Après la transcription, les pré-ARNm eucaryotes doivent subir plusieurs étapes de traitement avant de pouvoir être traduits.

Les ARNt et ARNr eucaryotes (et procaryotes) subissent également un traitement avant de pouvoir fonctionner comme composants du mécanisme de synthèse des protéines.

Traitement de l'ARNm

Le pré-ARNm eucaryote est soumis à un traitement approfondi avant d'être traduit. Les séquences codant pour les protéines eucaryotes ne sont pas continues, comme c'est le cas chez les procaryotes. Les séquences codantes (exons) sont interrompues par des introns non codants, qui doivent être éliminés pour former un ARNm traduisible. Les étapes supplémentaires impliquées dans la maturation de l'ARNm eucaryote créent également une molécule dont la demi-vie est beaucoup plus longue que celle d'un ARNm procaryote. Les ARNm eucaryotes durent plusieurs heures, alors que l'ARNm typique d'E. coli ne dure pas plus de cinq secondes.

Les pré-ARNm sont d'abord enrobés de protéines stabilisatrices d'ARN ; celles-ci protègent le pré-ARNm de la dégradation pendant qu'il est traité et exporté hors du noyau. Les trois étapes les plus importantes du traitement du pré-ARNm sont l'ajout de facteurs de stabilisation et de signalisation aux extrémités 5' et 3' de la molécule, et l'élimination des introns. Dans de rares cas, la transcription de l'ARNm peut être "éditée" après sa transcription.

L'ARNm eucaryote contient des introns qui doivent être épissés. Un chapeau de 5' et une queue de 3' en poly-A sont également ajoutés.

Édition d'ARN dans les trypanosomes

Les trypanosomes sont un groupe de protozoaires qui comprennent l'agent pathogène Trypanosoma brucei, qui provoque le nagana chez le bétail et la maladie du sommeil chez l'homme dans de grandes régions d'Afrique. Le trypanosome est transporté par les mouches piqueuses du genre Glossina (communément appelées mouches tsé-tsé). Les trypanosomes, et pratiquement tous les autres eucaryotes, possèdent des organites appelés mitochondries qui fournissent à la cellule de l'énergie chimique. Les mitochondries sont des organites qui expriment leur propre ADN et sont considérées comme les restes d'une relation symbiotique entre un eucaryote et un procaryote englué. L'ADN mitochondrial des trypanosomes présente une exception intéressante au dogme central : leurs pré-ARNm ne disposent pas des informations correctes pour spécifier une protéine fonctionnelle. Habituellement, cela est dû au fait qu'il manque à l'ARNm plusieurs nucléotides U. La cellule effectue une étape supplémentaire de traitement de l'ARN appelée "édition de l'ARN" pour y remédier.

Trypanosoma brucei est l'agent responsable de la maladie du sommeil chez l'homme. Les ARNm de cet agent pathogène doivent être modifiés par l'ajout de nucléotides avant que la synthèse des protéines puisse avoir lieu. (crédit : modification des travaux de Torsten Ochsenreiter)

D'autres gènes du génome mitochondrial codent pour des ARN guides de 40 à 80 nucléotides. Une ou plusieurs de ces molécules interagissent par appariement de bases complémentaires avec certains des nucléotides dans le transcrit pré-ARNm. Cependant, l'ARN guide a plus de nucléotides A que le pré-ARNm n'a de nucléotides U avec lesquels se lier. Dans ces régions, l'ARN guide forme une boucle. Les extrémités 3' des ARN guides ont une longue queue poly-U, et ces bases U sont insérées dans des régions du pré-ARNm où les ARN guides sont bouclés. Ce processus est entièrement médiatisé par les molécules d'ARN. Autrement dit, les ARN guides - plutôt que les protéines - servent de catalyseurs dans l'édition des ARN.

L'édition de l'ARN n'est pas seulement un phénomène des trypanosomes. Dans les mitochondries de certaines plantes, presque tous les pré-ARNm sont édités. L'édition de l'ARN a également été identifiée chez des mammifères tels que les rats, les lapins et même les humains. Quelle pourrait être la raison évolutive de cette étape supplémentaire dans le traitement des pré-ARNm ? Une possibilité est que les mitochondries, qui sont des restes d'anciens procaryotes, possèdent une méthode tout aussi ancienne basée sur l'ARN pour réguler l'expression des gènes. Pour étayer cette hypothèse, les modifications apportées aux pré-ARNm diffèrent selon les conditions cellulaires. Bien que spéculatif, le processus de modification de l'ARN pourrait être un vestige d'une époque primordiale où les molécules d'ARN, au lieu de protéines, étaient responsables de la catalyse des réactions.

Le caping en 5'

Alors que le pré-ARNm est encore en cours de synthèse, une coiffe de 7-méthylguanosine est ajoutée à l'extrémité 5' de la transcription de croissance par une liaison phosphate. Ce groupe fonctionnel protège l'ARNm naissant contre la dégradation. De plus, les facteurs impliqués dans la synthèse des protéines reconnaissent la coiffe pour aider à initier la traduction par les ribosomes.

Queue Poly-A 3'

Une fois l'élongation terminée, le pré-ARNm est clivé par une endonucléase entre une séquence consensus AAUAAA et une séquence riche en GU, laissant la séquence AAUAAA sur le pré-ARNm. Une enzyme appelée poly-A polymérase ajoute ensuite une chaîne d'environ 200 résidus A, appelée queue poly-A. Cette modification protège davantage le pré-ARNm de la dégradation et constitue également le site de liaison d'une protéine nécessaire à l'exportation de l'ARNm traité vers le cytoplasme.

