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4.13 : Ribozymes - Biologie

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Les ribozymes, cependant, ne sont pas des raretés de la nature. À la fois porteurs d'informations génétiques et catalyseurs, les ribozymes sont probablement à la fois la poule et l'œuf à l'origine de la vie.


J'aime vraiment cette question car c'est un fondement si fondamental de toute vie sur la planète, pourtant il y a une telle rareté d'informations réelles sur ses origines et pourquoi la sélection a récompensé l'utilisation de l'ATP par rapport à toute autre chose. Ici, je parle de manière générale car aucune étude spécifique n'existe sur l'ATP par rapport aux autres candidats.

Une grande partie des informations ci-dessous sont tirées d'un article relativement ancien mentionné dans les commentaires de TomD qui traite de : "Pourquoi la nature a choisi les phosphates." par Westheimer, 1987. L'article est très influent et a été cité plus d'un millier de fois depuis sa publication. Un autre article paru la même année où cette question a été posée "Pourquoi la nature vraiment a choisi le phosphate." par Kamerlin et al., 2013

Certains des arguments ci-dessous sont plus convaincants que d'autres, mais tous doivent être pris en compte lorsque l'on tente de répondre à cette question.


Tom Cech

Tom Cech est membre du corps professoral de l'Université de Colarado, Boulder depuis plus de 30 ans. En 2000, il a été nommé président du Howard Hughes Medical Institute et est resté à ce poste jusqu'en 2009. Actuellement, son laboratoire étudie la structure et la réplication de l'ADN télomérique. Continuer la lecture

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Ressources associées

Document de recherche discuté dans cette conférence

Cech, T.R., Zaug, A.J., & Grabowski, P.J. (1981). Épissage in vitro du précurseur d'ARN ribosomique de Tetrahymena : implication d'un nucléotides de guanosine dans l'excision de la séquence d'intervention. Cellule, 27 (décembre), 487-496.


Topologie des ribozymes versus conservation des séquences

Pour effectuer une catalyse chimique à base d'ARN, certaines parties de la molécule de ribozyme doivent adopter des positions et des orientations relatives très précises. En plus de la reconnaissance spécifique, il doit y avoir des mécanismes dynamiques pour la liaison au substrat et la libération du produit. A l'exception notable du ribosome, les ribozymes actuels agissent sur le squelette phosphodiester reliant deux nucléotides consécutifs. Bien que les processus catalytiques de telles réactions soient fondamentalement similaires, ils peuvent être réalisés de diverses manières et, de plus, comme la convergence chimique est omniprésente, les ribozymes affichent un riche répertoire d'architectures qui positionnent les réactifs de manière appropriée. De plus, le nombre de nucléotides conservés et leur dispersion dans la molécule varient considérablement d'un ribozyme à l'autre : par exemple, le ribozyme en tête de marteau et les introns du groupe I ont à peu près le même nombre de résidus conservés - environ sept - bien que ces derniers puissent être jusqu'à quatre fois plus grand [34, 35]. Les positions et dispositions relatives des éléments structurels conservés par rapport au début et à la fin du motif ribozyme varient également (Figure 2). La plupart des familles de ribozymes peuvent être subdivisées en classes distinguées par leurs éléments périphériques hautement non homologues [36-38]. Cependant, les architectures tridimensionnelles des noyaux de ribozymes appartenant à la même famille devraient être similaires car elles sont maintenues par des contraintes tertiaires qui, malgré la conservation de segments de séquences courts, peuvent se former de diverses manières.

Les ribozymes marteaux sont basés sur une jonction à trois voies et il en existe deux types principaux. (une) Le type I a les extrémités de l'ARN simple brin sur la tige I (b) le type III a les extrémités de l'ARN simple brin sur la tige III. Pour des raisons inconnues, des ribozymes potentiels de type II (extrémités de l'ARN simple brin sur la tige II) n'ont jamais été observés. L'architecture tridimensionnelle est maintenue par un empilement coaxial des tiges II et III, qui, grâce à des contraintes dans les résidus de jonction à trois voies conservés [92], oriente la tige I de sorte que des interactions boucle-boucle entre les tiges I et II se forment (Figure 3 ) [40,42]. La boucle interne de la tige II (IL2) est souvent remplacée par une boucle coiffante (CL2) de même, CL1 dans le type III peut être remplacée par une boucle interne (IL1) suivie d'une autre épingle à cheveux. Bien qu'une seule structure ait été entièrement caractérisée, les alignements de séquences montrent que les interactions boucle-boucle (constituant principalement des paires non Watson-Crick) sont très diverses.

