Nucléotides : structure
Bases azotées : bases pyrimidiques

1. Les nucléotides sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée (nucléobase), responsable des propriétés d’appariement et de reconnaissance moléculaire dans les acides nucléiques :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C), la thymine (T) spécifique à l'ADN, ou l'uracile (U) spécifique à l'ARN.

b. d'un pentose, ose à 5 carbones,

• ribose pour les ribonucléotides,
• désoxyribose pour les désoxyribonucléotides.

c. un ou plusieurs groupes phosphate, responsables de la charge négative de la molécule et impliqués dans la formation des liaisons phosphodiester entre nucléotides successifs.

Remarque : les nucléosides sont des nucléotides sans groupe phosphate, composés uniquement d'une base azotée et d'un pentose ( sémantique).

2. Par ses propriétés, la base azotée détermine les règles d’appariement, mais aussi la stabilité, la conformation et la capacité des acides nucléiques à stocker et transmettre l’information génétique.

Cycle pyrimidique

Les bases pyrimidiques dérivent d’un cycle pyrimidique, un hétérocycle aromatique à six atomes comportant deux atomes d’azote et quatre atomes de carbone.

Les atomes du cycle sont numérotés : N1-C2-N3-C4-C5-C6 et cette numérotation est utilisée pour décrire :

• la liaison β-N-glycosidique avec le pentose (N1),
• les modifications chimiques,
• certaines transformations structurales du cycle.

Bases pyrimidiques

1. Les bases pyrimidiques, dérivant de la pyrimidine, comprennent principalement :

• la cytosine,
• l'uracile,
• la thymine.

2. La méthylation des bases azotées constitue une modification chimique fréquente et hautement régulée.

Dans la nomenclature, on distingue la modification de la base azotée de celle du nucléoside correspondant, par exemple pour la cytosine :

• 5mC qui correspond à la méthylation en position 5 sur le cycle pyrimidinique, i.e. de la base azotée elle-même,
• m⁵C qui correspond au nucléoside correspondant, i.e. la cytidine méthylée liée à un pentose.

Cytosine (C)

1. La cytosine ou 4-amino-2-oxopyrimidine est présente dans les deux types d'acides nucléiques, ADN et ARN.

Remarque : la cytosine peut être désaminée en uracile ( plus bas).

2. La 5-méthylcytosine (5mC), forme méthylée de la cytosine de l'ADN, joue un rôle essentiel dans la régulation de la transcription génique.

a. Elle ne modifie pas la séquence de l’ADN, mais influence son expression.

• Elle est générée par l'action des ADN méthyltransférases qui utilisent la S-adénosyl méthionine (SAM) comme donneur de méthyle ($\ce{-CH3}$).
• Le nucléoside correspondant est le nucléoside 5-méthylcytidine.(m⁵C).

b Chez les vertébrés, la 5-méthylcytosine est retrouvée principalement au niveau des cytosines des sites CpG (cytosine-phosphate-guanine), dont 70 à 80 % sont méthylés chez les mammifères.

Un site CpG correspond à un dinucléotide dans lequel une cytosine est suivie directement d'une guanine sur le même brin d'ADN, les deux nucléotides étant reliés par un groupement phosphate (d’où le " p " de CpG, pour cytosine-phosphate-guanine).

c. Paradoxalement, les sites CpG sont globalement sous-représentés dans le génome des vertébrés.

• Contrairement à la cytosine, dont la désamination spontanée produit de l'uracile généralement reconnu et réparé, la désamination de la 5-méthylcytosine génère une thymine, une base normale de l'ADN.
• Cette mutation est donc moins efficacement détectée et a contribué, au cours de l'évolution, à la sous-représentation des sites CpG dans le génome des vertébrés.

2. La 5-hydroxyméthylcytosine (5hmc), trouvée d'abord chez les bactériophages, est aussi impliquée dans les modifications épigénétiques, car le groupe hydroxyméthyle ($\ce{CH2-OH}$) peut éventuellement activer et désactiver un gène.

Chez les mammifères, elle est générée par l'oxydation de la 5-méthylcytosine (5mC), catalysée par la ten-eleven translocation méthylcytosine dioxygénase 1 ou TET1 (Conversion of 5-Methylcytosine to 5-Hydroxymethylcytosine in Mammalian DNA by MLL Partner TET1 2009).

