L'ARN tient les rênes des bactéries: des chercheurs observent l'ARN contrôlant la synthèse des protéines

«L'ARN tient les rênes des bactéries: des chercheurs de l'Université du Michigan observent l'ARN contrôlant la synthèse des protéines», source Université du Michigan.

Pour mieux comprendre comment l'ARN dans les bactéries donne naissance à des protéines - et en cours de route, cibler ces processus dans la conception de nouveaux antibiotiques - des chercheurs s'intéressent à la manière unique dont ce processus se produit chez les bactéries.

Dans des cellules eucaryotes, la transcription (le processus par lequel l'information d'un brin d'ADN est copiée dans l'ARN messager) et la traduction (le processus par lequel une protéine est synthétisée par le ribosome à partir de l'ARNm) sont deux étapes successives. Chez les bactéries, ils se produisent simultanément: lorsque l'ARN est synthétisé par l'ARN polymérase, le ribosome intervient pour fabriquer les protéines.

Cette synchronicité permet ce que l'on appelle le «couplage transcription-traduction», dans lequel le premier ribosome peut immédiatement suivre et se coupler avec l'ARN polymérase pour la transcription. C'est un nouveau domaine de recherche qui promet d'apporter des informations sur les processus propres aux bactéries qui pourraient être ciblés avec une grande spécificité dans la conception d'antibiotiques.

Désormais, des chercheurs de l'Université du Michigan (U-M) ont directement observé des mécanismes de régulation de l'ARN auparavant cachés dans de tels couplages. Les résultats, menés conjointement par des boursiers postdoc Surajit Chatterjee et Adrien Chauvier du Département de chimie de l'U-M et du Centre de l'U-M pour la biomédecine de l'ARN, sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.

Les nouveaux résultats promettent d'avoir des implications importantes pour la conception future d'antibiotiques qui pourraient cibler le mécanisme de couplage au lieu de cibler séparément les processus de transcription ou de traduction.

«Avec l'ARN émergeant comme un facteur majeur dans notre vie quotidienne - notez le génome viral du SRAS-CoV-2 et les vaccins à ARNm pour lutter contre sa réplication - nous sommes à un carrefour où l'interaction entre les ARN et les protéines dans leurs complexes omniprésents devient une cible prospective attrayante pour les médicaments du futur, notamment pour lutter contre les souches bactériennes résistantes aux médicaments», a dit l'auteur principal Nils Walter, professeur de chimie.

En particulier, les chercheurs ont découvert que la modulation de la traduction d'un ARN messager (ARNm) naissant affecte la synthèse en aval de l'ARNm lui-même. Lorsque la traduction est arrêtée ou retardée, le taux de transcription est ralenti pour éviter une surproduction d'ARN qui ne serait dégradé que dans la cellule.

Pour moduler commodément l'efficacité de la traduction, les chercheurs ont exploité les caractéristiques d'un ARN structuré, appelé riboswitch traductionnel, intégré près du début d'un ARNm de la bactérie du charbon, Bacillus anthracis. Cet ARN change de structure lors de la liaison d'un petit ligand spécifique pour réduire la traduction en réponse à des signaux environnementaux.

L'étude actuelle montre que le riboswitch, généralement considéré comme n'affectant que la traduction, peut en fait réguler à la fois la traduction et la transcription en exploitant leur couplage. En utilisant le ligand du riboswitch pour ralentir l'initiation de la traduction, ou des inhibiteurs pour retarder ou arrêter la traduction, les scientifiques ont également observé des effets sur la vitesse de l'ARN polymérase.

Les auteurs ont élargi une combinaison de techniques de microscopie à fluorescence à molécule unique pour surveiller les interactions dynamiques des mécanismes de transcription et de traduction au cours des différentes étapes du couplage. Ils ont également développé une stratégie unique pour regarder directement le couplage transcription-traduction en temps réel, détectant que le petit riboswitch contrôle les machineries de transcription et de traduction beaucoup plus grandes. Le travail surpasse ainsi et donne vie aux précédentes études structurelles qui ne fournissaient que des instantanés des machineries déjà couplées.

Les chercheurs disent que leurs résultats établissent des bases importantes pour les futures recherches sur l'ARN. Ils expliquent que la question de savoir comment d'autres facteurs cellulaires contribuent à l'établissement et au maintien du couplage transcription-traduction est encore énigmatique, soulevant des questions qui restent à étudier. Ces travaux pourraient également apporter des informations sur des processus biologiques similaires dans d'autres organismes pathogènes.

«Il est fascinant de voir comment les énormes mécanismes de transcription et de traduction sont détenus par un petit ARNm pour un processus d'expression génique contrôlé dans les bactéries», a dit Chatterjee.

Chatterjee et Chauvier sont boursiers postdoc seniors au laboratoire de Walter du département de chimie de l'U-M. Ils s'intéressent respectivement aux riboswitches traductionnels et transcriptionnels. Dans cette étude, ils ont combiné leurs connaissances et leur intérêt pour chaque aspect du couplage.

«Pour moi, ce n'est pas tant une question de bactéries, mais plutôt des processus biologiques de traduction et de transcription», a dit Chauvier. «La régulation génétique est un processus coordonné opportun et la synchronisation est la clé pour que les bactéries s'adaptent aux menaces externes.»

La sous-unité 30S du ribosome peut se lier dynamiquement à l'ARNm naissant dès que son site de liaison émerge de l'ARN polymérase. Les facteurs de transcription et les facteurs d'initiation de la traduction aident à la liaison initiale et à la rétention de la sous-unité 30S sur l'ARNm, entraînant la stabilisation d'un complexe d'initiation précoce. Pendant la traduction, le ribosome peut suivre la principale ARN polymérase (RNAP), établissant un couplage transcription-traduction et maintenant une vitesse de transcription optimale. En présence du ligand preQ1, le couplage transcription-traduction est interrompu, conduisant de manière surprenante à une transcription lente. Crédit Surajit Chatterjee.