Acide ribonucléique

Structure d'un brin d'ARN. Les atomes du ribose sont numérotés. La base représentée est l'uracile, qui n'est présente naturellement que dans l'ARN, à la place de la thymine, présente dans l'ADN

L'ARN est un acide nucléique autrement dit une molécule constituée d'un enchainement de nucléotides. Chaque nucléotide de l'ARN est constitué d'un pentose, le ribose, dont les atomes de carbone sont numérotés de 1'à 5', d'une base azotée et d'un groupement phosphate. La base azotée est reliée par un atome d'azote au carbone 1'du ribose. Les nucléotides sont liés les uns aux autres par des groupements phosphate, par l'intermédiaire de liaisons phosphodiester au niveau des carbones 3'et 5'. L'ARN possède quatre bases azotées différentes : l'adénine (notée A), l'uracile (noté U), la cytosine (notée C) et la guanine (notée G). La thymine de l'ADN est remplacée par l'uracile dans l'ARN. La différence entre ces deux bases est le remplacement d'un groupement méthyle en position 5 de la thymine par un hydrogène dans l'uracile. cette modification de structure ne modifie pas les propriétés d'appariement avec l'adénine^[1], ^[2].

Adénine

Guanine

Cytosine

Uracile

Stéréochimie

Conformation C2'-endo, observée dans les hélices de type B (ADN)

Conformation C3'-endo, observée dans les hélices de type A (ARN)

Sur le plan structural, la présence d'un oxygène sur la position 2'du ribose influence la conformation du cycle furanose du ribose. Ce cycle à cinq atomes n'est pas plan, ce qui conduit à deux conformères principaux du sucre, nommés C2'-endo ou C3'-endo. Dans l'ARN qui comporte un oxygène en position 2', la position C3'-endo est privilégiée^[3], ce qui modifie profondément la structure des doubles hélices comportant des brins ARN. Ces duplex d'ARN forment une hélice de type A, différente de celle qui est observé de façon majoritaire dans l'ADN classique qui est une hélice de type B, où le désoxyribose est en conformation C2'-endo^[4].

Double hélice d'ARN

Comparaison des structures de l'hélice B de l'ADN^[5] et de l'hélice A de l'ARN^[6]. Le grand sillon est fortement modifié.

L'hélice de type A, qu'adopte l'ARN quand il forme un duplex, a des propriétés géométriques assez différentes de celles de l'hélice de type B. Dans un premier temps le nombre de paires de bases par tour d'hélice est de 11 au lieu de 10 pour l'ADN en forme B. Le plan des paires de bases n'est plus perpendiculaire à l'axe de l'hélice, mais forme un axe d'environ 75 degrés avec ce dernier^[7]. Il en résulte un déplacement de l'axe de l'hélice qui ne passe plus par le centre de l'appariement des bases, mais à l'intérieur du grand sillon. Ceci induit une augmentation du diamètre de l'hélice qui passe d'environ 20 Å pour l'ADN en forme B à à peu près 26 Å pour l'ARN en forme A^[8]. Enfin la géométrie des deux sillons est profondément affectée : le petit sillon devient particulièrement accessible, alors que le grand sillon devient particulièrement profond, étroit et pincé. Ceci a un impact sur la manière dont l'ARN en duplex apparié peut interagir avec des protéines, car l'étroitesse du grand sillon est une barrière à l'accessibilité de ligands protéiques.

Structure in vivo

Structure de l'ARN du ribozyme en tête de marteau (hammerhead)

La plupart des ARN naturels sont présents sous forme simple brin dans la cellule, au contraire de l'ADN qui est sous forme d'un double-brin apparié. Les ARN simple brin se replient le plus fréquemment sur eux-mêmes, formant une structure intramoléculaire qui peut être particulièrement stable et particulièrement compacte. La base de cette structure est la formation d'appariements internes, entre bases complémentaires (A avec U, G avec C et , quelquefois, G avec U).
La description des appariements internes entre les bases d'un ARN se nomme la structure secondaire. Cette structure secondaire peut être complétée par des interactions à longue distance qui définissent alors une structure tridimensionnelle ou structure tertiaire.

La formation de la structure des ARN est fréquemment dépendante des conditions physico-chimiques environnantes et surtout de la présence de cations divalents, comme le magnésium Mg²⁺, dans la solution. Ces cations interagissent avec les groupements phosphate du squelette et stabilisent la structure, surtout en faisant écran à la répulsion électrostatique entre les charges négatives de ces phosphates. ^[9]

L'existence de structure tertiaire dans les ARN est à la base de la richesse de ses fonctions et surtout de sa capacité à catalyser des réactions chimiques (ribozymes).

Structure secondaire

Structure en tige et boucle constituée par une séquence répétée inversée sur l'ARN

La structure secondaire d'un ARN est la description de la totalité des appariements internes au sein d'une molécule simple brin^[10]. Cet ensemble d'appariements induit une topologie spécifique, composée de région en hélice (tiges) et de régions non-appariées (boucles). Par extension, la structure secondaire recouvre aussi la description de cette topologie.

