Acides nucléiques
ARN : structure

L’ARN constitue, avec l’ADN, l’une des deux grandes classes d’acides nucléiques qui assurent le stockage, la transmission et l’expression de l’information génétique.

• Contrairement à l’ADN double brin, l’ARN présente généralement une architecture simple brin dont la grande flexibilité structurale permet la formation de nombreuses structures locales et tridimensionnelles.
• Cette plasticité structurale permet à l’ARN d’assurer des fonctions extrêmement variées dans la cellule.

Organisation générale de l’ARN

Composition et polarité de l’ARN

1. L’ARN est un polymère linéaire qui correspond à sa structure primaire, constitué d’unités répétées appelées ribonucléosides composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée (nucléobase) :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C) ou l'uracile (U).

b. du ribose, ose à 5 carbones (pentose),

c. d'un groupe phosphate responsable de la charge négative de la molécule et impliqué dans la formation des liaisons phosphodiester entre nucléotides successifs.

2. Ces ribonucléotides sont reliés entre eux par des liaisons phosphodiester reliant le groupement phosphate en position 5′ d’un nucléotide au groupe hydroxyle (-OH) en position 3′ du ribose du nucléotide suivant.

a. La succession des liaisons phosphodiester forme un squelette ribose-phosphate orienté qui confère à la molécule une polarité structurale caractérisée par deux extrémités distinctes :

• une extrémité 5′, portant généralement un groupement phosphate,
• une extrémité 3′, portant un groupement hydroxyle libre.

b. Comme pour l’ADN, la séquence nucléotidique de l’ARN est conventionnellement décrite dans le sens 5′ ➞ 3′, qui correspond également au sens de synthèse de la molécule par les ARN polymérases.

3. L’ordre des bases le long de la molécule constitue l’information primaire portée par l’ARN qui détermine non seulement le message génétique porté par les ARN messagers, mais aussi la capacité des molécules d’ARN à former des interactions intramoléculaires qui conditionnent leur repliement structural et leurs fonctions biologiques.

4. Après leur synthèse, de nombreuses molécules d’ARN subissent des modifications chimiques post-transcriptionnelles qui affectent les bases ou le ribose des nucléosides.

Chez les eucaryotes, plus de 170 modifications chimiques distinctes ont été décrites et elles sont particulièrement fréquentes dans les ARN de transfert (ARNt), les ARN ribosomiques (ARNr) et certains petits ARN nucléaires (snARN) impliqués dans l’épissage.

a. Les modifications peuvent concerner différents types de transformations chimiques dont les plus fréquentes sont :

• la méthylation de certaines bases ou du ribose,
• la conversion de l’uridine en pseudouridine,
• la désamination de l’adénosine en inosine.

Remarque : dans les ARNr eucaryotes, une grande partie de ces modifications est dirigée par des petits ARN nucléolaires (snoARN) qui guident les enzymes de modification vers des positions spécifiques de la molécule d’ARN.

b. Ces modifications modulent les propriétés structurales et fonctionnelles des ARN et peuvent :

• stabiliser certaines structures secondaires ou tertiaires,
• modifier les propriétés d’appariement des bases,
• réguler l’activité de certaines molécules d’ARN dans les processus cellulaires.

Particularités structurales du ribose et de l’uracile

Deux caractéristiques chimiques distinguent l’ARN de l’ADN.

1. Le ribose possède un groupement hydroxyle supplémentaire en position 2′, absent dans le désoxyribose de l’ADN.

a. La présence de ce groupement confère à l’ARN plusieurs propriétés structurales importantes :

• une plus grande réactivité chimique,
• une stabilité moindre que celle de l’ADN,
• une plus grande flexibilité conformationnelle.

b. Ce groupement peut également participer à des interactions intramoléculaires et contribuer à la formation de structures tridimensionnelles complexes.