Épissage du pré-ARNm

Les gènes eucaryotes sont composés d'exons, qui correspondent à des séquences codant pour des protéines (ex-on signifie qu'elles sont exprimées), et de séquences intermédiaires appelées introns (int-ron dénote leur rôle d'intervention), qui peuvent être impliquées dans la régulation des gènes mais sont retirées du pré-ARNm pendant la transformation. Les séquences d'introns dans l'ARNm ne codent pas les protéines fonctionnelles.

La découverte des introns a surpris les chercheurs dans les années 1970, qui s'attendaient à ce que les pré-ARNm spécifient les séquences de protéines sans autre traitement, comme ils l'avaient observé chez les procaryotes. Les gènes des eucaryotes supérieurs contiennent très souvent un ou plusieurs introns. Ces régions peuvent correspondre à des séquences régulatrices ; cependant, la signification biologique du fait d'avoir de nombreux introns ou d'avoir de très longs introns dans un gène n'est pas claire. Il est possible que les introns ralentissent l'expression des gènes parce qu'il faut plus de temps pour transcrire les pré-ARNm contenant beaucoup d'introns. Par ailleurs, les introns peuvent être des restes de séquences non fonctionnelles issus de la fusion de gènes anciens tout au long de l'évolution. Ceci est confirmé par le fait que des exons séparés codent souvent pour des sous-unités ou des domaines protéiques distincts. Dans la plupart des cas, les séquences d'introns peuvent être mutées sans affecter le produit protéique.

Tous les introns d'un pré-ARNm doivent être complètement et précisément éliminés avant la synthèse de la protéine. Si le processus se trompe ne serait-ce que d'un seul nucléotide, le cadre de lecture des exons rejoints se déplacerait et la protéine résultante serait dysfonctionnelle. Le processus d'élimination des introns et de reconnexion des exons s'appelle l'épissage. Les introns sont retirés et dégradés alors que le pré-ARNm est encore dans le noyau. L'épissage se produit par un mécanisme spécifique à la séquence qui garantit que les introns seront retirés et les exons reconnectés avec l'exactitude et la précision d'un seul nucléotide. Bien que l'intron lui-même ne soit pas codant, le début et la fin de chaque intron sont marqués par des nucléotides spécifiques : GU à l'extrémité 5' et AG à l'extrémité 3' de l'intron. L'épissage des pré-ARNm est effectué par des complexes de protéines et de molécules d'ARN appelés épissosomes.

L'épissage pré-ARNm implique le retrait précis des introns de la transcription primaire de l'ARN. Le processus d'épissage est catalysé par des complexes protéiques appelés épissosomes qui sont composés de protéines et de molécules d'ARN appelées petits ARN nucléaires (ARNsn). Les spliceosomes reconnaissent les séquences à l'extrémité 5' et 3' de l'intron.

Les erreurs d'épissage sont impliquées dans les cancers et d'autres maladies humaines. Quels types de mutations peuvent entraîner des erreurs d'épissage ? Pensez à différentes issues possibles si des erreurs d'épissage se produisent.

Notez que plus de 70 introns individuels peuvent être présents, et chacun doit subir le processus d'épissage - en plus d'un capuchon de 5' et de l'ajout d'une queue poly-A - pour générer une seule molécule d'ARNm traduisible.

Traitement des ARNt et des ARNr

Les ARNt et les ARNr sont des molécules structurelles qui jouent un rôle dans la synthèse des protéines ; cependant, ces ARN ne sont pas eux-mêmes traduits. Les pré-ARNr sont transcrits, traités et assemblés en ribosomes dans le nucléole. Les pré-ARNt sont transcrits et traités dans le noyau, puis libérés dans le cytoplasme où ils sont liés aux acides aminés libres pour la synthèse des protéines.

La plupart des ARNt et ARNr des eucaryotes et procaryotes sont d'abord transcrits sous la forme d'une longue molécule précurseur qui couvre plusieurs ARNr ou ARNt. Les enzymes clivent ensuite les précurseurs en sous-unités correspondant à chaque ARN de structure. Certaines des bases des pré-ARNr sont méthylées, c'est-à-dire qu'un groupe fonctionnel méthyle -CH3 est ajouté pour plus de stabilité. Les molécules de pré-ARNt subissent également une méthylation. Comme pour les pré-ARNm, l'excision des sous-unités se produit dans les pré-ARN eucaryotes destinés à devenir des ARNt ou des ARNr.

Les ARNr matures représentent environ 50 % de chaque ribosome. Certaines des molécules d'ARN d'un ribosome sont purement structurelles, tandis que d'autres ont des activités catalytiques ou de liaison. Les ARNt matures prennent une structure tridimensionnelle par le biais de régions locales d'appariement de bases stabilisées par une liaison hydrogène intramoléculaire. L'ARNt se plie pour positionner le site de liaison des acides aminés à une extrémité et l'anticodon à l'autre extrémité. L'anticodon est une séquence de trois nucléotides dans un ARNt qui interagit avec un codon de l'ARNm par le biais d'un appariement de bases complémentaires.

Il s'agit d'un modèle dans l'espace d'une molécule d'ARNt qui ajoute l'acide aminé phénylalanine à une chaîne polypeptidique en croissance. L'anticodon AAG se lie au Codon UUC sur l'ARNm. L'acide aminé phénylalanine est attaché à l'autre extrémité de l'ARNt.

D'après RNA Processing in Eukaryotes