Riboswitch

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Structure 3D du riborégulateur fixant la S-adénosylméthionine[1]

Un riboswitch est un des systèmes de type riborégulateur. Il s'agit d'une structure d'ARN présente sur la partie amont (en 5'), non traduite, de certains ARN messagers. Un riboswitch comporte deux parties : l'aptamère (simple ou en tandem) et la plateforme d'expression. L'aptamère peut lier directement un ligand (une petite molécule) ce qui déclenche une modification de structure de la plateforme d'expression. Cette modification va influer sur l'expression du gène porté par l'ARNm en bloquant ou en activant la transcription ou la traduction de la protéine correspondante. Les riboswitches sont ainsi une des voies possibles de régulation de la traduction.

Très souvent, le ligand du riboswitch est un métabolite de la réaction catalysée par la protéine codée par l'ARNm, ce qui conduit à un mécanisme de rétroaction directe.

Les riboswitches ont été principalement observés chez les bactéries, bien qu'ils existent aussi chez certains plantes[2], champignons[3], phages[4] et archées[5]. Ils réguleraient ainsi une partie non négligeable du génome bactérien, par exemple environ 2 % du génome de B. subtilis est sous le contrôle de riboswitches[6].

Découverte des riboswitches[modifier | modifier le code]

De nombreuses bactéries sont capables de transporter des métabolites de l'environnement ou de les synthétiser à partir de précurseurs mais cela nécessite l'utilisation de protéines. De plus, celles-ci permettent d'évaluer la concentration des métabolites cellulaires puis interagissent avec l'ADN ou l'ARN pour moduler l'expression d'enzymes. Ainsi lorsque l'inhibition des gènes de la biosynthèse des vitamines B1, B2 et B12 par la thiamine, la riboflavine et la cobalamine, respectivement, a été élucidée, et les protéines supposément responsables de cette inhibition ont été recherchées. Cependant, ces protéines ne furent jamais trouvées. À la place, des séquences conservées d'ARNm ont été identifiées en 2002 et suggérèrent la possibilité d'une régulation par l'ARNm. Finalement, il fut montré que trois dérivés de vitamines (TPP[7],[8], FMN[8] et AdoCbl[9]) pouvaient directement interagir avec leurs ARNm.

Ainsi, le premier riboswitch identifié lie la thiamine pyrophosphate (TPP) et régule l'expression des enzymes de synthèse de la vitamine B1, l'adénine[10], la lysine ou la S-adénosylméthionine et régule la production des enzymes impliquées dans les voies de biosynthèse correspondantes.

Mécanisme d'action[modifier | modifier le code]

L'aptamère du riboswitch lie le ligand de manière hautement spécifique ce qui induit en aval la modification structurale de la plateforme d'expression. La structure primaire de l'aptamère varie de 30 nucléotides (riboswitch preQ1[11]) à plus de 150 nt (riboswitch TPP).

Généralement, cette modification entraîne l'arrêt de l'expression du gène, néanmoins des riboswitches sont capables d'activer celle-ci. Il existe différents mécanismes de régulations, la plupart jouant sur la régulation de la transcription ou de la traduction. Les mécanismes identifiés sont notamment :

  • Formation d'une boucle de terminaison de la transcription rho-indépendante menant à un arrêt prématuré de la transcription.
  • Changement de conformation menant à la séquestration du site de fixation du ribosome (RBS) et à fortiori à l'inhibition de la traduction.
  • Auto-clivage du riboswitch (ribozyme) lorsque le ligand est présent en concentrations suffisantes (exemple du riboswitch glmS liant la glucosamine-6-phosphate).
  • Modification de l'épissage du pré-ARNm[12].

Classes de riboswitches[modifier | modifier le code]

Il existe actuellement plus de 20 classes de riboswitches réparties en fonction de la nature de leur ligand. Elles peuvent être regroupées comme suit :

Applications thérapeutiques[modifier | modifier le code]

L'application thérapeutique des riboswitches est basée sur l'utilisation de molécules analogues non-métabolisables du ligand naturel. Le but est de bloquer l'expression du gène contrôlé par le riboswitch.

