Hypothèse du monde à ARN

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L'hypothèse du monde à ARN (RNA World en anglais) est une hypothèse suivant laquelle l'acide ribonucléique serait le précurseur de toutes les macromolécules biologiques et particulièrement de l'ADN et des protéines. Cette hypothèse permet une explication de l'apparition des différentes fonctions biologiques dans le cadre de l'étude des origines de la vie.

L'hypothèse du monde à acide ribonucléique (ARN) est que l'ARN était la principale — et sans doute la seule — forme de vie avant l'émergence de la première cellule à ADN. C'est Walter Gilbert qui a utilisé pour la première fois le terme « monde à ARN » (en anglais : RNA world) en 1986.

L'hypothèse d'un monde à ARN a aujourd'hui la faveur des scientifiques et est fondée sur plusieurs éléments. Notamment sur le fait que l'ARN est en théorie capable aussi bien d'assurer des tâches métaboliques que d'être le support d'une information génétique.

Article principal : Origine de la vie.

Le paradoxe de l'origine[modifier | modifier le code]

L'ADN est aujourd'hui le support de nos gènes et contient les instructions de production des protéines. La réplication de l'ADN est assurée par des protéines, les ADN polymérases [1]. Il en résulte un paradoxe de l'œuf et de la poule si on se pose la question de savoir qui des protéines ou de l'ADN est apparu le premier au cours de l'émergence de la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui.

La difficulté vient de ce que ce ne sont pas les mêmes polymères qui portent l'information génétique (ADN) et les fonctions catalytiques nécessaires à la réplication (protéines). Ces deux sortes de polymères étant très complexes et chimiquement très différents, il était difficile d'imaginer comment ils avaient pu apparaître simultanément et indépendamment.

Découverte de l'ARN catalytique[modifier | modifier le code]

Dans les années 1980, Tom Cech et Sidney Altman ont découvert indépendamment que certains ARN, ensuite appelés ribozymes, pouvaient avoir un rôle de catalyseur, comme les protéines. Cette découverte inattendue a valu à Cech et Altman le prix Nobel de chimie en 1989.

En 1990, Larry Gold et Jack Szostak ont mis au point une méthode visant à diriger l'évolution d'ARN, afin de sélectionner ceux montrant une activité catalytique. Ils ont depuis réussi à obtenir des ribozymes capables de lier des nucléotides entre eux, de lier des acides aminés à des ARN, d'effectuer des réactions d'oxydo-réductions, de se lier à des composants de la membrane, etc.

Il est donc en théorie possible, sur ce modèle, que l'ARN seul suffise à établir un métabolisme primitif. Toutefois, il reste encore à découvrir un ARN capable de se répliquer lui-même.

Les ribozymes étant capables d'assurer à la fois le rôle de support de l'information génétique et de catalyseur, cela permettait de s'affranchir du paradoxe, en proposant que l'ARN soit le précurseur unique, ce qui a été proposé en 1986 par Walter Gilbert, le co-inventeur du séquençage de l'ADN. Toutefois l'idée d'une vie à base d'ARN est plus ancienne et remonte à Carl Woese dans The Genetic Code[2].

Arguments soutenant cette hypothèse[modifier | modifier le code]

La synthèse des désoxyribonucléotides de l'ADN (dA, dC, dT, dG) passe par celle des bases de l'ARN (A, C, U, G), puis une réduction (donnant dA, dC, dG et dU) et une modification supplémentaires pour synthétiser dT à partir de ce dU. Cette voie indirecte serait la trace du passage d'un monde à ARN à un monde à ADN.

Il semble par ailleurs y avoir peu d'homologies entre les enzymes essentielles à la réplication, la réparation et la recombinaison de l'ADN : l'ancêtre commun aux eubactéries, archées et eucaryotes aurait donc été dépourvu d'un certain nombre de ces enzymes (inutiles en l'absence de génome ADN). Ces protéines serait alors apparues indépendamment dans chaque grande lignée (peut-être à partir de gènes viraux dans certains cas).

Stockage et réplication[modifier | modifier le code]

Une protéine liée à un brin d'ADN.

