Définition de l’ARN messager
Les acides ribonucléiques messagers (ARNm) transfèrent l’information de l’ADN à la machinerie cellulaire qui fabrique les protéines. Dans le noyau de chaque cellule, qui ne mesure que 10 microns de diamètre, se trouve un « manuel d’instructions » d’ADN double brin de trois mètres de long sur la façon de construire et de maintenir un corps humain. Pour que chaque cellule maintienne sa structure et remplisse toutes ses fonctions, elle doit fabriquer en permanence des éléments spécifiques au type de cellule (protéines). À l’intérieur de chaque noyau, une protéine à plusieurs sous-unités appelée ARN polymérase II (RNAP II) lit l’ADN et fabrique simultanément un « message » ou transcrit, appelé ARN messager (ARNm), dans un processus appelé transcription. Les molécules d’ARNm sont composées de brins uniques relativement courts de molécules constituées de bases adénine, cytosine, guanine et uracile maintenues ensemble par un squelette de sucre phosphate. Lorsque l’ARN polymérase termine la lecture d’une section de l’ADN, la copie du pré-ARNm est transformée en ARNm mature, puis transférée hors du noyau cellulaire. Les ribosomes lisent l’ARNm et traduisent le message en protéines fonctionnelles au cours d’un processus appelé traduction. Selon la structure et la fonction de la protéine nouvellement synthétisée, celle-ci sera encore modifiée par la cellule, exportée vers l’espace extracellulaire ou restera à l’intérieur de la cellule. Le schéma ci-dessous montre la transcription (ADN->ARN) qui a lieu dans le noyau de la cellule où RNAP est l’enzyme ARN polymérase II qui synthétise l’ARN.
L’ARNm précurseur contient des introns et des exons. Les introns sont éliminés avant la traduction, tandis que les exons codent pour la séquence d’acides aminés des protéines. Pour fabriquer un ARNm mature, la machinerie cellulaire élimine les introns « non traduisibles » du pré-ARNm, ne laissant que les séquences d’exon traduisibles dans l’ARNm.
Types d’ARNm
Pré-ARNm et ARNh
L’ARNm précurseur (pré-ARNm) est la transcription primaire de l’ARNm eucaryote lorsqu’il sort de la matrice d’ADN. Le pré-ARNm fait partie d’un groupe d’ARN appelé ARN nucléaire hétérogène (ARNh). L’ARNh désigne tous les ARN simple brin situés à l’intérieur du noyau de la cellule où la transcription a lieu (ADN->ARN) et les pré-ARNm forment une grande partie de ces acides ribonucléiques. Le pré-ARNm contient des séquences qui doivent être éliminées ou « épissées » avant d’être traduites en protéines. Ces séquences peuvent être retirées soit par l’activité catalytique de l’ARN lui-même, soit par l’action d’une structure multiprotéique appelée spliceosome. Après cette étape de traitement, le pré-ARNm est considéré comme un transcrit ARNm mature.
Le schéma ci-dessous décrit la structure du pré-ARNm. Le pré-ARNm comprend des introns et peut inclure ou non la coiffe 5′ et la queue 3′ poly-adénylée :
ARNm monocistronique
Une molécule d’ARNm monocistronique contient les séquences d’exon codant pour une seule protéine. La plupart des ARNm eucaryotes sont monocistroniques.
ArNm bicistronique
Une molécule d’ARNm bicistronique contient les séquences d’exon codant pour deux protéines.
Armrnm polycistronique
Une molécule d’ARNm polycistronique contient les séquences codant pour les exon de plusieurs protéines. La plupart des ARNm des bactéries et des bactériophages (virus qui vivent dans des hôtes bactériens) sont polycistroniques.
L’ARNm procaryote contre l’ARNm eucaryote
Les ARNm procaryotes polycistroniques contiennent plusieurs sites pour initier et terminer la synthèse des protéines. Les eucaryotes n’ont qu’un seul site pour l’initiation de la traduction et les ARNm eucaryotes sont principalement monocistroniques.Les procaryotes n’ont pas d’organelles et d’enveloppe nucléaire bien définie, et donc la traduction de l’ARNm peut être couplée à la transcription de l’ARNm dans le cytoplasme. Chez les eucaryotes, l’ARNm est transcrit sur les chromosomes dans le noyau, et après traitement, il est transporté à travers les pores nucléaires et dans le cytoplasme. Contrairement aux procaryotes, la traduction chez les eucaryotes n’a lieu qu’une fois la transcription terminée. L’ARNm procaryote est constamment dégradé par les ribonucléases, des enzymes qui coupent l’ARN. Par exemple, la demi-vie de l’ARNm chez E. Coli est d’environ deux minutes. Les ARNm bactériens ont une courte durée de vie afin de permettre une certaine flexibilité pour s’adapter à des conditions environnementales qui changent rapidement. Les ARNm eucaryotes sont plus stables sur le plan métabolique. Par exemple, les précurseurs des globules rouges des mammifères (réticulocytes), qui ont perdu leur noyau, synthétisent l’hémoglobine pendant plusieurs jours en traduisant les ARNm qui ont été transcrits lorsque le noyau était encore présent. Enfin, les ARNm des procaryotes subissent une transformation minimale. Chez les eucaryotes, le pré-ARNm doit subir un traitement avant d’être traduit, impliquant l’élimination des introns, l’ajout de la coiffe 5′ ainsi que de la queue poly-adénylée 3′ avant que l’ARNm mature ne soit formé et prêt à être traduit.
