Introduction : Le Langage de la Vie et la Nécessité de la Traduction
La vie repose sur la capacité des cellules à produire des protéines, ces macromolécules complexes qui exécutent la quasi-totalité des fonctions cellulaires. L'information nécessaire à leur synthèse est contenue dans l'ADN, qui est un polymère de (désoxyribo)nucléotides. Les protéines, quant à elles, sont des polymères d’acides α-aminés. Un individu voit son phénotype macroscopique découler directement du phénotype moléculaire de ses cellules, c’est-à-dire de son protéome.
Cependant, il existe 20 acides α-aminés différents, mais seulement 4 nucléotides différents. L’expression génétique comporte donc une étape de changement de langage, soit le passage d’un langage à 4 lettres (l’ADN, et sa copie en ARN messager) à un langage à 20 lettres (les protéines). Cette étape essentielle est la traduction, qui correspond au décodage de l'information génétique contenue dans l'ARN messager (ARNm) pour produire une protéine. Elle nécessite l'intervention de différentes protéines et de molécules d'ARN : ARN messager, ARN de transfert et ARN ribosomiques. La lecture des informations portées par les ARN messagers est assurée par les ribosomes, des complexes formés de deux sous-unités, chacune constituée de protéines et d’ARN ribosomiques (ARNr). La structure du cœur catalytique des ribosomes est globalement conservée chez tous les êtres vivants. Au cours de l’évolution, des composants ribonucléiques et protéiques se sont rajoutés autour de ce cœur catalytique commun.
I. L'ARN Messager (ARNm) : Porteur du Message Génétique et ses Codons
L’ARNm porte l’information génétique du gène transcrit. Cependant, une partie de cet ARNm ne sera pas traduite ; elle est dite non codante. Il s’agit des extrémités 5’-UTR (UTR pour UnTranslated Region, région non traduite) en amont de la phase codante et 3’-UTR en aval. La région traduite correspond donc uniquement à la partie de l’ARN messager comprise entre le codon initiateur indiquant le démarrage de la traduction et le codon stop de terminaison. Les codons initiateur et stop sont essentiels car ils encadrent, dans l’ARNm, la séquence codante.
L'information génétique est lue par groupe de trois nucléotides, appelés codons. Chaque séquence de nucléotides peut donc potentiellement être lue de trois façons différentes, selon le cadre de lecture utilisé, ce qui donnera potentiellement des peptides totalement différents. C'est pourquoi un codon, groupe de trois nucléotides successifs sur la molécule d'ARNm, a une importance capitale. Les codons s'enchaînent à la suite du codon d'initiation de la traduction. La séquence comprise entre le codon d'initiation de la traduction et le codon stop s'appelle un cadre ouvert de lecture ou ORF (pour Open Reading Frame).
Le code génétique est la correspondance entre le « langage nucléotide » et le « langage acide α-aminé ». Il est souvent présenté comme universel, car commun à la plupart des êtres vivants, à quelques exceptions près. Nous savons qu'il existe 4 types de nucléotides dans l'ARNm : A, U, C et G. Il y a donc 4x4x4, soit 64 codons possibles sur l'ARN, mais seulement 20 acides aminés. Ceci signifie que plusieurs codons peuvent spécifier le même acide aminé : le code est dit dégénéré. À chaque codon correspond un acide aminé.
Lire aussi: Encadrement Voile : Le CQP
II. Le Codon Initiateur AUG : Le Signal de Démarrage et la Méthionine
Au sein de ce code génétique, le codon initiateur joue un rôle fondamental. Il s'agit du codon AUG. Ce codon AUG code la méthionine. Comme il correspond également au codon initiateur, toute protéine débute a priori par une méthionine. Il est important de noter que ce même codon est aussi utilisé pour coder des méthionines au milieu des protéines. La traduction s'arrête à un codon STOP spécifié par UAA, UGA ou UAG. Les codons UAA, UAG et UGA sont des codons stop, qui ne correspondent pas à un acide aminé. Il n’existe pas d’ARNt capables de décoder ces trois codons stop.
La question de savoir comment la machinerie de traduction reconnaît le "bon" codon AUG au début d'une séquence codante, alors que d'autres AUG peuvent être présents plus loin dans la séquence, est centrale. En effet, les brins d'ARNm ne commencent pas toujours par un AUG. Ce n'est pas le codon AUG lui-même qui est responsable de la fixation initiale du ribosome. Le ribosome se fixe en amont de la région codante et va ensuite "balayer" l'ARNm à la recherche du codon start pour commencer la traduction par la fameuse méthionine. Les mécanismes de reconnaissance de ce codon initiateur diffèrent significativement entre les procaryotes (bactéries) et les eucaryotes.
