Le monde de l’ARN comme précurseur de la vie moderne en bref. La vie a commencé avec l'ARN
Candidat en sciences biologiques S. GRIGOROVICH.
À l’aube de l’histoire, lorsque l’homme a acquis la raison, et avec elle la capacité de penser de manière abstraite, il est devenu captif d’un besoin irrésistible de tout expliquer. Pourquoi le Soleil et la Lune brillent-ils ? Pourquoi les rivières coulent-elles ? Comment fonctionne le monde ? Bien entendu, l’une des questions les plus importantes était la question de l’essence de la vie. La différence marquée entre les vivants et les grands et les morts et les immobiles était trop frappante pour être ignorée.
Le premier virus décrit par D. Ivanovsky en 1892 était le virus de la mosaïque du tabac. Grâce à cette découverte, il est devenu évident qu'il existe des êtres vivants plus primitifs que la cellule.
Microbiologiste russe D. I. Ivanovsky (1864-1920), fondateur de la virologie.
En 1924, A. I. Oparin (1894-1980) a suggéré que dans l'atmosphère de la jeune Terre, composée d'hydrogène, de méthane, d'ammoniac, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, des acides aminés pourraient être synthétisés, qui se combineraient ensuite spontanément en protéines.
Le biologiste américain Oswald Avery a démontré de manière convaincante lors d'expériences sur des bactéries que ce sont les acides nucléiques qui sont responsables de la transmission des propriétés héréditaires.
Structure comparée de l'ARN et de l'ADN.
Structure spatiale bidimensionnelle du ribozyme de l'organisme protozoaire Tetrahymena.
Représentation schématique d'un ribosome, une machine moléculaire pour la synthèse des protéines.
Schéma du processus « d'évolution in vitro » (méthode Selex).
Louis Pasteur (1822-1895) fut le premier à découvrir que les cristaux d'une même substance - l'acide tartrique - pouvaient avoir deux configurations spatiales symétriques en miroir.
Au début des années 1950, Stanley Miller de l'Université de Chicago (États-Unis) a mené la première expérience simulant des réactions chimiques pouvant se produire dans les conditions d'une Terre jeune.
Les molécules chirales, telles que les acides aminés, sont symétriques en miroir, comme les mains gauche et droite. Le terme « chiralité » lui-même vient du mot grec « chiros » – main.
Théorie du monde de l'ARN.
Science et vie // Illustrations
À chaque étape de l’histoire, les hommes ont proposé leur solution à l’énigme de l’apparition de la vie sur notre planète. Les anciens, qui ne connaissaient pas le mot « science », ont trouvé une explication simple et accessible à l'inconnu : « Tout ce qui nous entoure a été créé par quelqu'un ». C'est ainsi que les dieux sont apparus.
Depuis la naissance des civilisations anciennes en Égypte, en Chine, puis dans le berceau de la science moderne - la Grèce, jusqu'au Moyen Âge, la principale méthode de compréhension du monde était les observations et les opinions des « autorités ». Des observations constantes ont clairement indiqué que les êtres vivants, dans certaines conditions, émergent d'êtres non vivants : les moustiques et les crocodiles de la boue des marais, les mouches de la nourriture pourrie et les souris du linge sale saupoudré de blé. Il est seulement important de maintenir une certaine température et humidité.
Les « scientifiques » européens du Moyen Âge, s'appuyant sur le dogme religieux sur la création du monde et l'incompréhensibilité des plans divins, considéraient qu'il était possible de discuter de l'origine de la vie uniquement dans le cadre de la Bible et des écritures religieuses. L’essence de ce que Dieu a créé ne peut être comprise, mais ne peut être « clarifiée » qu’à l’aide d’informations provenant de textes sacrés ou sous l’influence de l’inspiration divine. Tester des hypothèses à cette époque était considéré comme de mauvaises manières, et toute tentative de remettre en question l'opinion de la Sainte Église était considérée comme une affaire désagréable, une hérésie et un sacrilège.
La connaissance de la vie marquait le pas. Pendant deux mille ans, les réalisations des philosophes de la Grèce antique sont restées le summum de la pensée scientifique. Les plus importants d'entre eux furent Platon (428/427 - 347 avant JC) et son élève Aristote (384 - 322 avant JC). Platon, entre autres choses, a proposé l'idée d'animer une matière initialement inanimée grâce à l'infusion d'une âme immatérielle immortelle - la « psyché » - en elle. C'est ainsi qu'est apparue la théorie de la génération spontanée d'êtres vivants à partir d'êtres non vivants.
Le grand mot pour désigner la science, « expérience », est apparu avec la Renaissance. Il a fallu deux mille ans pour qu'une personne décide de douter de l'immuabilité des déclarations faisant autorité des scientifiques anciens. L'un des premiers casse-cou que nous connaissions était le médecin italien Francisco Redi (1626 - 1698). Il a mené une expérience extrêmement simple mais efficace : il a placé un morceau de viande dans plusieurs récipients, en a recouvert certains d'un tissu épais, d'autres de gaze et en a laissé d'autres ouverts. Le fait que les larves de mouches se soient développées uniquement dans des vaisseaux ouverts (sur lesquels les mouches pouvaient atterrir), mais pas dans des vaisseaux fermés (qui avaient encore accès à l'air), contredisait fortement les croyances des partisans de Platon et d'Aristote selon lesquelles une force vitale incompréhensible flottait dans l'air et transformer la matière inanimée en matière vivante.
Cette expérience et d'autres similaires ont marqué le début d'une période de batailles acharnées entre deux groupes de scientifiques : les vitalistes et les mécanistes. L’essence du débat était la question suivante : « Le fonctionnement (et l’apparence) des êtres vivants peut-il être expliqué par des lois physiques qui s’appliquent également à la matière inanimée ? » Les vitalistes ont répondu négativement. "Une cellule vient uniquement d'une cellule, tout ce qui vit vient uniquement d'un être vivant!" Cette position, avancée au milieu du XIXe siècle, est devenue l’étendard du vitalisme. Le plus paradoxal dans cette dispute est que même aujourd'hui, connaissant la nature « inanimée » des atomes et des molécules qui composent notre corps et étant généralement d'accord avec le point de vue mécaniste, les scientifiques n'ont pas de confirmation expérimentale de la possibilité de la émergence de la vie cellulaire à partir de la matière inanimée. Personne n’a encore réussi à « composer » même la cellule la plus primitive à partir de « parties » « inorganiques » présentes en dehors des organismes vivants. Cela signifie que le point final de ce conflit historique n’a pas encore été réglé.
Alors, comment la vie a-t-elle pu naître sur Terre ? Partageant les positions des mécanistes, il est bien sûr plus facile d’imaginer que la vie a dû d’abord surgir sous une forme très simple et primitivement structurée. Mais, malgré la simplicité de la structure, cela doit toujours être la Vie, c'est-à-dire quelque chose qui possède un ensemble minimum de propriétés qui distinguent le vivant du non-vivant.
Que sont-elles, ces propriétés essentielles à la vie ? Qu’est-ce qui, en fait, distingue le vivant du non-vivant ?
Jusqu'à la fin du XIXe siècle, les scientifiques étaient convaincus que tous les êtres vivants sont construits à partir de cellules, et c'est là la différence la plus évidente entre eux et la matière inanimée. On le croyait jusqu'à la découverte de virus qui, bien que plus petits que toutes les cellules connues, peuvent infecter activement d'autres organismes, s'y multiplier et produire une progéniture ayant les mêmes (ou très similaires) propriétés biologiques. Le premier virus découvert, le virus de la mosaïque du tabac, a été décrit par le scientifique russe Dmitri Ivanovsky (1864-1920) en 1892. Depuis lors, il est devenu clair que des créatures plus primitives que les cellules peuvent également revendiquer le droit d'être appelées Vie.
La découverte des virus, puis de formes encore plus primitives d'êtres vivants - les viroïdes, ont finalement permis de formuler un ensemble minimum de propriétés nécessaires et suffisantes pour que l'objet étudié soit qualifié de vivant. Premièrement, il doit être capable de reproduire son propre type. Mais ce n’est pas la seule condition. Si une hypothétique substance primordiale de la vie (telle qu'une cellule ou une molécule primitive) était seulement capable de produire simplement des copies exactes d'elle-même, elle serait finalement incapable de survivre aux conditions environnementales changeantes de la jeune Terre et à la formation d'autres substances, plus les formes complexes (évolution) deviendraient impossibles. Par conséquent, notre prétendue « substance de vie primordiale » primitive peut être définie comme quelque chose de conçu aussi simplement que possible, mais en même temps capable de changer et de transmettre ses propriétés aux descendants.
n1.doc
UNIVERSITÉ D'ÉTAT BÉLARUSIENNEDépartement de biologie
"Le monde de l'ARN". Propriétés de l'ARN qui répondent aux exigences des premières molécules de la vie. Modèle d'émergence de l'appareil de biosynthèse des protéines (d'après A.S. Spirine).
Préparé par:
Étudiant de 4ème année, 2ème groupe
Streltsova D.E.
Minsk, 2010
Structure de l'ARN.
Les deux acides nucléiques – l’ADN et l’ARN – ont été découverts par le biochimiste suisse Friedrich Miescher en 1869, bien avant que leur rôle dans la transmission des informations héréditaires ne soit clarifié. Et les informations les plus complètes sur leur structure chimique ont été obtenues par Fabus Aron Theodore Levin (1869-1940), un scientifique américain né en Russie et formé à Saint-Pétersbourg.