L'ARN a la capacité de stocker une information, en utilisant un code génétique similaire à celui de l'ADN. L'ARN peut également se comporter comme un ribozyme (de la contraction de ribose et enzyme) et catalyser certaines réactions, tout comme les protéines. Du point de vue de la reproduction, cette molécule possède donc deux fonctions primordiales : le stockage de l'information et la catalyse nécessaire à l'autoréplication.

L'ADN peut aussi se recopier lui-même, mais seulement avec l'assistance de protéines. Les protéines sont de très bons catalyseurs mais elles sont incapables de stocker l'information requise pour leur propre réplication. L'ARN est lui capable à la fois de catalyse et d'autoréplication. Ainsi, le ribosome est un ribozyme, dans le sens où le responsable de la synthèse des protéines n'est pas une protéine (comme c'est le cas dans la grande majorité des catalyses d'une cellule vivante) mais l'ARN ribosomique lui-même. Ces ribozymes peuvent se replier dans l'espace, faisant apparaître un site actif pour une catalyse, à l'instar des protéines.

L'ADN, formant une double hélice rigide, ne peut se replier pour jouer un rôle de catalyseur.

Efficacité des protéines[modifier | modifier le code]

La structure « quaternaire » d'une protéine.

Les protéines sont des catalyseurs très efficaces, bien plus que les ribozymes. De même, il existe 20 acides aminés dans le monde vivant, mais seulement quatre nucléotides, les protéines sont donc bien plus diversifiées que les ARN.

D'un point de vue évolutif, il est donc peu probable qu'une protéine-enzyme ait été remplacée par une ARN-enzyme. À l'inverse, si les ARN sont bien apparus avant les protéines, il est plausible qu'ils aient été remplacés par des protéines, plus efficaces.

Cet argument est étayé par le fait que l'ARN joue un rôle dans la synthèse des protéines, via son rôle fondamental dans les ribosomes actuels. L'ARN aurait donc en quelque sorte conduit à l'apparition des protéines.

Les protéines utilisées dans la structure du ribosome seraient donc venues plus tard : les premières protéines auraient été sélectionnées selon leur capacité d'amélioration du fonctionnement des ribozymes, pour finalement se substituer à eux.

Une grande distribution phylogénétique[modifier | modifier le code]

Les ARN sont présents dans les trois lignées du monde vivant (archées, procaryotes, eucaryotes). Ils accomplissent dans chacun un grand nombre de tâches différentes, les plus connus sont l'ARN messager (ARNm, véhiculant l'information génétique de l'ADN vers les ribosomes), l'ARN de transfert (ARNt, faisant le lien entre acide nucléique et acide aminé) et l'ARN ribosomique (ARNr, composant structuraux et fonctionnels des ribosomes). À côté de ceux-ci, on peut trouver un grand nombre d'ARN impliqués dans des fonctions tels que des catalyses, des régulations de l'expression de gènes, des contrôles, des défenses antivirales, des extinctions de gènes, des inhibitions de synthèses de protéines, des restaurations génomiques, etc. C'est le cas des ARN interférents, dont certains chercheurs qualifient le mécanisme d'« universel ». Les ARNtm des procaryotes, ont également plusieurs fonctions : ils jouent à la fois les rôles d'ARN de transfert et d'ARN messager.

Malgré cette grande diversité structurelle et fonctionnelle, la répartition des ARN permet de retrouver le découpage du vivant. Ainsi, les petits ARN nucléolaire ne sont partagés que par les archées et les eucaryotes, l'ARN de la télomérase n'est lui présent que chez les eucaryotes alors que les procaryotes sont les seules à posséder des ARNtm. De la même façon, les trois grands types d'ARN (ARNt, ARNm et ARNr) sont présents dans les trois lignées.

Le cas de l'ARN de transfert[modifier | modifier le code]

La structure de l'ARN de transfert.

Le rôle de l'ARNt est de transporter un acide aminé vers le ribosome, où s'effectuera la liaison avec un autre acide aminé, pour former un polypeptide (donnant ainsi une protéine). Il existe plusieurs ARNt, possédant chacun trois nucléotides : l'anticodon. L'anticodon correspond à un codon, porté par l'ARNm qui définit l'ordre d'assemblage des acides aminés par le ribosome.

