ARN polymérase

ARN polymérase

Concept
Informations
Terme anglais	Biochimie, ARN polymérase
Page non révisée

__NOVEDELETE__

Introduction

Essentielle à la survie cellulaire de tous les organismes, la transcription est le processus de synthèse de l'ARN à partir de l'ADN génomique. Au cœur de cette activité se retrouve une enzyme appelée ARN polymérase (ARNP). L'ARNP est présente dans tous les organismes vivants (bactéries, archées et eucaryotes) ainsi que dans de nombreux virus. Ces différentes ARNP partagent toutes des séquences et des structures protéiques, et des mécanismes moléculaires similaires. La fonction de l'ARNP est de transcrire l'ADN en ARN et de nombreux types d'ARN différents sont produits: ARNm, ARNt, ARNr, ARNs, snoRNA et d'autres ARN non codants. L'ADN brin matrice est lu dans le sens 3' à 5' tandis que la synthèse d'ARN se produit dans le sens 5' à 3'.

Les ARNP sont responsables de la transcription de l'ADN génomique en ARN. Alors que les bactéries (procaryotes) et les archées ne contiennent qu'un seul ARNP, les eucaryotes en contiennent trois: l'ARNPI, l'ARNPII et l'ARNPIII. (REF) Bien qu'il existe des différences drastiques entre ces trois enzymes, elles ont également de nombreuses similitudes importantes. En effet, elles partagent trois sous-unités hautement conservées. Ainsi, les scientifiques ont pu déterminer de nombreuses structures et fonctions importantes des ARNP en étudiant les bactéries et les levures qui sont des organismes beaucoup plus simples. Dans la présente page, les informations sur le mécanisme de fonctionnement général de l'ARNP proviennent principalement de celles obtenues chez la bactérie.

Le pourcentage de transcrit d’ARN provenant de ces polymérases varie grandement d’une enzyme à l’autre. L’ARN polymérase I (ARNPI) transcrit pour environ 75 % de l’ARN total de la cellule, 10 % pour l’ARNPII et 15 % pour l’ARN polymérase III [17]. Les trois polymérases présentent une grande homologie entre elles. Elles contiennent respectivement 14, 12 et 17 sous-unités. Toutefois, même si l’ARNPII ne transcrit que pour 10 % de l’ARN total, c’est l’enzyme la plus étudiée des trois. Les informations acquises au fil du temps ont été effectué à l'aide de la levure Saccharomyces cerevisiae.

Sujets de préoccupation

Des problèmes préoccupants surviennent lorsque l'ARNP fait une mauvaise transcription, aussi connue sous le nom d'infidélité de la transcription. Cependant, ce domaine de recherche a été difficile à étudier car l'erreur de traduction est significativement plus élevée, obscurcissant les résultats phénotypiques. [5] [6] Parallèlement à la mauvaise incorporation de ribonucléotides, un autre mécanisme d'infidélité de la transcription implique un glissement de l'ARNP lors de l'élongation en présence de séquence A/T riches, perturbant ainsi les cadres de lecture. [7]

Cellulaire

L'ARNP est une enzyme très abondante qui catalyse la formation de liaisons phosphodiester reliant les ribonucléotides ensemble, produisant ensuite une chaîne linéaire. Cette chaîne d’ARN en croissance s’étend d’un ribonucléotide dans le sens 5’ à 3’ en utilisant des ribonucléosides triphosphates (rATP, rCTP, rUTP et rGTP) comme substrats. Contrairement à l'ADN polymérase, l'ARNP engendre plus d'erreur de synthèse. En effet, une erreur est commise tous les 10 000 ribonucléotides tandis que l'ADN polymérase fait une erreur à tous les 10 000 000 nucléotides. Malgré une précision moindre, l'ARNP dispose d'un mécanisme de relecture. Le RNAP peut sauvegarder, exciser le ribonucléotide mal incorporé et insérer le ribonucléotide approprié.

Structure et mécanisme moléculaire

Le pourcentage de transcrit d’ARN provenant de ces polymérases varie grandement d’une enzyme à l’autre. L’ARN polymérase I (ARNPI) transcrit pour environ 75 % de l’ARN total de la cellule, 10 % pour l’ARNPII et 15 % pour l’ARN polymérase III . Les trois polymérases présentent une grande homologie entre elles. Elles contiennent respectivement 14, 12 et 17 sous-unités. Toutefois, même si l’ARNPII ne transcrit que pour 10 % de l’ARN total, c’est l’enzyme la plus étudiée des trois.

