Biologie cellulaire
Ribosomes
Structure et organisation

Vue d'ensemble des ribosomes

Les ribosomes sont des complexes ribonucléoprotéiques (RNP) responsables de la synthèse des protéines dans toutes les cellules vivantes.

1. Les ribosomes occupent une position centrale dans l’expression génique et assurent la traduction de l'information génétique portée par les ARN messagers (ARNm) en chaînes polypeptidiques grâce à l'interaction coordonnée :

• des ARN de transfert (ARNt),
• de nombreux facteurs de traduction.

2. Les ribosomes, organisés en deux sous-unités fonctionnelles, 40S et 60S chez les eucaryotes, qui s'assemblent pour former un ribosome 80S fonctionnel, sont constitués :

• d’ARN ribosomiques (ARNr),
• de protéines ribosomiques.

Remarque : les préfixes " u " (universal) et " e " (eukaryote-specific) indiquent respectivement les protéines ribosomiques conservées dans les trois domaines du vivant ou spécifiques des ribosomes eucaryotes.

3. Chez les eucaryotes, les ribosomes peuvent être présents sous plusieurs formes.

a. Les ribosomes libres synthétisent principalement les protéines destinées au cytosol, au noyau, aux mitochondries ou aux peroxysomes.

b. Les ribosomes associés au réticulum endoplasmique (RE), alors appelé réticulum endoplasmique rugueux (RER), participent à la synthèse des protéines sécrétées, des protéines membranaires ainsi que de nombreuses protéines destinées au système endomembranaire.

c. Les ribosomes mitochondriaux ou mitoribosomes sont localisés dans la matrice mitochondriale et assurent la traduction des ARN messagers codés par le génome mitochondrial.

• Ces ribosomes assurent la traduction des ARN messagers codés par le génome mitochondrial.
• Ils présentent une composition et une organisation distinctes de celles des ribosomes cytoplasmiques et dérivent vraisemblablement des ribosomes bactériens présents chez l'ancêtre endosymbiotique à l'origine des mitochondries.

Remarque : on trouve également des ribosomes chloroplastiques chez les végétaux qui dérivent eux aussi d'ancêtres bactériens et présentent une organisation générale de type 70S (The complete structure of the chloroplast 70S ribosome in complex with translation factor pY 2016).

4. Les polysomes ou polyribosomes comprennent plusieurs ribosomes qui peuvent traduire simultanément une même molécule d’ARN messager.

Ils permettent la production simultanée de nombreuses copies d’une même protéine à partir d’un seul transcrit et augmentent considérablement l’efficacité de la synthèse protéique.

Organisation des ribosomes et ARNr

1. Chez les eucaryotes, les ribosomes sont constitués de deux sous-unités ribonucléoprotéiques distinctes qui s’associent au cours de la traduction afin de former un ribosome 80S fonctionnel (Comprehensive Molecular Structure of the Eukaryotic Ribosome 2009) :

• la petite sous-unité 40S,
• la grande sous-unité 60S.

La désignation 40S, 60S, 70S ou 80S correspond au coefficient de sédimentation exprimé en unités Svedberg (S), une mesure expérimentale qui reflète la masse, la forme et les propriétés hydrodynamiques des particules lors de leur séparation par ultracentrifugation, ce qui explique que ces valeurs ne soient pas additives.

2. Chacune de ces sous-unités possède une composition spécifique en ARN ribosomiques (ARNr) et en protéines ribosomiques ainsi que des propriétés structurales et fonctionnelles distinctes qui assurent des fonctions complémentaires dans la synthèse protéique.

Remarque : les ribosomes bactériens, plus petits, présentent une organisation générale similaire mais sont constitués d'une petite sous-unité 30S contenant l'ARNr 16S, et d'une grande sous-unité 50S, contenant les ARNr 23S et 5S, qui s'associent pour former un ribosome 70S.