L'élément moteur de la formation de structures secondaires au sein d'un ARN simple-brin est l'existence de régions contenant des séquences répétées inversées, qui peuvent s'apparier pour former localement une structure en double hélice. A titre d'exemple, si l'ARN contient les deux séquences suivantes : --GUGCCACG----CGUGGCAC--, celles-ci forment un motif répété inversé, les nucléotides du second segment étant les complémentaires de ceux du premier, après inversion de leur sens de lecture. Ces deux segments peuvent par conséquent s'apparier de manière antiparallèle pour former une région localement en duplex. La région entre les deux segments forme alors une boucle reliant les deux brins du duplex. On parle alors de structure en tige et boucle ou en épingle à cheveux.

Topologie des différentes structures secondaires rencontrées dans l'ARN

Dans des ARN de longueur plus importante, il peut exister des structures plus complexes, qui résultent de l'appariement de plusieurs régions complémentaires ou séquences répétées inversées. Selon la manière dont sont "emboîtées" ces différentes régions, on obtient des éléments topologiques variés, avec des tiges ou régions appariées, et divers types de boucles :

• Les boucles terminales, localisées à l'extrémité d'une tige.
• Les boucles internes, qui connectent deux tiges.
• Les boucles multiples, qui connectent trois tiges ou plus et forment des points de branchement de la structure.
• Les hernies (en anglais bulge) ou boucles latérales qui sont sur un seul des deux brins d'une hélice. La continuité de l'hélice n'est généralement pas affecté et la totalité des bases reste empilé de manière coaxiale, de part et d'autre de la hernie.

Il n'existe pas forcément une structure unique stable pour une séquence donnée et il arrive que certains ARN puissent adopter plusieurs conformations alternatives selon la liaison d'un ligand (protéine, petite molécule... ) ou des conditions physico-chimiques (force ionique, pH). On peut généralement suivre la formation ou la fusion de la structure secondaire d'un ARN par des mesures spectroscopiques. Ainsi par exemple, l'absorption dans l'UV des bases de l'ARN est plus importante à l'état déplié qu'à l'état replié (phénomène d'hyperchromicité).

Structure tertiaire

Exemple d'appariement non-canonique : la paire G :A en cisaille (sheared). Celle-ci est par exemple présente dans la structure de l'ARN ribosomique 5S

Appariements non-canoniques

Au delà de la topologie des boucles et des hélices composées de paires de bases standard, un ARN peut adopter une structure tridimensionnelle compacte, ou structure tertiaire, comme une protéine. A l'intérieur de cette structure, les hélices canoniques sont complétées par des appariements non canoniques, autrement dit différents des d'appariements de base classiques, de type Watson-Crick (A-U et G-C) et bancals (wobble, G-U). On a observé une grande variété de ces appariements dans les structures tridimensionnelles d'ARN résolues par cristallographie ou par RMN. On trouve par exemple des appariements Hoogsteen, des appariements "en cisaille" (sheared). Il existe aussi des interactions base-ribose.

Une nomenclature systématique de toutes ces interactions a été proposée par Eric Westhof et ses collaborateurs^[11]. Plus de 150 types d'appariements ont été observés et ont été regroupés en douze grandes familles. Ces appariements non-canoniques impliquent toujours des liaisons hydrogènes entre les bases, qui sont coplanaires, comme dans les paires Watson-Crick.

Interactions à longue distance

Des appariements canoniques ou non-canoniques peuvent intervenir entre des régions distantes de la structure secondaire, fréquemment situées dans des boucles, ce qui sert à stabiliser un repliement compact de la structure.

Parmi ces interactions non canoniques à longue distance, on peut citer :

• Les pseudonœuds : Structure constituée par l'interaction d'une boucle avec une région localisée hors de la tige qui la délimite.
• Les triplex de brin : Surviennent quand une région simple brin vient s'insérer dans le grand sillon d'une région en hélice.
• Les interactions tétraboucle-récepteur : interaction entre boucles hyperstables de quatre nucléotides (tetraboucles) et structures en duplex ou quasi duplex.

Similitudes et différences entre l'ADN et ARN

• l'ARN a pour composant un sucre ribose à l'endroit où l'ADN a un désoxyribose ;
• la base uracile a un rôle pour l'ARN qui est rempli par la thymine dans l'ADN ;
• l'ARN est existe le plus souvent sous la forme d'un simple brin (monocaténaire), sauf chez quelques organismes tels les rétrovirus, alors que l'ADN est double brin (bicaténaire) avec une structure en double hélice ; L'appariement de base complémentaire dans un brin d'ADN peuvent lui conférer des propriétés d'une structure double brin.
• l'ARN est court : de quelques dizaines à quelques milliers de nucléotides, contre quelques millions à quelques milliards dans l'ADN.

