Traduction (biologie) - Translation (biology)

Présentation de la traduction de l'ARN messager eucaryote
Schéma montrant la traduction d'ARNm et la synthèse de protéines par un ribosome
Étapes d'initiation et d'élongation de la traduction vues en zoomant sur les bases azotées de l'ARN, le ribosome, l'ARNt et les acides aminés, avec de courtes explications.
Les trois phases de la polymérase d'initiation de la traduction se fixent au brin d'ADN et se déplacent jusqu'à ce que la petite sous-unité ribosomique se lie à l'ADN. L'allongement est amorcé lorsque la grande sous-unité s'attache et que la terminaison met fin au processus d'allongement.

En biologie moléculaire et en génétique , la traduction est le processus par lequel les ribosomes du cytoplasme ou du réticulum endoplasmique synthétisent des protéines après le processus de transcription de l' ADN en ARN dans le noyau de la cellule . L'ensemble du processus est appelé expression génique .

En traduction, l'ARN messager (ARNm) est décodé dans un ribosome, à l'extérieur du noyau, pour produire une chaîne d' acides aminés spécifique , ou polypeptide . Le polypeptide se replie ensuite en une protéine active et remplit ses fonctions dans la cellule. Le ribosome facilite le décodage en induisant la liaison de séquences d' anticodons d' ARNt complémentaires aux codons d' ARNm . Les ARNt portent des acides aminés spécifiques qui sont enchaînés ensemble dans un polypeptide lorsque l'ARNm passe à travers et est « lu » par le ribosome.

La traduction se déroule en trois phases :

  1. Initiation : Le ribosome s'assemble autour de l'ARNm cible. Le premier ARNt est attaché au codon de départ .
  2. Elongation : Le dernier ARNt validé par la petite sous-unité ribosomique ( accommodation ) transfère l'acide aminé qu'il porte à la grande sous-unité ribosomique qui le lie à celui de l'ARNt précédemment admis ( transpeptidation ). Le ribosome passe ensuite au codon d'ARNm suivant pour continuer le processus ( translocation ), créant une chaîne d'acides aminés.
  3. Terminaison : Lorsqu'un codon stop est atteint, le ribosome libère le polypeptide. Le complexe ribosomique reste intact et passe au prochain ARNm à traduire.

Chez les procaryotes (bactéries et archées), la traduction se produit dans le cytosol, où les grandes et petites sous-unités du ribosome se lient à l'ARNm. Chez les eucaryotes , la traduction se produit dans le cytoplasme ou à travers la membrane du réticulum endoplasmique dans un processus appelé translocation co-traductionnelle . Dans la translocation co-traductionnelle, l'ensemble du complexe ribosome/ARNm se lie à la membrane externe du réticulum endoplasmique rugueux (RE) et la nouvelle protéine est synthétisée et libérée dans le RE ; le polypeptide nouvellement créé peut être stocké à l'intérieur du RE pour le transport futur des vésicules et la sécrétion à l'extérieur de la cellule, ou immédiatement sécrété.

De nombreux types d'ARN transcrits, tels que l'ARN de transfert, l'ARN ribosomique et le petit ARN nucléaire, ne subissent pas de traduction en protéines.

Un certain nombre d' antibiotiques agissent en inhibant la traduction. Ceux-ci comprennent l' anisomycine , le cycloheximide , le chloramphénicol , la tétracycline , la streptomycine , l' érythromycine et la puromycine . Les ribosomes procaryotes ont une structure différente de celle des ribosomes eucaryotes, et donc les antibiotiques peuvent cibler spécifiquement les infections bactériennes sans nuire aux cellules d'un hôte eucaryote .

Mécanismes de base

Ribosome traduisant une protéine sécrétée dans le réticulum endoplasmique . Les ARNt sont colorés en bleu foncé.
Structure tertiaire de l'ARNt. Queue CCA en jaune, tige accepteur en violet, boucle variable en orange, bras D en rouge, bras Anticodon en bleu avec Anticodon en noir, bras en T en vert.

Le processus de base de la production de protéines est l'ajout d'un acide aminé à la fois à la fin d'une protéine. Cette opération est réalisée par un ribosome . Un ribosome est composé de deux sous-unités, une petite sous-unité et une grande sous-unité. Ces sous-unités se réunissent avant la traduction de l'ARNm en une protéine pour fournir un emplacement pour la traduction à effectuer et un polypeptide à produire. Le choix du type d'acide aminé à ajouter est déterminé par une molécule d' ARNm . Chaque acide aminé ajouté correspond à une sous-séquence de trois nucléotides de l'ARNm. Pour chaque triplet possible, l'acide aminé correspondant est accepté. Les acides aminés successifs ajoutés à la chaîne correspondent à des triplets nucléotidiques successifs dans l'ARNm. De cette manière, la séquence de nucléotides dans la chaîne d'ARNm matrice détermine la séquence d'acides aminés dans la chaîne d'acides aminés générée. L'addition d'un acide aminé se produit à l' extrémité N-terminale du peptide et ainsi la traduction est dite être dirigée carboxyle-à-amino.

