Acides nucléiques
ARN : types et fonctions
ARN impliqués dans la traduction
ARNm, ARNT et ARNr

Les ARN impliqués dans la traduction constituent l’ensemble des molécules d’ARN qui participent directement à la synthèse des protéines et assurent ainsi les étapes essentielles de la traduction, depuis la lecture de l’information génétique jusqu’à la formation de la chaîne polypeptidique.

Ce processus repose sur l’action coordonnée de plusieurs types d’ARN jouant des rôles complémentaires.

• L’ARN messager (ARNm) sert de matrice contenant l’information codée sous forme de codons.
• L’ARN de transfert (ARNt) agit comme adaptateur en apportant les acides aminés correspondant aux codons.
• L'ARN ribosomique (ARNr) constitue le composant structural et catalytique du ribosome où s’effectue la synthèse protéique.

ARN codant : ARN messager (ARNm)

Les ARN messagers (ARNm) constituent la principale classe d’ARN codants.

Remarque : bien que les ARN messagers constituent la principale classe d’ARN codants, certains ARN classés parmi les ARN non codants peuvent également contenir de courts cadres de lecture (sORF) capables de produire de petits peptides, comme pour certains ARN longs non codants (lncRNA) ou pour certains ARN circulaires (circRNA).

Ces traductions restent toutefois minoritaires et la grande majorité des protéines cellulaires est synthétisée à partir des ARN messagers.

ARNm eucaryotes polyadénylés (cas général)

1. Les ARNm sont produits par la transcription de gènes codant des protéines et assurent le transfert de l’information génétique depuis l’ADN vers la machinerie de synthèse protéique.

a. Après leur synthèse par l’ARN polymérase II, les pré-ARNm subissent, pendant la phase d'élongation de la transcription, plusieurs étapes de maturation comprenant notamment :

• l’addition d’une coiffe en 5′,
• l’élimination des introns ( épissage),
• la formation d’une extrémité 3′ polyadénylée.

b. Les ARNm matures sont ensuite exportés vers le cytoplasme où ils servent de matrice pour la traduction.

Remarque sémantique importante : le terme transcrit est souvent utilisé de manière générale pour désigner une molécule d’ARN produite par transcription, sans préciser son état de maturation.

Dans un sens strict, la transcription génère d’abord un transcrit primaire, correspondant à l’ARN immédiatement synthétisé par l’ARN polymérase.

Dans le cas des gènes codant des protéines, ce transcrit devient rapidement un pré-ARNm, qui subit différentes étapes de maturation.

Dans la littérature, les termes transcrit et pré-ARNm sont toutefois fréquemment employés de manière interchangeable, car ces étapes de maturation commencent très tôt.

2. Le cadre de lecture ouvert ou ORF (Open Reading Frame) correspond à la séquence codante de l’ARNm, constituée d’une succession continue de codons (triplet de nucléotides) parmi les 64 codons possibles, dont 61 spécifient un acide aminé et 3 correspondent à des signaux d’arrêt de la traduction.

a. L'ORF est constitué d’une succession continue de triplets :

• débutant généralement par un codon d’initiation AUG, reconnu plus efficacement lorsqu’il se situe dans un contexte nucléotidique particulier appelé séquence de Kozak, caractérisée par la séquence consensus GCC(A/G)CCAUGG, qui favorise la reconnaissance de ce codon par le ribosome lors du début de la traduction,

Ce codon peut également apparaître à l’intérieur de la séquence codante où il spécifie simplement la méthionine.

• se terminant par un codon stop (UAA, UAG ou UGA).

b. Cet ORF est encadré par deux régions non traduites appelées 5′UTR et 3′UTR qui participent à la régulation de l’expression de l’ARNm.

3. Entre la coiffe 5′ et la queue poly(A), les ARNm matures présentent également deux régions non traduites appelées régions UTR (Untranslated Regions) situées de part et d’autre de la séquence codante (Untranslated regions of mRNAs 2002).

a. La région 5′UTR (5′ Untranslated Region), entre la coiffe 5′ et le codon d’initiation de la traduction, environ 200 nucléotides chez l'homme, peut contenir des éléments régulateurs qui influencent l’initiation de la traduction, notamment par (Translational control by 5’-untranslated regions of eukaryotic mRNAs 2019) :