Les trois premières différences donnent à l'ARN une stabilité bien moindre que celle de l'ADN :

• les deux fonctions alcools géminés du ribose sont susceptibles d'hydrolyse alcaline et acide alors que le désoxyribose de l'ADN, qui a perdu ce groupe fonctionnel y est insensible (D de ADN veut dire Désoxyribonucléique, i. e. ayant perdu une fonction oxy (-OH), au niveau 2'du ribose)

Le ribose possède un groupement hydroxyle en position 2', qui est absent dans le désoxyribose de l'ADN. Cette fonction 2'-OH a des incidences multiples sur la structure de l'ARN. Dans un premier temps sur le plan chimique, cette fonction alcool rend l'ARN sensible à l'hydrolyse alcaline. La présence des deux oxygènes en cis sur le positions 2'et 3'rend envisageable la cyclisation du phosphate sur les positions 2'et 3', qui se produit particulièrement rapidement quand une base vient arracher le proton du 2'-OH. Cette cyclisation du nucléotide provoque une coupure de la chaîne ribose-phosphate et libère des extrémités 5'-OH et 2', 3'phosphate cyclique^[12].

• L'uracile est moins ‘‘coûteux''à produire pour les organismes vivants que la thymine, mais se convertit lentement en cytosine. Ce serait pour cette raison que l'ARN a de l'uracile et l'ADN de la thymine : la cellule produit énormément d'ARN mais ne le conserve pas, c'est par conséquent le coût de production qui prime sur la stabilité de l'information. À l'inverse, l'ADN doit conserver une information longtemps mais n'est produit que rarement (lors de la division cellulaire), c'est par conséquent la stabilité qui prime sur le coût.
• si un brin d'ARN, monocaténaire, est endommagé, il se produira une erreur irrécupérable ; par contre, si un des deux brins d'ADN est endommagé, la cellule peut utiliser le brin intact pour réparer.

D'un point de vue évolutif, certains éléments permettent de penser que l'ARN serait antérieur à l'ADN comme support de l'information génétique, ce qui expliquerait ses fonctions plus étendues et sa généralisation. L'ADN serait apparu plus tard et n'aurait supplanté l'ARN que pour le rôle de stockage à long terme, à cause de sa plus grande stabilité.

Fonction de l'ARN dans la cellule

Article connexe : Liste d'ARN.

Les ARN sont impliqués dans différents aspect de la synthèse des protéines :

Dans une cellule eucaryote, quatre catégories principales d'ARN sont présentes : l'ARn messager, l'ARN de transfert, l'ARN ribosomique et l'ARN nucléaire. ^[13]

Dans les cellules, les ARN remplissent trois rôles différents et complémentaires :

• Support temporaire de l'information génétique. C'est l'ARN messager qui remplit ce rôle, il est utilisé par la cellule pour transmettre l'information correspondant à un gène donné hors du noyau, puis pour synthétiser des protéines à partir de ces informations.
• Catalyseur enzymatique. Comme les protéines, les ARN peuvent se replier en trois dimensions pour former des structures complexes. Ces structures autorisent certains ARN de se comporter comme des enzymes, on parle alors de ribozyme. Le ribosome, la ribonucléase P et certains introns sont des ribozymes. On pense que la machinerie d'épissage des ARN messagers (le spliceosome), est aussi aussi un ribozyme, même si la démonstration formelle n'en a pas toujours été apportée.
• Guide pour des enzymes. Certains ARN sont utilisés comme co-facteurs par des protéines pour permettre leur ciblage vers des séquences spécifiques. Parmi ceux-ci, on peut citer les petits ARN nucléolaires (snoARN), qui guident les enzymes de modification de l'ARN ribosomique, l'ARN télomérique, qui est un cofacteur de la télomérase, l'enzyme qui produit les extrémités des chromosomes, ou encore les ARN interférents.

L'ARN est par conséquent une molécule particulièrement polyvalente, ce qui a conduit Walter Gilbert, co-inventeur du séquençage de l'ADN à proposer en 1986 une hypothèse selon laquelle l'ARN serait la plus ancienne de l'ensemble des macromolécules biologiques^[14]. Cette théorie, dite du "RNA World" (le monde de l'ARN), sert à s'affranchir d'un Paradoxe de l'œuf et de la poule qui survient quand on cherche à savoir qui des protéines (catalyseurs) et de l'ADN (information génétique) sont apparus en premier. L'ARN, capable de combiner à la fois les deux types de fonctions serait le précurseur universel.

Synthèse de l'ARN à partir de l'ADN

La synthèse d'une molécule d'ARN à partir de l'ADN est un processus complexe qui fait intervenir une enzyme de la famille des ARN polymérase mais aussi des protéines associées. Les différentes étapes de cette synthèse sont l'initiation, la propagation et la terminaison. Les ARN synthétisées dans les organismes procaryotes sont différentes des ARN des cellules de mammifères. ^[13]