• Dans les ARN de transfert (ARNt), le groupement 2'-OH du ribose participe à des réseaux de liaisons hydrogène qui stabilisent la structure tertiaire en forme de L de la molécule.
• Dans les ribozymes, comme l’ARN catalytique du ribosome (ARNr 23S/28S), le 2'-OH peut intervenir directement dans le mécanisme catalytique de formation de la liaison peptidique.
• Dans les riboswitches, le groupement 2'-OH contribue au réseau d’interactions stabilisant la conformation de l’ARN lors de la liaison d’un métabolite régulateur.
• Dans certains introns de groupe I et II, le 2'-OH joue un rôle chimique direct dans les réactions de transestérification impliquées dans les mécanismes d’auto-épissage.

2. L'uracile (U) de l'ARN remplace la thymine (T) de l'ADN.

• L’uracile diffère de la thymine par l’absence d’un groupement méthyle en position 5 du cycle pyrimidinique.
• Cette différence chimique n’altère pas sa capacité à former des appariements de type Watson-Crick avec l’adénine (A), mais modifie les interactions d’empilement entre bases et constitue une distinction chimique importante entre l’ARN et l’ADN.
• Dans l’ADN, la présence de thymine permet notamment de distinguer une base normale d’un uracile résultant de la désamination de la cytosine, ce qui facilite la reconnaissance et la réparation de cette lésion par les mécanismes de réparation de l’ADN ( réparation par excision de base ou BER).

ARN simple brin et formation de régions double brin

Contrairement à l’ADN chromosomique, qui adopte majoritairement une structure double hélice stable, la plupart des molécules d’ARN existent sous forme simple brin.

Même à l’état simple brin, l’ARN présente une organisation hélicoïdale locale, due à une légère rotation entre nucléotides successifs résultant à la fois des contraintes géométriques du squelette ribose-phosphate et de la tendance des bases aromatiques à optimiser leur empilement ( conformation en hélice).

1. Cette organisation permet à la chaîne nucléotidique de se replier sur elle-même et d’établir des interactions entre des segments complémentaires situés dans différentes régions de la molécule.

• Lorsque deux segments complémentaires d’une même molécule d’ARN s’apparient, ils forment des régions localement double brin stabilisées par des liaisons hydrogène entre les bases azotées qui donnent naissance à des segments hélicoïdaux courts analogues à une double hélice d’ARN.

a. Les appariements les plus fréquents sont A=U et G≡C qui permettent la formation de régions hélicoïdales relativement stables.

b. Certaines paires non canoniques, appelées appariements wobble comme G=U, qui est compatible avec la géométrie globale de l’hélice d’ARN, peuvent contribuer au repliement local des ARN ( reconnaissance codon-anticodon dans la traduction).

• Les paires G=U introduisent un léger décalage géométrique dans l’hélice, ce qui crée localement une zone de flexibilité structurale pouvant faciliter certaines interactions moléculaires.
• Elles représentent ~10 à 15 % des paires de bases et sont très fréquentes dans les ARN ribosomiques (ARNr) et les ARN de transfert (ARNt).

c. Certaines bases peuvent également établir des liaisons hydrogène impliquant différentes positions du cycle purique ou pyrimidique, générant des interactions base-base non canoniques telles que A=G, A=A, U=U ou C=A qui participent à la stabilisation locale de certaines structures d’ARN.

• Ces interactions ne correspondent pas à des paires wobble mais à des appariements non Watson-Crick.
• Ces interactions jouent un rôle important dans le repliement tridimensionnel des ARN, notamment dans les ARN structuraux ou catalytiques comme les ARN ribosomiques, les ARN de transfert ou certains ribozymes.

2. L’alternance de régions appariées et de régions non appariées constitue la base de l’organisation structurale de l’ARN qui permet la formation de nombreuses structures caractéristiques.

Remarque : certains virus possèdent :

• un ARN à double brin, comme les rotavirus,
• un ARN à simple brin qui peut être :
  • de polarité positive (+), dont le génome peut être directement utilisé comme ARNm par les ribosomes de la cellule hôte, comme chez les coronavirus ou les poliovirus,
  • de polarité négative (-), nécessitant d’être copié en ARNm positif par une ARN polymérase virale avant traduction, comme le virus de la grippe ou le virus de la rage.

