Cours : Les ARNm Cytoplasmiques

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INTRODUCTION

Les ARNm sont des messagers qui permettent de véhiculer l’information génétique depuis le noyau jusqu’au cytoplasme. A ce titre leur importance est capitale parce que les anomalies des gènes vont se traduire au niveau de leur expression par des anomalies qualitatives ou quantitatives des ARNm avant l’apparition des anomalies qualitatives ou quantitatives au niveau des protéines cellulaires responsables de la pathologie observée à l’étage cellulaire, tissulaire ou par contre à tout l’organisme.
Les ARNm ne constituent cependant qu’environ 2% des ARN totaux des cellules (82% pour les ARNr, 16% pour les ARNt, et moins de 1% pour les SnARN).
Dans une cellule un ARNm est traduit, de manière précise, un certain nombre de fois par des ribosomes libres ou par des ribosomes liés. Le nombre de traduction est régulé par différents mécanismes dont le plus fondamental met en jeu la région de la queue de l’ARNm appelée «queue de polyA » ; cette région est ainsi dénommée parce qu’elle a subi au cours de la maturation du messager un phénomène de polyadénylation.
Les ARNm ne sont pas toujours immédiatement traduits après leur passage dans le cytoplasme ; en effet dans des conditions particulières sur lesquelles nous reviendrons, il existe des moyens complexes qui permettent de les mettre en réserve dans le cytosol pendant un temps déterminé après lequel ces messagers seront traduits pour donner naissance à des protéines dont les rôles se présenteront comme fondamentaux pour les événements ultérieurs.
La durée de vie d’un messager est généralement très brève (quelques minutes) mais dans des conditions exceptionnelles cette durée peut atteindre quelques jours.
Après avoir servi, les ARNm sont recyclés à l’intérieur du cytoplasme et remplacés par des transcrits plus récents.
Les ARNm présentent une structure de base commune avec de subtiles variations observables essentiellement au niveau de la région de la queue polyA.


I/ STRUCTURE

Comme les autres ARN, les ARNm sont formés par une seule chaîne de nucléotides comportant les mêmes sortes de bases : A,U,C,G.
Chaque groupe de trois nucléotides successifs sur l’ARNm forme un codon qui codera pour un acide aminé particulier.
Les ARNm sont issus de la transcription des gènes de structure et ils possèdent cinq régions :
1- Une extrémité 5’ qui présente un « cap ».
2- Une séquence 5’UTR (Untranslated Region).
3- Une séquence nucléotidique constituée par les différents exons raboutés après épissage:
c’est la région traduite.
4- Puis suit une séquence nucléotidique non traduite riche en nucléotides A et U. Cette
séquence est aussi appelée 3’UTR (Untranslated Region).
5- Enfin l’extrémité 3’ qui correspond à la queue de polyA.

1°) L’extrémité 5’ ou cap

Le cap est une GMP méthylée sur son azote en 7 (ce qui apporte une charge positive).
Le cap se met en place de manière très précoce dès le début de la transcription (avant que ne soient rassemblés les trente premiers nucléotides).
Le cap est relié au premier nucléotide du transcrit primaire par une liaison anhydride d’acide (avant cette liaison le premier nucléotide de l’extrémité 5’ se termine par un groupement triphosphate).
Après l’installation du cap il n’existera plus d’extrémité 5’ phosphate libre. Le cap protégerait ainsi les ARNm de l’attaque des enzymes cytoplasmiques (phosphatases, nucléases).
Le cap joue également un rôle important au niveau de l’initialisation de la traduction au niveau des cellules eucaryotes ; en effet la petite sous unité ribosomale se fixe tout d’abord à l’extrémité 5’ de la chaîne de l’ARNm, aidée par la reconnaissance du cap (toutefois les ARNm sans cap peuvent être traduits in vitro).
A ce cap peuvent s’ajouter d’autres modifications à type de méthylation des OH situés en 2’ des riboses des deux premiers nucléotides de l’extrémité 5’ du transcrit primaire.

2°) La région 5' non traduite
Appelée également 5' UTR (de l'anglais 5' UnTranslated Region), correspond à la portion
de l'ARN messager (ARNm) placée en amont du codon d'initiation.
Chez les bactéries, la 5'UTR contient normalement la séquence Shine-Dalgarno qui permet la fixationdu ribosome. L'équivalent eucaryote : la séquence de Kozak.
Cette région peut être très courte, de quelques bases seulement, ou très longue, de plusieurs
centaines de bases.
La 5'UTR peut être longue; elle est normalement impliquée dans la régulation de l'expression du gène concerné. Cette régulation peut s'exercer au niveau de la transcription, de l'épissage, de la stabilité del'ARNm, ou de la traduction.