3. Ce chapitre sert également à présenter les principaux ARN ribosomiques du ribosome eucaryote , i.e. ARNr 18S, 28S, 5.8S et 5S, en les replaçant dans leur sous-unité respective et dans leur organisation structurale.

Petite sous-unité ribosomique (40S)

Chez les eucaryotes, la petite sous-unité ribosomique 40S contient (Cryo-EM reconstruction of the human 40S ribosomal subunit at 2.15 Å resolution 2023) :

• l’ARN ribosomique 18S associé,
• une trentaine de protéines ribosomiques associées (RPS).

1. L'ARNr 18S constitue l'élément structural principal de la sous-unité et participe à l'organisation du centre de décodage responsable :

• de la reconnaissance des codons de l'ARN messager (ARNm),
• du contrôle de l'appariement codon-anticodon avec les ARN de transfert (ARNt).

Il joue ainsi un rôle essentiel dans la fidélité de la traduction.

2. Chez les eucaryotes, la sous-unité 40S comprend plusieurs domaines structuraux majeurs (RNA folding and functions of RNA helicases in ribosome biogenesis 2022).

a. Ils peuvent être définis selon différents critères.

• Le corps (body), principalement associé au domaine 5', constitue la structure centrale de la sous-unité et participe à l'organisation générale du centre de décodage.
• La plateforme (platform), principalement associée au domaine central (C), participe aux interactions avec l'ARN messager et plusieurs facteurs de traduction.
• La tête (head), principalement associée au domaine 3' majeur (3'M), est une région mobile impliquée dans les changements conformationnels accompagnant la progression des ARN de transfert et de l'ARN messager au cours de la traduction.
• Le bec (beak), associé au domaine 3' majeur (3'M), notamment autour de l'hélice 33, forme une extension structurale caractéristique des ribosomes eucaryotes participant à certaines interactions avec les facteurs d'initiation et les ARN (The Beak of Eukaryotic Ribosomes: Life, Work and Miracles 2024).
• L'épaule (shoulder) contribue à l'organisation du site de fixation de l'ARN messager et participe aux interactions avec plusieurs facteurs protéiques impliqués dans la traduction.

b. Le domaine 3′ mineur (3′m) ne correspond pas à une région morphologique individualisée de la sous-unité 40S, mais participe principalement à l'organisation :

• du centre de décodage à l'interface avec la grande sous-unité,
• des régions fonctionnelles impliquées dans la reconnaissance codon-anticodon.

Grande sous-unité ribosomique (60S)

Chez les eucaryotes, la grande sous-unité ribosomique 60S contient (Visualizing the modification landscape of the human 60S ribosomal subunit at close to atomic resolution 2025) :

• les ARN ribosomiques 28S, 5.8S et 5S,
• une cinquantaine de protéines ribosomiques associées (RPL).

Remarque : chez la levure, qui est également un eucaryote, la grande sous-unité ribosomique contient un ARNr 25S, homologue fonctionnel de l'ARNr 28S des vertébrés.

De nombreuses figures issues de la littérature utilisent ainsi les ARNr 25S, 5.8S et 5S pour représenter la grande sous-unité ribosomique eucaryote.

1. L'ARNr 28S constitue le principal composant structural et fonctionnel de la sous-unité 60S qui participe notamment à la formation du centre peptidyl-transférase (PTC) responsable de la formation des liaisons peptidiques entre les acides aminés incorporés dans la chaîne polypeptidique en cours d’élongation.

2. La sous-unité 60S comprend également plusieurs éléments structuraux caractéristiques.

a. La protubérance centrale (CP ou central protuberance) constitue l’un des principaux reliefs de la sous-unité 60.

• Elle contient notamment l’ARNr 5S et plusieurs protéines ribosomiques.
  Elle participe aux interactions entre les deux sous-unités ribosomiques.

b. La tige L1 (L1 stalk) est une structure mobile impliquée dans le déplacement et la libération des ARN de transfert déchargés lors de leur passage vers le site E.