Fonctions de l’ARNm
La fonction principale de l’ARNm est d’agir comme intermédiaire entre l’information génétique de l’ADN et la séquence d’acides aminés des protéines. L’ARNm contient des codons qui sont complémentaires de la séquence de nucléotides sur l’ADN matrice et dirigent la formation des acides aminés par l’action des ribosomes et de l’ARNt. L’ARNm contient également de multiples régions régulatrices qui peuvent déterminer le moment et le rythme de la traduction. En outre, il garantit que la traduction se déroule de manière ordonnée car il contient des sites pour l’amarrage des ribosomes, de l’ARNt ainsi que de diverses protéines auxiliaires.
Les protéines produites par les cellules jouent une variété de rôles, soit en tant qu’enzymes, soit en tant que molécules structurelles, soit en tant que machinerie de transport pour divers composants cellulaires. Certaines cellules sont également spécialisées dans la sécrétion de protéines, comme les glandes qui produisent des enzymes digestives ou des hormones qui influencent le métabolisme de tout l’organisme.
Translation de l’ARNm
L’ARNm peut être traduit sur des ribosomes libres dans le cytoplasme avec l’aide de molécules d’ARN de transfert (ARNt) et de multiples protéines appelées facteurs d’initiation, d’élongation et de terminaison. Les protéines qui sont synthétisées sur des ribosomes libres dans le cytoplasme sont souvent utilisées par la cellule dans le cytoplasme lui-même ou ciblées pour être utilisées à l’intérieur d’organelles intracellulaires. Par ailleurs, les protéines qui doivent être sécrétées commencent à être traduites dans le cytoplasme, mais dès que les premiers résidus sont traduits, des protéines spécifiques transportent l’ensemble de l’appareil de traduction vers la membrane du réticulum endoplasmique (RE). Les quelques acides aminés initiaux sont intégrés à la membrane du RE et le reste de la protéine est libéré dans l’espace intérieur du RE. La courte séquence est retirée des protéines qui doivent être sécrétées par la cellule, tandis que celles destinées aux membranes internes conservent ce court tronçon fournissant un ancrage membranaire.
Plus de 200 maladies sont associées à des défauts dans la transformation du pré-ARNm en ARNm. Les mutations de l’ADN ou des mécanismes d’épissage affectent principalement la précision de l’épissage du pré-ARNm. Par exemple, une séquence d’ADN anormale peut éliminer, affaiblir ou activer des sites d’épissage cachés dans le pré-ARNm. De même, si la machinerie d’épissage ne fonctionne pas correctement, le spliceosome peut couper le pré-ARNm de manière incorrecte, quelle que soit la séquence. Ces mutations entraînent la transformation du pré-ARNm en ARNm qui coderont ensuite des protéines défectueuses. Les ARNm anormaux eux-mêmes sont aussi parfois la cible d’une désintégration des ARNm médiée par le non-sens ainsi que d’une dégradation co-transcriptionnelle des pré-ARNm naissants. Les cellules dérivées de patients atteints de diverses maladies, dont la progeria, le cancer du sein et la mucoviscidose, présentent des défauts d’épissage de l’ARN, le cancer et les maladies neuropathologiques étant les plus fréquents.
- Ribosome – Les ribosomes sont des enzymes composés de nombreuses protéines qui catalysent la synthèse des protéines à partir de l’ARNm dans le processus de traduction. Les ribosomes existent librement dans le cytoplasme de la cellule ou restent attachés au réticulum endoplasmique.
- RNAP II – L’ARN polymérase II est une enzyme composée de nombreuses protéines qui lit l’ADN et synthétise l’ARN dans le noyau de la cellule dans un processus appelé transcription.
- Transcription – La transcription est la synthèse de l’ARN à partir de l’ADN par l’ARN polymérase.
- Traduction – La traduction est la synthèse des protéines à partir de l’ARNm impliquant les ribosomes et d’autres protéines.
Quiz
1. Les molécules d’ARNm mature sont courtes, monocaténaires et contiennent les composants suivants :
A. adénine, cytosine, guanine et uracile, exons, 5′-cap et 3′-poly-queue
B. adénine, cytosine, guanine et uracile, introns, exons, 5′-cap et 3′-poly-tail
C. adénine, cytosine, guanine et uracile, introns
D. introns, 5′-cap et 3′-poly-tail
2. Citez l’emplacement et la machinerie cellulaire impliqués dans la transcription et la traduction de l’ARNm.
A. La transcription a lieu dans le noyau par l’action des ribosomes ; la traduction a lieu dans le cytoplasme, par l’intermédiaire de RNAP II.
B. La transcription a lieu dans le noyau par l’action de la RNAP II ; la traduction a lieu dans le cytoplasme ou sur le réticulum endoplasmique par l’action du ribosome.
C. La transcription a lieu sur la membrane cellulaire par l’action de RNAP II ; la traduction a lieu dans le cytoplasme par l’action des facteurs de traduction.
D. Aucune des réponses ci-dessus n’est correcte.
3. Lesquels des énoncés suivants sont vrais concernant les différences entre l’ARNm eucaryote et procaryote ?
A. Contrairement aux eucaryotes qui transcrivent dans le noyau et traduisent dans le cytoplasme, les procaryotes, transcrivent et traduisent l’ARNm simultanément dans le cytoplasme.
B. Les ARNm des procaryotes sont principalement polycistroniques et les ARNm des eucaryotes sont principalement monocistroniques.
C. Les ARNm bactériens ont une courte durée de vie pour permettre une flexibilité dans des environnements qui changent rapidement, tandis que les ARNm eucaryotes sont stables jusqu’à quelques jours.
D. Toutes les affirmations ci-dessus sont exactes.
4. Que se passe-t-il pendant l’importante étape de transformation du pré-ARNm en ARNm ?
A. Les introns non codants sont éliminés ou « épissés ».
B. L’ARNm est traduit en protéine.
C. Le pré-ARNm est exporté hors du noyau.
D. Toutes ces réponses.