3°) La Région traduite

• Codon initiateur : AUG (Met)
• Codon STOP: UAG – UAA – UGA
*Remarque: - UGA dans certains cas code une Sélénocystéine
- UAA de l’ARNm cytoplasmique de paramécie code une Gln
La région traduite du messager n’est définitivement constituée qu’après les différents processus d’excision-épissages (« splicing ») du pré-ARNm pour finalement donner de l’ARNm.
L’excision-épissage va permettre de rabouter les différents exons du messager et de donner la région traduite de ce dernier.
Les SnARN (small nuclear ARN ) jouent un rôle très important dans les excision-épissages.
En effet ils sont combinés à des protéines pour former des snRNP « small nuclear ribonucleoprotein particules » ou « snurp ».
Un snRNP contient en général un snRNA et plusieurs protéines.
Il existe plusieurs types de snRNP appelés U1,U2,U3,U4,U5,U6 (U parce que ces particules sont riches en Uraciles ).
L’élimination des introns se fait dans le noyau car le transcrit primaire doit être à l’écart des ribosomes pour ne pas être traduit.
Les spliceosomes (assemblages moléculaires comportant plusieurs snRNP ) situés au niveau de chaque intron, tout au long du transcrit primaire vont avoir pour rôle, non seulement de participer aux phénomènes d’excision-épissages, mais également de retenir le pré-ARNm dans le noyau.
Ces spliceosomes sont tellement encombrants qu’ils ne laisseront aucun messager quitter le noyau tant qu’il restera un seul intron.

4°) La 3’UTR

La 3’UTR : L’Untranslated Region est la région située en 3’ juste avant la queue de polyA. C’est la région qui n’est pas traduite et qui contrôle la longueur de la queue de polyA lors de la traduction.
La séquence de l’UTR est génétiquement déterminée. Une délétion partielle ou totale, une mutation de cette région peuvent avoir comme conséquence une stabilisation plus importante du messager et donc une plus importante production de la protéine en question. Ce processus peut mener vers des désordres cellulaires ou tissulaires graves et le cas échéant vers des processus tumoraux (lorsqu’un facteur de croissance est en jeu).

5°) La queue de polyA

La queue de polyA est une succession de plusieurs nucléotides à adénine (300 à 400 A en moyenne, mais le chiffre peut varier de 150 à 600 résidus d’adénylates).
Au fur et à mesure de la traduction d’un messager, il se produit une désadénylation de la queue de polyA ; et lorsque cette queue devient trop courte, l’ARNm n’est plus traduit.
La 3’ UTR peut contrôler l’efficacité de la traduction des messagers en déterminant la longueur de la queue de polyA.
Le raccourcissement de la queue de polyA n’entraîne pas forcément la disparition du messager ; elle réprime plutôt sa capacité à être traduit ; répression souvent temporaire.
La longévité d’un ARNm et par conséquent sa stabilité dans le cytoplasme, qui détermine directement la quantité de protéines produites, dépend de sa région 3’UTR.
Donc la durée de vie de l’ARNm est codée dans sa région 3’UTR. Les espèces d’ARNm éphémères contiennent une ou plusieurs séquences riches en A et U dans leur région 3’UTR.

Exemples : Un messager stable comme celui de la globine a une demi-vie de17 heures
environ.
:Les messagers des facteurs de croissances (tel que le GM-CSF ) ont des demi-vies
brèves de moins de trente minutes.
La capacité à réprimer de manière différentielle les ARNm est un élément très important pour la cellule car une demi-vie plus longue a pour conséquence une augmentation de la quantité de protéine produite. Si cette protéine est un facteur ou un signal de division cellulaire comme cfos, il en résultera la formation d’une tumeur.
Une région 3’UTR délétée ou mutée n’a plus de pouvoir de contrôle et peut induire une multiplication cellulaire excessive par stabilisation prolongée du messager.
Il est possible que la région de l’UTR riche en A et U s’apparie à la queue de polyA pour former un grand tronc bicaténaire.
Des auteurs ont suggéré que ce tronc serait reconnu sur les ribosomes par une ribonucléase qui le détache, enlevant ainsi la queue de polyA, qui normalement stabilise le messager.
Certains ARNm spécifiques sont stabilisés par des hormones avec comme conséquence une production plus importante de la protéine correspondante.
Ainsi la caséine (phosphoprotéine du lait maternel) est produite de manière très importante pendant l’allaitement.
L’ARNm de la caséine est stabilisée par la prolactine qui augmente de 25 fois sa demi-vie. (Au passage l’effet de la prolactine sur la transcription de l’ARNm de la caséine n’aura été qu’un doublement du phénomène dans le noyau).
Il est admis que la queue de polyA :
- aiderait au passage de l’ARNm du noyau vers le cytoplasme.
- protègerait l’ARNm au cours de la traduction (la teneur en A de la queue polyA diminue pendant la traduction).

Exception : Les ARNm d’histone ne possèdent pas de queue de polyA.