Des essais ont été entrepris chez plusieurs animaux dans le cadre de la mammite bovine causée par S. aureus[37] et chez la souris pour des infections à C. difficile[38]. Ces deux bactéries étant connues pour leurs multiples résistances aux antibiotiques, les riboswitches présentent donc une alternative intéressante aux antibiothérapies même si les essais n'en sont qu'à leurs débuts.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Montange R.K., Batey R.T., « Structure of the S-adenosylmethionine riboswitch regulatory mRNA element », Nature, vol. 441, no 7097,‎ , p. 1172-1175 (PMID 16810258)
  2. (en) Andreas Wachter, Meral Tunc-Ozdemir, Beth C. Grove et Pamela J. Green, « Riboswitch Control of Gene Expression in Plants by Splicing and Alternative 3′ End Processing of mRNAs », The Plant Cell, vol. 19,‎ , p. 3437–3450 (ISSN 1532-298X, PMID 17993623, PMCID 2174889, DOI 10.1105/tpc.107.053645, lire en ligne)
  3. (en) Ming T. Cheah, Andreas Wachter, Narasimhan Sudarsan et Ronald R. Breaker, « Control of alternative RNA splicing and gene expression by eukaryotic riboswitches », Nature, vol. 447,‎ , p. 497–500 (ISSN 0028-0836, DOI 10.1038/nature05769, lire en ligne)
  4. (en) N. Sudarsan, E. R. Lee, Z. Weinberg et R. H. Moy, « Riboswitches in Eubacteria Sense the Second Messenger Cyclic Di-GMP », Science, vol. 321,‎ , p. 411–413 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 18635805, DOI 10.1126/science.1159519, lire en ligne)
  5. (en) Zasha Weinberg, Joy X Wang, Jarrod Bogue et Jingying Yang, « Comparative genomics reveals 104 candidate structured RNAs from bacteria, archaea, and their metagenomes », Genome Biology, vol. 11,‎ (PMID 20230605, PMCID 2864571, DOI 10.1186/gb-2010-11-3-r31, lire en ligne)
  6. Maumita Mandal, Benjamin Boese, Jeffrey E. Barrick et Wade C. Winkler, « Riboswitches control fundamental biochemical pathways in Bacillus subtilis and other bacteria », Cell, vol. 113,‎ , p. 577–586 (ISSN 0092-8674, PMID 12787499, lire en ligne)
  7. Wade C. Winkler, Ali Nahvi, Adam Roth et Jennifer A. Collins, « Control of gene expression by a natural metabolite-responsive ribozyme », Nature, vol. 428,‎ , p. 281–286 (ISSN 1476-4687, PMID 15029187, DOI 10.1038/nature02362, lire en ligne)
  8. a et b Alexander S. Mironov, Ivan Gusarov, Ruslan Rafikov et Lubov Errais Lopez, « Sensing small molecules by nascent RNA: a mechanism to control transcription in bacteria », Cell, vol. 111,‎ , p. 747–756 (ISSN 0092-8674, PMID 12464185, lire en ligne)
  9. Ali Nahvi, Narasimhan Sudarsan, Margaret S. Ebert et Xiang Zou, « Genetic control by a metabolite binding mRNA », Chemistry & Biology, vol. 9,‎ , p. 1043 (ISSN 1074-5521, PMID 12323379, lire en ligne)
  10. Jean-François Lemay et Daniel A. Lafontaine, « Le riborégulateur adénine. Un nouveau mode de régulation génétique », Médecine/sciences, vol. 22,‎ , p. 1053-1059 (PMID 17156726)
  11. Adam Roth, Wade C Winkler, Elizabeth E Regulski et Bobby W K Lee, « A riboswitch selective for the queuosine precursor preQ1 contains an unusually small aptamer domain », Nature Structural & Molecular Biology, vol. 14,‎ , p. 308–317 (DOI 10.1038/nsmb1224, lire en ligne)
  12. Ming T. Cheah, Andreas Wachter, Narasimhan Sudarsan et Ronald R. Breaker, « Control of alternative RNA splicing and gene expression by eukaryotic riboswitches », Nature, vol. 447,‎ , p. 497–500 (ISSN 1476-4687, PMID 17468745, DOI 10.1038/nature05769, lire en ligne)