Structure secondaire de l’ARN

La structure secondaire de l’ARN correspond à l’organisation des régions appariées (double brin) et des régions non appariées (simple brin) résultant des interactions entre bases complémentaires au sein d’une même molécule (bpRNA: Large-scale Automated Annotation and Analysis of RNA Secondary Structure 2018).

Ces régions forment différents motifs structuraux qui constituent les éléments de base du repliement des ARN et déterminent l’architecture générale de nombreuses molécules d’ARN structurales ou fonctionnelles.

Tiges (stem) et épingles à cheveux (hairpin loop)

1. Les tiges (stem) correspondent à des segments d’ARN dans lesquels deux régions complémentaires d’une même molécule s’apparient, formant une région localement double brin stabilisée par des appariements de bases.

Ces segments hélicoïdaux constituent l’ossature principale de la structure secondaire des ARN.

2. Les épingles à cheveux ou structure stem-loop (hairpin loop) sont formées lorsque la chaîne d’ARN se replie sur elle-même et que deux segments appariés sont reliés par une courte région non appariée, qui comprend :

• une tige, constituée de bases appariées (double brin),
• une boucle terminale, formée de nucléotides non appariés (simple brin), composée en général de 3 à 8 nucléotides.

Remarque : un mismatch correspond à deux nucléotides opposés dans une région double brin qui ne forment pas de paire de bases canonique.

Boucles (loops)

Les boucles correspondent aux régions simple brin situées à l’extrémité des tiges ou reliant différentes tiges.

1. Selon leur position dans la structure secondaire, plusieurs types de boucles peuvent être distingués.

• Les boucles terminales (hairpin loops) ferment une tige lorsque la chaîne d’ARN se replie sur elle-même.
• Les boucles internes (internal loops) apparaissent lorsque des nucléotides non appariés sont présents sur les deux brins d’une région autrement double brin.
• Les boucles externes (external loops) correspondent à des régions simple brin situées à l’extérieur des segments hélicoïdaux, généralement aux extrémités de la molécule ou dans des régions périphériques.

2. Les boucles jouent un rôle important dans l’organisation structurale et fonctionnelle des ARN et constituent fréquemment des sites d’interaction avec des protéines, d’autres ARN ou certains ions, et participent au repliement tridimensionnel de nombreuses molécules d’ARN.

• Dans les ARN de transfert (ARNt), plusieurs boucles structurales bien définies participent aux interactions fonctionnelles de la molécule, notamment la boucle anticodon, impliquée dans la reconnaissance des codons de l’ARN messager, ainsi que les boucles D et TΨC, qui contribuent à l’interaction avec les ribosomes et les aminoacyl-ARNt synthétases ( tiges et boucles des ARNt).
• Dans les ARN ribosomiques (ARNr), certaines boucles servent de sites d’interaction avec des protéines ribosomiques et contribuent à l’assemblage et à la stabilité du ribosome ( biogenèse ribosomique).
• Dans certains ribozymes, des boucles peuvent établir des interactions à distance avec d’autres régions de la molécule et participer à la formation du site catalytique.

3. Certaines hairpin loops très courtes, appelées tetraloops, sont particulièrement stables et situées à l’extrémité d’une tige dans les structures secondaires de l’ARN (RNA Tetraloop Folding Reveals Tension between Backbone Restraints and Molecular Interactions 2010).

a. Dans ces structures,

• la tige (stem) est formée par l’appariement des bases complémentaires (A=U, G≡C),
• la boucle terminale contient quatre nucléotides non appariés qui adoptent une conformation tridimensionnelle spécifique et sont caractérisés par plusieurs familles de séquences consensus dont les plus répandues sont GNRA, UNCG, CUUG, où N désigne n’importe quel nucléotide et R une purine, A ou G (Identification and characterization of new RNA tetraloop sequence families 2020).

b. Ces motifs présentent une stabilité thermodynamique élevée, due à :

• un empilement particulier des bases dans la boucle,
• des liaisons hydrogène intra-boucle,
• des interactions tertiaires avec d’autres régions de l’ARN (tetraloop–receptor interactions).