• la formation de structures secondaires d’ARN, comme la tige-boucle régulatrice de l’ARNm de la ferritine,
• la présence éventuelle de petits cadres de lecture en amont (uORF), comme celui de l’ARNm ATF4, qui permet une régulation conditionnelle de la traduction du cadre de lecture principal en fonction de l’état de stress cellulaire, notamment lors de la réponse intégrée au stress (Integrated Stress Response),
• des sites de liaison pour des protéines régulatrices (RNA-binding proteins), comme les protéines IRP (Iron Regulatory Proteins) qui reconnaissent les éléments IRE (Iron-Responsive Elements), des structures tige-boucle présentes dans les régions UTR des ARNm de la ferritine et du récepteur de la transferrine (régulation cytoplasmique post-transcriptionnelle des ARNm).

Remarque : certains ARN messagers possèdent dans leur région 5′ non traduite des éléments structuraux appelés riboswitch, capables de lier directement des métabolites et de moduler l’expression génique par des changements de conformation de l’ARN ( riboswitch)

b. La région 3′UTR (3′ Untranslated Region), située entre le codon stop et la queue poly(A), environ 1000 et 1200 nucléotides chez l'homme, joue un rôle majeur dans la régulation post-transcriptionnelle de l’expression génique car elle contient de nombreux éléments régulateurs impliqués dans (Ciphers and Executioners: How 3′-Untranslated Regions Determine the Fate of Messenger RNAs 2019) :

• la stabilité des ARNm, comme les éléments riches en AU (ARE) présents dans les ARNm de nombreuses cytokines et proto-oncogènes comme TNF-α, c-fos…,
• leur localisation intracellulaire, comme les éléments de localisation de l’ARNm β-actine permettant son transport vers le bord des cellules en migration,
• le contrôle de leur traduction, notamment des sites de reconnaissance pour des protéines liant l’ARN et pour certains ARN non codants régulateurs tels que les microARN (miRNA).

4. Enfin, les ARNm eucaryotes possèdent généralement une queue poly(A) à leur extrémité 3′, ajoutée après clivage du pré-ARNm, qui joue plusieurs rôles essentiels ( polyadénylation) :

• stabilisation de l’ARNm,
• facilitation de son export nucléaire,
• participation à l’initiation de la traduction par interaction avec les protéines liant la poly(A).

ARNm d’histones réplicatifs non polyadénylés (cas particulier)

Les ARNm d’histones réplicatifs constituent une exception parmi les ARNm eucaryotes (Metabolism and regulation of canonical histone mRNAs: life without a poly(A) tail 2009).

• Ils ne possèdent pas de queue poly(A) et leur extrémité 3′ est générée par un mécanisme spécifique impliquant une structure tige-boucle reconnue par la SLBP (Stem-Loop Binding Protein) et un clivage dépendant du snRNP U7.

1. Cette structure secondaire tige-boucle est formée par l’appariement intramoléculaire de plusieurs nucléotides du transcrit générant :

• une courte tige double brin de 6 paires de bases, terminée par une boucle de 4 nucléotides dont la séquence consensus UUUC est située en amont du site de clivage,
• un site de clivage site de clivage situé entre la tige-boucle et le HDE, par l’endonucléase CPSF73 (Cleavage and polyadenylation specificity factor subunit 3),
• un Histone Downstream Element (HDE) reconnu par le snRNP U7.

2. La maturation de l’extrémité 3′ des ARNm d’histones réplicatifs repose sur un complexe multiprotéique spécialisé qui reconnaît les éléments structuraux caractéristiques de ces transcrits.

3. La tige-boucle remplit plusieurs fonctions et remplace donc fonctionnellement la queue poly(A) présente dans les ARNm classiques.

L’expression de ces ARNm est étroitement couplée à la phase S du cycle cellulaire et la régulation de SLBP permet de coordonner la production des histones à la réplication de l’ADN.

4. Il convient de distinguer ces ARNm d’histones réplicatifs, exprimés de manière transitoire pendant la phase S et dépourvus de queue poly(A), des ARNm codant les histones de remplacement, exprimées lors du renouvellement des nucléosomes en dehors de la phase S.

Les ARNm codant ces histones de remplacement sont exprimés indépendamment de la réplication de l’ADN et possèdent, comme la plupart des ARNm eucaryotes, une queue poly(A).

ARN non codants (ncRNA)

Bien qu'une faible fraction du génome code des protéines, une grande partie du génome des eucaryotes est transcrite en ARN non codants (ncRNA), révélant l’importance fonctionnelle de ces molécules dans l’organisation et la régulation de l’expression génique (Genome-wide transcription and the implications for genomic organization 2007).