La tige P (PS ou P stalk) constitue une plateforme de recrutement de plusieurs facteurs de traduction impliqués notamment dans l’élongation et le recyclage ribosomal.

Remarque : la figure ci-dessus met également en évidence :

• l'A-site finger (ASF), correspondant à l'hélice H38 de l'ARNr 28S (25S chez la levure), qui participe aux interactions entre les sous-unités ribosomiques et aux mouvements des ARN de transfert au cours de la traduction
• le site de liaison des facteurs de traduction (factor-binding site), localisé à proximité de la tige P (P-stalk), qui assure le recrutement de nombreux facteurs impliqués dans l'initiation, l'élongation, la terminaison et le recyclage ribosomal.

Remarque : les chiffres romains I à V correspondent aux principaux domaines structuraux de l'ARNr 25S (homologue de l'ARNr 28S chez les vertébrés).

Contrairement aux domaines de l'ARNr 18S qui peuvent être relativement bien associés à certaines régions morphologiques de la sous-unité 40S, les domaines I à V du 25S participent conjointement à la formation de plusieurs structures fonctionnelles de la sous-unité 60S, notamment la protubérance centrale, la tige L1, le centre peptidyl-transférase (PTC) et le tunnel de sortie du polypeptide.

2. L'ARNr 5.8S est étroitement associé à l'ARNr 28S avec lequel il établit de nombreuses interactions structurales contribuant à l'organisation du cœur de la grande sous-unité ribosomique.

Chez les eucaryotes, les ARNr 5.8S et 28S dérivent du même précurseur ribosomique et demeurent associés au sein de la sous-unité 60S après leur maturation (transcription des ADNr 47S par l’ARN polymérase I).

3. L'ARNr 5S possède une structure secondaire fortement conservée organisée autour de cinq hélices principales (Coevolution in RNA Molecules Driven by Selective Constraints: Evidence from 5S rRNA 2012).

• Il constitue un composant majeur de la protubérance centrale (central protuberance) et participe à l'organisation structurale de la grande sous-unité par ses interactions avec les ARNr et plusieurs protéines ribosomiques.
• Contrairement aux ARNr 18S, 5.8S et 28S qui sont transcrits sous la forme d'un pré-ARNr 47S commun, l'ARNr 5S est synthétisé indépendamment par l'ARN polymérase III avant d'être incorporé au cours de la ribogenèse. (transcription de l'ADNr 5S par l’ARN polymérase III)

Protéines ribosomiques

Les protéines ribosomiques constituent, avec les ARN ribosomiques, les principaux composants structuraux des ribosomes et comprennent :

• les protéines RPS (ribosomal protein small subunit), protéines de la petite sous-unité au nombre d'environ 33 chez les eucaryotes,
• les protéines RPL (ribosomal protein large subunit), protéines de la grande sous-unité, au nombre d'environ 47 chez les eucaryotes.

1. Contrairement aux ARN ribosomiques qui forment le cœur structural du ribosome, la plupart des protéines ribosomiques sont localisées à la périphérie des sous-unités où elles établissent de nombreuses interactions avec les ARNr (Ribosomal Proteins: Role in Ribosomal Functions 2015).

Ces protéines participent notamment :

• à la stabilisation du repliement tridimensionnel des ARN ribosomiques,
• à l'assemblage des sous-unités ribosomiques au cours de la ribogenèse,
• au maintien de l'intégrité structurale du ribosome,
• aux interactions avec les ARN messagers (ARNm), les ARN de transfert (ARNt) et les facteurs de traduction,
• à la régulation de certaines étapes de la synthèse protéique.