Le ribozyme marteau illustre bien les difficultés d'identification de nouveaux ribozymes soit expérimentalement, soit par in silico approches. En effet, un repliement incomplet de l'ARN catalytique, qui n'incluait pas de contacts tertiaires entre les éléments éloignés du site catalytique de clivage et de conservation de la séquence, a été accepté pendant longtemps, jusqu'à ce que le ribozyme marteau complet soit (re)découvert [39-41]. Une structure cristalline récente [42] montre comment la présence de contacts tertiaires entre des boucles très éloignées de la région conservée catalytiquement induit des changements conformationnels dans le noyau qui favorisent l'état actif du ribozyme. Il est important de noter que tous ces contacts impliquent des réseaux d'appariements de bases non Watson-Crick avec des modèles d'évolution différents de ceux des paires de bases Watson-Crick [40, 43]. Les ribozymes en tête de marteau entièrement biologiquement actifs possèdent une complexité structurelle et des exigences strictes en matière de séquence (figure 3b), mais en raison des appariements non Watson-Crick, cela n'est pas immédiatement apparent à partir de la séquence seule. En revanche, en raison de sa topologie pseudo-nouée alambiquée basée sur des paires Watson-Crick, le ribozyme HDV révèle immédiatement la majeure partie de sa complexité (Figure 3a). Les ribozymes en tête de marteau incomplets sans éléments périphériques et avec une séquence et une complexité structurelle faibles présentent des activités catalytiques réduites. En effet, in vitro l'évolution, à partir de bibliothèques aléatoires, a produit des ribozymes structurellement divers avec une faible activité, qui contenaient des variantes en tête de marteau [44]. Une autre expérience en sélectionnant in vitro pour les motifs auto-clivants avec une activité biochimique de type tête de marteau [45] a conduit à la conclusion que le motif de tête de marteau fait le pli de ribozyme le plus courant et a suggéré que ce motif a eu de multiples origines indépendantes. Les interactions à longue distance n'ont pas été prises en compte dans ces deux in vitro des schémas de sélection, car leur importance n'avait pas été reconnue à l'époque. Les séquences collectées lors du second schéma de sélection permettraient d'optimiser l'activité du ribozyme marteau.

Diagrammes schématiques des réseaux d'interaction maintenant l'architecture tridimensionnelle de deux ribozymes différents. (une) Le ribozyme HDV [7,93] (b) le ribozyme marteau actif [42]. Le ribozyme HDV a une topologie pseudo-nouée alambiquée : les lignes de couleur indiquent le chemin du squelette sucre-phosphate. La nomenclature est la suivante [75]. Chaque nucléotide a trois bords avec des possibilités de liaison hydrogène : le bord Watson-Crick (indiqué par un cercle), le bord Hoogsteen (indiqué par un carré) et le bord sucre (indiqué par un triangle). Une interaction base-base par paire peut être formée soit avec les fragments de sucre attachés du même côté de la ligne d'approche (cis-configuration, les symboles sont fermés) ou avec les sucres de part et d'autre de la ligne d'approche (le trans-configuration, les symboles sont ouverts). Pour éviter les ambiguïtés, lors de l'annotation des contacts tertiaires, les nucléotides impliqués ont été encadrés. Lorsque la base d'un nucléotide est dans le syn-conformation par rapport au sucre il est marqué en gras. Les rectangles indiquent la position effectivement occupée dans l'espace par un nucléotide. En (b), le clivage se produit en 3' du C rouge.


4.13 : Ribozymes - Biologie

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Les ribozymes sont des types spéciaux d'ARN qui peuvent agir comme des enzymes.   

Les substrats de la plupart des ribozymes naturels sont des liaisons ARN phosphodiester. La seule exception connue à cela est l'ARN ribosomique 23S dans le ribosome bactérien qui catalyse la formation de liaisons peptidiques.

Les ribozymes ont été trouvés dans tous les types d'organismes et sont similaires aux enzymes à base de protéines, car ils augmentent tous les deux la vitesse des réactions. De nombreux ribozymes ont besoin d'ions métalliques, comme le magnésium, comme cofacteurs pour catalyser les réactions.

Certaines classes d'introns peuvent agir comme des ribozymes. Les introns sont classés en cinq classes distinctes : ARNm nucléaire, ARNt nucléaire, archées, introns du groupe un et du groupe deux.

Les introns des groupes un et deux sont de gros ribozymes longs de plusieurs centaines de nucléotides et présents dans les mitochondries fongiques et végétales, les chloroplastes, les bactériophages et les virus eucaryotes. 

Ils peuvent s'auto-épisser sans l'aide d'aucune protéine, tandis que les introns nucléaires sont épissés par le spliceosome, un complexe enzymatique contenant de l'ARN et des protéines.