Les acides nucléiques sont synthétisés dans la cellule à partir de nucléotides - complexes d'une base azotée, de résidus de sucre et d'acide phosphorique, qui servent de blocs universels pour la construction de l'ADN et de l'ARN. Il existe cinq types de bases azotées : l'adénine, la thymine, la guanine, la cytosine et l'uracile.
L'ARN est une grosse macromolécule dont chacune représente une chaîne polynucléotidique continue de manière covalente. Dans l'ensemble, les études sur les propriétés physicochimiques et les caractéristiques structurelles des ARN hautement polymères isolés en solution, réalisées en 1958-1962, ont conduit à la formulation des principes généraux suivants de leur organisation spatiale :
L’ARN, contrairement à l’ADN, est un polymère simple brin.
L'ARN forme une structure secondaire - un ensemble de sections hélicoïdales courtes - principalement en raison de l'appariement complémentaire antiparallèle des sections adjacentes de la chaîne ;
L'ARN est capable de former une structure tertiaire en raison d'interactions complémentaires à longue portée au sein de la chaîne et d'interactions interhélicoïdales ;
L'ARN hautement polymère est capable de se replier en particules compactes ;
L'ARN a une mobilité conformationnelle importante.
La capacité de l'ARN à former des structures tridimensionnelles compactes, comme dans le cas des protéines, constitue la base d'interactions spécifiques avec d'autres molécules - macromolécules et petits ligands. Pour les molécules d'ARN repliées dans un globule spécifique, grâce à quoi un motif spatial unique est créé à sa surface, il est nécessaire d'assumer la possibilité d'une fonction de reconnaissance moléculaire, comme dans les protéines. À son tour, une reconnaissance hautement sélective conduit à la possibilité d'une catalyse spécifique des réactions chimiques à la manière d'une catalyse enzymatique des réactions par les protéines.
La reconnaissance définitive de la capacité de l'ARN à reconnaître une grande variété de molécules et à interagir très spécifiquement avec elles est venue grâce aux aptamères - de petits ARN synthétiques obtenus en sélectionnant parmi de nombreuses variantes de séquences nucléotidiques en utilisant les procédures de ce que l'on appelle « l'évolution acellulaire ». , « évolution in vitro ». Il s’est avéré qu’il est possible de sélectionner et de propager des ARN capables de se lier sélectivement à presque n’importe quel type de molécule, allant des composés organiques de faible poids moléculaire à divers peptides et protéines individuels. En d’autres termes, l’ARN, comme les protéines, peut en effet pleinement posséder la fonction de reconnaissance moléculaire spécifique.
Fonctions de l'ARN.
Résumer et passer en revue les connaissances sur les fonctions de l'ARN nous permet de parler de l'extraordinaire polyvalence de ce polymère dans la nature vivante. La liste suivante des principales fonctions connues de l’ARN peut être donnée :
fonction de réplication génétique : la capacité structurelle à copier (répliquer) des séquences nucléotidiques linéaires à travers des séquences complémentaires. La fonction est réalisée lors d'infections virales et est similaire à la fonction principale de l'ADN dans la vie des organismes cellulaires - la reduplication du matériel génétique.
fonction codante : programmation de la synthèse protéique par séquences linéaires de nucléotides. C'est la même fonction que l'ADN. Dans l'ADN et l'ARN, les mêmes triplets de nucléotides codent pour 20 acides aminés de protéines, et la séquence de triplets dans une chaîne d'acide nucléique est un programme pour l'arrangement séquentiel de 20 types d'acides aminés dans la chaîne polypeptidique d'une protéine.
fonction de formation de structure : formation de structures tridimensionnelles uniques. Les petites molécules d'ARN repliées de manière compacte sont fondamentalement similaires aux structures tridimensionnelles des protéines globulaires, et des molécules d'ARN plus longues peuvent former des particules biologiques plus grosses ou leurs noyaux.
fonction de reconnaissance : interactions spatiales très spécifiques avec d'autres macromolécules (dont protéines et autres ARN) et avec de petits ligands. Cette fonction est peut-être la principale des protéines. Il repose sur la capacité d’un polymère à se plier de manière unique et à former des structures tridimensionnelles spécifiques. La fonction de reconnaissance est à la base d'une catalyse spécifique.
fonction catalytique : catalyse spécifique des réactions chimiques par les ribozymes. Cette fonction est similaire à la fonction enzymatique des protéines enzymatiques.
Le monde de l’ARN et son évolution in vitro
La méthode de réaction en chaîne par polymérase (PCR), qui permet de reproduire des acides nucléiques en quantité illimitée. Décrivons brièvement l'essence de la méthode. Pour multiplier l'ADN, la méthode PCR utilise des enzymes ADN polymérase, c'est-à-dire les mêmes enzymes qui, lors de la reproduction cellulaire, synthétisent des chaînes d'ADN complémentaires à partir de monomères nucléotidiques activés.
Avec la méthode PCR, un mélange de nucléotides activés, l'enzyme ADN polymérase et ce que l'on appelle des amorces - des oligonucléotides complémentaires des extrémités de l'ADN en cours de réplication - sont ajoutés à un tube à essai contenant de l'ADN. Lorsque la solution est chauffée, les chaînes d'ADN se séparent. Puis, une fois refroidies, les amorces s’y lient, formant de courts fragments de structures hélicoïdales. L'enzyme attache les nucléotides aux amorces et assemble un brin complémentaire au brin d'ADN d'origine. À la suite de la réaction, un ADN double brin est converti en deux.
L'invention de la PCR et le développement de méthodes de synthèse chimique de l'ADN ont permis de créer une technologie étonnante de sélection moléculaire. Le principe de la sélection moléculaire est également simple : d'abord, de nombreuses molécules ayant des propriétés différentes sont synthétisées (ce qu'on appelle la bibliothèque moléculaire), puis des molécules ayant la propriété souhaitée sont sélectionnées à partir de ce mélange.
Les bibliothèques d'acides nucléiques sont des mélanges de molécules qui ont la même longueur mais diffèrent par leur séquence nucléotidique. Étant donné que, selon leur composition, les acides nucléiques sont repliés dans différentes structures spatiales, la synthèse de séquences statistiques produit une grande variété de molécules aux propriétés différentes. L'ARN est lu à partir de l'ADN résultant à l'aide de l'enzyme ARN polymérase. Le résultat est une bibliothèque d’ARN simple brin. Ensuite, une procédure de sélection est effectuée : la solution d'ARN est passée à travers une colonne dans laquelle se trouve un support insoluble avec des molécules cibles chimiquement liées afin de « capturer » ce qu'on appelle le futur aptamère, c'est-à-dire une substance capable de lier certains molécules. La colonne est ensuite lavée pour éliminer l'ARN non lié, et l'ARN retenu sur la colonne par liaison aux molécules cibles est éliminé (cela peut être fait, par exemple, en chauffant la colonne).
Des copies d'ADN sont réalisées à partir de l'ARN isolé et des molécules d'ADN double brin ordinaires en sont obtenues. A partir de ce dernier, vous pouvez lire les aptamères d'ARN souhaités, puis les multiplier par PCR en quantité illimitée.
Grâce à cette méthode, des milliers d’aptamères d’ARN différents ont été obtenus, formant des complexes spécifiques avec divers composés et molécules organiques.
Le schéma de sélection moléculaire considéré peut être utilisé pour obtenir des molécules ayant n'importe quelles propriétés. Par exemple, on a obtenu des ARN capables de catalyser les réactions de synthèse d'ARN et de protéines : ajout de bases azotées au ribose, polymérisation de nucléotides activés sur les chaînes d'ARN et ajout d'acides aminés à l'ARN. Ces études ont confirmé une fois de plus que, dans des conditions d’évolution prébiologique, des molécules d’ARN dotées de structures et de fonctions spécifiques pourraient provenir de polymères aléatoires.
Le monde de l’ARN comme précurseur de la vie moderne.
Selon les idées formées dans les années 50-60 du XXe siècle, les fonctions des deux biopolymères les plus importants - les acides nucléiques et les protéines - sont strictement séparées : les premiers se voient attribuer le rôle de gardien de l'information génétique, et la fonction catalytique a été attribué exclusivement aux protéines. L'idée exprimée par K.R. s'est avérée beaucoup plus fructueuse. Université et un peu plus tard par L. Orgel et finalement formulé par V. Gilbert déjà dans les années 80. Selon cette idée, la présence de fonctions catalytiques dans les polynucléotides pourrait conduire à la formation d’une sorte de « monde à ARN » comme base de l’évolution de la biosphère primaire.
Au début des années 80 du siècle dernier, dans les laboratoires de T. Check et S. Altman aux États-Unis, une découverte sensationnelle a été faite qui a révolutionné la biochimie et la biologie moléculaire : il a été démontré que l'ARN peut être un catalyseur spécifique de réactions biochimiques. Tout au long de l’histoire de la biochimie, on a soutenu pendant des décennies que la catalyse biochimique était la « prérogative » exclusive des enzymes protéiques. Par conséquent, toutes les théories sur l'origine de la vie ont été contraintes de partir de la primauté des protéines en tant que macromolécules, absolument nécessaires à l'émergence du métabolisme biochimique (métabolisme). La découverte de la fonction catalytique de l’ARN a bouleversé toutes les idées précédentes sur le rôle exclusif des protéines non seulement dans l’émergence de la vie, mais aussi dans la compréhension du phénomène de la vie lui-même.