2. Certaines protéines ribosomiques possèdent également des fonctions extraribosomiques indépendantes de la traduction et interviennent notamment dans (Extra-Ribosomal Roles for Ribosomal Proteins and Their Relevance to Tumour Suppression, Carcinogenesis and Cancer Progression 2025) :

• la régulation de l'expression génique, par exemple via des interactions de RPS3 avec certains facteurs de transcription tels que NF-κB ou par des interactions de certaines protéines ribosomiques avec des ARN messagers, des microARN (miRNA) ou des ARN longs non codants ou lncRNA (Ribosomal proteins: functions beyond the ribosome 2015).
• la prolifération cellulaire, notamment par l'intermédiaire de protéines telles que RPL5, RPL11 ou RPS14 impliquées dans la régulation de la voie p53,
• la réponse au stress et la surveillance de l'intégrité cellulaire, notamment lors du stress nucléolaire ou de lésions de l'ADN, par exemple via RPL11 et RPL5 qui inhibent MDM2 et favorisent ainsi la stabilisation de p53, ou via RPS3 qui participe notamment à la réparation par excision de bases (BER) et à la signalisation dépendante d'ATM et d'ATR en réponse aux dommages de l'ADN,

Architecture fonctionnelle des ribosomes

Les sous-unités ribosomiques 40S et 60S s'associent pour former une interface fonctionnelle contenant les principales régions impliquées dans :

• le décodage de l'information génétique,
• la synthèse de la chaîne polypeptidique,
• la progression des ARN de transfert au cours de la traduction.

Centre de décodage (decoding center)

Le centre de décodage est localisé principalement au sein de la petite sous-unité ribosomique 40S et constitue la région responsable :

• de la reconnaissance des codons de l'ARN messager (ARNm),
• du contrôle de l'appariement codon-anticodon avec les ARN de transfert (ARNt).

1. Le site A (site Aminoacyl) est situé à proximité immédiate du centre de décodage et constitue le point d'entrée des aminoacyl-ARNt transportant les acides aminés qui seront incorporés dans la chaîne polypeptidique.

La reconnaissance correcte entre le codon porté par l'ARN messager et l'anticodon porté par l'ARNt entrant déclenche plusieurs changements conformationnels qui contribuent à la fidélité de la traduction et à la sélection préférentielle des ARNt correctement appariés.

2. Le centre de décodage ne correspond pas au site A lui-même, mais à une région fonctionnelle de la sous-unité 40S, impliquant notamment les hélices h18 et h44 de l'ARNr 18S, associée à ce site et spécialisée dans la vérification des interactions codon-anticodon.

Centre peptidyl-transférase (peptidyl transferase center)

Le centre peptidyl-transférase (PTC) est localisé dans la grande sous-unité ribosomique 60S et constitue le site catalytique responsable de la formation des liaisons peptidiques entre les acides aminés successivement incorporés dans la chaîne polypeptidique (The Peptidyl Transferase Center: a Window to the Past 2021).

Le centre peptidyl-transférase constitue également l'un des principaux exemples d'activité catalytique assurée par un ARN au sein de la cellule ( ribozymes).

1. Chez les eucaryotes, cette structure est principalement formée par des régions hautement conservées de l'ARNr 28S, notamment les hélices H89, H90, H91, H92 et H93, à l'interface des sites A et P du ribosome (Peptidyl transferase center decompaction and structural constraints during early protein elongation on the ribosome 2021).

• La région catalytique responsable de la formation des liaisons peptidiques est constituée principalement des hélices H90-H93, qui forment le cœur du centre peptidyl-transférase.
• L'hélice H89 participe notamment au positionnement du motif GGQ du facteur eRF1 lors de la terminaison.

2. Le site P (peptidyl site), associé notamment à la boucle P (P-loop, H80), contient le peptidyl-ARNt portant la chaîne polypeptidique en cours de synthèse.

3. Le site A (aminoacyl site), associé notamment à la boucle A (A-loop, H92), accueille l'aminoacyl-ARNt entrant.

4. Au cours de l'élongation, le centre peptidyl-transférase catalyse la formation de la liaison peptidique en transférant la chaîne polypeptidique portée par l'ARNt du site P vers l'acide aminé associé à l'ARNt présent dans le site A.

