Il est connu comme le dogme central de la biologie: toutes les informations génétiques des organismes vivants sont stockées dans l'ADN, qui est transcrit en ARN, qui se traduit en protéines qui effectuent presque toutes les tâches essentielles d'une cellule. Une minuscule machine cellulaire appelée ribosome construit une protéine jusqu'à ce qu'elle soit signalée de s'arrêter, et la protéine est libérée dans la cellule par une réaction avec une molécule d'eau.
Mais les scientifiques ont longtemps perplexe sur un détail: si tout ce qu'il faut, c'est une molécule d'eau pour libérer la protéine finie, pourquoi cela ne se produit-il pas par accident?
Maintenant, des chercheurs de l'Université de l'Illinois Chicago ont découvert le mécanisme chimique détaillé derrière ce processus. L'étude, publiée dans Scienceaide à répondre à une question de longue date en biologie et clarifie comment tous les organismes vivants exécutent la production de protéines, l'un des processus les plus essentiels de la vie.
Du disque dur à l'imprimante 3D
L'ADN est comme un disque dur qui stocke les informations génétiques d'un organisme sous forme de gènes. Chaque gène contient des instructions pour fabriquer une protéine spécifique, et les protéines contrôlent la plupart des fonctions dans la cellule, que ce soit la digestion dans l'intestin, le transfert d'oxygène dans le sang ou la contraction des muscles.
Mais les cellules ne peuvent pas utiliser ces instructions directement. Tout d'abord, une copie est faite sous forme d'ARN messager (ARNm). Ensuite, le ribosome indique que l'ARNm et assemble la protéine correspondante en reliant les acides aminés ensemble dans une séquence précise.
« Le processus de fabrication des protéines est absolument fondamental pour la vie », a déclaré Yury Polikanov, professeur de sciences biologiques au Collège des arts et sciences libéraux de l'UIC et auteur principal de l'étude.
Dans la cellule, les protéines ribosomes et assistantes lisent le « langage » des nucléotides dans l'ARNm et la traduisent en « langue » des acides aminés dans une protéine.
« Le ribosome est comme une imprimante 3D cellulaire qui reçoit réellement les instructions du génome et fait une protéine », a déclaré Polikanov.
Le ribosome cesse de « l'impression » d'une nouvelle protéine une fois qu'elle rencontre un signal spécial dans l'ARNm appelé codon d'arrêt. À ce stade, une molécule d'assistance dédiée appelée facteur de libération pénètre dans le ribosome et déclenche la libération de la protéine finie de la molécule de porteuse qui le maintient, appelée ARN de transfert (ARNt).
Cette dernière étape consiste à briser la liaison entre la protéine finie et l'ARNt par hydrolyse, une réaction chimique avec une molécule d'eau.
Savoir quand arrêter « l'impression » d'une chaîne de protéines est tout aussi important que de savoir quand commencer, a déclaré Polikanov.
« Le dysfonctionnement de ce processus peut entraîner de très mauvaises conséquences », comme la production de protéines défectueuses ou dangereuses, a-t-il déclaré. Par exemple, les mutations dans les codons d'arrêt peuvent entraîner des conditions mortelles comme la fibrose kystique ou la dystrophie musculaire de Duchenne.
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Auparavant, les chercheurs ne pouvaient pas comprendre exactement ce qui se passait au cours de ce processus de libération de liaison. Si l'hydrolyse nécessite simplement de l'eau, pourquoi la liaison ne se casse-t-elle pas spontanément d'une molécule d'eau aléatoire rebondissant?
Certains avaient deviné que le facteur de libération porté dans la molécule d'eau était ce qui a initié la rupture. Cependant, cette étape s'est produite trop rapidement pour que les scientifiques puissent capturer et observer. Toute tentative d'assemblage de tous les composants dans un tube à essai et de geler le ribosome juste avant que « l'impression » ne entraîne la libération de la protéine, a déclaré Polikanov.
Heureusement, Polikanov et son laboratoire ont eu un tour dans leurs manches. En 2022, ils ont développé une technique pour créer une molécule qui imite la liaison d'ARNt-protéine mais n'a pas pu être brisée par une molécule d'eau – elle est « non hydrolysable ». En utilisant la mime non hydrolysable, l'équipe de Polikanov a pris des instantanés détaillés de la réaction de libération de protéines à une résolution presque atomique avec une méthode appelée cristallographie aux rayons X. Ce qu'ils ont trouvé a changé l'explication du manuel largement accepté: il n'y a pas de molécules d'eau au bon endroit pour briser la liaison.
Au lieu de cela, le facteur de libération fait que l'ARNt change sa forme juste assez pour libérer son potentiel chimique caché. Une petite partie de l'ARNt atteint et brise la liaison, libérant la protéine finie du ribosome.
« C'est en fait un peu de poussée ou de coup de pied du substrat afin qu'il favorise l'hydrolyse elle-même », a déclaré Polikanov.
La découverte explique pourquoi le facteur de libération est requis pour la résiliation. Ce petit coup de pouce garantit que les protéines ne libèrent pas prématurément et ont des longueurs strictement définies par les gènes correspondants.
Le mécanisme de libération des protéines découvert par les chercheurs de l'UIC semble être à l'œuvre dans toutes les formes de vie – des bactéries aux humains, a déclaré Polikanov. Il met également en évidence la précision et l'élégance des machines cellulaires.
« Nous avons découvert comment fonctionne réellement l'un des processus biologiques les plus élémentaires », a déclaré Polikanov. « Ce n'est pas seulement que le facteur de libération apporte les bons ingrédients; il repositionne les pièces existantes afin que le système puisse terminer le travail par lui-même. »
Les autres co-auteurs de l'UIC sur le journal comprennent Elena Aleksandrova et Egor Syroegin.