Par analogie avec les protéines enzymatiques - les enzymes - les ARN catalytiques étaient appelés ribozymes. Apparemment, presque tous les ribozymes qui existent naturellement dans les cellules des organismes modernes sont impliqués d'une manière ou d'une autre dans les processus associés aux transformations des chaînes polynucléotidiques de l'ARN elles-mêmes.
Ces résultats ont immédiatement affecté la théorie de l’origine de la vie : la molécule d’ARN est devenue la « préférée ». En effet, on a découvert une molécule capable de transporter des informations génétiques et, en plus, de catalyser des réactions chimiques ! Il serait difficile d’imaginer un candidat plus approprié pour expliquer l’origine de la vie précellulaire.
Alors pourquoi l’ARN, et non l’ADN, pourrait-il représenter le matériel génétique primaire ?
Premièrement, tant dans la synthèse chimique que dans les réactions biochimiques, les ribonucléotides précèdent les désoxyribonucléotides ; les désoxyribonucléotides sont des produits de modification des ribonucléotides (voir Fig. 2).
Deuxièmement, dans les processus les plus anciens et universels du métabolisme vital, ce sont les ribonucléotides, et non les désoxyribonucléotides, qui sont largement représentés, y compris les principaux vecteurs énergétiques tels que les ribonucléosides polyphosphates (ATP, etc.).
Troisièmement, la réplication de l'ARN peut se produire sans aucune participation de l'ADN, et le mécanisme de reduplication de l'ADN, même dans le monde vivant moderne, nécessite la participation obligatoire d'une amorce d'ARN au lancement de la synthèse de la chaîne d'ADN.
Quatrièmement, tout en possédant les mêmes matrices et fonctions génétiques que l’ADN, l’ARN est également capable de remplir un certain nombre de fonctions inhérentes aux protéines, notamment la catalyse de réactions chimiques. Ainsi, il y a toutes les raisons de considérer l'ADN comme une acquisition évolutive ultérieure - comme une modification de l'ARN, spécialisée pour remplir la fonction de reproduction et de stockage de copies uniques de gènes faisant partie du génome cellulaire sans participation directe à la biosynthèse des protéines.
Un schéma possible pour l’émergence du monde de l’ARN est présenté dans la Fig. 1.
Riz. 1. Représentation schématique du chemin de l'origine de la vie selon le concept moderne de la primauté du monde de l'ARN
La synthèse abiogénique de ribonucléotides et leur association covalente en oligomères et polymères tels que l'ARN pourraient se produire approximativement dans les mêmes conditions et dans le même environnement chimique que ceux postulés pour la formation d'acides aminés et de polypeptides. Récemment, A.B. Chetverin et ses collègues (Institut des protéines, Académie des sciences de Russie) ont montré expérimentalement qu'au moins certains polyribonucléotides (ARN) présents dans un environnement aquatique normal sont capables de recombinaison spontanée, c'est-à-dire d'échange de segments de chaîne, par transestérification. L'échange de segments de chaîne courts contre des segments longs devrait conduire à l'élongation des polyribonucléotides (ARN), et cette recombinaison elle-même devrait contribuer à la diversité structurelle de ces molécules. Des molécules d’ARN catalytiquement actives pourraient également apparaître parmi elles.
Même l'apparition extrêmement rare de molécules d'ARN uniques capables de catalyser la polymérisation de ribonucléotides ou l'assemblage (épissage) d'oligonucléotides sur un brin complémentaire en tant que matrice signifiait l'établissement d'un mécanisme de réplication d'ARN. La réplication des catalyseurs d’ARN (ribozymes) eux-mêmes aurait dû entraîner l’émergence de populations d’ARN auto-réplicatives. En produisant des copies d’eux-mêmes, les ARN se sont multipliés. Les erreurs inévitables de copie (mutation) et de recombinaison dans les populations d’ARN auto-réplicantes ont créé un monde de plus en plus diversifié. Ainsi, l’ancien monde de l’ARN proposé est « un monde biologique autosuffisant dans lequel les molécules d’ARN fonctionnaient à la fois comme matériel génétique et comme catalyseurs de type enzymatique ».
L'émergence de la biosynthèse des protéines.
En outre, sur la base du monde de l'ARN, la formation de mécanismes de biosynthèse des protéines, l'émergence de diverses protéines avec une structure et des propriétés héritées, la compartimentation des systèmes de biosynthèse des protéines et des ensembles de protéines, éventuellement sous forme de coacervats (proto-organismes) et l'évolution de ces dernières en structures cellulaires - cellules vivantes (voir. Fig. 1).
Le problème de la transition de l'ancien monde de l'ARN au monde moderne de la synthèse de protéines est le plus difficile, même pour une solution purement théorique. La possibilité d'une synthèse abiogénique de polypeptides et de substances de type protéique n'aide pas à résoudre le problème, car aucune voie spécifique n'est visible quant à la manière dont cette synthèse pourrait être couplée à l'ARN et tomber sous contrôle génétique. La synthèse génétiquement contrôlée de polypeptides et de protéines devait se développer indépendamment de la synthèse primaire abiogénique, à sa manière, sur la base du monde de l'ARN déjà existant. Plusieurs hypothèses ont été proposées dans la littérature sur l'origine du mécanisme moderne de biosynthèse des protéines dans le monde de l'ARN, mais aucune d'entre elles ne peut peut-être être considérée comme complètement réfléchie et impeccable du point de vue des capacités physico-chimiques. Je présenterai ma version du processus d'évolution et de spécialisation de l'ARN, conduisant à l'émergence de l'appareil de biosynthèse des protéines (Fig. 2), mais elle ne prétend pas être complète.
Le schéma hypothétique proposé contient deux points significatifs qui semblent fondamentaux.
DANS 
Premièrement, il est postulé que les oligoribonucléotides synthétisés de manière abiogénique se recombinaient activement par le mécanisme de transestérification spontanée non enzymatique, conduisant à la formation de chaînes d'ARN allongées et donnant lieu à leur diversité. C'est ainsi que des types d'ARN catalytiquement actifs (ribozymes) et d'autres types d'ARN ont pu apparaître dans la population d'oligonucléotides et de polynucléotides. Riz. 2. Schéma de l'évolution et de la spécialisation des molécules d'ARN en cours de transition du monde antique de l'ARN au monde moderne de la biosynthèse des protéines génétiquement déterminées
avec des fonctions spécialisées (voir Fig. 2). De plus, la recombinaison non enzymatique d'oligonucléotides se liant complémentairement à la matrice polynucléotidique pourrait assurer la réticulation (épissage) de fragments complémentaires de cette matrice en une seule chaîne. C’est de cette manière, et non par polymérisation catalysée de mononucléotides, que la copie primaire (reproduction) de l’ARN a pu être réalisée. Bien entendu, si des ribozymes à activité polymérase apparaissaient, alors l'efficacité (précision, rapidité et productivité) de la copie sur une matrice complémentaire aurait dû augmenter considérablement.
Le deuxième point fondamental de ma version est que l'appareil primaire de biosynthèse des protéines est né de plusieurs types d'ARN spécialisés avant l'apparition de l'appareil de réplication enzymatique (polymérase) du matériel génétique - ARN et ADN. Cet appareil principal comprenait un ARN proribosomal catalytiquement actif avec une activité peptidyl transférase ; un ensemble de pro-ARNt qui se lient spécifiquement aux acides aminés ou aux peptides courts ; un autre ARN proribosomal, capable d'interagir simultanément avec l'ARN proribosomal catalytique, le pro-ARNm et le pro-ARNt (voir Fig. 2). Un tel système pourrait déjà synthétiser des chaînes polypeptidiques grâce à la réaction de transpeptidation qu’il catalyse. Parmi d'autres protéines catalytiquement actives - les enzymes primaires (enzymes), sont également apparues des protéines qui catalysent la polymérisation des nucléotides - les réplicases, ou NK polymérases.
Cependant, il est possible que l'hypothèse selon laquelle le monde antique de l'ARN serait le prédécesseur du monde vivant moderne ne puisse pas recevoir une justification suffisante pour surmonter la principale difficulté - une description scientifiquement plausible du mécanisme de transition de l'ARN et de ses réplication vers la biosynthèse des protéines. Il existe une hypothèse alternative intéressante et bien pensée formulée par A.D. Altstein (Institut de biologie génétique, Académie des sciences de Russie), qui postule que la réplication du matériel génétique et sa traduction - la synthèse des protéines - sont apparues et ont évolué simultanément et de manière conjuguée, en commençant par l'interaction d'oligonucléotides synthétisés de manière abiogénique et d'aminoacyl-nucléotidelates - anhydrides mixtes d'acides aminés et de nucléotides.
Conclusion
Comme nous le voyons, la théorie du monde de l’ARN est encore pleine de contradictions et d’ambiguïtés. Cependant, étant donné toutes les difficultés de la synthèse des oligonucléotides, on peut comprendre Fred Hoyle, célèbre astrophysicien et écrivain britannique, qui a soutenu que la théorie du monde à ARN est « aussi ridicule que l'hypothèse selon laquelle un Boeing 747 pourrait être assemblé par un ouragan passant au-dessus d’une décharge.
