Biogenèse des ribosomes - Ribosome biogenesis

Biogenèse et assemblage des ARNr chez les procaryotes et les eucaryotes. Notamment dans les eucaryotes ARNr 5S est synthétisé par l' ARN polymerase III alors que d' autres molécules d'ARNr eucaryote sont transcrits par l' ARN polymerase I .

La biogenèse des ribosomes est le processus de fabrication des ribosomes . Chez les procaryotes , ce processus se déroule dans le cytoplasme avec la transcription de nombreux opérons du gène du ribosome . Chez les eucaryotes, elle a lieu à la fois dans le cytoplasme et dans le nucléole . Il implique la fonction coordonnée de plus de 200 protéines dans la synthèse et le traitement des trois ARNr procaryotes ou quatre eucaryotes , ainsi que l'assemblage de ces ARNr avec les protéines ribosomiques. La plupart des protéines ribosomiques appartiennent à diverses familles d'enzymes consommatrices d'énergie, notamment les hélicases à ARN dépendantes de l' ATP , les AAA-ATPases , les GTPases et les kinases . Environ 60% de l'énergie d'une cellule est consacrée à la production et à l'entretien des ribosomes.

La biogenèse des ribosomes est un processus très étroitement régulé et étroitement lié à d'autres activités cellulaires telles que la croissance et la division.

Certains ont émis l'hypothèse qu'à l'origine de la vie, la biogenèse des ribosomes est antérieure aux cellules et que les gènes et les cellules ont évolué pour améliorer la capacité de reproduction des ribosomes.

Ribosomes

Les ribosomes sont les machines macromoléculaires responsables de la traduction de l' ARNm en protéines. Le ribosome eucaryote, également appelé ribosome 80S, est composé de deux sous-unités – la grande sous-unité 60S (qui contient le 25S [chez les plantes] ou 28S [chez les mammifères], les ARNr 5.8S et 5S et 46 protéines ribosomiques) et un petite sous-unité 40S (qui contient l'ARNr 18S et 33 protéines ribosomiques). Les protéines ribosomiques sont codées par des gènes ribosomiques.

Procaryotes

Il y a 52 gènes qui codent pour les protéines ribosomiques, et ils peuvent être trouvés dans 20 opérons au sein de l'ADN procaryote. La régulation de la synthèse des ribosomes dépend de la régulation de l' ARNr lui-même.

Premièrement, une réduction de l' aminoacyl-ARNt fera réagir la cellule procaryote en diminuant la transcription et la traduction . Cela se produit par une série d'étapes, en commençant par des facteurs stricts se liant aux ribosomes et catalysant la réaction :
GTP + ATP --> pppGpp + AMP

Le -phosphate est ensuite éliminé et ppGpp se lie à et inhibe l'ARN polymérase. Cette liaison provoque une réduction de la transcription de l'ARNr. Une quantité réduite d'ARNr signifie que les protéines ribosomiques (protéines r) seront traduites mais n'auront pas d'ARNr auquel se lier. Au lieu de cela, ils réagiront négativement et se lieront à leur propre ARNm, réprimant la synthèse de la protéine r. Notez que les protéines r se lient préférentiellement à leur ARNr complémentaire s'il est présent, plutôt qu'à l'ARNm.

Les opérons du ribosome comprennent également les gènes de l' ARN polymérase et des facteurs d'élongation (utilisés dans la traduction de l'ARN). La régulation de tous ces gènes à la fois illustre le couplage entre transcription et traduction chez les procaryotes.

Eucaryotes

La synthèse des protéines ribosomiques chez les eucaryotes est une activité métabolique majeure. Il se produit, comme la plupart des synthèses protéiques, dans le cytoplasme juste à l'extérieur du noyau. Les protéines ribosomiques individuelles sont synthétisées et importées dans le noyau à travers les pores nucléaires . Voir l'importation nucléaire pour en savoir plus sur le mouvement des protéines ribosomiques dans le noyau.

L'ADN est transcrit, à grande vitesse, dans le nucléole , qui contient tous les gènes de l'ARNr 45S. La seule exception est l'ARNr 5S qui est transcrit en dehors du nucléole . Après transcription, les ARNr s'associent aux protéines ribosomiques, formant les deux types de sous-unités ribosomiques (grande et petite). Ceux-ci s'assembleront plus tard dans le cytosol pour former un ribosome fonctionnel. Voir l'exportation nucléaire pour en savoir plus sur le mouvement des sous-unités ribosomiques hors du noyau.