Remarque : toutes les hairpin loops de quatre nucléotides ne présentent pas nécessairement la même stabilité structurale et ne sont donc pas appelées tetraloops.

c. Dans de nombreuses molécules d’ARN structuraux ou catalytiques, les tetraloops peuvent également participer à des interactions tertiaires à longue distance, notamment avec des récepteurs de tetraloops situés dans d’autres régions de la molécule, contribuant ainsi à l’organisation tridimensionnelle globale de l’ARN.

3. Les boucles, en général, jouent un rôle important dans l’organisation structurale et fonctionnelle des ARN et constituent fréquemment des sites d’interaction avec des protéines, d’autres ARN ou certains ions, et participent au repliement tridimensionnel de nombreuses molécules d’ARN.

• Dans les ARN de transfert (ARNt), plusieurs boucles structurales bien définies participent aux interactions fonctionnelles de la molécule, notamment la boucle anticodon, impliquée dans la reconnaissance des codons de l’ARN messager, ainsi que les boucles D et TΨC, qui contribuent à l’interaction avec les ribosomes et les aminoacyl-ARNt synthétases.
• Dans les ARN ribosomiques (ARNr), certaines boucles servent de sites d’interaction avec des protéines ribosomiques et contribuent à l’assemblage et à la stabilité du ribosome ( biogenèse ribosomique).
• Dans certains ribozymes, des boucles peuvent établir des interactions à distance avec d’autres régions de la molécule et participer à la formation du site catalytique.

Jonctions, renflements et pseudonoeuds

1. Les jonctions (Multibranch junction) correspondent à des régions où plusieurs tiges d’ARN convergent autour d’une zone simple brin (The Unpaved Road of Non-Coding RNA Structure–Function Relationships: Current Knowledge, Available Methodologies, and Future Trends 2025).

• Selon le nombre de segments hélicoïdaux impliqués, on distingue des jonctions à trois tiges, des jonctions à quatre tiges, ou des jonctions plus complexes.
• Ces régions jouent souvent un rôle central dans l’organisation de la structure secondaire et servent de points d’articulation permettant l’orientation relative des différentes tiges.

2. Les renflements (bulge) correspondent à des nucléotides non appariés insérés dans un segment autrement double brin.

• Ils apparaissent lorsque l’un des deux brins contient un ou plusieurs nucléotides supplémentaires qui ne trouvent pas de base complémentaire.
• Ces nucléotides sortent localement de l’hélice et peuvent modifier la géométrie de la tige.

Les renflements introduisent souvent une flexibilité locale dans la structure de l’ARN et peuvent servir de sites d’interaction pour certaines protéines ou ions, notamment des ions métalliques comme Mg²⁺.

3. Les pseudonoeuds (pseudoknot) correspondent à des structures dans lesquelles une région simple brin située dans une boucle s’apparie avec une séquence complémentaire située ailleurs dans la molécule d’ARN.

• Cette interaction crée un motif dans lequel deux segments hélicoïdaux s’entrecroisent partiellement.
• Les pseudonoeuds sont fréquents dans certains ARN fonctionnels, notamment dans des ARN viraux, des ARN messager (ARNm) régulateurs et certains ribozymes, où ils participent au repliement global et à la fonction biologique de la molécule.

Structure tertiaire de l’ARN

La structure tertiaire de l’ARN correspond au repliement tridimensionnel global de la molécule résultant des interactions entre régions parfois éloignées dans la séquence.

Elle résulte de l’association des éléments de structure secondaire (tiges, boucles, jonctions) stabilisée par des interactions supplémentaires entre bases, le squelette ribose-phosphate et certains ions.