Pour couronner le tout, les partisans de cette théorie ont été découragés par les témoignages d'archéologues et de paléontologues qui ont découvert les restes des premières cellules primitives dans des couches remontant à des périodes allant de 3,5 à 3,8 milliards d'années. Dans le même temps, on pense que la vie n'aurait pas pu être née il y a plus de 4 milliards d'années, car avant cette époque, la Terre était intensément « bombardée » par des météorites et des comètes. Selon des données plus radicales, les « bombardements » ont pris fin encore plus tard – il y a à peine 3,8 milliards d’années. Ainsi, il ne restait pratiquement plus de temps pour le développement du monde précellulaire.
Pour résoudre d'une manière ou d'une autre toutes les contradictions, de nombreux scientifiques commencent à pencher vers l'idée qu'au lieu des bases azotées relativement complexes inhérentes aux acides nucléiques modernes, leurs prédécesseurs auraient pu utiliser des versions légèrement modifiées des molécules, plus sujettes aux réactions de synthèse sans modèle. . Certains d'entre eux, par exemple l'aminoguanosine, sont capables de se combiner sans l'aide d'enzymes en chaînes pouvant atteindre 20 nucléotides de long, ce qui est inaccessible avec la guanosine ordinaire. De plus, les prototypes des bases azotées modernes ne pourraient pas du tout être des molécules cycliques, ce qui simplifierait leur synthèse, leur interaction avec le ribose, et aussi, éventuellement, réduirait leur capacité à inhiber les premiers « protoribozymes » apparus.
Il existe également des preuves expérimentales selon lesquelles les anciens protoribozymes auraient pu être constitués non pas de quatre, mais de seulement deux types de nucléotides, ce qui aurait considérablement augmenté la probabilité de leur formation spontanée et aurait donc raccourci le temps nécessaire à la transition de l'état précellulaire. monde au monde cellulaire.
Malgré la grande popularité de l'idée du monde de l'ARN, les partisans de la théorie des protéines n'abandonnent pas non plus leurs positions. Modifiant les idées d'Oparin, ils soutiennent que des chaînes courtes d'acides aminés (oligopeptides) pourraient être synthétisées à l'aide de l'ARN dès les premiers stades du monde de l'ARN. De plus, de tels oligopeptides pourraient participer à la catalyse ou à la protection et à la concentration des premiers ribozymes (par exemple en les conditionnant dans des coacervats). En pratique, il a également été démontré que la chaîne peptidique peut servir de substitut au squelette sucre-phosphate dans les acides nucléiques. De telles hypothèses décrivent une voie possible de transition du monde de l’ARN au monde des protéines et, plus loin, à l’évolution protocellulaire.
Une autre hypothèse intéressante et prometteuse est que la vie est née à proximité des émissions d'eaux volcaniques chaudes, où, en raison de la température et de la présence de concentrations élevées de molécules biogéniques, des réactions de formation de biomolécules pourraient se produire à un rythme plus rapide.
De plus, d’importants changements de température pourraient faciliter les processus de synthèse de matrices d’acides nucléiques. Les températures élevées ont favorisé la décomposition des acides nucléiques double brin en acides nucléiques simple brin, sur lesquels le prochain cycle de synthèse pourrait avoir lieu lorsque la température diminuait. Ce scénario n’est pas sans rappeler la technologie de copies multiples d’acides nucléiques, appelée réaction en chaîne par polymérase (PCR), développée au milieu des années 1980. Peut-être que l’homme a simplement répété ce que la nature a inventé il y a des milliards d’années ?
Aujourd’hui, l’hypothèse dominante est l’émergence tardive de l’ADN, qui a remplacé l’ARN, s’imposant comme un stockage plus fiable de l’information génétique. Cependant, les recherches les plus récentes suggèrent que l’ADN simple brin pourrait être une enzyme encore meilleure que l’ARN. Dans le même temps, comme nous le savons déjà, l'ADN est beaucoup plus stable dans l'environnement extérieur, ce qui lui confère un avantage significatif. Qui sait, peut-être qu'après quelques tours de la double hélice de l'histoire, le monde de l'ADN, rejeté après la découverte des ribozymes, retrouvera sa place.
À mesure que les connaissances s’accumulent et que les méthodes de recherche se développent, les hypothèses et théories modernes seront remplacées par des hypothèses plus plausibles et étayées. Cependant, à ce stade du développement scientifique, il semble peu probable que l’humanité parvienne un jour à résoudre définitivement ce mystère des mystères.
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Lire entre les lignes de l'ADN [Le deuxième code de notre vie, ou un livre que tout le monde doit lire] Spork Peter
Le monde de l'ARN
Lorsque Hans Jornvall, secrétaire du comité Nobel de Stockholm, a annoncé les nouveaux lauréats de ce prix de médecine, le 2 octobre 2006, un murmure a balayé la salle. Peu de spectateurs s'attendaient à une telle décision : les gagnants étaient deux scientifiques actifs d'une quarantaine d'années, dont les publications les plus importantes étaient parues huit ans plus tôt. Habituellement, des spécialistes plus méritants sont récompensés.
Cependant, selon la plupart de leurs collègues, les Américains Andrew Fire de l'Université de Stanford (Californie) et Craig Mello de la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts ont reçu à juste titre la plus haute reconnaissance dans leur domaine. Pourtant, ils ont découvert une méthode totalement inconnue de contrôle de l’activité des gènes : ce qu’on appelle l’interférence ARN.
L'ARN est l'abréviation d'acide ribonucléique. C'est le nom de la sœur cadette et extrêmement polyvalente de l'ADN (acide désoxyribonucléique). Les molécules d'ARN ont une structure chimique presque identique à celle de l'ADN, mais elles sont constituées de chaînes de nucléotides beaucoup plus courtes et sont moins résistantes aux changements. Ils ont servi de matériel héréditaire aux premiers organismes vivants sur Terre, et de simples virus les utilisent encore à ces fins.
Tous les types d’ARN ont généralement des fonctions clairement définies et sont extrêmement importants pour la biochimie de la cellule. Contrairement à l'ADN, ils peuvent être constitués non pas de deux chaînes avec des bases connectées par paires, mais d'un seul brin avec des bases ouvertes, et ont parfois la forme d'une boucle. En raison de la diversité des molécules d’ARN, les biologistes parlent avec respect de tout un monde d’ARN qui n’a pas encore été entièrement exploré. Les représentants les plus importants de ce monde sont la matrice (information) et les ARN de transfert déjà mentionnés. De nouvelles étoiles sont également apparues : les micro-ARN.
Avant la découverte de Fire et Mello, ces derniers étaient considérés comme un sous-produit, une sorte d'ARN messager sans information, qui se forme lors de la lecture de protéines traduisant par erreur un morceau d'ADN indésirable en ARN messager. Aujourd'hui, on sait déjà que ce processus ne se produit pas par hasard et que les sections d'ADN correspondantes ne sont pas du tout des déchets. Ils représentent plutôt un troisième système important de commutateurs de code épigénétique.
Tout d’abord, la cellule synthétise deux brins miroirs de microARN, qui sont combinés pour former ce qu’on appelle l’ARN double brin. Ces molécules, qui ressemblent à une courte échelle de corde, ressemblent exactement au matériel héréditaire des virus envahissant les cellules cherchant à se multiplier grâce à la machinerie biochimique des cellules infectées et ainsi provoquer des maladies. La cellule combat l'ARN de la même manière qu'elle combat les virus : une enzyme appelée dicer (granulateur) apparaît et les brise en morceaux allant de 21 à 27 nucléotides de longueur.
La plupart de ces fragments sont détruits par la cellule. Mais certains se lient au complexe multiprotéique RISC, ce qui les sauve de la destruction. Ces composés sont ensuite envoyés pour trouver un ARN messager approprié. Ce dernier est en grande partie identique à l'une des chaînes du microARN d'origine, et donc quelque part dans celui-ci, il y aura certainement une section associée à l'un des nombreux fragments résultants. Une fois la molécule recherchée trouvée, elle se colle au morceau d’ARN correspondant, comme une pauvre mouche au Velcro. Enfin, RISC, toujours attaché au fragment, effectue une exécution rapide : il transforme l'ARN messager en un tas de déchets nucléotidiques, qui sont instantanément collectés et traités par des ARN de transfert vides.
Désormais, la cellule ne peut pas synthétiser la protéine codée dans l’ARN messager. Le gène correspondant est silencieux, bien qu'il soit constamment lu au niveau de l'ADN.
Mais ce n'est pas tout. Avec l’aide de ses microARN, une cellule peut non seulement démarrer ou arrêter la synthèse d’une protéine particulière, comme elle le fait avec l’aide d’autres commutateurs épigénétiques. La cellule peut également supprimer légèrement l’activité des gènes. Plus il place de substances collantes contre un ARN messager particulier, moins ses molécules codées correspondantes atteignent la cible et moins une protéine particulière sera synthétisée.
Craig Mello et Andrew Fire appellent ce mécanisme de régulation génique l'interférence de l'ARN car, au cours du processus, deux molécules répondant l'une à l'autre - l'ARN messager et le micro-ARN - s'éteignent de la même manière que lors d'une interférence physique, des ondes se propageant mutuellement. atténué. Les chercheurs ont découvert ce principe grâce à des expériences : ils ont injecté de l'ARN double brin à des vers ronds et ont constaté qu'après cela, la synthèse de certaines protéines diminuait.
