Utilisation du codon et Organisation du cytoplasme de la cellule
Comme le code génétique est redondant, les séquences codantes présentent des modèles d’utilisation du codon très variables. S’il n’y avait pas de biais, tous les codons pour un acide aminé donné devraient être utilisés de manière plus ou moins égale. Les gènes de B. subtilis ont été divisés en trois classes sur la base de leur biais d’utilisation de codon. Une classe comprend la majeure partie des protéines, une autre est constituée de gènes exprimés à un niveau élevé lors d’une croissance exponentielle, et une troisième classe, avec des codons riches en A + T, correspond à des parties du génome qui ont été échangées horizontalement. Quelle est la source de ces biais? On s’attendrait à ce que des mutations aléatoires aient atténué les différences, mais ce n’est pas le cas. Il existe également des effets systématiques du contexte, certaines séquences d’ADN étant favorisées ou sélectionnées contre.
Le cytoplasme d’une cellule n’est pas un minuscule tube à essai. L’une des caractéristiques les plus déroutantes de l’organisation du cytoplasme est qu’il accueille la présence d’une très longue molécule en forme de fil, l’ADN, qui est transcrite pour générer une multitude de fils d’ARN qui sont généralement aussi longs que la longueur de la cellule entière. Si les molécules d’ARNm étaient laissées libres dans le cytoplasme, toutes sortes de structures nouées apparaîtraient. Il doit donc exister des principes organisationnels qui empêchent les molécules d’ARNm et l’ADN de s’enchevêtrer. Plusieurs modèles, étayés par des expériences, postulent un arrangement où des régions transcrites sont présentes à la surface d’un chromoïde, de telle sorte que l’ARN polymérase n’a pas à circonscrire la double hélice lors de la transcription. La compartimentation est importante même pour les petites molécules, malgré le fait qu’elles peuvent diffuser rapidement. Dans une cellule de B. subtilis en croissance exponentielle en milieu riche, les ribosomes occupent plus de 15% du volume de la cellule. Le cytoplasme est donc un réseau de ribosomes, dans lequel les vitesses de diffusion locales des petites molécules, ainsi que des macromolécules, sont relativement lentes. Dans le même ordre d’idées, la concentration en protéines calculée de la cellule est de ca. 100-200 mg ml-1, une concentration très élevée.
La machinerie translationnelle nécessite un pool approprié de facteurs d’élongation, d’aminoacyl-ARNt synthétases et d’ARNT. En comptant le nombre de molécules d’ARNt adjacentes à un ribosome donné, on conceptualise un petit nombre fini de molécules. En conséquence, un ribosome traduisant est un attracteur qui agit sur un pool limité de molécules d’ARNt. Cette situation fournit une forme de pression sélective, dont le résultat serait l’adaptation du biais d’utilisation du codon du message traduit en fonction de sa position dans le cytoplasme. Si le biais d’utilisation du codon devait passer de l’ARNm à l’ARNm, ces différentes molécules ne verraient pas les mêmes ribosomes pendant le cycle de vie. En particulier, si deux gènes avaient des schémas d’utilisation de codon très différents, cela permettrait de prédire que les ARNM correspondants ne se forment pas dans le même secteur du cytoplasme.
Lorsque des fils d’ARNm émergent de l’ADN, ils s’engagent par le réseau de ribosomes, et ils cliquetent d’un ribosome à l’autre, comme un fil dans une machine à tréfiler (notez que c’est exactement à l’opposé de la vue de la traduction présentée dans les manuels, où les ribosomes sont censés voyager le long de molécules d’ARNm fixes). Dans ce processus, des protéines naissantes sont synthétisées sur chaque ribosome et se propagent dans tout le cytoplasme par la diffusion linéaire de la molécule d’ARNm d’un ribosome à l’autre. Cependant, lorsque l’ARNm se désengage de l’ADN, le complexe de transcription doit parfois se briser. L’ARNm cassé est susceptible d’être une molécule dangereuse car, s’il était traduit, il produirait une protéine tronquée. De tels fragments de protéines sont souvent toxiques, car ils peuvent perturber l’architecture des complexes multisubunitaires (cela explique pourquoi de nombreux mutants non-sens sont dominants négatifs, plutôt que récessifs). Il existe un processus qui permet de faire face à ce genre d’accident chez B. subtilis. Lorsqu’une molécule d’ARNm terminée prématurément atteint son extrémité, le ribosome cesse de se traduire, ne se dissocie pas et attend. Un ARN spécialisé, l’arNMT, qui est plié et traité à son extrémité 3′ comme un ARNt et chargé d’alanine, entre, insère son alanine à l’extrémité C du polypeptide naissant, puis remplace l’ARNm dans un ribosome, où il est traduit par ASFNQNVALAA. Cette queue est une étiquette protéique qui est ensuite utilisée pour la diriger vers un complexe protéolytique (ClpA, ClpX), où elle est dégradée.
L’organisation du réseau de ribosomes, couplée à l’organisation de la surface de transcription du chromoïde, assure que les molécules d’ARNm sont traduites parallèlement les unes aux autres, de manière à ne pas faire de nœuds. Les opérons polycistroniques assurent que les protéines ayant des fonctions connexes sont coexprimées localement, ce qui permet de canaliser les intermédiaires de voie correspondants. De cette façon, la structure des molécules d’ARNm est couplée à leur destin dans la cellule, et à leur fonction dans la compartimentation. Les gènes traduits séquentiellement dans les opérons sont physiologiquement et structurellement connectés. Cela est également vrai pour les ARNM qui sont traduits parallèlement les uns aux autres, ce qui suggère que plusieurs ARN polymérases sont engagées dans le processus de transcription simultanément, attachées comme des animaux de trait. En effet, s’il existe une corrélation de fonction et/ou de localisation dans une dimension, il existe une contrainte similaire dans les directions orthogonales. Parce que les ribosomes attirent les molécules d’ARNt, ils provoquent un couplage local entre ces molécules et les codons traduits. Cela prédit qu’un ribosome donné traduirait préférentiellement des ARNM ayant des modèles similaires d’utilisation des codon. En conséquence, à mesure que l’on s’éloigne d’un ribosome fortement biaisé, il y aurait de moins en moins de disponibilité des ARNT les plus biaisés. Cela crée une pression de sélection pour un gradient d’utilisation des codon à mesure que l’on s’éloigne des messages et des ribosomes les plus biaisés, imbriquant les transcrits autour du (des) noyau(s) central(s), formé(s) de transcrits pour des gènes fortement biaisés. Enfin, la synthèse des ribosomes crée une force répulsive qui éloigne les brins d’ADN les uns des autres, en particulier des régions proches de l’origine de la réplication. Ensemble, ces processus aboutissent à un gradient génétique le long du chromosome, qui est un élément important de l’architecture de la cellule.