Les enzymes de la famille TET comprennent aussi TET2 et TET3 (DNA methylation: TET proteins—guardians of CpG islands ? 2012 et Tet family of 5-methylcytosine dioxygenases in mammalian development 2013).

Remarque : L'oxydation peut se poursuivre successivement en 5-formylcytosine, puis en 5-carboxylcytosine (5caC).

Ces deux bases modifiées constituent des intermédiaires de la voie de déméthylation active de l'ADN et peuvent être remplacées par une cytosine non méthylée après réparation par excision de base (BER).

3. Deux autres dérivés méthylés sont retrouvés dans des ARN :

• la 3-méthylcytosine (3mC) dans les ARN de transfert (ARNt) et les ARN ribosomiques (ARNr),
• la N4-méthylcytosine (4mC) dans certains ARNr.

Uracile (U)

1. L'uracile ou 2,4-dioxopyrimidine est présente dans tous les types d'ARN, mais elle est absente de l’ADN où elle est remplacée par la thymine.

L'uracile se lie à l'adénine.

2. Elle est produite :

• soit de novo à partir de l'orotate ( formation de novo de l'UMP),
• soit désamination spontanée de la cytosine.

3. La désamination spontanée de la cytosine, mais aussi favorisée par la présence d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), entraîne la transformation de la cytosine en uracile dans l’ADN, où cette base est normalement absente.

$\ce{Cytosine + H2O}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{Uracile + NH4+}$

L’eau (H₂O), omniprésente autour de l’ADN et de l’ARN, joue un rôle essentiel dans leur stabilité, leur structure 3D et leurs interactions moléculaires.

a. Ce type de lésion est fréquent, i.e. plusieurs centaines par jour et par cellule, et représente une source majeure de mutations si elle n’est pas réparée.

b. Dans l'ADN, la guanine (G) s’apparie normalement avec la cytosine (C) via 3 liaisons hydrogène (G≡C).

• Après désamination, la cytosine est transformée en uracile et l’ADN contient alors un appariement anormal G≡U.
• Lors de la réplication, l'ADN polymérase incorpore une adénine (A) en face de l'uracile.

c. La présence d’uracile dans l’ADN est reconnue comme une lésion et corrigée par un mécanisme de réparation par excision de base (BER ou Base Excision Repair)., impliquant notamment l’uracile-ADN glycosylase.

Remarque : la cytosine désaminase (EC 3.5.4.1) est retrouvée chez les bactéries, les champignons…, mais pas chez les mammifères.

Elle est utilisée dans la thérapie génique, sous le nom de " gène suicide " (médicaments et métabolisme des nucléotides).

2. Dans certains ARN, notamment les ARN de transfert (ARNt), on retrouve la dihydrouracile, une forme réduite de l’uracile impliquée dans la structure et la stabilité de ces ARN.

3. Le pseudouracile est la base pyrimidique correspondant à la pseudouridine.

La modification structurale concerne donc d’abord la base (uracile isomérisé), tandis que la pseudouridine en est le nucléoside formé avec le ribose.

Thymine (T)

1. La thymine ou 5-méthyluracile (2,4-oxo-5-méthylpyrimidine) est présente dans tous les ADN dans lesquels elle remplace l'uracile des ARN.

a. Elle se distingue notamment par la présence d’un groupe méthyle ($\ce{-CH3}$) en position 5 du noyau pyrimidine.

Ce groupement est absent de l'uracile, ce qui permet leur différenciation.

b. Le groupement méthyle joue un rôle dans :

• la stabilité de l’ADN,
• la distinction ADN/ARN, ce qui permet aux enzymes de faire la différence entre ces deux acides nucléiques.
• la détection des uraciles issus de la désamination de la cytosine dans l’ADN.

2. Bien qu’absente de la majorité des ARN, on peut toutefois la retrouver, de manière ponctuelle, dans certains ARN de transfert (ARNt).

Elle est alors associée à un ribose pour former la ribothymidine (5-méthyluridine), qui joue un rôle structural dans certains ARNt ( nucléosides pyrimidiques).

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