Au début, personne ne connaissait les conséquences considérables de cette découverte. Tout cela est probablement « un mécanisme étrange, caractéristique uniquement des vers », ont décidé les chercheurs eux-mêmes. Très probablement, cela ne joue aucun rôle dans la vie normale des animaux, puisqu'il ne se produit que dans le cadre d'une expérience. Cependant, les scientifiques se trompaient lourdement. De nombreux experts se sont précipités pour étudier cet effet et ont révélé en peu de temps de nombreux nouveaux détails.
De toute évidence, dans des temps immémoriaux, une sorte de pro-cellule a développé un mécanisme d'arrêt mutuel des acides ribonucléiques afin d'empêcher les gènes viraux, sauvés de l'enzyme Dicer et introduits avec succès dans l'ADN, de mettre en œuvre leurs « schémas de câblage » et de provoquer des maladies. . Apparemment, quelque temps plus tard, d’autres cellules en sont venues à réguler leur propre système de lecture de gènes à l’aide de microARN.
L’une des tâches principales de l’interférence ARN est de désactiver les transposons. Ce sont ces gènes nouvellement assemblés, extrêmement mobiles et leurs fragments qui ne sont activés qu'en cas de détérioration extrême de l'environnement extérieur pour aider l'évolution à sortir de cette situation.
"À ce jour, environ trois cent cinquante microARN ont été identifiés avec précision, et le nombre final se situera probablement entre cinq cents et mille", a déclaré le biochimiste allemand Thomas Tuschl de l'Université Rockefeller à Spectrum der Wissenschaft (Spectre de la science). New York), l’un des principaux chercheurs mondiaux sur l’interférence ARN. Tuschl a notamment découvert que des interrupteurs constitués d'acide ribonucléique se trouvent également dans les cellules humaines.
Interférence ARN. Le génome contient non seulement des gènes, mais aussi des codes pour les microARN. A l’aide d’enzymes, ils détruisent l’ARN messager correspondant et bloquent ainsi la traduction du gène en protéine.
Aujourd’hui, on sait déjà que le principe de l’interférence ARN fonctionne dans presque tous les organismes vivants. Et les derniers résultats suggèrent que le monde de l’ARN est bien plus important et diversifié que prévu. Il s’est avéré que les petits ARN servent également de trackers, indiquant aux protéines autour de l’ADN les endroits qui doivent être bloqués ou reprogrammés de manière fiable. «Il y a des raisons de croire que les ARN peuvent servir de points d'ancrage pour diverses protéines qui ajoutent ou suppriment des groupes méthyle ou acétyle à la chromatine», explique l'épigénéticien suisse Renato Paro.
Ce qui se passe, c’est que certains fragments de microARN retournent dans le noyau cellulaire et deviennent de grands organisateurs de l’épigénome. Les segments d’ARN sont attachés avec confiance et précision à certaines sections d’ADN, principalement à leurs copies miroir. De plus, ces casse-cou tirent des protéines spéciales qui incitent, par exemple, la substance héréditaire à se recroqueviller en boule - une hétérochromatine désactivée et étroitement tassée. De cette façon, ils peuvent désactiver des pans entiers d’ADN pendant une longue période.
Thomas Tuschl estime que les microARN sont capables de faire bien plus. Ils constituent probablement « un facteur important dans l’apparition de diverses maladies ». Le « futur objectif » de ses propres recherches est de « cartographier les microARN dans tout le génome, pour tous les tissus sains et malades, et de déterminer leurs fonctions ».
Ce qui est particulièrement intéressant dans le système d’interférence ARN de Tuschl, c’est que, parallèlement à la méthylation de l’ADN et au code des histones, une troisième voie a été découverte permettant à des facteurs externes d’influencer l’activité des gènes. "La question se pose de savoir si la plupart des maladies génétiques peuvent être expliquées par un processus réglementaire et si elles peuvent être contrôlées d'une manière ou d'une autre", explique le scientifique. Cela semble compliqué, mais le chercheur explique avec un exemple : « L'hypothèse est la suivante : peut-être pour obtenir un changement léger mais efficace dans le schéma d'activation des gènes contre la dépression, il suffit de faire de l'exercice régulièrement, stabilisant le niveau de dopamine, car cette substance est un facteur important dans le traitement de la dépression.
Cet exemple nous ramène au message principal de la science du deuxième code : ceux qui commencent à vivre d’une nouvelle manière modifient leur métabolisme et leur système hormonal. Et ces changements ont des effets à long terme sur les schémas de méthylation, les modifications des histones et les microARN, qui peuvent à leur tour avoir des effets bénéfiques sur le corps et l’esprit. D’ailleurs, le fait que l’activité physique réduit souvent la dépression a déjà été prouvé dans de nombreux travaux scientifiques. L’épigénétique peut expliquer ces effets positifs résultant de changements de mode de vie.
Pour mieux comprendre les composants des processus abordés dans l'article, regardez cette courte vidéo. Il vaut mieux ignorer les mots sur la « conception intelligente ».
Le monde de l'ARN— une étape hypothétique de l'émergence de la vie sur Terre, où des ensembles de molécules d'acide ribonucléique remplissaient à la fois la fonction de stockage de l'information génétique et de catalyse des réactions chimiques. Par la suite, de leurs associations est née la vie moderne ADN-ARN-protéine, isolée par une membrane de l'environnement extérieur. L'idée d'un monde à ARN a été proposée pour la première fois par Carl Woese en 1968, développée plus tard par Leslie Orgel et finalement formulée par Walter Gilbert en 1986.
Le fait que l'ARN puisse contenir des informations héréditaires a conduit Walter Gilbert à proposer que dans les temps anciens, l'ARN était utilisé à la fois comme matériel génétique et comme catalyseurs et composants structurels de la cellule, et que ces rôles étaient ensuite redistribués entre l'ADN et les protéines. Cette hypothèse est maintenant connue sous le nom d’hypothèse mondiale de l’ARN.
Si les ARN ont été les premières machines moléculaires utilisées dans les premières cellules vivantes, alors les ribozymes qui existent aujourd'hui (comme l'appareil ribosomique) peuvent être considérés comme des fossiles vivants, des exemples d'êtres vivants constitués d'acides nucléiques.
Résumé
Dans les organismes vivants, presque tous les processus se produisent principalement grâce aux enzymes protéiques. Cependant, les protéines ne peuvent pas s'auto-répliquer et sont synthétisées de novo dans la cellule sur la base des informations contenues dans l'ADN. Mais le doublement de l'ADN ne se produit que grâce à la participation des protéines et de l'ARN. Un cercle vicieux se forme, à cause duquel, dans le cadre de la théorie de la génération spontanée de la vie, il a fallu reconnaître la nécessité non seulement de la synthèse abiogénique des deux classes de molécules, mais également de l'émergence spontanée d'un complexe système de leur interrelation.
Au début des années 1980, la capacité catalytique de l'ARN a été découverte dans le laboratoire de T. Check et S. Altman aux États-Unis. Par analogie avec les enzymes, les catalyseurs à ARN étaient appelés ribozymes et Thomas Check a reçu le prix Nobel de chimie pour leur découverte en 1989. De plus, il s'est avéré que le centre actif des ribosomes contient une grande quantité d'ARNr. L'ARN est également capable de créer un double brin et de s'auto-répliquer.
Ainsi, l'ARN pourrait exister de manière totalement autonome, catalysant des réactions « métaboliques », par exemple la synthèse de nouveaux ribonucléotides et s'auto-reproduisant, conservant ses propriétés catalytiques de « génération » en « génération ». L'accumulation de mutations aléatoires a conduit à l'apparition d'ARN qui catalysent la synthèse de certaines protéines, qui sont des catalyseurs plus efficaces, et donc ces mutations ont été fixées lors de la sélection naturelle. D’un autre côté, des référentiels spécialisés d’informations génétiques – l’ADN – ont vu le jour. L'ARN est resté entre eux comme intermédiaire.
Le rôle de l'ARN dans le monde moderne
Des traces du monde de l’ARN subsistent dans les cellules vivantes modernes, et l’ARN est impliqué dans des processus d’une importance cruciale pour la vie cellulaire :
- Le principal vecteur d’énergie des cellules, l’ATP, est un ribonucléotide et non un désoxyribonucléotide.
- La biosynthèse des protéines est presque entièrement réalisée à partir de différents types d’ARN :
Les ARN messagers sont le modèle de synthèse des protéines dans les ribosomes ;
- les ARN de transfert délivrent les acides aminés aux ribosomes et mettent en œuvre le code génétique ;
- l'ARN ribosomal constitue le centre actif des ribosomes, catalysant la formation de liaisons peptidiques entre acides aminés.
- L'ARN est également essentiel à la réplication de l'ADN :
Pour commencer le processus de duplication de l’ADN, un « semoir » (amorce) d’ARN est requis ;
- pour le doublement sans fin de l'ADN, non limité par la limite de Hayflick, dans les cellules eucaryotes, les sections terminales des chromosomes (télomères) sont constamment restaurées par l'enzyme télomérase, qui comprend une matrice d'ARN.
- Dans le processus de transcription inverse, les informations de l’ARN sont transcrites en ADN.