  13. (en) Maumita Mandal, Mark Lee, Jeffrey E. Barrick et Zasha Weinberg, « A Glycine-Dependent Riboswitch That Uses Cooperative Binding to Control Gene Expression », Science, vol. 306, no 5694,‎ , p. 275–279 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 15472076, DOI 10.1126/science.1100829, lire en ligne)
  14. Aiming Ren, Yi Xue, Alla Peselis et Alexander Serganov, « Structural and Dynamic Basis for Low-Affinity, High-Selectivity Binding of L-Glutamine by the Glutamine Riboswitch », Cell Reports, vol. 13, no 9,‎ , p. 1800–1813 (PMID 26655897, PMCID PMC4690532, DOI 10.1016/j.celrep.2015.10.062, lire en ligne)
  15. Alexander Serganov et Dinshaw J. Patel, « Amino acid recognition and gene regulation by riboswitches », Biochimica Et Biophysica Acta, vol. 1789, no 9-10,‎ , p. 592–611 (ISSN 0006-3002, PMID 19619684, PMCID PMC3744886, DOI 10.1016/j.bbagrm.2009.07.002, lire en ligne)
  16. Anna Wacker, Janina Buck, Daniel Mathieu et Christian Richter, « Structure and dynamics of the deoxyguanosine-sensing riboswitch studied by NMR-spectroscopy », Nucleic Acids Research, vol. 39, no 15,‎ , p. 6802–6812 (ISSN 1362-4962, PMID 21576236, PMCID PMC3159443, DOI 10.1093/nar/gkr238, lire en ligne)
  17. Maumita Mandal et Ronald R Breaker, « Adenine riboswitches and gene activation by disruption of a transcription terminator », Nature Structural & Molecular Biology, vol. 11, no 1,‎ , p. 29–35 (DOI 10.1038/nsmb710, lire en ligne)
  18. Jane N. Kim, Adam Roth et Ronald R. Breaker, « Guanine riboswitch variants from Mesoplasma florum selectively recognize 2'-deoxyguanosine », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 104, no 41,‎ , p. 16092–16097 (ISSN 0027-8424, PMID 17911257, PMCID PMC1999398, DOI 10.1073/pnas.0705884104, lire en ligne)
  19. Adam Roth, Wade C Winkler, Elizabeth E Regulski et Bobby W K Lee, « A riboswitch selective for the queuosine precursor preQ1 contains an unusually small aptamer domain », Nature Structural & Molecular Biology, vol. 14, no 4,‎ , p. 308–317 (DOI 10.1038/nsmb1224, lire en ligne)
  20. Casey C. Fowler, Eric D. Brown et Yingfu Li, « Using a Riboswitch Sensor to Examine Coenzyme B12 Metabolism and Transport in E. coli », Chemistry & Biology, vol. 17, no 7,‎ , p. 756–765 (DOI 10.1016/j.chembiol.2010.05.025, lire en ligne)
  21. a et b Elizabeth E. Regulski, Ryan H. Moy, Zasha Weinberg et Jeffrey E. Barrick, « A widespread riboswitch candidate that controls bacterial genes involved in molybdenum cofactor and tungsten cofactor metabolism », Molecular Microbiology, vol. 68, no 4,‎ , p. 918–932 (ISSN 1365-2958, PMID 18363797, PMCID PMC2408646, DOI 10.1111/j.1365-2958.2008.06208.x, lire en ligne)
  22. Alexander Serganov, Lili Huang et Dinshaw J. Patel, « Coenzyme recognition and gene regulation by a flavin mononucleotide riboswitch », Nature, vol. 458, no 7235,‎ , p. 233–237 (ISSN 1476-4687, PMID 19169240, PMCID PMC3726715, DOI 10.1038/nature07642, lire en ligne)
  23. Jenny L. Baker, Narasimhan Sudarsan, Zasha Weinberg et Adam Roth, « Widespread genetic switches and toxicity resistance proteins for fluoride », Science (New York, N.Y.), vol. 335, no 6065,‎ , p. 233–235 (ISSN 1095-9203, PMID 22194412, PMCID PMC4140402, DOI 10.1126/science.1215063, lire en ligne)