Traitement

Les cellules eucaryotes co-transcrivent trois des espèces d'ARNr matures à travers une série d'étapes. Le processus de maturation des ARNr et le processus de recrutement des protéines r se produisent dans des particules ribosomiques précurseurs, parfois appelées pré-ribosomes, et se déroulent dans le nucléole , le nucléoplasme et le cytoplasme . La levure S. cerevisiae est l'organisme modèle eucaryote pour l'étude de la biogenèse des ribosomes. La biogenèse des ribosomes commence dans le nucléole . Là, les sous-unités 18S, 5.8S et 25S de l'ARNr sont cotranscrites à partir de gènes ribosomiques en tant que transcrit polycistronique par l' ARN polymérase I et sont appelées pré-ARN 35S.

La transcription de la polymérase I commence par un complexe d'initiation Pol I qui se lie au promoteur ADNr . La formation de ce complexe nécessite l'aide d'un facteur d'activation en amont ou UAF qui s'associe à la protéine de liaison TATA-box et au core factor (CF). Ensemble, les deux facteurs de transcription permettent au complexe ARN pol I de se lier au facteur d'initiation de la polymérase I, Rrn3. Au fur et à mesure que le transcrit pol I est produit, environ 75 petites ribonucléoparticules nucléolaires (snoRNP) facilitent les modifications covalentes co-transcriptionnelles de plus de 100 résidus d'ARNr. Ces snoRNP contrôlent la méthylation du 2'-0-ribose des nucléotides et aident également à la création de pseudouridines . À l'extrémité 5' des transcrits d'ARNr, des protéines ribosomiques de petites sous-unités (Rps) et des facteurs non ribosomiques s'assemblent avec les transcrits pré-ARN pour créer des boutons en forme de boule. Ces boutons sont les premières particules pré-ribosomiques dans la voie des petites sous-unités ribosomiques (40S). Le transcrit de l'ARNr est clivé au site A2, ce qui sépare le pré-ribosome 40S précoce du pré-ARNr restant qui se combinera avec les protéines ribosomiques de grande sous-unité (Rpl) et d'autres facteurs non ribosomiques pour créer les particules ribosomiques pré-60S .

sous-unité 40S

L'assemblage transcriptionnel du précurseur de la sous-unité 40 S , parfois appelé petit processome de sous-unité (SSU) ou particule 90S, se produit de manière hiérarchique - essentiellement une incorporation par étapes des sous-complexes UTP-A, UTP-B et UTP-C. Ces sous-complexes sont constitués de plus de 30 facteurs protéiques non ribosomiques, de la particule U3 snoRNP, de quelques protéines Rps et du pré-ARNr 35S. Leur rôle exact, cependant, n'a pas été découvert. La composition de la particule pré-40S change radicalement une fois que le clivage au niveau des sites dépendants du snoRNPA U3 (sites A0, A1 et A2) est effectué. Cet événement de clivage crée le pré-ARNr 20S et provoque la dissociation des facteurs ribosomiques de la particule pré-40S. U3 est déplacé du 40S naissant par l'hélicase Dhr1. À ce stade du processus de biogenèse du ribosome, le pré-ribosome 40S présente déjà les structures « tête » et « corps » de la sous-unité 40S mature. Le pré-ribosome 40S est transporté hors du nucléole et dans le cytoplasme. Le pré-ribosome cytoplasmique 40S contient maintenant des protéines ribosomiques, l'ARNr 20s et quelques facteurs non ribosomiques. La formation finale de la structure du « bec » de la sous-unité 40S se produit après un événement de phosphorylation et de déphosphorylation impliquant le complexe Enp1-Ltv1-Rps3 et la kinase Hrr25. Le clivage du pré-ARNr 20S au site D crée l'ARNr 18s mature. Cet événement de clivage dépend de plusieurs facteurs non ribosomiques tels que Nob1, Rio1, Rio2, Tsr1 et Fap7.