III. Les Mécanismes d'Initiation de la Traduction : Une Diversité Stratégique
L'étape d'initiation de la traduction correspond à la phase permettant la reconnaissance du codon initiateur de la traduction de l'ARNm par la petite sous-unité du ribosome et à la constitution d'un ribosome complet par accrochage de la grosse sous-unité. Des facteurs protéiques, appelés facteurs d'initiation de la traduction (Initiation Factors, notés IF chez les Bactéries et eIF chez les Eucaryotes), interviennent dans cette étape.
A. L'Initiation chez les Procaryotes : La Séquence Shine-Dalgarno
Chez les bactéries, les ARNm sont polycistroniques, ce qui signifie qu'un même ARNm peut coder pour plusieurs chaînes protéiques (un cistron est une région du génome correspondant à l'unité de codage pour une chaîne polypeptidique, c'est-à-dire une région codante d'un gène).
En amont du codon start AUG (donc dans le 5' UTR) des ARNm bactériens, on trouve une séquence clé appelée RBS (Ribosome Binding Site), plus précisément la Séquence Shine-Dalgarno. C'est un motif riche en purine. Cette séquence Shine-Dalgarno permet de recruter la sous-unité 30S du ribosome. Le recrutement se fait car la sous-unité 30S possède un ARNr 16S qui contient une séquence complémentaire appelée Anti Shine-Dalgarno (ASD). Cette interaction permet le positionnement précis du ribosome, lui permettant ainsi d'accéder au codon start qui est proche. La petite sous-unité du ribosome, qui porte l’ARN de transfert (ARNt) initiateur portant la méthionine, est alors recrutée au niveau de l’ARNm. Une fois cette reconnaissance et ce positionnement effectués, le ribosome est prêt à commencer la traduction au niveau du codon initiateur.
Lire aussi: Nage avec Palmes : Le Rôle de l'Initiateur
B. L'Initiation chez les Eucaryotes : Le Cap 5' et la Séquence de Kozak
Chez les eucaryotes, le processus est différent et les ARNm sont généralement monocistroniques, ne codant qu'une seule chaîne protéique. Le recrutement de la petite sous-unité 40S du ribosome se fait initialement par le cap 5' de l'ARNm. Une fois fixée, la petite sous-unité ne se positionne pas directement sur l'AUG. Au lieu de cela, elle va "balayer" l'ARNm (un processus appelé scanning) en se déplaçant le long de la molécule à la recherche d'une séquence spécifique : la séquence de Kozak.
La séquence de Kozak est le site de démarrage de la traduction et contient le codon start AUG. Il est important de comprendre que ce n'est pas un RBS comme chez les bactéries, car il ne permet pas directement la liaison du ribosome, mais plutôt l'initiation de la traduction. Une fois cette séquence trouvée et l'AUG identifié, la grosse sous-unité du ribosome (la 60S) peut être recrutée, et la traduction commence. Les ARNm eucaryotes se circularisent grâce à l’interaction, par l’intermédiaire de différentes protéines, de leurs parties 5’ et 3’. Grâce à cette circularisation, un ribosome qui termine la traduction de l’ARNm peut se réassocier rapidement au même ARNm pour redémarrer un nouveau cycle de traduction, augmentant ainsi l'efficacité de la synthèse protéique.
C. L'ARNt Initiateur et la Formation du Complexe
Qu'il s'agisse des procaryotes ou des eucaryotes, l'étape d'initiation se termine quand le codon initiateur de la traduction (AUG) se lie à l'ARNt initiateur (ARNt initiateur porteur de l'acide aminé méthionine) et que les deux sous-unités du ribosome se lient entre elles. La petite sous-unité du ribosome, qui porte l’ARN de transfert (ARNt) initiateur portant la méthionine, est recrutée au niveau de l’ARNm par des facteurs d’initiation de la traduction. Une fois que le complexe formé par la petite sous-unité du ribosome et l'ARNt initiateur est positionné sur le codon initiateur, la grande sous-unité va s’associer pour former un ribosome complet. Lorsque le ribosome complet se forme, l'ARNt initiateur est positionné au niveau du site P (Peptidyl). C’est à ce moment que va avoir lieu la synthèse de la première liaison peptidique à proprement parler.
