Pour prévenir une crise sanitaire mondiale, les scientifiques du monde entier recherchent des moyens de lutter contre les bactéries qui peuvent échapper à l’arsenal actuel d’antibiotiques.
Une cible prometteuse pour les antibiotiques nouveaux et améliorés sont les ribocommutateurs, de petites portions d’ARN qui régulent un processus nécessaire à la production de protéines par la cellule bactérienne. Les riboswitches se trouvent presque exclusivement dans les bactéries et pourraient être ciblés avec des antibiotiques afin que les animaux ou les humains ne soient pas affectés. Avec une compréhension complète du fonctionnement des ribocommutateurs, les chercheurs pourraient être en mesure de développer des médicaments qui perturbent la machinerie cellulaire qui crée les protéines nécessaires.
Maintenant, des chercheurs du Département de chimie de l’Université du Michigan et du Life Sciences Institute ont révélé, en utilisant une combinaison de biochimie, de biologie structurale et de modélisation informatique, comment un riboswitch particulier régule sa propre synthèse.
La première étape de la génération d’une protéine à partir du code génétique s’appelle la transcription. L’enzyme ARN polymérase (ou RNAP) se déplace le long de l’ADN, copiant l’information génétique trouvée dans l’ADN dans un brin d’ARN. Au cours de ce processus, RNAP subira plusieurs « pauses » en attendant d’autres instructions de la cellule. Les mécanismes de cette pause et de ce redémarrage sont longtemps restés insaisissables pour les scientifiques, mais promettent de devenir une cible parfaite pour les antibiotiques.
L’équipe, dirigée par le professeur de chimie Nils Walter grâce à une collaboration avec les laboratoires du professeur LSI Melanie Ohi et de l’ancien scientifique de l’UM Aaron Frank, a utilisé une technique de biologie structurale appelée microscopie cryo-électronique à une seule particule (cryo-EM) pour visualiser pour la première fois comment cela une régulation transcriptionnelle se produit. Leurs résultats sont publiés dans Biologie structurale et moléculaire de la nature.
Le laboratoire Walter a examiné un ribocommutateur particulier qui lie une molécule fabriquée par la cellule, appelée preQ1. Lorsque le préQ1 La molécule se lie au ribocommutateur, elle modifie la forme de l’ARN, ce qui permet ensuite à l’ARNP de continuer à nouveau le long de l’ADN afin que la transcription se poursuive.
Les riboswitches ont été découverts pour la première fois en 2002, mais leurs rôles spécifiques liés à la machinerie de transcription ne sont pas bien compris. Et il n’est pas difficile de comprendre pourquoi, dit Adrien Chauvier, scientifique du laboratoire Walter et expert des riboswitches.
« C’est une situation David contre Goliath », a-t-il déclaré. « RNAP est ce Goliath géant et le riboswitch est David. En raison de cette différence de taille drastique, visualiser où et comment preQ1 régule la pause transcriptionnelle équivaut à trouver une aiguille dans une botte de foin. »
Des recherches antérieures du laboratoire Walter ont révélé que la pause transcriptionnelle est activée et désactivée en fonction du preQ1 molécule se liant au riboswitch. À l’avenir, le laboratoire Walter s’est associé à l’expert en cryo-EM Ohi pour visualiser ce qui se passait.
Ce travail est un excellent exemple de la force de faire de la science à l’Université du Michigan. Trois laboratoires aux expertises différentes ont pu former une collaboration multidisciplinaire qui a conduit à une découverte importante et nouvelle. Ces découvertes n’auraient pas été possibles sans cette synergie, ainsi que les investissements que l’université a mis dans le renforcement de la cryo-EM et de la biologie de l’ARN à l’UM ces dernières années. »
Melanie Ohi, professeur, biologie cellulaire et développementale, Université du Michigan
La cryo-EM à particule unique peut déterminer les structures de grands complexes protéiques en construisant des modèles 3D à partir de millions d’images 2D de particules congelées dans différentes orientations, révélant des structures contenant des détails moléculaires qui fournissent des informations fonctionnelles.
Les informations structurelles de la cryo-EM à particule unique ont corroboré les découvertes antérieures du laboratoire Walter, mais ont également révélé un changement spécifique dans la forme du riboswitch jamais vu auparavant. Lorsque le préQ1 molécule se lie, le riboswitch se tord pour communiquer avec la RNAP pour continuer la transcription.
Ces observations ont été davantage rationalisées et validées grâce à un effort de collaboration avec Frank, alors professeur de biophysique et de chimie à l’Université du Michigan et expert en modélisation informatique des ARN. Avec des modèles 3D détaillés en main, l’équipe collaborative UM a maintenant une compréhension plus précise de la façon dont ce riboswitch régule la pause transcriptionnelle.
« Maintenant, nous comprenons l’ensemble du processus de régulation des riboswitchs et pouvons utiliser ces connaissances pour cibler spécifiquement ces parties critiques de la vie bactérienne, évitant, espérons-le, la crise à venir des bactéries multirésistantes », a déclaré Walter.
