La photo montre un ribozyme ARN polymérase qui serait impliqué dans l’origine de la vie. Le ribozyme est montré congelé dans la glace pour symboliser la façon dont il a été congelé à temps pour l’imagerie et comment il fonctionne mieux dans des conditions glaciales. Le site actif est mis en évidence par une lumière jaune/rouge et la position proposée de l’hélice modèle-produit est affichée en transparent. Crédit : Rune Kidmose
ARN on pense qu’il a déclenché l’origine de la vie en s’autocopiant. Des chercheurs de Université d’Aarhus, Danemark, et MRC LMB Cambridge, Angleterre, ont révélé la structure atomique d’une « machine à copier l’ARN » grâce à la cryo-EM. Cette percée met en lumière un monde primordial de l’ARN et alimente les progrès de la nanotechnologie et de la médecine de l’ARN.
La question de savoir comment la machinerie moléculaire complexe de la vie est née à partir de simples débuts est une question de longue date.
Plusieurs éléments de preuve pointent vers un « monde de l’ARN » primordial, dans lequel une « machine à copier l’ARN » (appelée réplicase) a commencé à faire des copies d’elle-même et d’autres molécules d’ARN pour relancer l’évolution et la vie elle-même. Cependant, l’ancienne réplicase semble avoir été perdue avec le temps et son rôle dans la biologie moderne a été repris par des machines protéiques plus efficaces.
Pour étayer l’hypothèse du monde de l’ARN, les chercheurs ont cherché à recréer un équivalent de la réplicase de l’ARN en laboratoire.
Bien que de tels « doubles » moléculaires de l’ancienne réplicase aient été découverts, leur structure moléculaire détaillée et leur mode d’action sont restés insaisissables en raison de la difficulté de déterminer la structure des molécules d’ARN dynamiques.
Structure d’une réplicase d’ARN aimant la glace
Dans un document de recherche publié dans PNASune équipe de chercheurs rapporte désormais la première structure atomique d’une réplicase d’ARN par microscopie électronique cryogénique (cryo-EM).
La réplicase d’ARN étudiée a été développée par le laboratoire Holliger (MRC LMB Cambridge, Royaume-Uni) pour être efficace dans la copie de longues matrices à l’aide de triplets de nucléotides dans la phase eutectique de glace (semblable à la neige fondante). De retour d’études postdoctorales au laboratoire Holliger, Emil L. Kristoffersen, actuellement professeur adjoint à l’Université d’Aarhus, a facilité une collaboration avec le laboratoire Andersen (Université d’Aarhus, Danemark) pour déterminer la structure de la réplicase de l’ARN par cryo-EM.
Il est intéressant de noter que la structure présente des similitudes frappantes avec les polymérases à base de protéines, avec des domaines de liaison aux modèles, de polymérisation et de discrimination des substrats disposés sous une forme moléculaire ressemblant à une main ouverte.
« Il était surprenant de constater qu’un ribozyme que nous avons développé artificiellement dans le tube à essai présenterait les caractéristiques des protéines polymérases naturelles. Cela indique que l’évolution peut découvrir des solutions moléculaires convergentes, peu importe qu’il s’agisse d’ARN ou de protéines », explique Philipp Holliger, responsable du programme au MRC LMB Cambridge, Royaume-Uni.
Modèle de synthèse d’ARN dans un monde d’ARN
Pour mieux comprendre le fonctionnement de la réplicase d’ARN, les chercheurs ont réalisé une étude mutationnelle complète pour mettre en évidence les éléments cruciaux de la structure de l’ARN. Cette analyse a confirmé les caractéristiques du site catalytique mais a également révélé l’importance de deux interactions dites en boucle de baiser, qui lient ensemble l’échafaudage et les sous-unités catalytiques, ainsi que l’importance d’un domaine d’ARN spécifique pour la fidélité, à savoir le précision avec lequel la réplicase copie les brins d’ARN.
Bien que les chercheurs n’aient pas pu déterminer la structure de la réplicase « en action » tout en copiant activement l’ARN, il a été possible de construire un modèle de copie d’ARN basé sur l’ARN qui soit cohérent avec toutes les données expérimentales.
« Cryo-EM est une méthode puissante pour étudier la structure et les caractéristiques dynamiques des molécules d’ARN. En combinant les données cryo-EM avec des expériences, nous avons pu construire un modèle du fonctionnement interne de cette machine à ARN complexe », explique Ewan McRae, qui a effectué les travaux sur la cryo-EM en tant que postdoctorant au laboratoire Andersen de l’Université d’Aarhus, mais qui a a maintenant créé son propre groupe de recherche au Houston Methodist Research Institute, au Texas, aux États-Unis.
Inspiration pour la nanotechnologie de l’ARN et la médecine
L’étude fournit un premier aperçu passionnant d’une réplicase d’ARN qui résiderait à la racine même de l’arbre de vie. Les réplicases basées sur l’ARN actuellement développées sont cependant très inefficaces (comparées aux polymérases basées sur les protéines) et ne peuvent pas encore soutenir leur propre réplication et évolution. Les informations structurelles fournies par l’étude rapportée pourraient aider à concevoir des mécanismes de réplication plus efficaces et ainsi nous rapprocher du développement de scénarios du monde de l’ARN dans le tube à essai.
« Les propriétés des réplicases d’ARN peuvent être encore améliorées en utilisant des modifications chimiques qui pourraient exister dans un monde à ARN. En outre, la recherche sur l’origine de la vie conduit à la découverte de plusieurs nouveaux éléments constitutifs de l’ARN qui pourraient être utilisés dans le domaine émergent de la nanotechnologie de l’ARN et de la médecine », explique Ebbe Sloth Andersen, professeur associé à l’Université d’Aarhus, au Danemark.
La recherche a été financée par le Fonds de recherche indépendant du Danemark (9040-00425B), la Fondation Novo Nordisk (NNF21OC0070452), le Conseil canadien de recherches en sciences naturelles et en génie (532417), la Fondation Carlsberg (CF20-0635, CF17-0809), la Fondation Lundbeck (R250- 2017-1502), Medical Research Council, dans le cadre de United Kingdom Research and Innovation (également connu sous le nom de UK Research and Innovation (UKRI)) (MC_U105178804), Fondation Volkswagen (96 755), bourse Herchel Smith (2017) et Marie Curie bourse (H2020-MSCA-IF-2018-845303).