sous-unité 60S

La maturation de la sous-unité pré-60S en une sous-unité mature 60S nécessite de nombreux facteurs de biogenèse qui s'associent et se dissocient. De plus, certains facteurs d'assemblage s'associent à la sous-unité 60S tandis que d'autres n'interagissent avec elle que de manière transitoire. Comme tendance générale, la maturation de la sous-unité pré-60S est marquée par une diminution progressive de la complexité. La sous-unité mûrit au fur et à mesure qu'elle passe du nucléole au cytoplasme et progressivement le nombre de facteurs agissant en trans est réduit. La maturation de la sous-unité 60S nécessite l'aide d'environ 80 facteurs. Huit de ces facteurs sont directement impliqués dans le traitement du pré-ARNr 27S A3, qui achève en fait la formation de l'extrémité 5' mature de l'ARNr 5.8S. Les facteurs A3 se lient à des sites distants sur le pré-ARN ainsi qu'entre eux. Par la suite, ils rapprochent les zones d' ARNr et favorisent le traitement du pré-ARNr et le recrutement de protéines ribosomiques. Trois ATPases de type AAA agissent pour éliminer les facteurs du pré-ribosome 60S en cours de maturation. L'une des ATPases est une protéine Rea1 de type dynéine composée de 6 domaines ATPase différents qui forment une structure en anneau. La structure annulaire est attachée à une queue flexible qui se trouve avoir une pointe MIDAS (site d'adhésion dépendant des ions métalliques). Le Rea1 interagit avec le pré-ribosome 60S via son anneau tandis que deux substrats , Ytm1 et Rsa1, interagissent avec Rea1 via sa pointe MIDAS. Le rôle de ces substrats n'a pas encore été défini. Cependant, les deux, ainsi que leurs interactions, sont supprimés dans le processus de maturation du pré-ribosome 60S. Les deux autres ATPases, Rix7 et Drg1 fonctionnent également pour éliminer les facteurs d'assemblage de la sous-unité 60S en cours de maturation. Les hélicases et les GTPases sont également impliquées dans l'élimination des facteurs d'assemblage et le réarrangement de l'ARN pour former la sous-unité 60S complète. Une fois dans le cytoplasme (voir exportation nucléaire), la sous-unité 60S subit un traitement supplémentaire afin d'être fonctionnelle. Le reste des particules ribosomiques de grande sous-unité s'associe à l'unité 60S et les facteurs d'assemblage non ribosomiques restants se dissocient. La libération des facteurs de biogenèse est principalement médiée par les GTPases telles que Lsg1 et les ATPases telles que Drg1. La séquence précise de ces événements reste incertaine. La voie de la maturation cytoplasmique 60S reste incomplète au regard des connaissances actuelles.

Exportation nucléaire

Pour que les unités pré-ribosomiques atteignent leur pleine maturité, elles doivent être exportées vers le cytoplasme . Pour passer efficacement du nucléole au cytoplasme, les pré-ribosomes interagissent avec les récepteurs d'exportation pour se déplacer à travers le canal central hydrophobe du complexe de pores nucléaires. Le karyophérine GRC1 est le récepteur pour les deux sous - unités ribosomiques et médie l' exportation dans un Ran-GTP manière dépendante. Il reconnaît les molécules qui ont des signaux d'exportation nucléaire riches en leucine . Le Crm1 est attiré vers la grande sous-unité 60S à l'aide d'une protéine adaptatrice appelée Nmd3. La protéine adaptatrice pour l'unité 40S est inconnue. En plus de Crm1, d'autres facteurs jouent un rôle dans l'exportation nucléaire des pré-ribosomes. Un récepteur général d'exportation d'ARNm, appelé Mex67, ainsi qu'une protéine contenant une répétition de HEAT, Rrp12, facilitent l'exportation des deux sous-unités. Ces facteurs sont des protéines non essentielles et permettent d'optimiser l'export des pré-ribosomes puisqu'il s'agit de grosses molécules.

Contrôle de qualité

Parce que les ribosomes sont si complexes, un certain nombre de ribosomes sont mal assemblés et pourraient potentiellement gaspiller de l'énergie et des ressources cellulaires lors de la synthèse de protéines non fonctionnelles. Pour éviter cela, les cellules disposent d'un système de surveillance active pour reconnaître les ribosomes endommagés ou défectueux et les cibler pour la dégradation. Le mécanisme de surveillance est en place pour détecter les pré-ribosomes non fonctionnels ainsi que les ribosomes matures non fonctionnels. De plus, le système de surveillance apporte le matériel de dégradation nécessaire et dégrade effectivement les ribosomes non fonctionnels. Les pré-ribosomes qui s'accumulent dans le noyau sont détruits par l' exosome , qui est un complexe multi-sous-unités avec une activité exonucléase . Si des sous-unités ribosomiques défectueuses parviennent à sortir du nucléole et à pénétrer dans le cytoplasme, un deuxième système de surveillance est en place pour cibler les ribosomes défectueux dans le cytoplasme en vue de leur dégradation. Certaines mutations dans les résidus de la grande sous-unité du ribosome entraîneront en fait une dégradation de l'ARN et donc une dégradation de l'unité. Étant donné que le nombre de défauts possibles dans l'assemblage des ribosomes est si important, on ne sait toujours pas comment le système de surveillance détecte tous les défauts, mais il a été postulé qu'au lieu de cibler des défauts spécifiques, le système de surveillance reconnaît les conséquences de ces défauts. – tels que les retards de montage. Autrement dit, s'il y a une perturbation dans l'assemblage ou la maturation d'un ribosome mature, le système de surveillance agira comme si la sous-unité était défectueuse.

Maladie humaine

Des mutations dans la biogenèse des ribosomes sont liées à plusieurs maladies génétiques de la ribosomopathie humaine , y compris les syndromes héréditaires d'insuffisance médullaire, qui se caractérisent par une prédisposition au cancer et un nombre réduit de cellules sanguines. La dérégulation ribosomique peut également jouer un rôle dans la fonte musculaire .

Voir également

• ARN polymérase

Les références