Contrairement aux ARN messagers (ARNm), qui servent de matrice pour la synthèse protéique, les ARN non codants exercent directement leurs fonctions sous forme d’ARN et remplissent une grande diversité de rôles dans la cellule ( diversité des ARN).

ARN non codants impliqués dans la traduction

ARN de transfert (ARNt)

Les ARN de transfert (ARNt) assurent l’apport des acides aminés au ribosome lors de la traduction.

Ils jouent un rôle central dans l’interprétation du code génétique en établissant la correspondance entre l’ARN messager (ARNm) et les acides aminés incorporés dans la chaîne polypeptidique.

Structure des ARNt

Les ARN de transfert (ARNt) sont de petites molécules d’ARN dont la longueur varie généralement entre environ 73 et 95 nucléotides, selon l’organisme et le type d’ARNt.

• Cette variabilité provient principalement de différences dans la longueur de certaines régions, notamment la boucle variable.
• Pour décrire leur organisation structurale, on se réfère généralement au modèle canonique de l’ARNt^Phe de la levure, qui comporte 76 nucléotides et que l'on va décrire dans ce chapitre. La numérotation des bases sera placée entre parenthèses.

Les ARNt présentent une structure secondaire caractéristique en feuille de trèfle, résultant de l’appariement intramoléculaire de plusieurs régions de la molécule et comportant plusieurs domaines fonctionnels.

1. Le bras accepteur est situé à l’extrémité 3′ de l’ARNt et est formé par l'appariement des extrémités 5′ (1-7) et 3′ (66-72) générant une courte tige double brin.

a. Le brin 3' se prolonge par la base dite " discriminator " (73) qui constitue un élément d’identité important des ARNt, car sa nature contribue à la reconnaissance spécifique de la molécule par l’aminoacyl-ARNt synthétase correspondante, déterminant ainsi quel acide aminé sera attaché à l’extrémité 3′ de l’ARNt.

b. L’extrémité 3′ se prolonge ensuite par la séquence CCA (74-76), ajoutée après transcription par l’enzyme ARNt-nucléotidyltransférase, enzyme spécialisée qui ajoute successivement les nucléotides C, C et A à l’extrémité 3′ des ARNt sans utiliser de matrice nucléotidique.

• Cette modification est indispensable, car l’adénosine terminale de la séquence CCA constitue le site d’attachement de l’acide aminé lors de la réaction d’aminoacylation.
• L’acide aminé est fixé sur le ribose de l’adénosine terminale par une liaison ester, réaction catalysée par les aminoacyl-ARNt synthétases.

Remarque : chez la plupart des organismes, la séquence terminale CCA nécessaire à l'aminoacylation n'est pas codée par le gène d'ARNt et est ajoutée post-transcriptionnellement par une nucléotidyltransférase spécialisée (ajout de la séquence CCA à l'extrémité 3')

• Cependant, certains gènes d'ARNt codent déjà cette séquence CCA, comme certains ARNt de bactéries, de chloroplastes ou de mitochondries de divers eucaryotes,.
• Les mitochondries humaines ne font pas partie de ces exceptions et ajoutent également la séquence CCA après transcription ( maturation des ARNt mitochondriaux).

2. Quatre boucles complètent l’organisation structurale des ARNt, chacune contribuant à la stabilité de la molécule et à ses interactions avec les enzymes et le ribosome.

a. La boucle D (10-25), riche en dihydrouridine d'où son nom, participe au repliement correct de la molécule et joue un rôle important dans la reconnaissance spécifique de l’ARNt par les aminoacyl-ARNt synthétase responsables du chargement de l’acide aminé, en formant avec le bras accepteur une surface tridimensionnelle caractéristique dont la géométrie et certaines bases spécifiques sont directement reconnues par l’enzyme correspondante.

b. La boucle anticodon (27-43) contient un triplet de nucléotides appelé anticodon, dont la séquence est complémentaire du codon de l’ARN messager (ARNm) et qui en assure la reconnaissance spécifique, avec une tolérance possible en troisième position appelée effet wobble ( codons et anticodons).

Cet appariement se réalise au sein du ribosome et implique l’ARN ribosomique (ARNr) de la petite sous-unité 18S chez les eucaryotes (16S chez les bactéries), qui contribue à la stabilisation et à la précision de la reconnaissance codon-anticodon.

c. La boucle variable (45-48), dont la longueur varie selon les ARNt, contribue également à leur reconnaissance par les enzymes de chargement.

