Au sein d’une cellule, l’ADN porte le code génétique nécessaire à la construction des protéines.
Pour construire des protéines, la cellule fabrique une copie de l’ADN, appelée ARNm. Ensuite, une autre molécule appelée ribosome lit l’ARNm et le traduit en protéine. Mais cette étape reste un mystère visuel : les scientifiques ne savaient pas auparavant comment le ribosome s'attache à l'ARNm et lit l'ARNm.
Aujourd'hui, une équipe de scientifiques internationaux, dont des chercheurs de l'Université du Michigan, ont utilisé la microscopie avancée pour visualiser comment les ribosomes recrutent en ARNm pendant qu'il est transcrit par une enzyme appelée ARN polymérase, ou RNAP. Leurs résultats, qui examinent le processus chez les bactéries, sont publiés dans la revue Science.
« Comprendre comment le ribosome capture ou 'recrute' l'ARNm est une condition préalable à tout ce qui vient après, comme comprendre comment il peut même commencer à interpréter les informations codées dans l'ARNm », a déclaré Albert Weixlbaumer, chercheur à l'Institut de génétique et de génétique. de biologie moléculaire et cellulaire en France qui a co-dirigé l'étude. « C'est comme un livre. Votre tâche est de lire et d'interpréter un livre, mais vous ne savez pas d'où vous le procurer. Comment le livre est-il livré au lecteur ? »
Les chercheurs ont découvert que le RNAP transcrivant l’ARNm déploie deux ancres différentes pour s’attacher au ribosome et assurer une base solide et le démarrage de la synthèse protéique. Cela ressemble à un contremaître sur un chantier de construction supervisant les ouvriers installant une section complexe de la superstructure, confirmant de deux manières redondantes que toutes les pièces sont solidement fixées aux points critiques pour une stabilité et une fonctionnalité maximales.
Comprendre ces processus fondamentaux recèle un grand potentiel pour développer de nouveaux antibiotiques ciblant ces voies spécifiques de la synthèse des protéines bactériennes, selon les chercheurs. Traditionnellement, les antibiotiques ciblent le ribosome ou RNAP, mais les bactéries trouvent souvent un moyen d'évoluer et de muter pour créer une certaine résistance à ces antibiotiques. Forte de ses nouvelles connaissances, l’équipe espère déjouer les bactéries en coupant plusieurs voies d’accès.
Nous savons qu'il existe une interaction entre le RNAP, le ribosome, les facteurs de transcription, les protéines et l'ARNm. Nous pourrions cibler cette interface, spécifiquement entre le RNAP, le ribosome et l’ARNm, avec un composé qui interfère avec le recrutement ou la stabilité du complexe. »
Adrien Chauvier, scientifique principal de l'UM, l'un des quatre co-responsables de l'étude
L’équipe a développé un cadre mécanistique pour montrer comment les différents composants du complexe travaillent ensemble pour amener les ARNm fraîchement transcrits au ribosome et servir de ponts entre la transcription et la traduction.
« Nous voulions découvrir comment le couplage du RNAP et du ribosome s'établit en premier lieu », a déclaré Weixlbaumer. « À l'aide de composants purifiés, nous avons réassemblé le complexe – 10 milliardième de mètre de diamètre. Nous les avons vus en action par cryo-microscopie électronique (cryo-EM) et interprété ce qu'ils faisaient. Nous devions ensuite voir si le comportement de nos composants purifiés pourraient être récapitulés dans différents systèmes expérimentaux.
Dans les cellules humaines plus complexes, l’ADN réside dans le noyau isolé, où le RNAP sert d’« interprète », décomposant les instructions génétiques en morceaux plus petits. Cette dynamo d'enzyme transcrit, ou écrit, l'ADN en ARNm, représentant une copie spécifiquement sélectionnée d'une petite fraction du code génétique qui est déplacée vers le ribosome dans le cytoplasme beaucoup plus « spacieux », où il est traduit en protéines, le éléments de base de la vie.
Chez les procaryotes, dépourvus d'un noyau distinct et d'une « paroi » membranaire interne, la transcription et la traduction se produisent simultanément et à proximité les unes des autres, permettant au RNAP et au ribosome de coordonner directement leurs fonctions et de coopérer les uns avec les autres.
Les bactéries sont les procaryotes les mieux comprises et, en raison de leur structure génétique simple, elles ont fourni à l'équipe l'hôte idéal pour analyser les mécanismes et la machinerie impliqués dans le couplage ribosome-RNAP au cours de l'expression des gènes.
Les chercheurs ont utilisé diverses technologies et méthodologies selon la spécialité de chaque laboratoire – cryo-EM dans le groupe de Weixlbaumer et spectrométrie de masse de réticulation dans les cellules du groupe de Berlin réalisée par Andrea Graziadei – ; pour examiner les processus impliqués.
Forts de leur expertise en biophysique, Chauvier et Nils Walter, professeur de chimie et de biophysique à l'UM, ont utilisé leurs microscopes avancés à fluorescence à molécule unique pour analyser la cinétique de la structure.
« Afin de suivre la vitesse de fonctionnement de cette machine, nous avons marqué chacun des deux composants avec une couleur différente », a déclaré Chauvier. « Nous avons utilisé une couleur fluorescente pour l'ARN naissant et une autre pour le ribosome. Cela nous a permis de visualiser leur cinétique séparément sous un microscope haute puissance. »
Ils ont observé que l'ARNm émergeant du RNAP était lié à la petite sous-unité ribosomale (30S) de manière particulièrement efficace lorsque la protéine ribosomale bS1 était présente, ce qui aide l'ARNm à se déployer en préparation pour la traduction à l'intérieur du ribosome.
Les structures cryo-EM de Webster et Weixlbaumer ont identifié une voie alternative d'administration de l'ARNm au ribosome, via l'attachement de l'ARN polymérase par le facteur de transcription de couplage NusG, ou son paralogue, ou version, RfaH, qui enfile l'ARNm dans l'entrée de l'ARNm. canal du ribosome de l’autre côté de bS1.
Après avoir visualisé avec succès la toute première étape de l’établissement du couplage entre RNAP et le ribosome, l’équipe attend avec impatience de poursuivre la collaboration pour découvrir comment le complexe doit se réorganiser pour devenir pleinement fonctionnel.
« Ce travail démontre la puissance de la recherche interdisciplinaire menée sur les continents et les océans », a déclaré Walter.
Huma Rahil, doctorante au laboratoire Weixlbaumer, et Michael Webster, alors chercheur postdoctoral au laboratoire et maintenant au John Innes Center au Royaume-Uni, ont également codirigé l'article.