- Au cours de la maturation de l'ARN, divers ARN non codants pour les protéines sont utilisés, notamment de petits ARN nucléaires et de petits ARN nucléolaires.
De plus, de nombreux virus stockent leur matériel génétique sous forme d’ARN et fournissent une ARN polymérase ARN-dépendante à la cellule infectée pour sa réplication.
Synthèse d'ARN abiogénique
La synthèse d’ARN à partir de composés plus simples n’a pas été pleinement démontrée expérimentalement. En 1975, Manfred Samper et Rudiger Lews du laboratoire d'Eigen ont démontré que dans un mélange ne contenant aucun ARN, mais contenant uniquement des nucléotides et la réplicase Qβ, un ARN auto-réplicant pouvait apparaître spontanément dans certaines conditions.
En 2009, un groupe de scientifiques de l'Université de Manchester, dirigé par John Sutherland, a réussi à démontrer la possibilité de synthétiser l'uridine et la cytidine avec une efficacité élevée et le degré de consolidation du résultat de la réaction (ainsi que la possibilité d'accumulation du résultat final produits) dans les conditions de la Terre primitive. Parallèlement, bien que la synthèse abiogénique des bases puriques ait été démontrée depuis assez longtemps (en particulier l'adénine est un pentamère de l'acide cyanhydrique), leur glycosylation avec le ribose libre de l'adénosine et de la guanosine n'a jusqu'à présent été démontrée que de manière manière inefficace.
Evolution de l'ARN
La capacité des molécules d’ARN à évoluer a été clairement démontrée dans de nombreuses expériences. Même avant la découverte de l'activité catalytique de l'ARN, de telles expériences avaient été réalisées par Leslie Orgel et ses collègues en Californie. Ils ont ajouté un poison au tube à essai contenant de l'ARN - le bromure d'éthidium, qui inhibe la synthèse de l'ARN. Au début, le taux de synthèse a été ralenti par le poison, mais après environ neuf « générations en éprouvette » d’évolution, le processus de sélection naturelle a produit une nouvelle race d’ARN résistante au poison. En doublant successivement les doses de poison, une race d’ARN résistante à des concentrations très élevées a été développée. Au total, 100 générations d’éprouvettes ont changé au cours de l’expérience (et bien plus de générations d’ARN, puisque les générations ont également changé à l’intérieur de chaque éprouvette). Bien que dans cette expérience l'ARN réplicase ait été ajoutée à la solution par les expérimentateurs eux-mêmes, Orgel a découvert que l'ARN est également capable de s'auto-copier spontanément sans ajouter d'enzyme, bien que beaucoup plus lentement.
Une expérience supplémentaire a ensuite été réalisée dans le laboratoire de l'école allemande de Manfred Eugen. Il a découvert la génération spontanée d'une molécule d'ARN dans un tube à essai avec un substrat et une réplicase d'ARN. Il a été créé par une évolution progressivement croissante.
Suite à la découverte de l'activité catalytique des ARN (ribozymes), leur évolution dans un dispositif automatisé et contrôlé par ordinateur a été observée lors d'expériences menées par Brian Pegel et Gerald Joyce au Scripps Research Institute en Californie en 2008. Le facteur jouant le rôle de pression de sélection était le substrat limité, qui comprenait des oligonucléotides que le ribozyme reconnaissait et attachait à lui-même, ainsi que des nucléotides pour la synthèse de l'ARN et de l'ADN. Lors de la construction des copies, des défauts survenaient parfois – des mutations – affectant leur activité catalytique (pour accélérer le processus, le mélange était muté plusieurs fois par réaction en chaîne par polymérase utilisant des polymérases « imprécises »). La sélection des molécules s'est faite sur cette base : les molécules qui se copiaient le plus rapidement ont rapidement commencé à dominer dans l'environnement. Ensuite, 90 % du mélange a été retiré et un nouveau mélange avec du substrat et des enzymes a été ajouté à la place et le cycle a été répété à nouveau. En 3 jours, l’activité catalytique des molécules a été multipliée par 90 grâce à seulement 11 mutations.
Ces expériences prouvent que les premières molécules d’ARN n’avaient pas besoin de propriétés catalytiques suffisamment bonnes. Ils se sont développés plus tard au cours de l'évolution, sous l'influence de la sélection naturelle.
En 2009, les biochimistes canadiens de l'Université de Montréal K. Bokov et S. Steinberg, après avoir étudié le composant principal du ribosome de la bactérie Escherichia coli, la molécule d'ARNr 23S, ont montré comment le mécanisme de synthèse des protéines pouvait se développer à partir de relativement petites et des ribozymes simples. La molécule était divisée en 60 blocs structuraux relativement indépendants dont le principal est le centre catalytique (centre peptidyl-transférase, PTC, centre peptidyl-transférase), responsable de la transpeptidation (formation d'une liaison peptidique). Il a été démontré que tous ces blocs peuvent être séquentiellement détachés de la molécule sans détruire la partie restante jusqu'à ce qu'il ne reste plus que le centre de transpeptidation. Elle conserve cependant la capacité de catalyser la transpeptidation. Si chaque liaison entre les blocs d'une molécule est représentée par une flèche dirigée du bloc qui n'est pas détruit lors de la séparation vers le bloc détruit, alors ces flèches ne forment pas un seul anneau fermé. Si la direction des connexions était aléatoire, la probabilité que cela se produise serait inférieure à un sur un milliard. Par conséquent, cette nature des connexions reflète la séquence d’ajout progressif de blocs au cours de l’évolution de la molécule, que les chercheurs ont pu reconstruire en détail. Ainsi, les origines de la vie auraient pu être un ribozyme relativement simple – le centre PTC de la molécule d’ARNr 23S, auquel de nouveaux blocs ont ensuite été ajoutés, améliorant ainsi le processus de synthèse des protéines. Le PTC lui-même se compose de deux lames symétriques, chacune contenant la queue CCA d'une molécule d'ARNt. On suppose que cette structure est née de la duplication (doublement) d'une lame d'origine. ARN fonctionnels (ribozymes) capables de catalyser La transpeptidation a été obtenue en utilisant la méthode d'évolution artificielle. La structure de ces ribozymes artificiellement dérivés est très proche de la structure du protoribosome que les auteurs ont « calculée ».
Propriétés des objets dans le monde de l'ARN
Il existe différentes hypothèses sur l’apparence des systèmes d’ARN auto-réplicatifs. Le plus souvent, la nécessité de membranes d’agrégation d’ARN ou de placement d’ARN à la surface des minéraux et dans l’espace poreux des roches meubles est postulée. Dans les années 1990, A. B. Chetverin et ses collègues ont démontré la capacité de l’ARN à former des colonies moléculaires sur des gels et des substrats solides lorsque les conditions de réplication sont créées. Il y avait un libre échange de molécules qui, lors d'une collision, pouvaient échanger des sections, comme le montre expérimentalement. L’ensemble des colonies a rapidement évolué grâce à cela.
Après l’émergence de la synthèse des protéines, les colonies capables de créer des enzymes se sont développées avec plus de succès. Les colonies ont connu encore plus de succès, ayant constitué un mécanisme plus fiable pour stocker les informations dans l'ADN et, enfin, étant séparées du monde extérieur par une membrane lipidique qui empêchait la dispersion de leurs molécules.
Mondes pré-ARN
Le biochimiste R. Shapiro critique l'hypothèse du monde de l'ARN, estimant que la probabilité d'émergence spontanée d'ARN dotés de propriétés catalytiques est très faible. Au lieu de l'hypothèse « au début il y avait de l'ARN », il propose l'hypothèse « au début il y avait un métabolisme », c'est-à-dire l'émergence de complexes de réactions chimiques - analogues des cycles métaboliques - avec la participation de composés de faible poids moléculaire. se produisant à l'intérieur de compartiments - limités spatialement par des membranes formées spontanément ou d'autres limites de phase - des régions. Ce concept est proche de l'hypothèse coacervatée de l'abiogenèse proposée par A.I. Oparin en 1924.
Une autre hypothèse de synthèse d'ARN abiogénique, conçue pour résoudre le problème de la faible probabilité estimée de synthèse d'ARN, est l'hypothèse du monde des hydrocarbures polyaromatiques, proposée en 2004, qui propose la synthèse de molécules d'ARN basées sur un empilement d'anneaux polyaromatiques.
En fait, les deux hypothèses des « mondes pré-ARN » ne rejettent pas l’hypothèse du monde de l’ARN, mais la modifient, postulant la synthèse initiale de macromolécules d’ARN répliquées dans des compartiments métaboliques primaires, ou à la surface des associés, poussant le « monde de l’ARN » à la deuxième étape de l'abiogenèse.
L'académicien de l'Académie des sciences de Russie A.S. Spirin estime que le monde à ARN n'aurait pas pu apparaître et exister sur Terre, et envisage la possibilité d'une origine et d'une évolution extraterrestres (principalement sur des comètes) du monde à ARN.
