Une étude révélant le secret d’un processus cellulaire clé réfute les manuels de biologie

De nouvelles recherches ont identifié et décrit un processus cellulaire qui, malgré ce que disent les manuels, est resté insaisissable pour les scientifiques jusqu’à présent – précisément comment la copie du matériel génétique qui, une fois commencé, est correctement désactivée.

La découverte concerne un processus clé essentiel à la vie: la phase de transcription de l’expression génique, qui permet aux cellules de vivre et de faire leur travail.

Pendant la transcription, une enzyme appelée ARN polymérase s’enroule autour de la double hélice d’ADN, en utilisant un brin pour faire correspondre les nucléotides pour faire une copie du matériel génétique – résultant en un brin d’ARN nouvellement synthétisé qui se rompt lorsque la transcription est terminée. Cet ARN permet la production de protéines, qui sont essentielles à toute vie et effectuent la plupart du travail à l’intérieur des cellules.

Tout comme pour tout message cohérent, l’ARN doit démarrer et s’arrêter au bon endroit pour avoir un sens. Une protéine bactérienne appelée Rho a été découverte il y a plus de 50 ans en raison de sa capacité à arrêter ou terminer la transcription. Dans chaque manuel, Rho est utilisé comme un terminateur modèle qui, en utilisant sa très forte force motrice, se lie à l’ARN et le retire de l’ARN polymérase. Mais un examen plus approfondi de ces scientifiques a montré que Rho ne serait pas en mesure de trouver les ARN dont il a besoin pour libérer en utilisant le mécanisme du manuel.

«Nous avons commencé à étudier Rho et avons réalisé que cela ne pouvait pas fonctionner de la manière dont les gens nous disent que cela fonctionne», a déclaré Irina Artsimovitch, co-auteur principal de l’étude et professeur de microbiologie à l’Ohio State University.

La recherche, publiée en ligne par la revue Science aujourd’hui, le 26 novembre 2020, a déterminé qu’au lieu de s’attacher à un morceau spécifique d’ARN vers la fin de la transcription et de l’aider à se détacher de l’ADN, Rho fait en fait de l’auto-stop sur l’ARN polymérase pour le durée de la transcription. Rho coopère avec d’autres protéines pour finalement amener l’enzyme à travers une série de changements structurels qui se terminent par un état inactif permettant la libération de l’ARN.

L’équipe a utilisé des microscopes sophistiqués pour révéler comment Rho agit sur un complexe de transcription complet composé d’ARN polymérase et de deux protéines accessoires qui voyagent avec lui tout au long de la transcription.

« Il s’agit de la première structure d’un complexe de terminaison dans n’importe quel système, et était censée être impossible à obtenir car elle s’effondre trop rapidement », a déclaré Artsimovitch.

« Cela répond à une question fondamentale – la transcription est fondamentale pour la vie, mais si elle n’était pas contrôlée, rien ne fonctionnerait. L’ARN polymérase doit être en elle-même complètement neutre. Elle doit être capable de fabriquer n’importe quel ARN, y compris ceux qui sont endommagés. ou pourrait endommager la cellule. En voyageant avec l’ARN polymérase, Rho peut dire si l’ARN synthétisé vaut la peine d’être fabriqué – et sinon, Rho le libère.  »

Artsimovitch a fait de nombreuses découvertes importantes sur la façon dont l’ARN polymérase réussit si bien la transcription. Elle n’a pas entrepris de contrer des années de compréhension du rôle de Rho dans la résiliation jusqu’à ce qu’un étudiant de premier cycle de son laboratoire identifie des mutations surprenantes chez Rho tout en travaillant sur un projet de génétique.

Rho est connu pour faire taire l’expression des gènes de virulence dans les bactéries, les gardant essentiellement en sommeil jusqu’à ce qu’ils soient nécessaires pour provoquer une infection. Mais ces gènes n’ont aucune séquence d’ARN que Rho est connue pour se lier préférentiellement. Pour cette raison, a déclaré Artsimovitch, il n’a jamais été logique que Rho ne recherche que des séquences d’ARN spécifiques, sans même savoir si elles sont toujours attachées à l’ARN polymérase.

En fait, la compréhension scientifique du mécanisme Rho a été établie à l’aide d’expériences biochimiques simplifiées qui omettaient souvent l’ARN polymérase – en substance, définissant comment un processus se termine sans prendre en compte le processus lui-même.

Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé la cryo-microscopie électronique pour capturer des images d’ARN polymérase opérant sur une matrice d’ADN d’Escherichia coli, leur système modèle. Cette visualisation haute résolution, associée à un calcul haut de gamme, a rendu possible une modélisation précise de la terminaison de la transcription.

« L’ARN polymérase se déplace, correspondant à des centaines de milliers de nucléotides dans les bactéries. Le complexe est extrêmement stable parce qu’il doit l’être – si l’ARN est libéré, il est perdu », a déclaré Artsimovitch. « Pourtant, Rho est capable de faire tomber le complexe en quelques minutes, voire quelques secondes. Vous pouvez le regarder, mais vous ne pouvez pas obtenir un complexe stable à analyser. »

L’utilisation d’une méthode intelligente pour piéger les complexes juste avant qu’ils ne s’effondrent a permis aux scientifiques de visualiser sept complexes qui représentent des étapes séquentielles dans la voie de terminaison, en commençant par l’engagement de Rho avec l’ARN polymérase et en se terminant par une ARN polymérase complètement inactive. L’équipe a créé des modèles basés sur ce qu’ils ont vu, puis s’est assuré que ces modèles étaient corrects en utilisant des méthodes génétiques et biochimiques.

Bien que l’étude ait été menée sur des bactéries, Artsimovitch a déclaré que ce processus de terminaison est susceptible de se produire dans d’autres formes de vie.

«Cela semble être courant», dit-elle. « En général, les cellules utilisent des mécanismes de travail similaires à partir d’un ancêtre commun. Elles ont toutes appris les mêmes trucs tant que ces trucs étaient utiles. »

Artsimovitch, en collaboration avec une équipe de recherche internationale de collaborateurs, a codirigé l’étude avec Markus Wahl, un ancien étudiant diplômé de l’État de l’Ohio maintenant à la Freie Universität Berlin.

Ce travail a été soutenu par des subventions de la Fondation allemande pour la recherche; le ministère fédéral allemand de l’éducation et de la recherche; le Conseil indien de la recherche médicale; le Département de biotechnologie du gouvernement indien; les instituts nationaux de la santé; et la Fondation Sigrid Jusélius.