• Dans la plupart des ARNt, elle est courte (4 à 5 nucléotides), mais elle peut être beaucoup plus longue dans certains ARNt, notamment les ARNt^Ser et ARNt^Leu.
• Cette région contribue à la diversité structurale des ARNt et participe à leur reconnaissance par certaines aminoacyl-ARNt synthétases.

d. La boucle TΨC, caractérisée par la présence de la séquence ribothymidine-pseudouridine-cytidine, intervient dans les interactions de l’ARNt avec les ARN ribosomiques (ARNr), contribuant à la stabilisation de l’ARNt lors de la traduction, principalement via des contacts avec l’ARNr du centre peptidyl-transférase (PTC) de la grande sous-unité 28S chez les eucaryotes (23S chez les bactéries), les interactions avec les protéines ribosomiques étant secondaires.

2. Dans l’espace tridimensionnel, les ARNt adoptent une structure compacte en forme de L, résultant du repliement de la structure en feuille de trèfle.

• Les deux bras principaux de la molécule sont disposés de manière presque perpendiculaire, plaçant à une extrémité la boucle anticodon qui reconnaît le codon de l’ARNm, et à l’autre extrémité l’extrémité 3′ portant l’acide aminé.
• La distance entre ces deux régions correspond approximativement à la distance séparant, dans le ribosome, le centre de décodage, où l’anticodon reconnaît le codon de l’ARNm, et le centre peptidyl-transférase, où se forme la liaison peptidique (organisation fonctionnelle du ribosome).

Transcription et maturation des ARNt

Les ARNt sont transcrits sous forme de pré-ARNt par l’ARN polymérase III et subissent ensuite plusieurs étapes de maturation qui conduisent à la formation d’ARNt fonctionnels capables de participer à la traduction.

Clivage des pré-ARNt

Les pré-ARNt possèdent généralement des séquences supplémentaires aux extrémités 5′ et 3′ qui sont éliminées lors de la maturation.

1. L’extrémité 5′ est clivée par la RNase P (EC 3.1.26.5) un complexe ribonucléoprotéique dont l’ARN possède une activité catalytique ( ribozyme).

a. La RNAse P est conservée chez tous les organismes.

• Chez les bactéries, la RNase P est constituée d’une molécule d’ARN catalytique associée à une petite protéine, mais l’ARN possède à lui seul une activité catalytique intrinsèque capable de réaliser la réaction de clivage in vitro en l’absence de protéines (Structural and mechanistic basis for recognition of alternative tRNA precursor substrates by bacterial ribonuclease P 2022).
• Chez les eucaryotes, la RNase P contient également un ARN catalytique, mais celui-ci est associé à de nombreuses protéines qui stabilisent le complexe, facilitent la reconnaissance des substrats et sont indispensables à son activité physiologique dans la cellule (The many faces of RNA-based RNase P, an RNA-world relic 2022).

b. Elle clive précisément le transcrit en amont de la première base du bras accepteur, éliminant la séquence leader 5′ et produisant l’extrémité 5′ mature de l’ARNt (Structure of a bacterial ribonuclease P holoenzyme in complex with tRNA 2011).

Remarque : le clivage en 5' des pré-ARNt mitochondriaux est assuré par la RNase P mitochondriale, un complexe protéique constitué notamment de MRPP1, MRPP2 et MRPP3, qui contrairement à la RNase P nucléaire est dépourvue d'ARN catalytique et est constituée exclusivement de protéines.

2. L’extrémité 3′ est ensuite maturée par différentes nucléases qui éliminent la séquence excédentaire située en aval du bras accepteur.

• Chez les eucaryotes, cette étape implique notamment RNase Z (ELAC2), une endonucléase (EC 3.1.26.5) qui clive le pré-ARNt immédiatement après la base discriminante 73 (A73), éliminant la séquence 3′ terminale excédentaire (3′ trailer), avant l’ajout ultérieur de la séquence CCA par l’ARNt-nucléotidyltransférase (Structural insights into human ELAC2 as a tRNA 3′ processing enzyme 2024).
• Cette enzyme appartient à une famille conservée d’endonucléases impliquées dans la maturation des ARNt et agit en reconnaissant principalement la structure tridimensionnelle du pré-ARNt plutôt qu’une séquence nucléotidique spécifique.