Le monde de l’ARN : hier et aujourd’hui
Pendant longtemps, on a cru que l'acide ribonucléique (ARN), le « parent » le plus proche du célèbre ADN, remplissait des fonctions de service dans l'organisme, n'étant qu'un intermédiaire dans les processus intracellulaires les plus complexes. Et bien qu'il ait été reconnu que dans les premiers stades de l'évolution de la vie, l'ARN pouvait jouer un rôle dominant, il semblait évident qu'il avait depuis longtemps cédé la place à des molécules plus spécialisées - catalyseurs et supports d'informations. Cependant, la découverte de nombreux ARN régulateurs associés au phénomène du « génome sombre » non codant a littéralement bouleversé l'idée du « monde de l'ARN » moderne et a servi d'impulsion à la recherche et à la création de nouveaux diagnostics et médicaments
La vision classique du processus de mise en œuvre de l'information héréditaire dans une cellule vivante s'est formée au début de la seconde moitié du 20e siècle. Selon lui, toutes les informations héréditaires qui déterminent la vie d'un organisme sont codées sous la forme d'une séquence de nucléotides dans un biopolymère spécial - acide désoxyribonucléique(ADN). La « reproduction » et la transmission de ces informations se font en doublant les molécules d'ADN avec la participation de protéines enzymatiques spéciales.
Lorsqu'une section d'ADN contenant des informations sur la structure d'une protéine particulière - gène– commence à « fonctionner », des informations « intermédiaires » sous forme de molécules en sont lues à l'aide d'enzymes spéciales acide ribonucléique(ARN). La séquence nucléotidique de cet ARN sert de matrice de « programme » pour des machines moléculaires spéciales - ribosomes, qui démarre la synthèse de la protéine correspondante
Dans ce schéma de conversion du code génétique en un « produit utile » final, l’élément central est l’ADN. Le « dogme central de la biologie moléculaire » a même été formulé, selon lequel le flux d'informations dans une cellule vivante va dans le sens de l'ADN à l'ARN et plus loin vers la protéine, et seulement dans ce sens : la cellule ne peut pas synthétiser l'ADN ou l'ARN correspondant. à une protéine spécifique. Il n’est pas surprenant que le livre fascinant du biologiste moléculaire M.D. Frank-Kamenetsky, « La molécule la plus importante », publié en 1983, soit spécifiquement consacré à l’ADN.
Un rôle important a également été attribué aux protéines, en tant que principaux éléments constitutifs et, avant tout, catalyseurs capables de médier une grande variété de réactions et de processus biochimiques dans les conditions des cellules vivantes. L’ARN était davantage considéré comme une molécule « fonctionnelle », un matériau consommable pour la synthèse des protéines. Bien sûr, en plus de l'ARN messager, on connaissait également les ARN de transfert, transférant les acides aminés aux ribosomes, ainsi que l'ARN dans le cadre de la charpente ribosomale, mais on leur attribuait également le rôle de modestes « Cendrillon ».
Au fil du temps, les observations ont commencé à s'accumuler qui nous ont amenés à nous demander : tout est-il si simple dans le génome ? Par exemple, il s'est avéré que certains virus ont des informations héréditaires cryptées non pas dans l'ADN, mais dans l'ARN, et qu'ils sont capables de synthétiser l'ADN à l'aide de la « matrice » d'ARN lors de l'intégration de leur matériel génétique dans le génome de la cellule hôte. Cependant, malgré certaines contradictions, les opinions sur la nature et le rôle des biopolymères les plus importants, présents dans tous les manuels scolaires, sont restées inébranlables pendant des décennies.
Pendant ce temps, malgré les difficultés des expériences avec l’ARN, dont les molécules sont moins stables que l’ADN et les protéines, les chercheurs ont continué à étudier avec acharnement ces biopolymères « démodés ». Et à la fin du 20e siècle. les idées scientifiques classiques ont commencé à s'effondrer sous la pression de nouvelles découvertes étonnantes.
La vie a commencé avec l'ARN
Après avoir déchiffré le génome des humains et d'autres animaux hautement organisés, il s'est avéré que la majeure partie de l'ADN ne contient pas de gènes codant pour des protéines. (En passant, lorsque les génomes de divers mammifères ont été comparés, il s'est avéré qu'en termes d'ensemble de gènes, le « roi de la nature » diffère peu de la même souris.) Dans le génome humain d'une longueur d'environ trois milliards de paires de nucléotides, ils s'attendaient à trouver plus de 100 000 gènes, mais il s'est avéré qu'il y en avait au moins trois fois moins ! De plus, ce nombre inclut tous les gènes codant pour les protéines, ainsi que les gènes ribosomiques et d’ARN de transfert. Avec les séquences régulatrices connues à l’époque, tous ces gènes n’occupent pas plus de 1,5 % de l’ADN génomique. Qu'en est-il du reste?
Au mépris total de l'incompréhensible, un tel ADN non codant - le soi-disant génome sombre- ont commencé à être considérés comme des « déchets » accumulés au cours du processus d'évolution. Et bien qu’il ait été découvert par la suite que certaines informations étaient encore lues à partir de sections d’ADN « indésirable » et qu’une énorme quantité d’ARN était synthétisée, ce phénomène a été évalué comme un « bruit de transcription ».
La découverte la plus surprenante a été le fait que les protéines ne sont pas monopolistiques dans la capacité de catalyser des réactions biologiques. Ainsi, un ensemble de petits ARN a été découvert dans le noyau cellulaire, qui, avec la participation de protéines, assurent le processus de maturation de l'ARN messager. Le fait est qu'un long ARN est lu à partir du gène, qui doit être coupé en fragments puis « cousu » d'une certaine manière pour obtenir le programme souhaité. L’exactitude de cette « réticulation » est assurée par des ARN spéciaux.
Un complexe ARN-protéine catalytiquement actif a également été découvert télomérase, grâce à quoi se produit la synthèse des sections terminales des chromosomes. Il s'est avéré que dans le ribosome, l'ARN ne joue pas seulement un rôle structurel : le centre catalytique lui-même est construit à partir de lui ! Ainsi, toutes les fonctions clés du processus de synthèse des protéines appartiennent aux molécules d'ARN.
Il s’est avéré que l’ARN, comme les protéines, peut former des structures compactes capables d’interagir de manière très spécifique avec presque toutes les petites et grandes molécules. Les catalyseurs à ARN ont été trouvés dans la nature et sont utilisés à la fois par les virus et les cellules d'organismes supérieurs. Et bientôt, ils ont appris à produire artificiellement une grande variété d’ARN catalytiques.
Les faits ont obstinément souligné la primauté de l’ARN en tant que molécule biologique. Oui, l’ADN est une réserve stable d’informations, mais il ne peut pas fonctionner sans l’aide de protéines. Les protéines sont des catalyseurs efficaces, mais elles sont fondamentalement inadaptées au rôle de supports d'informations. Mais l’ARN s’est avéré être exactement le genre de molécule universelle et multifonctionnelle qu’un « ancêtre » devrait être.
Il est devenu clair que c'est à partir de simples systèmes contenant de l'ARN que le monde biologique moderne est né. Mais où est passé ce « monde de l’ARN » lorsque des molécules plus spécialisées ont pris le relais ? Les ARN sont-ils aujourd’hui une sorte de « fossiles moléculaires » d’importance limitée, bien qu’importants ? Jusqu’à récemment, la réponse à ces questions ne faisait aucun doute.
Trente ans plus tard
En 1997, une conférence consacrée à la recherche sur l'ARN s'est tenue en Allemagne. Elle devait résumer un programme de recherche à grande échelle sur les ARN : tout ce qui concernait ces biopolymères semblait alors clair et compréhensible. Dans cette ambiance, le reportage sur l’ouverture sonnait comme une véritable « explosion de bombe ». Interférence ARN– un mécanisme jusqu’alors inconnu de régulation du fonctionnement des gènes à l’aide de petits ARN spéciaux.
Il est en fait surprenant qu'il ait fallu autant de temps pour découvrir ce mécanisme plutôt évident. Après tout, on sait théoriquement depuis longtemps qu'il est possible d'arrêter le travail d'un programme génétique cible, c'est-à-dire de « bloquer » un acide nucléique spécifique, en y attachant un petit fragment complémentaire d'ARN ou d'ADN, de taille suffisante. pour garantir la sélectivité de l’action.
C’est précisément cette méthode de régulation sélective des fonctions des acides nucléiques qui a été proposée pour la première fois dans les années 1960. La chercheuse de Novossibirsk N.I. Grineva et ses collègues, travaillant sous la direction du futur académicien de l'Académie des sciences de Russie, D.G. Knorre. Les scientifiques ont décidé à juste titre que la meilleure façon de cibler les gènes était d'utiliser des oligonucléotides dits antisens, c'est-à-dire courts fragments complémentaires d'ADN ou d'ARN (Belikova et coll., 1967).
Et des décennies plus tard, il a été prouvé que ce mécanisme d’influence ciblée sur le matériel génétique fonctionnait dans les systèmes vivants en régulant l’expression des gènes. Il s'agit d'un cas rare dans l'histoire des sciences où un phénomène a d'abord été décrit théoriquement, puis son schéma a été mis en œuvre expérimentalement et seulement des décennies plus tard, il a été découvert dans la nature.
Pour l’avenir, il convient de noter que grâce à leurs travaux, les scientifiques sibériens ont ouvert une nouvelle direction dans la biologie moléculaire appliquée, qui se développe aujourd’hui rapidement dans le monde entier. Les premiers médicaments pharmaceutiques basés sur des microARN interférents ont déjà été obtenus et, à l'avenir, on s'attend à ce qu'une large gamme de médicaments soit créée, y compris ceux destinés à l'inactivation sélective des microARN eux-mêmes (ces inhibiteurs ont même reçu un nom spécial - « anti -mir") et d'autres ARN non codants.