Cette réaction allonge la chaîne polypeptidique et transfère celle-ci sur l'ARNt du site A, qui devient alors le nouveau peptidyl-ARNt.

Centre GTPasique (GAC)

Le centre GTPasique (GTPase-associated center, GAC) est une région fonctionnelle de la grande sous-unité ribosomique 60S spécialisée dans l'interaction avec les facteurs de traduction dépendants du GTP.

Il contribue à coordonner les interactions entre le ribosome et les facteurs de traduction dépendants du GTP, assurant l'efficacité et la fidélité de la synthèse protéique.

1. Le centre GTPasique est constitué principalement :

• de la boucle sarcine-ricine (SRL) de l'ARNr 28S, hautement conservée, constitue avec le stalk P l'interface principale de liaison des GTPases de traduction.
• de la tige P (P-stalk), constituée d'une protéine P0 (ul10) associée à deux hétérodimères P1/P2, formant une structure flexible capable de recruter et de positionner différents facteurs de traduction,
• des protéines ribosomiques uL6 et uL11,

Remarque : la boucle sarcine-ricine (SRL) doit son nom à sa sensibilité particulière aux toxines α-sarcine et ricine, qui inhibent la synthèse protéique en altérant cette région essentielle du centre GTPasique, la ricine dépurinant une adénine conservée de la SRL, tandis que l'α-sarcine clive le phosphodiester adjacent (How Ricin Damages the Ribosome 2019).

2. Le centre GTPasique assure le recrutement et l'activation de plusieurs GTPases impliquées dans la synthèse protéique, notamment :

• eEF1A lors de l'apport des ARNt aminoacylés,
• eEF2 au cours de la translocation,
• eRF3 lors de la terminaison de la traduction,
• ABCE1 pendant le recyclage des sous-unités ribosomiques.

Tunnel de sortie du polypeptide (polypeptide exit tunnel)

Le tunnel de sortie du polypeptide (polypeptide exit tunnel) est un canal interne traversant la grande sous-unité ribosomique 60S depuis le centre peptidyl-transférase jusqu'à la surface externe du ribosome, qui permet l’émergence progressive de la chaîne polypeptidique naissante dans le cytoplasme au fur et à mesure de sa synthèse.

Contrairement à la protubérance centrale (central protuberance), à la tige L1 (L1-stalk) ou à la tige P (P-stalk), le tunnel de sortie est enfoui au sein de la grande sous-unité ribosomique et n’est donc généralement pas visible sur les représentations externes de la sous-unité 60S.

Loin d'être un simple conduit passif, ce tunnel est principalement formé par des régions de l'ARNr 28S et par plusieurs protéines ribosomiques, notamment uL4, uL22 et uL23, et participe à différentes interactions avec :

• la chaîne polypeptidique en cours de synthèse,
• plusieurs facteurs cellulaires impliqués notamment dans le repliement des protéines, leur maturation et leur adressage vers les compartiments cellulaires appropriés, tels que les protéines chaperonnes Hsp70, Hsp40 et NAC (nascent polypeptide-associated complex),
• certaines protéines chaperonnes et les complexes assurant le ciblage co-traductionnel vers le réticulum endoplasmique (RE), notamment la particule de reconnaissance du signal (SRP),
• certains peptides régulateurs comme le peptide régulateur humain XBP1u, capables de moduler localement la progression du ribosome.

Site E et recyclage des ARN de transfert

Après le transfert de la chaîne polypeptidique, les ARN de transfert déchargés sont déplacés vers le site E (exit site), localisé à l'interface des sous-unités ribosomiques 40S et 60S, où ils sont maintenus transitoirement avant leur dissociation du ribosome.

Une fois libérés, les ARNt peuvent être rechargés par les aminoacyl-ARNt synthétases puis réutilisés au cours de nouveaux cycles de traduction.

Biogenèse des ribosomes