II) ROLES DES MESSAGERS

Les messagers apportent l’information génétique (confiné dans le noyau) au niveau du cytoplasme ; cet information est cryptée au niveau des codons du messager et sera décryptée par les ribosomes lors de la synthèse protéique.
Les messagers ne font pas qu’amener l’information génétique du noyau vers le cytoplasme ; en effet grâce au code contenu dans leur région 3’UTR les messagers régulent la quantité de protéine synthétisée et par conséquent la quantité de l’information génétique.
La quantité de l’information délivrée par le messager dans le cytoplasme est également modulée par les hormones.
Les ARNm sont constamment détruits dans le cytoplasme puis resynthétisés dans le noyau ce qui fait que leur action est souple et modulable. Cependant dans le cas de l’ovocyte le messager peut être mis en réserve pendant quelques jours avant d’être traduit. Cette mise en réserve permet aux gènes maternels de contrôler les premiers stades du développement du zygote.
Plusieurs hypothèses sont évoquées pour expliquer les moyens utilisés par l’ovocyte pour mettre en réserve l’ARNm des gènes à effet maternel ; celle qui est la plus solide est l’hypothèse de la queue de polyA.

1°) Hypothèse de la queue de polyA
Selon cette hypothèse c’est la région 3’UTR qui contrôle la traduction des messagers d’ovocyte en déterminant la longueur de la queue de polyA. En raccourcissant la queue de polyA à 15 à 90 résidus d’adénylate, la région 3’UTR réprime temporairement la capacité du messager à être traduit. Une fois arrivé le moment de leur traduction ces messagers vont acquérir rapidement de longues queues de polyA (150 à 600 résidus) par des enzymes de polyadénylation identiques à celles rencontrées dans le noyau. Chez les mammifères les messagers qui sont traduits dans l’ovocyte ont une séquence de polyadénylation caractéristique : AAUAAA et gardent leur queue jusqu’à la reprise de la maturation ovocytaire.
Dans la 3’UTR, la séquence consensus qui contrôle cette polyadénylation est de type :UUUUUAU (souris, grenouille ) elle est appelée élément de contrôle de la polyadénylation (ACE ) ou élément cytoplasmique de polyadénylation (CPE ).

2°) L’Hypothèse du messager masqué
C’est l’hypothèse selon laquelle les messagers des ovocytes sont masqués par des protéines de telle sorte que l’ARNm ne puisse s’attacher à des ribosomes. Ces protéines masquantes disparaîtraient lors de la maturation de l’ovocyte ou lors de la fécondation ce qui permettrait à l’ARNm d’être traduit.
En 1966 Spirin a émis l’hypothèse selon laquelle les ARNm seraient gardés dans des informosomes, complexes de ribonucléoprotéines dans lesquels l’ARNm est masqué. Lors de la fécondation l’influx de sodium déstabiliserait les particules de ribonucléoprotéines permettant dès lors aux ARNm d’être traduits (plusieurs données sont en faveur de cette hypothèse)

3°) L’Hypothèse de la traduction efficace
Selon cette hypothèse, le pH peu élevé observé initialement dans l’ovocyte peut suffire à entraver la synthèse des protéines.
Lors de la fécondation l’élimination importante d’ions hydrogène entraîne une élévation du pH cytoplasmique et une traduction par conséquence des ARNm mis en réserve (le pH passe ainsi de 6,9 à 7,4). Cette hypothèse a été confirmée chez l’oursin.

4°) Hypothèse de l’ARNm sans coiffe
Pour être traduits efficacement, la plupart des ARNm des eucaryotes doivent posséder une coiffe de 7 méthyl guanosine à leur extrémité 5’.
Les messagers mis en réserve dans l’ovocyte (de la chenille à corne du sphinx du tabac) ont une coiffe non méthylée ; la guanosine est présente mais sans groupe de méthyle. A la fécondation, il y a une vague de méthylations dans ces ovocytes et les coiffes sont formées.
Les ARNm qui possèdent des coiffes complètes sont capables de se lier aux ribosomes et d’amorcer leur traduction.

5°) Hypothèse de l’ARNm séquestré
Certaines études ont contesté l’hypothèse selon laquelle toutes les RNP de l’ovocyte sont intraduisibles. Il se pourrait que l’appareil de synthèse des protéines soit compartimenté par les éléments du cytosquelette, ce qui empêcherait l’ARNm des RNP de se rapprocher des ribosomes. Certains messagers maternels ainsi que des ribosomes isolés sont associés au cytosquelette qui séparerait ainsi les ARNm des ribosomes.


CONCLUSION

Nous constatons que les messagers sont nécessaires pour amener l’information génétique du noyau vers le cytoplasme. Ce message même s’il est délivré immédiatement dans la plupart des cas, peut parfois l’être à retardement au bout de quelques jours. C’est le cas des gènes à effet maternel qui contrôlent les premiers stades du développement de l’ovocyte après la fécondation.
Les différentes hypothèses pour expliquer la mise en réserve des ARNm sont étayées par des observations réalisées au niveau d’ovocyte de différentes espèces ; cependant il est possible d’imaginer que tous ces mécanismes de contrôle de la traduction soient utilisés en même temps au sein d’un ovocyte.
L’œuf a vraisemblablement élaboré de nombreuses voies pour contrôler la traduction de ses ARNm mis en réserve et les différentes espèces sont probablement capables d’utiliser plusieurs de ces mécanismes en même temps.







Figure 1

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Figure 2





ARNm : de la transcription à la traduction


Figure 3

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