L'ARNm transporte des informations génétiques codées sous la forme d'une séquence de ribonucléotides des chromosomes aux ribosomes. Les ribonucléotides sont « lus » par la machinerie traductionnelle dans une séquence de triplets de nucléotides appelés codons. Chacun de ces triplets code pour un acide aminé spécifique .

Les molécules du ribosome traduisent ce code en une séquence spécifique d'acides aminés. Le ribosome est une structure multi-sous-unités contenant de l' ARNr et des protéines. C'est "l'usine" où les acides aminés sont assemblés en protéines. Les ARNt sont de petites chaînes d'ARN non codantes (74 à 93 nucléotides) qui transportent les acides aminés vers le ribosome. Les ARNt ont un site pour la fixation des acides aminés et un site appelé anticodon. L'anticodon est un triplet d'ARN complémentaire du triplet d'ARNm qui code pour leur acide aminé cargo .

Les aminoacyl ARNt synthétases ( enzymes ) catalysent la liaison entre des ARNt spécifiques et les acides aminés que réclament leurs séquences d'anticodons. Le produit de cette réaction est un aminoacyl-ARNt . Chez les bactéries, cet aminoacyl-ARNt est transporté vers le ribosome par EF-Tu , où les codons d'ARNm sont appariés par appariement de bases complémentaires à des anticodons d' ARNt spécifiques . Les aminoacyl-ARNt synthétases qui associent mal les ARNt avec les mauvais acides aminés peuvent produire des aminoacyl-ARNt mal chargés, ce qui peut entraîner des acides aminés inappropriés à la position respective dans la protéine. Cette « erreur de traduction » du code génétique se produit naturellement à de faibles niveaux dans la plupart des organismes, mais certains environnements cellulaires provoquent une augmentation du décodage permissif des ARNm, parfois au profit de la cellule.

Le ribosome possède deux sites de liaison pour l'ARNt. Il s'agit du site aminoacyle (en abrégé A), du site peptidyle/site de sortie (en abrégé P/E). En ce qui concerne l'ARNm, les trois sites sont orientés de 5' à 3' EPA, car les ribosomes se déplacent vers l'extrémité 3' de l'ARNm. Le site A lie l'ARNt entrant avec le codon complémentaire sur l'ARNm. Le site P/E contient l'ARNt avec la chaîne polypeptidique en croissance. Lorsqu'un aminoacyl-ARNt se lie initialement à son codon correspondant sur l'ARNm, il se trouve dans le site A. Ensuite, une liaison peptidique se forme entre l'acide aminé de l'ARNt dans le site A et l'acide aminé de l'ARNt chargé dans le site P/E. La chaîne polypeptidique en croissance est transférée à l'ARNt dans le site A. La translocation se produit, déplaçant l'ARNt dans le site P/E, maintenant sans acide aminé ; l'ARNt qui était dans le site A, maintenant chargé de la chaîne polypeptidique, est déplacé vers le site P/E et l'ARNt quitte et un autre aminoacyl-ARNt pénètre dans le site A pour répéter le processus.

Après l'ajout du nouvel acide aminé à la chaîne, et après que l'ARNt soit libéré du ribosome et dans le cytosol, l'énergie fournie par l'hydrolyse d'un GTP lié à la translocase EF-G (chez les bactéries ) et a/eEF -2 (chez les eucaryotes et les archées ) déplace le ribosome d'un codon vers l' extrémité 3' . L'énergie nécessaire à la traduction des protéines est importante. Pour une protéine contenant n acides aminés, le nombre de liaisons phosphate de haute énergie nécessaires à sa traduction est de 4 n -1. Le taux de traduction varie; il est significativement plus élevé dans les cellules procaryotes (jusqu'à 17 à 21 résidus d'acides aminés par seconde) que dans les cellules eucaryotes (jusqu'à 6 à 9 résidus d'acides aminés par seconde).