Empilement des bases et interactions à longue distance

L’empilement des bases constitue un facteur majeur de stabilité des structures d’ARN.

Les bases aromatiques peuvent s’empiler les unes sur les autres, générant des interactions π-π, entre leurs cycles aromatiques et hydrophobes qui stabilisent les segments hélicoïdaux et contribuent à l’organisation tridimensionnelle de la molécule ( empilement vertical des bases).

1. Les segments double brin d’ARN adoptent généralement une hélice de type A, différente de la forme B caractéristique de l’ADN ( conformations de l'ADN).

Cette géométrie résulte notamment de la présence du groupement hydroxyle 2′ du ribose, qui modifie la conformation du squelette sucre-phosphate et favorise une organisation hélicoïdale plus compacte, avec :

• un grand sillon étroit et profond,
• un petit sillon large et peu profond.

Remarque : la géométrie de l’hélice A, caractéristique des duplex d’ARN, est associée à laconformation C3′-endo du ribose du ribose, favorisée par la présence du groupement 2′-OH.

2. Les structuralistes distinguent notamment trois faces principales des bases. dans la classification de Leontis-Westhof (Geometric nomenclature and classification of RNA base pairs 2001).

a. La face Watson-Crick est impliquée dans les appariements classiques, A=U et G≡C et certaines interactions entre bases peuvent impliquer une rotation autour de la liaison β-N-glycosidique, conduisant aux conformations anti ou syn.

• Dans la majorité des structures d’ARN, les bases adoptent la conformation anti, compatible avec les appariements de type Watson-Crick.
• La conformation syn, plus rare, peut toutefois apparaître dans certaines interactions non canoniques ou dans des motifs structuraux complexes, contribuant au repliement tridimensionnel de la molécule.

b. La face Hoogsteen, située sur l’autre côté du cycle purique par rapport à la face Watson-Crick, peut également participer à des interactions entre bases

• Elle implique notamment certaines positions des purines, comme N7 et C8, qui peuvent établir des liaisons hydrogène avec d’autres bases ou avec des groupements du squelette ribose-phosphate.
• Les interactions impliquant la face Hoogsteen permettent la formation de paires de bases non canoniques et interviennent fréquemment dans des contacts tertiaires entre régions éloignées de la molécule d’ARN.
• Elles sont observées notamment dans les ARN ribosomiques, les ribozymes et certaines structures d’ARN régulateurs, où elles contribuent à stabiliser l’organisation tridimensionnelle de la molécule.

c. La face du côté de l'ose (sugar edge) correspond à la face de la base orientée vers le ribose.

• Les interactions impliquant cette face utilisent notamment des atomes situés près de la liaison glycosidique et peuvent former des liaisons hydrogène avec d’autres bases ou avec le squelette ribose-phosphate.
• Ces interactions sont souvent impliquées dans des contacts structuraux spécifiques, notamment entre boucles et segments hélicoïdaux, et participent à la stabilisation de nombreux motifs tertiaires d’ARN.

3. Les interactions tertiaires sont souvent stabilisées par la présence d’ions métalliques, notamment Mg⁺⁺.

• Ces ions neutralisent partiellement les charges négatives du squelette phosphate et permettent le rapprochement de régions éloignées de la molécule.
• Ils peuvent également participer directement à certaines interactions structurales ou catalytiques, notamment dans les ARN ribosomiques et les ribozymes.

Motifs tertiaires et repliement global

Les interactions à longue distance permettent la formation de motifs tertiaires, correspondant à des arrangements structuraux récurrents observés dans de nombreuses molécules d’ARN.

1. Ces motifs résultent d’interactions spécifiques entre différentes régions de la molécule et on observe notamment :

• des interactions boucle-boucle,
• des interactions boucle-tige,
• des interactions entre jonctions et segments hélicoïdaux.

2. L’ensemble de ces interactions conduit au repliement tridimensionnel global de l’ARN, qui détermine la forme spatiale de la molécule et conditionne son activité biologique.

Diversité des ARN