Au tournant des années 2000, des avancements majeurs ont été effectués lorsque le structure 3D de l’enzyme a été déterminée. Ces résultats ont grandement aidé et permis une meilleure compréhension de la transcription à l’échelle protéique et atomique.

La détermination de la structure de l’ARNPII a donc permis d’observer que la morphologie de l’enzyme est très similaire à celle observée avec l’ARN polymérase de la bactérie Thermus aquaticus, c’est-à-dire une forme en pince de crabe [31]. La surface de l’enzyme possède une charge totale négative, tandis que l’intérieur de la pince, correspondant à la surface de contact avec l’ADN, est de charge positive. L’enzyme peut être divisée en quatre modules mobiles (core, jaw lobe, clamp et shelf).  [32]. Le premier module, appelé le core, correspond à la moitié de la masse de l’enzyme et à l’endroit où l’ADN s’insère, et au site catalytique. Dans ce module, un tunnel est aussi présent et correspond à la porte d’entrer aux nucléotides dans le site actif ainsi que de porte de sortie pour l’ARN synthétisé lorsque l’ARNPII effectue une marche en arrière (backtrack).

Le second module est le clamp correspond au pouce de la pince de crabe. Il est attaché au cleft, ce qui permet un mouvement de 14 Å du clamp afin que celui-ci se referme sur le cleft [34, 35]. De plus, à la base du clamp, on retrouve une cavité correspondant au canal de sortie de l’ARN synthétisé. La région au bout de la pince appelée jaws est divisée en deux modules, soit le jaw lobe et le shelf. Ces deux modules servent à agripper l’ADN lorsque le clamp est refermé sur celui-ci.

Des éléments intéressants du site actif ont aussi été observés et permettent de comprendre le mécanisme de transcription de l’ARNPII [33]. Le site actif se situe au font de la pince via le cleft et implique plusieurs boucles avec des rôles très précis dans la formation et le maintien de la bulle de transcription. Cette dernière correspond à une longueur d’environ 15 pairs de base (bp) d’ADN et de huit acides aminés pour l’hybride ADN-ARN. Comme attendu, deux ions Mg²⁺ sont aussi présents [38]. Ces derniers sont en interaction stable avec plusieurs acides aminés de l’ARNPII. Ces résidus sont importants dans la réaction catalytique de l’ARNPII, car ils servent à stabiliser l’état transitoire durant la formation du lien phosphodiester [40].

La synthèse de l’ARN peut se décrire en quatre étapes en forme de cycle qui requièrent un réarrangement global du site actif [41]. La première consiste à la sélection du nucléotide triphosphate (NTP). La molécule s’accroche dans un site transitoire qui est libéré, puis le trigger se déplace sur ce site afin de le fermer, ce qui a pour but de positionner le NTP [42-44]. Dans le cas d’un mauvais NTP, le trigger reste ouvert. Il est aussi important de noter que le site actif possède une affinité au moins 5000 fois plus grande pour les NTP que pour les désoxyribonucléotides (dNTP) [45]. La deuxième étape correspond à l’ajout du NTP à la fin 3’ de l’ARN naissant à l’aide d’une réaction nucléophile par l’ion Mg²⁺ (métal A) [40, 46]. L’étape suivante se résume au relâchement d’un pyrophosphate du NTP à l’aide du métal B, ce qui a pour effet de forcer un réarrangement du trigger pour le mettre dans une position ouverte [47, 48]. Enfin, la dernière étape est la translocation de l’ARNPII sur l’ADN afin de libérer le bout 3’ de l’ARN. Comme le site catalytique est bloqué par le nouveau NTP ajouté, il y a un changement de conformation à la fois du bridge et du trigger qui permet le mouvement [45, 49-52].

Test biomédical

Les anticorps anti-ARNP peuvent être achetés dans le commerce et sont couramment utilisés dans les laboratoires pour détecter la présence des sous-unités ARNP. De plus, les anticorps de l'ARNPIII sont considérés comme hautement sensibles et spécifiques à la sclérodermie systémique ou à la sclérodermie et sont également associés à la sclérodermie cutanée diffuse et à la crise rénale de la sclérodermie. Au sein de la population de sclérodermie cutanée diffuse, la présence d'anticorps anti-ARNPIII est en corrélation avec une diminution du temps d'apparition des symptômes initiaux et un pic d'épaississement cutané. Ainsi, les patients porteurs d'anticorps anti-ARNPIII courent un risque plus élevé de développer une crise rénale sclérodermique.