Même si les ribosomes sont généralement considérés comme des machines précises et processives, le processus de traduction est sujet à des erreurs qui peuvent conduire soit à la synthèse de protéines erronées, soit à l'abandon prématuré de la traduction. Le taux d'erreur dans la synthèse des protéines a été estimé entre 1/10 5 et 1/10 3 d' acides aminés mal incorporés, selon les conditions expérimentales. Le taux d'abandon prématuré de la traduction, au contraire, a été estimé à l'ordre de grandeur de 10 -4 événements par codon traduit. L'acide aminé correct est lié de manière covalente à l' ARN de transfert correct (ARNt) par des amino acyl transférases. L'acide aminé est relié par son groupe carboxyle au 3' OH de l'ARNt par une liaison ester . Lorsque l'ARNt est lié à un acide aminé, l'ARNt est dit « chargé ». L'initiation implique la petite sous-unité du ribosome qui se lie à l'extrémité 5' de l'ARNm à l'aide de facteurs d'initiation (IF). Chez les bactéries et une minorité d'archées, l'initiation de la synthèse des protéines implique la reconnaissance d'une séquence d'initiation riche en purines sur l'ARNm appelée séquence Shine-Delgarno. La séquence Shine-Delgarno se lie à une séquence complémentaire riche en pyrimidine à l'extrémité 3' de la partie ARNr 16S de la sous-unité ribosomique 30S. La liaison de ces séquences complémentaires garantit que la sous-unité ribosomique 30S est liée à l'ARNm et est alignée de telle sorte que le codon d'initiation est placé dans la partie 30S du site P. Une fois que l'ARNm et la sous-unité 30S sont correctement liés, un facteur d'initiation amène le complexe ARNt-acide aminé initiateur, f-Met-ARNt, au site 30S P. La phase d'initiation est terminée une fois qu'une sous-unité 50S rejoint la sous-unité 30, formant un ribosome 70S actif. La terminaison du polypeptide se produit lorsque le site A du ribosome est occupé par un codon d'arrêt (UAA, UAG ou UGA) sur l'ARNm. L'ARNt ne peut généralement pas reconnaître ou se lier aux codons d'arrêt. Au lieu de cela, le codon stop induit la liaison d'une protéine de facteur de libération . (RF1 & RF2) qui provoque le désassemblage de l'ensemble du complexe ribosome/ARNm par l'hydrolyse de la chaîne polypeptidique du centre peptidyl transférase du ribosome Des médicaments ou des motifs de séquence spéciaux sur l'ARNm peuvent modifier la structure ribosomique de sorte que les ARNt proches sont liés au codon stop au lieu des facteurs de libération. Dans de tels cas de « lecture traductionnelle », la traduction se poursuit jusqu'à ce que le ribosome rencontre le prochain codon d'arrêt.

Le processus de traduction est hautement régulé dans les organismes eucaryotes et procaryotes. La régulation de la traduction peut avoir un impact sur le taux global de synthèse protéique qui est étroitement lié à l'état métabolique et prolifératif d'une cellule. De plus, des travaux récents ont révélé que les différences génétiques et leur expression ultérieure en tant qu'ARNm peuvent également avoir un impact sur le taux de traduction d'une manière spécifique à l'ARN.

Signification clinique

Le contrôle translationnel est essentiel pour le développement et la survie du cancer . Les cellules cancéreuses doivent fréquemment réguler la phase de traduction de l'expression des gènes, bien qu'on ne comprenne pas entièrement pourquoi la traduction est ciblée sur des étapes telles que la transcription. Alors que les cellules cancéreuses ont souvent des facteurs de traduction génétiquement modifiés, il est beaucoup plus courant que les cellules cancéreuses modifient les niveaux de facteurs de traduction existants. Plusieurs voies de signalisation oncogènes majeures, notamment les voies RAS–MAPK , PI3K/AKT/mTOR , MYC et WNT–β-caténine , reprogramment finalement le génome via la traduction. Les cellules cancéreuses contrôlent également la traduction pour s'adapter au stress cellulaire. Pendant le stress, la cellule traduit des ARNm qui peuvent atténuer le stress et favoriser la survie. Un exemple de ceci est l'expression de l' AMPK dans divers cancers ; son activation déclenche une cascade qui peut finalement permettre au cancer d'échapper à l' apoptose (mort cellulaire programmée) déclenchée par la privation nutritionnelle. Les futures thérapies anticancéreuses pourraient impliquer de perturber la machinerie de traduction de la cellule pour contrer les effets en aval du cancer.

Modélisation mathématique de la traduction

Chiffre M0. Le modèle M0 de base et le plus simple de la synthèse des protéines. Ici, *M - quantité d'ARNm avec site d'initiation de la traduction non occupé par l'assemblage du ribosome, *F - quantité d'ARNm avec site d'initiation de la traduction occupé par l'assemblage du ribosome, *R - quantité de ribosomes assis sur les protéines synthétisant l'ARNm, *P - quantité de protéines synthétisées.
Chiffre M1'. Le modèle étendu de synthèse protéique M1 avec présentation explicite de la liaison 40S, 60S et facteurs d'initiation (IF).

