B3 · Expression des gènes
Régulation post-transcriptionnelle : ARN interférence et microARN
Décrire la biogenèse des microARN et le mécanisme de l'ARN interférence. Expliquer le contrôle de la stabilité et de la traduction des ARN messagers et l'usage expérimental de ces mécanismes.
Biologie moléculaire et génome7 min de lecture17 QCM corrigés
Principes de la régulation post-transcriptionnelle
Après sa transcription et sa maturation, un ARN messager, ou ARNm, n'est pas nécessairement traduit immédiatement ni avec la même efficacité pendant toute son existence. La quantité de protéine produite dépend de deux paramètres majeurs :
- sa stabilité, qui détermine sa durée de présence dans le cytoplasme ;
- son efficacité de traduction, qui détermine la fréquence avec laquelle les ribosomes synthétisent la protéine correspondante.
La coiffe en , la queue poly(A) et l'épissage sont étudiés dans la fiche consacrée à la maturation des ARNm ; ici, ils sont considérés comme des caractéristiques déjà acquises de l'ARNm mature.
Cette régulation repose souvent sur l'interaction entre des séquences régulatrices portées par l'ARNm et des facteurs capables de les reconnaître. Ces facteurs peuvent être des protéines liant l'ARN ou de petits ARN régulateurs.
Stabilité et dégradation des ARN messagers
Déterminants de la durée de vie
La demi-vie d'un ARNm est la durée nécessaire pour que la moitié des molécules de cet ARNm présentes initialement disparaisse. Une demi-vie longue permet à une même population d'ARNm d'être traduite de nombreuses fois ; une demi-vie courte autorise au contraire une modification rapide de l'expression du gène.
Les régions non traduites situées en et en , appelées respectivement région non traduite et région non traduite, contiennent fréquemment des séquences régulatrices. Leur reconnaissance peut stabiliser l'ARNm ou favoriser sa dégradation.
La coiffe en et la queue poly(A) protègent les extrémités de l'ARNm contre les enzymes de dégradation. La queue poly(A) est associée à des protéines qui contribuent également au recrutement de la machinerie de traduction.
Voie générale de dégradation
La dégradation cytoplasmique d'un ARNm débute souvent par la désadénylation, c'est-à-dire le raccourcissement de sa queue poly(A). Cette étape diminue sa stabilité et son aptitude à être traduit.
L'ARNm peut ensuite subir :
- un retrait de sa coiffe en , appelé décoiffage, suivi d'une dégradation de vers ;
- une dégradation de vers par un complexe d'exonucléases ;
- une coupure interne, après laquelle les fragments dépourvus de protection sont rapidement éliminés.
Une exonucléase dégrade un ARN à partir de l'une de ses extrémités, tandis qu'une endonucléase réalise une coupure à l'intérieur de la molécule.
Interférence ARN
L'interférence ARN repose sur la reconnaissance d'une séquence par complémentarité des bases. Un petit ARN simple brin sert de guide : il s'apparie avec un ARN cible portant une séquence suffisamment complémentaire. Le complexe effecteur associé peut alors réprimer l'expression de cet ARN.
Le principal complexe effecteur est le complexe de silençage induit par l'ARN, abrégé RISC. Il contient notamment une protéine de la famille Argonaute, qui fixe le petit ARN guide et participe à la reconnaissance de la cible. Chez les mammifères, Argonaute 2 possède une activité endonucléasique capable de couper directement un ARN cible lorsque la complémentarité est très élevée.
Biogenèse des microARN
Formation nucléaire du précurseur
La plupart des gènes de microARN sont transcrits sous la forme d'un long transcrit primaire appelé pri-miARN. Celui-ci contient une région capable de se replier en épingle à cheveux grâce à la complémentarité interne de sa séquence.
Dans le noyau, le complexe formé par l'enzyme Drosha et son partenaire DGCR8 reconnaît cette structure. Drosha coupe le pri-miARN et libère un précurseur plus court, le pré-miARN, constitué d'une tige appariée et d'une boucle terminale.
Le pré-miARN est ensuite transporté du noyau vers le cytoplasme par exportine 5, en association avec la petite protéine Ran liée au GTP.
Maturation cytoplasmique
Dans le cytoplasme, l'enzyme Dicer coupe la boucle du pré-miARN. Elle produit un court duplex d'ARN, c'est-à-dire deux brins complémentaires associés.
Ce duplex est chargé sur une protéine Argonaute. Un seul brin est généralement conservé comme brin guide ; l'autre, appelé brin passager, est éliminé. Argonaute et le brin guide forment alors le cœur du complexe RISC fonctionnel.
Effets des microARN sur les ARN messagers
Chez les animaux, un microARN reconnaît le plus souvent une séquence située dans la région non traduite de l'ARNm. La reconnaissance dépend fortement de la région graine, courte séquence proche de l'extrémité du microARN.
Une complémentarité partielle suffit généralement à recruter des facteurs qui :
- freinent l'initiation de la traduction ;
- raccourcissent la queue poly(A) ;
- favorisent le décoiffage ;
- accélèrent finalement la dégradation de l'ARNm.
Un même microARN peut donc réguler plusieurs ARNm portant des séquences de reconnaissance apparentées. Inversement, un même ARNm peut posséder plusieurs sites reconnus par différents microARN. La régulation obtenue est ainsi combinatoire et graduelle.
Lorsque la complémentarité entre le petit ARN guide et sa cible est presque parfaite, Argonaute 2 peut couper directement l'ARN cible. Les fragments produits sont ensuite dégradés par les exonucléases cellulaires.
MicroARN et petits ARN interférents
Les deux voies convergent vers Dicer, Argonaute et le complexe RISC. Leur différence essentielle réside donc moins dans le complexe effecteur que dans l'origine du petit ARN et dans le degré de complémentarité avec la cible.
Usage expérimental de l'interférence ARN
L'introduction d'un siARN conçu pour être complémentaire d'un ARNm permet de diminuer sélectivement l'expression du gène correspondant. Le siARN est chargé dans RISC, puis le brin guide dirige Argonaute vers l'ARNm cible, qui est coupé ou déstabilisé.
Une extinction plus durable peut être obtenue en faisant produire par la cellule un ARN en courte épingle à cheveux, ou shARN. Après transcription, cet ARN est pris en charge par les mécanismes cellulaires de maturation et fournit un petit ARN guide actif.
Cette stratégie permet d'étudier la fonction d'un gène en observant les conséquences de la diminution de son expression. Elle ne modifie cependant pas nécessairement la séquence de l'ADN.
L'interprétation expérimentale exige de vérifier l'efficacité de la diminution de l'ARNm et de la protéine. Plusieurs séquences guides indépendantes doivent conduire au même effet attendu. Des séquences témoins sont nécessaires, car un petit ARN peut reconnaître imparfaitement d'autres ARNm et produire des effets hors cible.
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