Tous les êtres vivants disposent d’une flotte de minuscules photocopieuses qui transforment les instructions de l’ADN en ARN, les molécules responsables de la construction des protéines qui maintiennent les organismes en vie. L’une de ces machines à l’échelle nanométrique, appelée ARN polymérase II eucaryote, effectue une étape précoce cruciale requise par presque tous les processus biologiques. Il émet des messages, copie et transporte les instructions du noyau cellulaire pour fabriquer des protéines.
Jusqu’à récemment, les scientifiques n’avaient observé l’ARN eucaryote à l’œuvre que dans des tubes à essai soigneusement assemblés, débarrassés des réalités chaotiques de la vie à l’intérieur d’une cellule. Aujourd’hui, une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State a eu un aperçu de cette machinerie moléculaire telle qu’elle fonctionne à l’intérieur des organismes vivants. Ils ont rapporté leurs découvertes dans le journal Communications naturelles.
« C’est la première fois que nous observons ce processus tel qu’il se produit réellement ; la façon dont il agit lorsque personne ne le regarde », a déclaré Katsuhiko Murakami, professeur Stanley Person de biologie moléculaire et directeur du Huck Center for Structural Biology à Penn State et co-auteur correspondant de l’étude. « Auparavant, nous devions utiliser des échantillons hautement purifiés dans des conditions de laboratoire idéales pour visualiser leurs structures, ce qui n’est pas ainsi que fonctionne réellement la vie. Aujourd’hui, nous devons complètement changer notre façon de penser, car ce que nous voyons n’est pas quelque chose que nous avons vu auparavant. »
En utilisant des embryons de mouches des fruits, l’équipe a développé une méthode pour extraire des « complexes de transcription » intacts, les groupes d’ARN polymérase II et d’ADN impliqués dans la lecture et la copie des gènes. Ils ont ensuite utilisé la cryomicroscopie électronique (cryo-EM), une technique d’imagerie puissante qui gèle les molécules sur place et les visualise avec des détails proches de l’atome, pour cartographier ce qu’ils ont trouvé. Ce qui a émergé était une image beaucoup plus dynamique et surprenante du processus de la photocopieuse, appelé transcription génétique, que ce à quoi ils s’attendaient.
Murakami a expliqué que le projet a débuté en 2021 lorsque David Gilmour, professeur émérite de biochimie et de biologie moléculaire à Penn State, lui a montré l’ARN polymérase II purifiée extraite d’un embryon de mouche des fruits.
« Ce n’était pas propre, mais ça a suscité une idée », a-t-il déclaré. « Nous pourrions utiliser la cryo-EM pour en analyser les complexes de transcription natifs. Après des années de travail acharné, nous avons maintenant capturé ces complexes dans un état quasi natif et ce que nous avons trouvé était en fait assez surprenant. »
Avant cette étude, on pensait que l’ARN polymérase II était composée de 12 sous-unités qui se réunissaient pour former une unité complète, de sorte que la plupart des chercheurs supposaient qu’elles se ressemblaient toutes dans les cellules, a-t-il déclaré. Mais les résultats de l’équipe ont montré que ce n’est pas toujours le cas. Certains d’entre eux ont les 12 sous-unités, comme prévu, mais d’autres manquent de deux sous-unités, ce qui les laisse avec seulement 10 sous-unités.
« Ce genre de variation n’était pas ce que les gens pensaient se produire, c’était donc une découverte vraiment inattendue », a déclaré Murakami.
Cette découverte pourrait offrir des indices sur la façon dont les cellules gèrent l’équilibre délicat entre l’ADN étroitement emballé et le fait de le rendre accessible en cas de besoin. De tels moments de transition sont difficiles à observer dans les expériences traditionnelles, a-t-il déclaré, ce qui rend leur apparition dans l’étude d’imagerie cryo-EM de l’équipe particulièrement significative.
« D’un point de vue scientifique fondamental, l’approche était assez simple », a déclaré Jean-Paul Armache, professeur adjoint de biochimie et de biologie moléculaire à Penn State et co-auteur de l’article. « Les chercheurs essaieraient de capturer une image claire de quelque chose, d’étudier ce qu’ils ont vu, puis de publier leurs résultats. Désormais, au lieu de regarder une seule version contrôlée, nous pouvons étudier un mélange en même temps et comprendre comment ils varient. Cela nous donne une image beaucoup plus complète, plus compliquée et plus précise de ce qui se passe. Nous ne voyons pas un seul processus aseptisé ; c’est tout simultanément – comment la vie se passe réellement. «
L’étude fait partie d’un changement plus large dans la biologie moderne, a déclaré Armache, où les chercheurs s’éloignent des systèmes construits en laboratoire pour observer les molécules telles qu’elles existent dans les cellules vivantes. Une meilleure compréhension du fonctionnement du processus de lecture des gènes dans des conditions réelles offre un schéma plus précis du fonctionnement des cellules, ce qui peut avoir des applications dans des domaines comme la médecine, a-t-il déclaré.
L’approche de l’équipe pourrait ouvrir la porte à l’étude de nombreux autres processus cellulaires complexes dans leur environnement naturel, a déclaré Murakami.
« Nous commençons à utiliser ce système plus largement, non seulement dans un type d’organisme, mais également dans d’autres, comme les archées, qui font partie du microbiote de tous les organismes », a déclaré Murakami. « Nous essayons de comprendre comment ces molécules se comportent dans des conditions réelles et dans différents environnements. Ce n’est donc que le début de ce que nous pourrons voir. »
