L'information génétique sur l'ADN est transcrite en ARN messager (ARNm) et traduite en séquence d'acides aminés par l'ARN de transfert (ARNt) sur le ribosome. Les nucléosides modifiés dans l'ARN sont impliqués dans le maintien et la régulation du système de synthèse des protéines. L'archéosine est un nucléoside modifié que l'on trouve uniquement dans les ARNt des archées, le troisième domaine de la vie, et contribue au maintien de la structure tridimensionnelle en forme de L de l'ARNt. La synthèse de l'archéosine implique plusieurs étapes, la première étape introduisant un préQ0 base dans l'ARNt via ArcTGT. Dans la deuxième étape, ArcS transfère un acide aminé, la lysine, au préQ0 base dans l'ARNt et synthétise le preQ0-Lys comme intermédiaire. Le préQ résultant0-Lys dans l'ARNt est ensuite converti en archéosine par RaSEA, l'enzyme de la troisième étape.
Cette voie de synthèse de l'archéosine a été élucidée en 2019 grâce à une étude collaborative menée par l'Université d'Ehime et l'Université de Gifu (Figure 1 : Yokogawa et al., Nature Chem. Biol. (2019)). Cependant, la spécificité du substrat de l'enzyme de deuxième étape ArcS était jusqu'alors inconnue.
Pour répondre à cette question, un groupe de recherche dirigé par le professeur Hiroyuki Hori, le maître de conférences Dr Ryota Yamagami et les étudiants diplômés Shu Fujita, Yuzuru Sugio et Dr Takuya Kawamura (actuellement à l'université Thomas Jefferson, États-Unis) de la Graduate School of Science and Engineering de l'université d'Ehime, en collaboration avec les professeurs Takashi Yokogawa et Natsuhisa Oka de l'université de Gifu et le professeur associé Akira Hirata de l'université de Tokushima, ont effectué des analyses biochimiques.
La plupart des enzymes de modification de l'ARN reconnaissent la structure tridimensionnelle autour du site cible de l'ARN et rarement la séquence d'ARN elle-même. Pour étudier la spécificité de l'ARN substrat d'ArcS, preQ0L'ARNt modifié a été fragmenté à l'aide de DNAzymes et le transfert de lysine a été évalué pour chaque fragment (Figure 2). Étonnamment, ArcS a transféré la lysine à tous les fragments d'ARN contenant preQ0. Dans le fragment d'ARN de 21 nucléotides (21 nt), non seulement la structure entière de l'ARNt, mais aussi la structure du bras D ont été perturbées. Ce résultat démontre qu'ArcS ne reconnaît pas la structure tridimensionnelle de l'ARN substrat. Pour identifier le substrat minimum, le transfert de lysine a été évalué à l'aide du preQ0 base, préQ0 nucléoside, 5'-phosphorylé preQ0 nucléotide et préQ 3'-phosphorylé0 nucléotide (Figure 3). Il a été constaté que le substrat minimum était le préQ0 nucléoside, dont l'efficacité de réaction augmente lorsqu'un groupe phosphate est attaché à la position 5'. Ainsi, ArcS est une enzyme de modification d'ARNt sans précédent qui peut agir sur un nucléoside comme substrat.
Avec le développement de vaccins à ARNm contre la COVID-19, des nucléosides modifiés comme la pseudouridine et la 1-méthylpseudouridine sont utilisés efficacement, et des recherches sur l'introduction de diverses modifications dans les ARN cibles sont menées à l'échelle mondiale. La découverte d'ArcS, qui peut utiliser un nucléoside comme substrat minimum, offre de nouvelles perspectives sur la synthèse de molécules précurseurs de ces nucléosides modifiés.
Les résultats de cette recherche ont été publiés en ligne dans le Journal de chimie biologique le 27 juin 2024.
