Le plan de base de la synthèse protéique chez les eucaryotes et les archées est similaire à celui des bactéries. Les principaux thèmes structurels et mécanistiques sont récurrents dans tous les domaines du vivant. Cependant, la synthèse protéique eucaryote implique plus de composants protéiques que la synthèse protéique procaryote, et certaines étapes sont plus complexes. Certaines similitudes et différences notables sont les suivantes :
Ribosomes. Les ribosomes eucaryotes sont plus grands. Ils se composent d’une grande sous-unité 60S et d’une petite sous-unité 40S, qui s’assemblent pour former une particule 80S ayant une masse de 4200 kd, contre 2700 kd pour le ribosome 70S procaryote. La sous-unité 40S contient un ARN 18S homologue de l’ARN 16S procaryote. La sous-unité 60S contient trois ARN : les ARN 5S et 28S sont les homologues des molécules 5S et 23S procaryotes ; son ARN 5,8S est unique aux eucaryotes.
ARNt initiateur. Chez les eucaryotes, l’acide aminé initiateur est la méthionine plutôt que la N-formylméthionine. Cependant, comme chez les procaryotes, un ARNt particulier participe à l’initiation. Cet aminoacyl-ARNt est appelé Met-tRNAi ou Met-tRNAf (l’indice « i » signifie initiation, et « f » indique qu’il peut être formylé in vitro).
Initiation. Le codon d’initiation chez les eucaryotes est toujours AUG. Les eucaryotes, contrairement aux procaryotes, n’utilisent pas une séquence spécifique riche en purine du côté 5′ pour distinguer les AUG initiateurs des AUG internes. Au lieu de cela, l’AUG le plus proche de l’extrémité 5′ de l’ARNm est généralement sélectionné comme site de départ. Un ribosome 40S se fixe à la coiffe à l’extrémité 5′ de l’ARNm eucaryote (section 28.3.1) et recherche un codon AUG en se déplaçant pas à pas dans la direction 3′ (figure 29.33). Ce processus de balayage dans la synthèse des protéines eucaryotes est alimenté par des hélicases qui hydrolysent l’ATP. L’appariement de l’anticodon du Met-tRNAi avec le codon AUG de l’ARNm signale que la cible a été trouvée. Dans presque tous les cas, l’ARNm eucaryote ne possède qu’un seul site de départ et constitue donc le modèle d’une seule protéine. En revanche, un ARNm procaryote peut avoir plusieurs séquences Shine-Dalgarno et, par conséquent, des sites de départ, et il peut servir de modèle pour la synthèse de plusieurs protéines. Les eucaryotes utilisent beaucoup plus de facteurs d’initiation que les procaryotes, et leur interaction est beaucoup plus complexe. Le préfixe eIF désigne un facteur d’initiation eucaryote. Par exemple, eIF-4E est une protéine qui se lie directement à la coiffe de 7-méthylguanosine (section 28.3.1), alors que eIF-4A est une hélicase. La différence de mécanisme d’initiation entre procaryotes et eucaryotes est, en partie, une conséquence de la différence de traitement de l’ARN. L’extrémité 5′ de l’ARNm est facilement disponible pour les ribosomes immédiatement après la transcription chez les procaryotes. En revanche, le pré-ARNm doit être traité et transporté dans le cytoplasme chez les eucaryotes avant que la traduction ne soit initiée. Ainsi, il existe de nombreuses possibilités de formation de structures secondaires complexes qui doivent être supprimées pour exposer les signaux dans l’ARNm mature. La coiffe 5′ fournit un point de départ facilement reconnaissable. En outre, la complexité de l’initiation de la traduction eucaryote fournit un autre mécanisme pour l’expression des gènes que nous explorerons plus en détail au chapitre 31.
Élongation et terminaison. Les facteurs d’élongation eucaryotes EF1α et EF1βγ sont les homologues des EF-Tu et EF-Ts procaryotes. La forme GTP de EF1α délivre l’aminoacyl-ARNt au site A du ribosome, et EF1βγ catalyse l’échange du GTP contre le GDP lié. L’EF2 eucaryote assure la médiation de la translocation pilotée par le GTP de la même manière que l’EF-G procaryote. La terminaison chez les eucaryotes est effectuée par un seul facteur de libération, eRF1, contre deux chez les procaryotes. Enfin, eIF3, comme son homologue procaryote IF3, empêche la réassociation des sous-unités ribosomiques en l’absence de complexe d’initiation.