La particularité de l'ARNt est qu'il est, malgré sa petite taille, en partie constitué de nombreux nucléotides que l'on ne rencontre pas ailleurs. Ces nucléotides « exotiques » auraient ainsi une origine prébiotique, vestiges d'un monde à ARN. On retrouve ainsi ces composants dans l'ensemble des trois domaines du vivant.

Virus et ARNt[modifier | modifier le code]

Il est relativement fréquent d'observer des virus à ARN ou des viroïdes portant des motifs similaires à de l'ARNt. Ainsi, dans le viroïde PSTV (Potato Spindle Tuber Viroïd) et l'ARNt de la tyrosine, on trouve les mêmes motifs structuraux en « feuille de trèfle ». Pour Marie-Christine Maurel, « ces derniers jouent un rôle fondamental dans le vivant et leur ancienneté ne fait pas de doute ».

Autre structure surprenante : chez le virus TYMV (Turnip Yellow Mosaic Virus), l'amorce de la traduction du génome du virus en protéine se fait par le biais d'une structure de type ARNt qui amorce sa propre traduction et qui fixe un acide aminé.

Structure du virus PSTV.

Passage de l'ARN à l'ADN[modifier | modifier le code]

Certains scientifiques (comme le virologiste Patrick Forterre de l'Institut de Génétique et Microbiologie, à Orsay) pensent que ce sont les virus qui seraient les "inventeurs" de l'ADN. L'apparition de l'ADN viral dans un monde à ARN serait une solution de ces parasites pour déjouer les défenses cellulaires. L'ADN présente plusieurs avantages évolutifs par rapport à l'ARN, notamment une plus grande stabilité et la possibilité de détecter les désaminations (génératrices de mutations) de C en U, U n'étant pas normalement présent dans l'ADN.

ARN et hérédité[modifier | modifier le code]

L'ARN joue un rôle dans la transmission de l'activité des gènes : un tel mécanisme (qualifié d'épigénétique) n'est pas lié à l'ADN, et serait une preuve de la capacité de l'ARN à participer à l'hérédité.

À l'origine de l'ADN dans la cellule[modifier | modifier le code]

Du point de vue de la biologie cellulaire, l'ADN est produit par modification d'un ARN : les désoxyribonucléotides (précurseurs de l'ADN) sont en effet produits à partir des ribonucléotides (précurseurs des ARN). De plus, le groupement thymine (identifié comme T dans le code génétique), est construit à partir d'un groupement uracile (U). Or, bien que l'uracile soit spécifique à l'ARN et la thymine à l'ADN, le groupement U est, au moment de la synthèse, déjà fixé sur un désoxyribonucléotide.

Difficultés[modifier | modifier le code]

L'ARN est une molécule complexe et fragile. Pour que l'hypothèse du "RNA world" soit crédible, il faut imaginer qu'un précurseur ARN suffisamment long, capable de se répliquer ait pu émerger spontanément dans la soupe prébiotique. Cet événement semble très improbable à un certain nombre de scientifiques. Pour contourner cette difficulté, il a été proposé qu'un précurseur plus simple que l'ARN ait précédé celui-ci. Des phénomènes aussi fondamentaux et anciens sont très difficiles à étayer, la longue évolution ayant effacé en grande partie leurs éventuelles traces. Il a été également émis comme hypothèse l’émergence et le développement de la vie dans des milieux glacés, l’ARN se développant plus facilement dans la glace que dans des températures élevées (les nucléotides s’assemblent naturellement pour former des brins d’ARN lorsqu’ils sont dans un environnement gelé)[3].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Biology 6th editon, Raven & Johnson, p. 290
  2. Carl Woese, The Genetic Code, Harper & Row, 1968 ISBN 978-0-06-047176-7
  3. (en) James Attwater & al, « Ice as a protocellular medium for RNA replication », Nature,‎ 21 septembre 2010 (DOI 10.1038/ncomms1076, lire en ligne)

Sources[modifier | modifier le code]

  • (en) Walter Gilbert, The RNA World Nature 319 (1986): 618

Articles connexes[modifier | modifier le code]