillance des ARN tels que la voie NMD (nonsense-mediated decay) impliquée dans l’élimination des ARNm contenant des codons stop prématurés.

7. Après l’épissage, les introns excisés sont généralement débranchés par l’enzyme DBR1 (debranching enzyme 1), qui hydrolyse la liaison phosphodiester 2′-5′ du lariat et transforme l’intron en ARN linéaire.

a. Cet ARN linéaire est généralement dégradé par différentes ribonucléases nucléaires, notamment par le complexe de l’exosome et les voies de dégradation des ARN.

b. Cependant, certains peuvent être stabilisés et maturés en ARN non codants fonctionnels.

• Par exemple, certains introns contiennent des séquences précurseurs de microARN (miRNA) ou des snoARN (small nucleolar RNA), libérées après clivages enzymatiques, puis intégrées dans des complexes ribonucléoprotéiques où elles exercent des fonctions de régulation.
• Ainsi, bien qu’éliminés du pré-ARNm, certains introns constituent une source importante d’ARN non codants impliqués dans la régulation de l’expression génique.

Remarque : la majorité des gènes d’histones réplicatifs constitue une exception parmi les gènes transcrits par l’ARN polymérase II, car leurs pré-ARNm ne contiennent généralement pas d’introns et ne subissent donc pas d’épissage spliceosomal.

Autres mécanismes d’épissage

Outre l’épissage spliceosomal des pré-ARNm eucaryotes, certains ARN utilisent des mécanismes d’épissage distincts reposant sur des propriétés catalytiques intrinsèques des ARN ou sur des complexes enzymatiques spécialisés.

1. Certains ARN de transfert (ARNt) eucaryotes, y compris chez les animaux supérieurs, contiennent également des introns éliminés par des mécanismes distincts du spliceosome (transcription et maturation des ARNt).

a. Ces introns sont excisés par le complexe endonucléasique TSEN (TSEN, tRNA splicing endonuclease), qui comprend 4 sous-unités (Structural Basis for pre-tRNA Recognition and Processing by the Human tRNA Splicing Endonuclease Complex 2023 et Reconstitution of the human tRNA splicing endonuclease complex: insight into the regulation of pre-tRNA cleavage 2020).

• La sous-unité catalytique TSEN34 réalise le clivages à la jonction 5′ de l’intron.
• La sous-unité catalytique TSEN2 clive la jonction 3′ de l’intron.
• TSEN54 et TSEN15 participent à la reconnaissance et à la stabilisation du complexe.

b. Les exons sont ensuite réunis par le complexe de ligation centré sur l’ARN ligase RTCB et son cofacteur Archease, permettant la formation d’un ARNt mature fonctionnel (Structural and mechanistic insights into activation of the human RNA ligase RTCB by Archease 2024).

Remarque : les ARN ligases correspondent à des enzymes capables de relier deux fragments d’ARN par formation d’une liaison phosphodiester.

Contrairement à l’épissage spliceosomal des pré-ARNm, où la ligature des exons résulte directement des réactions de transestérification catalysées par le spliceosome, certains mécanismes d’épissage ou de réparation des ARN nécessitent l’intervention d’ARN ligases spécialisées telles que RTCB (Insights into the structure and function of the RNA ligase RtcB 2023).

2. Chez les procaryotes, dans les génomes mitochondriaux et chloroplastiques ainsi que chez certains eucaryotes inférieurs, les mécanismes d’auto-épissage des introns des groupes I et II reposent sur une activité catalytique directement portée par l’ARN lui-même, ce qui classe ces ARN parmi les ribozymes.

a. Les introns du groupe I réalisent leur excision grâce à une réaction de transestérification initiée par une molécule de guanosine libre dont le groupement 3′OH attaque le site 5′ d’épissage.

Ce mécanisme ne conduit pas à la formation d’un lariat et aboutit à la libération linéaire de l’intron.

b. Les introns du groupe II réalisent un auto-épissage utilisant le groupement 2′OH d’une adénosine interne, conduisant à la formation d’une structure en lasso (lariat) similaire à celle observée lors de l’épissage spliceosomal.

Les introns du groupe II sont principalement présents dans les bactéries ainsi que dans les génomes mitochondriaux et chloroplastiques, présentant une forte parenté évolutive avec le spliceosome eucaryote.

Spliceosome

Le spliceosome est une machinerie ribonucléoprotéique spécialisée intervenant dans l’épissage des pré-ARNm eucaryotes.