IV. Les Acteurs Clés de la Traduction au-Delà du Codon Initiateur
La traduction est un processus complexe impliquant plusieurs molécules d'ARN non codantes, en particulier les ARN de transfert.
A. Les ARN de Transfert (ARNt) : Les Interprètes du Code Génétique
D’un point de vue moléculaire, la correspondance entre les codons portés par l’ARNm et les acides α-aminés présents dans la protéine synthétisée est réalisée par les ARN de transfert (ARNt). Il s’agit de molécules longues de 70 à 90 nucléotides dont la structure secondaire est qualifiée de feuille de trèfle du fait de la complémentarité de bases entre de petites portions. Les ARNt comportent quelques bases et nucléotides modifiés, notamment de la thymine (ce qui est rare pour de l’ARN), mais également de l’inosine, de la dihydrouridine, de la pseudouridine, ainsi que de nombreuses autres modifications plus ou moins complexes. La dihydrouridine (D) est presque toujours présente dans la boucle D, tandis que la ribothymidine (T) et la pseudouridine (Ψ) sont presque toujours présentes dans la boucle T. L’inosine (Y) est un autre nucléotide original présent dans l’ARNt, mais généralement absent des autres ARN, notamment de l’ARNm.
Lire aussi: Tampon Initiateur Plongée : Analyse
L’une des trois boucles de l'ARNt comporte une séquence nommée anticodon, capable de s’apparier au codon complémentaire dans l’ARNm. Chacun des ARNt diffère (entre autres) par la séquence de l’anticodon. Au niveau de l’extrémité 3’ de l’ARNt, l’acide α-aminé correspondant est fixé de façon covalente par une liaison ester sur la séquence CCA, formant ainsi un aminoacyl-ARNt. Chaque ARNt se lie par sa séquence anticodon à un codon de l'ARNm, et il porte un acide aminé particulier. Ainsi, il existe des ARNt alanine, arginine, etc., en fonction de la séquence anticodon, l'acide aminé chargé est différent.
B. Les Aminoacyl-ARNt-Synthétases : Garantes de la Fidélité
Les aminoacyl-ARNt-synthétases sont les enzymes qui produisent les aminoacyl-ARNt en formant une liaison ester entre l’extrémité 3’OH d’un ARNt et la fonction acide carboxylique COOH de l’acide aminé correspondant. Il existe 20 aminoacyl-ARNt synthétases différentes : chacune reconnaît un acide aminé et tous ses ARNt correspondants. La grande spécificité de substrat de ces enzymes est importante pour que chacune fixe le bon acide α-aminé sur les ARNt correspondants. Ces enzymes garantissent donc la fidélité de la traduction. Par ailleurs, la formation de l’aminoacyl-ARNt consomme un ATP. L’énergie libérée par son hydrolyse est utilisée pour former la liaison ester entre l’ARNt et l’acide α-aminé.
Il est important ici de revenir sur la redondance du code génétique. La phénylalanine, par exemple, est codée par les deux codons 5’-UUC-3’ et 5’-UUU-3’. L’anticodon 3’-AAG-5’ peut cependant aussi s’apparier avec le codon 5’-UUU-3’. L’appariement non canonique entre G et U est dit bancal (wobble pairing en anglais). Ce flottement, qui permet à un même ARNt de s’apparier à plusieurs codons, fait qu’il n’existe pas forcément autant de types d’ARNt que de codons.
V. La Synthèse Protéique : Élongation et Terminaison
Une fois le complexe d'initiation formé autour du codon initiateur AUG, la traduction procède par des étapes successives.
A. L'Élongation de la Chaîne Peptidique
L'étape d'élongation correspond au déplacement du ribosome le long de l'ARNm et à l'accrochage séquentiel des acides aminés de la protéine en voie de biosynthèse. Après la lecture du codon d'initiation, le ribosome va se déplacer séquentiellement le long de l'ARNm. La grosse sous-unité du ribosome porte deux sites accepteurs pour les ARNt chargés de leur acide aminé : le site A (pour aminoacyl-ARNt) et le site P (pour peptidyl). L'ARNt initiateur se trouve au site P. Un nouvel ARNt chargé, dont l'anticodon est complémentaire au codon de l'ARNm situé au site A, vient s'y fixer.
