Trois principaux types d’ARN sont impliqués dans la synthèse des protéines : l’ARN messager (ARNm), l’ARN de transfert (ARNt) et l’ARN ribosomal (ARNr). Ces ARN remplissent des fonctions diverses et peuvent être largement classés comme de l’ARN codant des protéines ou comme de l’ARN non codant. Les ARN non codants jouent un rôle important dans la régulation de l’expression des gènes en réponse aux changements développementaux et environnementaux. Les ARN non codants dans les procaryotes peuvent être manipulés pour mettre au point des médicaments antibactériens plus efficaces à usage humain ou animal.
Le dogme central de la biologie moléculaire affirme que l’ADN contient l’information qui code les protéines et l’ARN utilise cette information pour diriger la synthèse des protéines. Différents types d’ARN sont impliqués dans la synthèse des protéines. Selon qu’il code ou non des protéines, l’ARN est largement classé comme de l’ARN codant des protéines ou non codant.
L’ARN messager (ARNm) est l’ARN codant les protéines. Il se compose de codons — séquences de trois nucléotides qui codent un acide aminé spécifique. L’ARN de transfert (ARNt) et l’ARN ribosomal (ARNr) sont des ARN non codants. L’ARNt agit comme une molécule adaptatrice qui lit la séquence d’ARNm et place les acides aminés dans l’ordre correct dans la chaîne polypeptidique croissante. L’ARNr et d’autres protéines composent le ribosome — le siège de la synthèse des protéines dans la cellule. Pendant la traduction, les ribosomes se déplacent le long d’un brin d’ARNm où ils stabilisent la liaison des molécules d’ARNt et catalysent la formation de liaisons peptidiques entre les acides aminés. Ainsi, différents types d’ARN remplissent des fonctions spécifiques mais complémentaires lors de la synthèse des protéines.
Les ARN non codants autres que l’ARNt et l’ARNr ont été initialement considérés comme des “ déchets génomiques ” puisqu’ils n’encodent pas de protéines. Cependant, leurs rôles dans la régulation de l’expression des gènes ont été découverts au cours des dernières décennies et continuent d’être largement étudiés. En fonction de leur longueur, les ARN non codants peuvent être classés comme de petits ARN régulateurs (< 100 nucléotides) ou de longs ARN non codants (> 200 nucléotides).
Les petits ARN régulateurs et les longs ARN non codants régulent l’expression des gènes en modifiant diverses étapes de la transcription et de la traduction. Les ARN non codants affectent l’épissage de l’ARNm — suppression des segments ne codant pas de protéines et connexion des séquences codant des protéines. De cette façon, ils contrôlent la formation de différentes variantes protéiques à partir d’un seul gène. Les petits ARN régulateurs tels que les microARN (miARN) et les petits ARN interférents (ARNsi) se lient à des séquences complémentaires sur l’ARNm et inhibent la synthèse des protéines soit en bloquant l’accès des machineries de traduction à l’ARNm, soit en dégradant l’ARNm lui-même. Les longs ARN non codants recrutent des enzymes avec lesquelles ils interagissent, qui modifient chimiquement l’ADN et les histones — protéines qui aident à empaqueter l’ADN dans le noyau — pour activer ou réprimer la transcription.
La régulation de l’expression des gènes par l’ARN est répandue chez les bactéries. Les séquences régulatrices dans l’ARNm — appelées riboswitchs — agissent comme des capteurs environnementaux en détectant les changements de température et les niveaux de nutriments.
La régulation basée sur les riboswitchs dépend de la formation de deux conformations mutuellement exclusives et stables de la structure secondaire de l’ARN. La structure secondaire bascule entre les deux conformations pour activer ou désactiver l’expression des gènes en réponse aux changements environnementaux. Par exemple, lorsque la bactérie Listeria monocytogenes infecte un hôte, la température corporelle plus élevée de l’hôte décompose la structure secondaire dans la région non traduite en 5’ de l’ARNm bactérien. Cela expose un site de liaison au ribosome sur l’ARNm et initie la traduction en protéines, permettant aux bactéries de vivre et de croître dans l’organisme hôte.
Certains riboswitchs détectent les produits finaux des voies métaboliques et servent de contrôles de rétroaction pour la transcription ou la traduction. Par exemple, le riboswitch du pyrophosphate de thiamine régule la biosynthèse de la thiamine chez les bactéries. Lorsqu’une concentration adéquate de thiamine a été synthétisée, elle se lie au riboswitch et modifie sa conformation. Ce changement de conformation bloque le site d’initiation à la traduction et arrête la synthèse des protéines.
Les composés qui ressemblent étroitement à la thiamine dans la structure sont étudiés comme des agents antibactériens potentiels. Ces médicaments sont destinés à lier le riboswitch en l’absence de thiamine et provoquer un changement conformationnel qui bloque la traduction des protéines nécessaires à la biosynthèse de la thiamine. Puisque les bactéries seront incapables de produire ce nutriment, elles cesseront de croître et finiront par mourir. Comme les riboswitchs sont plus couramment présents chez les procaryotes que les eucaryotes, les agents antibactériens ciblant les riboswitchs auraient des effets néfastes minimes sur les hôtes mammifères.