La description du processus de transcription-traduction, ne mentionnant que les processus « élémentaires » les plus élémentaires, comprend :

  1. production de molécules d'ARNm (y compris l'épissage),
  2. l'initiation de ces molécules à l'aide de facteurs d'initiation (par exemple, l'initiation peut inclure l'étape de circularisation bien qu'elle ne soit pas universellement requise),
  3. initiation de la traduction, recrutement de la petite sous-unité ribosomique,
  4. assemblage de ribosomes complets,
  5. élongation (c'est-à-dire mouvement des ribosomes le long de l'ARNm avec production de protéines),
  6. fin de la traduction,
  7. dégradation des molécules d'ARNm,
  8. dégradation des protéines.

Le processus de construction d'acides aminés pour créer des protéines en traduction fait l'objet de divers modèles physiques depuis longtemps à partir des premiers modèles cinétiques détaillés tels que ou autres prenant en compte les aspects stochastiques de la traduction et utilisant des simulations informatiques. De nombreux modèles de synthèse des protéines basés sur la cinétique chimique ont été développés et analysés au cours des quatre dernières décennies. Au-delà de la cinétique chimique, divers formalismes de modélisation tels que le processus d'exclusion simple totalement asymétrique (TASEP) , les réseaux booléens probabilistes (PBN) , les réseaux de Petri et l' algèbre max-plus ont été appliqués pour modéliser la cinétique détaillée de la synthèse des protéines ou certaines de ses étapes. Un modèle de base de synthèse des protéines qui prend en compte les huit processus « élémentaires » a été développé, suivant le paradigme selon lequel « les modèles utiles sont simples et extensibles ». Le modèle M0 le plus simple est représenté par le mécanisme cinétique de réaction (Figure M0). Il a été généralisé pour inclure 40S, 60S et la liaison des facteurs d'initiation (IF) (Figure M1'). Il a été étendu pour inclure l'effet du microARN sur la synthèse des protéines. La plupart des modèles de cette hiérarchie peuvent être résolus analytiquement. Ces solutions ont été utilisées pour extraire des « signatures cinétiques » de différents mécanismes spécifiques de régulation de la synthèse.

Code génétique

Alors que d'autres aspects tels que la structure 3D, appelée structure tertiaire , de la protéine ne peuvent être prédits qu'à l'aide d'algorithmes sophistiqués , la séquence d'acides aminés, appelée structure primaire , peut être déterminée uniquement à partir de la séquence d'acides nucléiques à l'aide d'une table de traduction .

Cette approche peut ne pas donner la composition correcte en acides aminés de la protéine, en particulier si des acides aminés non conventionnels tels que la sélénocystéine sont incorporés dans la protéine, qui est codée par un codon d'arrêt conventionnel en combinaison avec une épingle à cheveux en aval (SElenoCysteine ​​Insertion Sequence, ou SECIS).

Il existe de nombreux programmes informatiques capables de traduire une séquence d'ADN/ARN en une séquence protéique. Normalement, cela est effectué en utilisant le code génétique standard, cependant, peu de programmes peuvent gérer tous les cas "spéciaux", tels que l'utilisation des codons d'initiation alternatifs qui sont biologiquement significatifs. Par exemple, le rare codon de départ alternatif CTG code pour la méthionine lorsqu'il est utilisé comme codon de départ, et pour la leucine dans toutes les autres positions.

Exemple : Table de traduction condensée pour le code génétique standard (de la page Web de taxonomie du NCBI ).

 AAs    = FFLLSSSSYY**CC*WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVAAAADDEEGGGG
 Starts = ---M---------------M---------------M----------------------------
 Base1  = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG
 Base2  = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG
 Base3  = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG

La ligne "Starts" indique trois codons de départ, UUG, CUG et le très courant AUG. Il indique également le premier résidu d'acide aminé lorsqu'il est interprété comme un début : dans ce cas, il s'agit entièrement de méthionine.

Tables de traduction

Même lorsque l'on travaille avec des séquences eucaryotes ordinaires telles que le génome de la levure , on souhaite souvent pouvoir utiliser des tables de traduction alternatives, à savoir pour la traduction des gènes mitochondriaux. Actuellement, les tables de traduction suivantes sont définies par le NCBI Taxonomy Group pour la traduction des séquences dans GenBank :

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Champe PC, Harvey RA, Ferrier DR (2004). Revues Illustrées de Lippincott : Biochimie (3e éd.). Hagerswon, MD : Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 0-7817-2265-9.
  • Cox M, Nelson DR, Lehninger AL (2005). Principes de biochimie de Lehninger (4e éd.). San Francisco... : WH Freeman. ISBN 0-7167-4339-6.
  • Malys N, McCarthy JE (mars 2011). « Initiation à la traduction : des variations dans le mécanisme peuvent être anticipées ». Sciences de la vie cellulaire et moléculaire . 68 (6) : 991–1003. doi : 10.1007/s00018-010-0588-z . PMID  21076851 . S2CID  31720000 .

Liens externes