Les petits ribozymes ont généralement une longueur de 50 à 150 nucléotides et sont des motifs de séquence de nucléotides auto-clivants. Ceux-ci peuvent être trouvés dans de nombreux virus végétaux à ARN, ainsi que dans le virus de l'hépatite delta, un agent pathogène humain. 

Le processus de réplication dans ces virus produit un long ARN portant plusieurs unités du génome viral où chaque unité porte un petit ribozymes comme une tête de marteau. Ces enzymes en tête de marteau régulièrement espacées subissent un auto-clivage entraînant la rupture du long ARN en segments génomiques individuels.

La plupart des ribozymes clivent leur propre séquence nucléotidique, cependant, la ribonucléase P peut cliver d'autres molécules d'ARN. La ribonucléase P se trouve dans certaines bactéries et traite l'ARNt précurseur pour générer une extrémité 5" mature.

Les ribozymes naturellement disponibles sont connus pour catalyser une gamme étroite de réactions telles que le transfert de phosphoryle dans les acides nucléiques et la formation de liaisons peptidiques dans les protéines. Les scientifiques ont synthétisé des ribozymes artificiels en laboratoire qui peuvent effectuer un large éventail de réactions telles que la formation de liaisons carbone-carbone et les réactions d'oxydoréduction.

11.14 : Ribozymes

Le terme ribozyme est utilisé pour l'ARN qui peut agir comme une enzyme. Les ribozymes se trouvent principalement dans des virus, des bactéries, des organites végétaux et des eucaryotes inférieurs sélectionnés. Les ribozymes ont été découverts pour la première fois en 1982 lorsque le laboratoire de Tom Cech a observé des introns du groupe I agissant comme des enzymes. Cela a été suivi peu de temps par la découverte d'un autre ribozyme, Ribonulcease P, par le laboratoire de Sid Altman. Cech et Altman ont tous deux reçu le prix Nobel de chimie en 1989 pour leurs travaux sur les ribozymes.

Les ribozymes peuvent être classés en deux groupes en fonction de leur taille - grande et petite. Les gros ribozymes peuvent varier en taille de quelques centaines à plusieurs milliers de nucléotides. Les introns de type I et II et la ribonucléase P bactérienne sont de gros ribozymes. Les petits ribozymes ont une longueur de 30 à 150 nucléotides. On les trouve dans de nombreux virus végétaux pathogènes et dans le virus de l'hépatite delta (HDV), un agent pathogène humain. Les satellites Hammerhead, Hairpin, HDV et Varkud sont des types courants de petits ribozymes. La plupart des gros ribozymes ont besoin d'ions métalliques, en particulier Mg 2+ , pour leur activité, mais les ions métalliques ne sont pas nécessaires pour la plupart des petits ribozymes. Les glmS ribozyme, dans glmS L'ARNm est un a-ribozyme unique car il agit également comme un riboswitch lorsque la glucosamine 6-phosphate est présente à des concentrations élevées.

La plupart des ribozymes naturels catalysent l'auto-clivage rompant les liaisons phosphodiester présentes dans leur propre ARN. Contrairement à une enzyme protéique typique, la plupart des ribozymes effectuent une réaction de rotation unique car, après auto-clivage, ils ne sont plus actifs. Cependant, deux ribozymes - Ribonulcease P et l'ARN 23S dans la sous-unité ribosomique 50S effectuent des réactions différentes. La ribonucléase P bactérienne est un complexe ARN-protéine qui a une activité endonucléase et nécessite des ions Mg 2+. Son composant ARN agit sur l'extrémité 5 & 39 de l'ARNt prématuré pour produire l'extrémité 5 & 39 mature. L'ARN 23S présent dans le ribosome est différent de tous les autres ribozymes naturels connus car au lieu de réactions de transfert de phosphoryle, il effectue des réactions de formation de liaisons peptidiques pendant la traduction.

Comme l'ARN peut agir en tant que porteur d'informations génétiques ainsi que d'enzymes, il est supposé qu'un "monde de l'ARN" a pu exister dans le passé où l'ARN a joué un rôle important dans le développement des premières formes de vie. Cependant, avec l'évolution des formes de vie complexes, des protéines à vingt acides aminés pourraient avoir commencé à agir comme des enzymes et pris le relais des nombreuses réactions effectuées par les ribozymes. Cette théorie est soutenue par le in vitro développé des ribozymes artificiels qui peuvent effectuer une myriade de réactions telles que la formation de liaisons amide, la formation de liaisons glycosidiques, la formation de liaisons carbone-carbone et les réactions d'oxydoréduction.


Voir la vidéo: #Animation #Ribozyme Structure and Activity #Molecular Biology of the Gene #SD LIFE SCIENCE (Septembre 2022).