Physiopathologie

Les maladies les plus reconnues résultent d'une perte de mutations fonctionnelles dans les ribosomes ou de facteurs associés à Pol I. Ces maladies sont appelées ribosomopathies et comprennent l'anémie Diamond-Blackfan, le syndrome 5q moins, le syndrome de Treacher Collins et le syndrome de Blooms et Werner. Il existe également d'autres ribosomopathies associées à des mutations affectant le traitement et la modification de l'ARN; ces maladies comprennent le syndrome de Shwachman-Diamond, la dyskératose congénitale, l'hypoplasie des cheveux cartilagineux, la cirrhose infantile des Indiens d'Amérique du Nord, le syndrome de Bowen-Conradi et l'alopécie, le syndrome neurologique et l'endocrinopathie (ANE). Malheureusement, les ribosomopathies sont rares donc très peu étudiées, et le traitement est généralement palliatif plutôt que curatif.

Importance clinique

La prévention de l'expression des gènes est l'un des moyens par lesquels les antibiotiques peuvent tuer les bactéries. La transcription étant un processus essentiel pour tous les organismes, le mécanisme de transcription est une cible extrêmement attrayante pour le développement de nouveaux antibiotiques. La rifampicine est un antibiotique couramment utilisé contre Mycobacterium tuberculosis. Appartenant à la classe d'antibiotiques ansamycine, la rifampicine se lie à la sous-unité bêta de RNAP au sein du canal ADN / ARN et empêche la formation de la deuxième ou troisième liaison phosphodiester, bloquant par la suite l'extension d'ARN naissant. Cependant, les bactéries ont rapidement évolué pour développer une résistance à la rifampicine. Les mutations au sein de la sous-unité bêta de l'ARNP (S531L, H526Y et D516V) représentent respectivement environ 41, 36 et 9% des souches de tuberculose résistantes. D'autres antibiotiques qui bloquent l'extension de l'ARN naissant incluent la sorangicine et la GE23077. Un autre antibiotique couramment utilisé est la fidaxomicine. Elle se lie également à l'ARNP de Clostridium difficile. Au lieu de la sous-unité bêta, la fidaxomicine se lie à la région de commutation de l'enzyme. Le mécanisme proposé est que la fidaxomicine induit un changement de structure de l'enzyme empêchant la reconnaissance des éléments aux promoteurs. D'autres antibiotiques qui ciblent également la région de commutation de l'ARNP comprennent les squaramides, la myxopyronine, la corallopyronine et la ripostatine. [32] Bien que très peu d'antibiotiques aient atteint le marché clinique, il existe également de nombreux autres antibiotiques qui inhibent la transcription par divers processus. La série SB-2 perturbe l'assemblage des holoenzymes, la pseudoridmycine est un analogue nucléosidique et les salinamides ciblent les éléments mobiles du canal principal de l'enzyme.

Parallèlement à l'inhibition de la transcription procaryote, les chercheurs ont découvert plusieurs composés qui ciblent les ARNP des eucaryotes. L'actinomycine D est un antibiotique bactérien utilisé comme réactif antitumoral. Il intercale l'ADN, empêchant ainsi la progression des ARNP bactériens et de l'ARNPI des eucaryotes. Parallèlement à l'actinomycine D, d'autres produits chimiques inhibent également la transcription eucaryote. L'alpha-amanitine se lie aux sites catalytiques de l'ARNPII et III, inhibant ainsi la synthèse de l'ARN, tandis que la 8-hydroxyquinoléine chélate les cations bivalents, le manganèse et le magnésium, nécessaires au site catalytique de l'ARNP.

Références

• Cette page a été modifiée ou créée le 2020/07/12 à partir de Biochemistry, RNA Polymerase (StatPearls / Biochemistry, RNA Polymerase (2019/07/23)), écrite par les contributeurs de StatPearls et partagée sous la licence CC-BY 4.0 international (jusqu'au 2022-12-08). Le contenu original est disponible à https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31424796 (livre).

__NOVEDELETE__

Les sections suivantes sont remplies automatiquement et se peupleront d'éléments à mesure que des pages sont crées sur la plateforme. Pour participer à l'effort, allez sur la page Gestion:Contribuer. Pour comprendre comment fonctionne cette section, voir Aide:Fonctions sémantiques.