C'est alors que l’activité catalytique de l’ARNr de la grande sous-unité du ribosome permet la formation de la liaison peptidique entre les deux acides aminés adjacents. La méthionine se détache de son ARNt (par rupture de la liaison ester) et se fixe au deuxième acide aminé, au niveau de sa fonction amine, formant ainsi une liaison peptidique. Cette activité enzymatique est appelée peptidyl-transférase. Elle a ceci d’original qu’elle est entièrement catalysée par l’ARN ribosomique, et non par une protéine. Un ARN à activité catalytique est appelé ribozyme (mot constitué par la contraction des mots « ribonucléique » et « enzyme »). Chez les Eucaryotes, c’est l’ARNr 28S qui porte cette activité enzymatique, tandis que chez les Bactéries, c’est l’ARNr 23S.
Suite à la formation de la liaison peptidique, le ribosome se décale de trois nucléotides vers l’extrémité 3’. Le ribosome se décale exactement d'un triplet de nucléotides et libère un site pour un nouvel ARNt chargé et ainsi de suite. L’ARNt initiateur (maintenant déchargé) sort au niveau du site E (Exit). Le processus de traduction se répète codon après codon et la protéine s’allonge donc dans le sens extrémité N-terminale (portant la fonction amine NH2) vers l’extrémité C-terminale (portant la fonction acide carboxylique COOH). La vitesse d’élongation est de l’ordre de 5 à 20 acides aminés par seconde, le processus étant globalement plus rapide chez les Bactéries que chez les Eucaryotes. Au fur et à mesure que le ribosome progresse et que de nouveaux acides α-aminés sont ajoutés au peptide en cours d’élongation, les ARNt non aminoacylés sont relâchés dans le cytosol via le site E. Ils seront rechargés en aminoacyl-ARNt par les aminoacyl-ARNt-synthétases pour être réutilisés par le ribosome pour d’autres protéines. Quand plusieurs ribosomes traduisent le même ARNm, on parle de polysome. Les différentes étapes de la biosynthèse des protéines nécessitent de l'énergie apportée par hydrolyse de GTP ou d'ATP.
B. La Terminaison de la Traduction
La traduction s’arrête lorsque le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG ou UGA). Il n’existe pas d’ARNt capables de décoder les trois codons stop. En revanche, une protéine reconnaît spécifiquement ces codons : chez les Eucaryotes, c’est la protéine eRF (pour eukaryotic release factor, soit facteur de libération du peptide). Lorsqu’eRF se fixe sur le codon stop, le ribozyme catalyse l’hydrolyse de la liaison entre le peptide et l’ARNt, et le peptide synthétisé peut donc être libéré par le ribosome. Les différents éléments - petite et grande sous-unité du ribosome, eRF, dernier ARNt, ARNm - se désolidarisent alors et la traduction est terminée.
VI. La Fidélité et la Régulation du Processus de Traduction
La fidélité de la traduction est cruciale pour la production de protéines fonctionnelles. Les aminoacyl-ARNt-synthétases jouent un rôle majeur en garantissant que chaque ARNt est chargé avec le bon acide aminé. Des erreurs dans ce processus peuvent avoir des conséquences importantes.
A. Les Conséquences des Mutations sur le Code Génétique
La précision de la lecture du code génétique est essentielle. Une mutation, qu'elle soit une substitution, une addition ou une délétion de nucléotides, peut altérer le message et la protéine finale.Lorsque la mutation est une addition (ajout d’un nucléotide) ou une délétion (suppression d’un nucléotide), le cadre de lecture est décalé à partir du site de la mutation. Cela entraîne un "décalage de cadre" qui modifie tous les codons en aval, produisant généralement une protéine non fonctionnelle.La substitution est dite silencieuse si, par redondance du code génétique, le codon muté donne le même acide α-aminé (Exemple : UUA → UUG ; dans ce cas, l’acide α-aminé est toujours la leucine). La substitution est dite faux-sens si le codon muté donne un acide α-aminé différent (Exemple : UUA → UCA ; dans ce cas, l’acide α-aminé n’est plus la leucine, mais la sérine). Un cas particulier de la substitution faux-sens est la substitution synonyme, où l’acide α-aminé muté a des propriétés proches de l’acide α-aminé d’origine (Exemple : UUA → AUA ; dans ce cas, l’acide α-aminé n’est plus la leucine, mais l’isoleucine). Enfin, la substitution est dite non-sens si le codon muté devient un codon stop. Ces mutations non-sens conduisent à une terminaison prématurée de la traduction et à la production de protéines tronquées.
#