Figure 29.33
Initiation de la traduction eucaryote. Chez les eucaryotes, l’initiation de la traduction commence par l’assemblage d’un complexe sur la coiffe 5′ qui comprend la sous-unité 40S et le Met-tRNAi. Poussé par l’hydrolyse de l’ATP, ce complexe balaie l’ARNm jusqu’au premier AUG (suite…)
29.5.1. De nombreux antibiotiques agissent en inhibant la synthèse des protéines
Les différences entre les ribosomes eucaryotes et procaryotes peuvent être exploitées pour le développement d’antibiotiques (tableau 29.4). Par exemple, l’antibiotique puromycine inhibe la synthèse des protéines en provoquant la libération des chaînes polypeptidiques procaryotes naissantes avant que leur synthèse ne soit achevée. La puromycine est un analogue de la partie terminale aminoacyl-adénosine de l’aminoacyl-ARNt (figure 29.34).
Tableau 29.4
Inhibiteurs antibiotiques de la synthèse protéique.
Figure 29.34
Action antibiotique de la puromycine. La puromycine ressemble à l’extrémité aminoacyle d’un ARNt aminoacyle. Son groupe amino rejoint le groupe carbonyle de la chaîne polypeptidique en croissance pour former un adduit qui se dissocie du ribosome. Cet adduit est stable car (suite…)
Il se lie au site A du ribosome et inhibe l’entrée de l’aminoacyl-tRNA. De plus, la puromycine contient un groupe α-amino. Ce groupe amino, comme celui de l’aminoacyl-ARNt, forme une liaison peptidique avec le groupe carboxyle de la chaîne peptidique en croissance. Le produit, un peptide ayant un résidu puromycine attaché de façon covalente à son extrémité carboxyle, se dissocie du ribosome.
La treptomycine, un trisaccharide hautement basique, interfère avec la liaison de l’ARN formylméthionyl aux ribosomes et empêche ainsi l’initiation correcte de la synthèse des protéines. D’autres antibiotiques aminoglycosides tels que la néomycine, la kanamycine et la gentamycine interfèrent avec le site de décodage situé près du nucléotide 1492 dans l’ARNr 16S de la sous-unité 30S (Section 29.3.9). Le chloramphénicol agit en inhibant l’activité de la peptidyl transférase. L’érythromycine se lie à la sous-unité 50S et bloque la translocation. Enfin, le cyclohexamide bloque l’activité peptidyl transférase dans les ribosomes eucaryotes, ce qui en fait un outil de laboratoire utile pour bloquer la synthèse des protéines dans les cellules eucaryotes.
29.5.2. La toxine diphtérique bloque la synthèse des protéines chez les eucaryotes en inhibant la translocation
La diphtérie était une cause majeure de décès dans l’enfance avant l’avènement d’une immunisation efficace. Les effets létaux de cette maladie sont dus principalement à une toxine protéique produite par Corynebacterium diphtheriae, une bactérie qui se développe dans les voies respiratoires supérieures d’une personne infectée. Le gène qui code pour la toxine provient d’un phage lysogène hébergé par certaines souches de C. diphtheriae. Quelques microgrammes de toxine diphtérique sont généralement mortels pour une personne non immunisée, car ils inhibent la synthèse des protéines. La toxine est clivée peu après son entrée dans une cellule cible en un fragment A de 21 kd et un fragment B de 40 kd. Le fragment A de la toxine catalyse la modification covalente d’un composant important de la machinerie de synthèse des protéines, tandis que le fragment B permet au fragment A d’entrer dans le cytosol de sa cellule cible.
Un seul fragment A de la toxine dans le cytosol peut tuer une cellule. Pourquoi est-ce si létal ? La cible du fragment A est EF2, le facteur d’élongation qui catalyse la translocation dans la synthèse des protéines eucaryotes. EF2 contient de la diphtamide, un résidu d’acide aminé inhabituel dont la fonction est inconnue et qui est formé par modification post-traductionnelle de l’histidine. Le fragment A catalyse le transfert de l’unité ribose de l’adénosine diphosphate du NAD+ vers un atome d’azote du cycle diphthamide (Figure 29.35). Cette ADP-ribosylation d’une seule chaîne latérale de EF2 bloque sa capacité à effectuer la translocation de la chaîne polypeptidique en croissance. La synthèse protéique cesse, ce qui explique la remarquable toxicité de la toxine diphtérique.
Figure 29.35
Blocage de la translocation par la toxine diphtérique. La toxine diphtérique bloque la synthèse protéique chez les eucaryotes en catalysant le transfert d’une unité ADP-ribose du NAD+ au diphtamide, un résidu d’acide aminé modifié dans le facteur d’élongation 2 (translocase). Diphthamide (suite…)