Lors de la même conférence en 1997, il a été annoncé que de nombreux ARN non codants différents avaient été découverts dans les cellules du cerveau et d'autres organes, dont les concentrations varient en fonction de l'état du corps. Il est devenu évident que la conversation ne devrait pas porter sur le repliement, mais sur l’élargissement des recherches sur l’ARN.
Trésors d’ADN « indésirable »
Très vite, des données ont été obtenues sur la distribution extrêmement large de l'interférence ARN dans la nature et des travaux ont commencé sur l'utilisation pratique de l'ARN interférent pour créer des médicaments thérapeutiques et des organismes génétiquement modifiés.
De plus, il a été démontré que le corps synthétise un grand nombre - des milliers d'espèces - d'ARN non codant, dont les informations étaient contenues dans cet « ADN indésirable » soi-disant inutile. Des microARN qui régulent l’activité des gènes, des macroARN qui remplissent diverses fonctions régulatrices et de nombreux autres ARN aux fonctions encore inconnues ont été découverts. Il est surprenant que de nombreux ARN se trouvent non seulement dans les cellules des tissus, mais également dans le sang, et soient capables de « voyager » dans tout le corps.
Les ARN longs non codants ont jusqu’à présent été relativement peu étudiés et le mécanisme de leur action n’a été établi que dans certains cas. Les chercheurs sont enclins à conclure que ces ARN jouent le rôle d’organisateurs de structures fonctionnelles complexes, comprenant diverses biomolécules. La molécule d’ARN est idéale pour ce rôle : elle peut contenir divers modules capables de se lier à la fois à des protéines spécifiques et à des sections d’ADN. De tels modules d'ARN peuvent être positionnés d'une certaine manière les uns par rapport aux autres, permettant ainsi de créer des assemblages supramoléculaires de tout degré de complexité. L’exemple le plus évident d’une telle structure est le ribosome.
Ainsi, c’est grâce à l’ARN que se créent les structures de base de la cellule, la rendant « vivante ». Les ARN longs non codants contrôlent également le fonctionnement de l’appareil génétique de la cellule. Ils activent et désactivent le fonctionnement de régions entières du chromosome, déterminant ainsi les points de modification spécifique des protéines chromosomiques.
Les concentrations de divers microARN dans les organes et les tissus sont également étroitement liées à l’état du corps. Ces ARN, participant à la régulation de l'activité d'un grand nombre de gènes, affectent les processus physiologiques et métaboliques les plus importants se produisant dans une cellule individuelle et dans l'organisme dans son ensemble.
Par exemple, en utilisant un certain ensemble de microARN, vous pouvez modifier le degré de différenciation cellulaire - obtenir des cellules souches indifférenciées à partir de cellules spécialisées ou, au contraire, contrôler la différenciation des cellules souches dans la direction souhaitée. Il a été prouvé que les microARN régulent la différenciation des cellules du tissu adipeux, le métabolisme des lipides, la sécrétion d'insuline et d'autres hormones, etc.
À en juger par les dernières données, plus de 60 % de tous les gènes relèvent de la « juridiction » de l’ARN. En fait, ce sont les microARN qui « guident » le développement d’organes entiers et du corps dans son ensemble, déclenchant certains processus et en arrêtant d’autres selon « l’horloge biologique » correspondante.
Dans le cadre de structures membranaires de transport spéciales, telles que exosomes, les microARN peuvent être transmis non seulement entre tissus et organes d’un même organisme, mais même entre organismes. Par exemple, le lait maternel contient des exosomes contenant des microARN, qui jouent un rôle important dans le développement du système immunitaire de l’enfant, et leur niveau de sécrétion est particulièrement élevé au cours des six premiers mois de lactation (Kosaka et coll., 2010).
Il n'est pas surprenant que l'intérêt pour de telles structures de transport et la composition des micro-ARN et autres ARN non codants qu'elles transportent soit extrêmement élevé aujourd'hui, et des recherches récemment lancées ont été entreprises par des milliers de scientifiques de différents pays. Une société internationale sur les vésicules extracellulaires a même été organisée, et en avril 2012 la première conférence sur ce sujet s'est tenue en Suède, où la création d'une revue spécialisée a été annoncée.
Points d'application
Ainsi, les ARN non codants sont les principaux régulateurs qui contrôlent les fonctions des gènes et des ensembles génétiques entiers, et le nombre d'ARN non codants connus est en constante augmentation. Leur concentration et leur rapport sont également influencés par les processus pathologiques se produisant dans le corps (par exemple les tumeurs). Par conséquent, la promesse d’utiliser des méthodes d’analyse quantitative de l’ARN non codant à des fins de diagnostic médical est évidente. Et la suppression de l’activité de l’ARN associée au développement de la maladie devrait devenir une nouvelle approche thérapeutique.
On sait aujourd'hui qu'avec l'aide de certains microARN, il est possible de bloquer le développement du cancer de la prostate et du sein (Tavazoie et coll., 2008). Les microARN sont également considérés comme des agents thérapeutiques potentiels dans le traitement des maladies cardiovasculaires (Latronico & Condorelli, 2009). Des études cliniques sont en cours sur des exosomes contenant des microARN circulant dans le sang dans les mélanomes et diverses formes de cancer du poumon (Rabinowits et coll., 2009).
Des études similaires sont activement menées à la branche sibérienne de l’Académie des sciences de Russie. Grâce à la technique originale de séquençage d'ARN à haut débit développée à l'Institut de biologie chimique et de médecine fondamentale de la SB RAS, il est devenu possible d'obtenir rapidement et avec précision des informations sur le profil des microARN dans divers échantillons cliniques. Des données sur les spectres de microARN de personnes en bonne santé ont déjà été publiées (Semenov et coll., 2012), des travaux sont en cours pour déterminer les profils d'ARN correspondants à diverses pathologies.
L'ICBFM a également obtenu des données expérimentales encourageantes sur la possibilité d'un traitement antitumoral et antimétastatique avec l'enzyme RNase A, qui affecte la concentration et le spectre des microARN tumoraux dans les cellules et le sérum sanguin des animaux malades (Mironova et coll., 2012).
Des recherches sur les microARN visant à développer des méthodes de diagnostic sont également menées à l'Institut de biologie moléculaire et cellulaire récemment créé de la SB RAS (Novossibirsk). Par exemple, le profil d’expression de certains microARN dans diverses tumeurs thyroïdiennes y a été étudié.
Une étude détaillée des propriétés de l'ARN a incité les chercheurs à créer de nouvelles technologies qui promettent d'apporter d'énormes avantages à l'humanité dans un avenir proche. Nous parlons de la technologie bien connue SELEX, qui permet d'obtenir des molécules d'ARN aux propriétés spécifiées - aptamères, qui sont capables de se lier sélectivement et fortement à la molécule cible. L'essence de la technologie des aptamères réside dans le fait que d'abord, des bibliothèques d'ARN de séquences aléatoires contenant une grande variété de molécules d'ARN différentes sont créées à l'aide de méthodes chimiques et enzymatiques. Ensuite, les aptamères sont sélectionnés dans cet ensemble à l'aide de méthodes de sélection moléculaire basées sur leur capacité à interagir spécifiquement avec la molécule cible et à être produits dans la quantité requise, bien que l'ARN souhaité puisse être représenté dans la bibliothèque par une seule molécule.
Aujourd'hui, ce ne sont pas seulement les ARN de structure « naturelle » habituelle qui sont utilisés comme aptamères et agents thérapeutiques : à l'aide de diverses modifications chimiques, il est possible d'obtenir des molécules résistantes à l'action des enzymes dégradant l'ARN, abondantes dans milieux biologiques. De tels ARN « artificiels » sont très prometteurs dans le diagnostic des maladies : par exemple, il est possible d’obtenir des aptamères d’ARN pour des molécules qui sont des marqueurs de maladies et, à partir de ceux-ci, de créer des biocapteurs dotés d’une sensibilité unique.
La combinaison d’approches bioanalytiques basées sur l’ARN pour le diagnostic des maladies avec de nouvelles thérapies basées sur les microARN et les ARN non codants devrait conduire à de nouvelles avancées en médecine dans un avenir proche.
Chaque année, les chercheurs découvrent de plus en plus de facettes de l’étonnant « monde de l’ARN ». Les technologies de séquençage à haut débit des acides nucléiques ont permis de détecter une grande variété d’ARN dans les cellules et le sang, y compris des transcriptions de sections d’ADN auparavant considérées comme « silencieuses ».
Résultat, à la fin du 20e siècle. a réussi à découvrir un mécanisme naturel d'une importance énorme qui contrôle le fonctionnement du génome cellulaire, qui avait été anticipé bien avant cet événement par les scientifiques sibériens dans l'idée de « nucléotides antisens ».
La découverte de nombreux secrets du « monde de l’ARN », longtemps cachés aux chercheurs derrière l’écran de molécules, de protéines et d’ADN plus hautement spécialisées, nous a permis de mieux comprendre les questions fondamentales sur l’origine de la vie. Et qui plus est : ce monde de l’ARN, transformé en nouvelles technologies biomédicales prometteuses, s’intègre progressivement dans le quotidien de l’humanité.
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