Différences dans le décodage des ribosomes révélées

Les ribosomes sont des machines moléculaires au sein des cellules, responsables de la synthèse des protéines en décodant l’ARNm. En menant des études mécanistes sur les ribosomes bactériens et humains, les chercheurs peuvent comprendre leurs similitudes et leurs différences pour développer des médicaments et comprendre la maladie. De nombreux antibiotiques, les médicaments que nous utilisons pour traiter les infections bactériennes, agissent en ciblant les ribosomes bactériens. Chez l’homme, des changements dans la précision avec laquelle les ribosomes décodent l’ARNm ont été liés au vieillissement et à la maladie, ce qui représente un point potentiel d’intervention thérapeutique. Cela donne les implications de travail pour le traitement des infections et du cancer.

“Les bactéries ont été très bien étudiées pendant de nombreuses décennies, mais le type d’études que nous menons, des études mécanistes minutieuses, ont fait défaut sur les ribosomes humains”, a déclaré l’auteur correspondant Scott Blanchard, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology. . “Nous sommes très intéressés par les ribosomes humains car ce sont eux qui doivent être ciblés pour trouver de nouveaux traitements contre le cancer et les infections virales telles que le COVID.”

Révolution de la résolution

Les ribosomes décodent l’ARNm en utilisant une molécule appelée ARN de transfert d’aminoacyle (ARNt) comme substrat. Le processus de décodage comprend plusieurs étapes différentes.

Les chercheurs ont déployé des méthodes telles que le transfert d’énergie par résonance de fluorescence d’une seule molécule (smFRET) et la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) pour examiner les mécanismes de décodage des ribosomes humains. L’imagerie d’une seule molécule donne aux chercheurs des informations sur la rapidité avec laquelle les choses se produisent. Donc, dans ce cas, à quelle vitesse les ribosomes humains traversent les différentes étapes du processus de décodage. Cryo-EM donne aux chercheurs des informations structurelles. Donc, à quoi ressemble le ribosome humain ou dans quelles conformations (formes) il se trouve à chaque étape. En combinant ces deux méthodes, les scientifiques obtiennent des informations sur la rapidité avec laquelle ces processus se produisent chez l’homme par rapport aux bactéries ainsi que sur les causes structurelles sous-jacentes des différences qu’ils observent.

“Nous voulions savoir à quelle vitesse un ribosome humain peut lire le code génétique, à quelle vitesse il trouve l’ARNt complémentaire de l’ARNm”, a déclaré le co-premier auteur Mikael Holm, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology. “Nous avons constaté que le processus est environ 10 fois plus lent pour les ribosomes humains que pour les bactéries. Mais ce ralentissement ajoute de la précision, car les ribosomes humains sont connus pour être plus précis dans la traduction du code que les ribosomes bactériens.”

Plus précisément, les chercheurs ont découvert que, bien que les humains et les bactéries décodent tous les deux l’ARNm, la voie de réaction du mouvement de l’aminoacyl-ARNt au cours du processus de décodage est différente sur les ribosomes humains et est nettement plus lente. Ces différences proviennent d’éléments structurels du ribosome humain et du facteur d’élongation humain, eEF1A, qui, ensemble, sont responsables de l’incorporation fidèle du bon ARNt pour chaque codon d’ARNm (morceau de la séquence). La nature et le moment distincts des changements de conformation au sein du ribosome et de l’eEF1A peuvent expliquer comment les ribosomes humains atteignent une plus grande précision de décodage.

“Grâce à nos études structurelles cryo-EM, nous avons pu résoudre les structures des ribosomes humains en résolution atomique, ce qui a révélé des caractéristiques sans précédent telles que les modifications de l’ARNr et des protéines, les ions et les molécules de solvant présentes dans le ribosome humain”, a déclaré le co-premier auteur Kundhavai Natchiar. , Ph.D., Département St. Jude de biologie structurale. “Ces caractéristiques caractérisent finement la base moléculaire des interactions des molécules de médicament avec le ribosome humain, qui est indispensable pour la conception et la découverte de médicaments à base de ribosome humain.”

Pris en flagrant délit

Les chercheurs ont également identifié exactement quelle étape du processus de décodage ralentit dans les ribosomes humains. Il y a deux étapes dans le processus de sélection par le ribosome du bon ARNt : la sélection initiale et la sélection de relecture. La deuxième étape, la relecture de la sélection, est celle où le ribosome vérifie une seconde fois qu’il a choisi la bonne molécule. C’est l’étape qui est 10 fois plus lente chez l’homme que chez la bactérie.

Pensez à un gymnaste qui se contorsionne en différentes formes sur le tapis pendant qu’il travaille sa routine. Ceci est similaire à la façon dont les ribosomes passent à diverses conformations pour obtenir des résultats différents. La recherche a montré qu’une grande partie de la gymnastique conformationnelle subie par les ribosomes humains n’est pas présente dans les ribosomes bactériens et est donc probablement liée au ralentissement du processus de sélection de la relecture.

Les chercheurs ont également découvert que plusieurs médicaments ciblent le processus de sélection de la relecture, et non la sélection initiale. Ainsi, au lieu d’atteindre l’étape similaire entre les humains et les bactéries, ces médicaments se concentrent sur l’étape la plus différente et la plus lente.

“En biologie structurale, un seul instantané d’une machine macromoléculaire n’est pas toujours suffisant pour expliquer son fonctionnement”, a déclaré la co-première auteur Emily Rundlet, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology. “Souvent, l’instantané nécessaire pour répondre à votre question biologique n’est pas la forme la plus stable de la molécule, mais plutôt de courte durée et difficile à capturer. L’utilisation conjointe de smFRET et de cryo-EM apporte la dimension du temps à la biologie structurale, ce qui nous permet de visualiser les étapes intermédiaires transitoires importantes du décodage humain et de comprendre les différents mécanismes à un nouveau niveau.”