Remarque : la forme mitochondriale d’ELAC2 (mito-ELAC2), représentée dans la figure, correspond à l’enzyme adressée à la mitochondrie grâce à un signal d’adressage mitochondrial (MTS, noté mito-signal).

3. Cette maturation progressive assure la formation de l’extrémité correcte du bras accepteur, indispensable à l’étape suivante de la biogenèse de l’ARNt.

4. Certains pré-ARNt contiennent également un intron, généralement localisé dans la boucle anticodon ( épissage des pré-ARNt).

• Cet intron est excisé par le complexe endonucléase d’épissage des ARNt TSEN (tRNA splicing endonuclease),
• 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.

Ajout de la séquence CCA à l'extrémité 3'

La séquence terminale CCA est ensuite ajoutée à l’extrémité 3′ par l’ARNt nucléotidyltransférase (EC 2.7.7.72), également appelée tRNA nucleotidyltransferase ou CCA-adding enzyme, une enzyme qui ajoute successivement les nucléotides C, C et A sans utiliser de matrice nucléotidique.

1. Cette réaction constitue un exemple remarquable de polymérisation indépendante de matrice, dans laquelle l’enzyme sélectionne successivement les nucléotides corrects (CTP, CTP puis ATP), en fonction de l’organisation du site actif qui guide l’incorporation séquentielle des nucléotides.

2. La séquence CCA forme l’extrémité fonctionnelle du bras accepteur de l’ARNt et constitue le site d’attachement de l’acide aminé lors de la réaction d’aminoacylation catalysée par les aminoacyl-ARNt synthétases (EC 6.1.1).

• La plupart des cellules possèdent vingt aminoacyl-ARNt synthétases distinctes, chacune étant spécialisée dans la reconnaissance d'un acide aminé particulier et des ARNt correspondants.
• Cette étape est essentielle pour la fidélité de la traduction car le ribosome contrôle principalement l'appariement entre codon et anticodon mais ne vérifie pas directement l'identité de l'acide aminé fixé sur l'ARNt.

Remarque : certaines aminoacyl-ARNt synthétases possèdent une activité de relecture ou de correction (editing) qui permet d'éliminer les acides aminés incorrectement activés ou les aminoacyl-ARNt erronés avant leur utilisation par le ribosome (Aminoacyl-tRNA synthetases 2020).

Cette activité de contrôle qualité, qui contribue de manière essentielle à la fidélité de la traduction et ne doit pas être confondue avec l'édition des ARN (RNA editing), qui correspond à des modifications de la séquence des ARN, peut intervenir :

• avant le transfert de l'acide aminé sur l'ARNt (pré-transfert),
• après la formation d'un aminoacyl-ARNt incorrect (post-transfert).

Modifications post-transcriptionnelles

Les ARNt contiennent également un grand nombre de nucléotides modifiés résultant de modifications post-transcriptionnelles enzymatiques,

1. Les ARNt figurent parmi les ARN cellulaires les plus fortement modifiés et peuvent contenir plus d'une dizaine de types de modifications différentes.

a. Parmi les modifications les plus fréquentes figurent :

• la pseudouridine (Ψ),
• la dihydrouridine (D),
• l'inosine (I)
• diverses bases méthylées, telles que la 1-méthyladénosine (m¹A), la 5-méthylcytidine (m⁵C) ou la 7-méthylguanosine (m⁷G),
• la 2′-O-méthylation du ribose (Nm).

b. Ces modifications concernent principalement certaines bases du bras anticodon, mais elles peuvent également être présentes dans d’autres régions structurales de la molécule, comme les boucles D ou TΨC.

2. Elles jouent un rôle essentiel dans la stabilisation de la structure tridimensionnelle de l’ARNt, dans la fidélité de l’appariement codon-anticodon et dans l’efficacité globale du processus de traduction, en permettant un positionnement correct de l’ARNt au sein du ribosome.

ARN ribosomiques (ARNr)

Les ARN ribosomiques (ARNr) constituent les principaux composants structuraux et catalytiques des ribosomes.

Ils s’associent aux protéines ribosomiques pour former les deux sous-unités ribosomiques et assurent l’organisation structurale du ribosome, tout en participant à l’activité peptidyl-transférase responsable de la formation de la liaison peptidique lors de la synthèse protéique.

ARN non codants impliqués dans la maturation des ARN