  24. Arati Ramesh et Wade C. Winkler, « Magnesium-sensing riboswitches in bacteria », RNA biology, vol. 7, no 1,‎ , p. 77–83 (ISSN 1555-8584, PMID 20023416, lire en ligne)
  25. Michael Dambach, Melissa Sandoval, Taylor B. Updegrove et Vivek Anantharaman, « The ubiquitous yybP-ykoY riboswitch is a manganese-responsive regulatory element », Molecular Cell, vol. 57, no 6,‎ , p. 1099–1109 (ISSN 1097-4164, PMID 25794618, PMCID PMC4376352, DOI 10.1016/j.molcel.2015.01.035, lire en ligne)
  26. Ian R. Price, Ahmed Gaballa, Fang Ding et John D. Helmann, « Mn(2+)-sensing mechanisms of yybP-ykoY orphan riboswitches », Molecular Cell, vol. 57, no 6,‎ , p. 1110–1123 (ISSN 1097-4164, PMID 25794619, PMCID PMC4703321, DOI 10.1016/j.molcel.2015.02.016, lire en ligne)
  27. Kazuhiro Furukawa, Arati Ramesh, Zhiyuan Zhou et Zasha Weinberg, « Bacterial riboswitches cooperatively bind Ni(2+) or Co(2+) ions and control expression of heavy metal transporters », Molecular Cell, vol. 57, no 6,‎ , p. 1088–1098 (ISSN 1097-4164, PMID 25794617, PMCID PMC4667775, DOI 10.1016/j.molcel.2015.02.009, lire en ligne)
  28. Joy Xin Wang, Elaine R. Lee, Dianali Rivera Morales et Jinsoo Lim, « Riboswitches that sense S-adenosylhomocysteine and activate genes involved in coenzyme recycling », Molecular Cell, vol. 29, no 6,‎ , p. 691–702 (ISSN 1097-4164, PMID 18374645, PMCID PMC2712820, DOI 10.1016/j.molcel.2008.01.012, lire en ligne)
  29. Rebecca K. Montange et Robert T. Batey, « Structure of the S-adenosylmethionine riboswitch regulatory mRNA element », Nature, vol. 441, no 7097,‎ , p. 1172–1175 (ISSN 1476-4687, PMID 16810258, DOI 10.1038/nature04819, lire en ligne)
  30. Samuel Bocobza, Avital Adato, Tali Mandel et Michal Shapira, « Riboswitch-dependent gene regulation and its evolution in the plant kingdom », Genes & Development, vol. 21, no 22,‎ , p. 2874–2879 (ISSN 0890-9369, PMID 18006684, PMCID PMC2049190, DOI 10.1101/gad.443907, lire en ligne)
  31. Andreas Wachter, Meral Tunc-Ozdemir, Beth C. Grove et Pamela J. Green, « Riboswitch control of gene expression in plants by splicing and alternative 3' end processing of mRNAs », The Plant Cell, vol. 19, no 11,‎ , p. 3437–3450 (ISSN 1040-4651, PMID 17993623, PMCID PMC2174889, DOI 10.1105/tpc.107.053645, lire en ligne)
  32. (en) Nicholas J. Green, Frank J. Grundy et Tina M. Henkin, « The T box mechanism: tRNA as a regulatory molecule », FEBS Letters, vol. 584, no 2,‎ , p. 318–324 (ISSN 1873-3468, PMID 19932103, PMCID PMC2794906, DOI 10.1016/j.febslet.2009.11.056, lire en ligne)
  33. Jennifer A. Collins, Irnov Irnov, Stephanie Baker et Wade C. Winkler, « Mechanism of mRNA destabilization by the glmS ribozyme », Genes & Development, vol. 21, no 24,‎ , p. 3356–3368 (ISSN 0890-9369, PMID 18079181, PMCID PMC2113035, DOI 10.1101/gad.1605307, lire en ligne)
  34. Kathryn D Smith, Sarah V Lipchock, Tyler D Ames et Jimin Wang, « Structural basis of ligand binding by a c-di-GMP riboswitch », Nature Structural & Molecular Biology, vol. 16, no 12,‎ , p. 1218–1223 (PMID 19898477, PMCID PMC2850612, DOI 10.1038/nsmb.1702, lire en ligne)
  35. James W Nelson, Narasimhan Sudarsan, Kazuhiro Furukawa et Zasha Weinberg, « Riboswitches in eubacteria sense the second messenger c-di-AMP », Nature Chemical Biology, vol. 9, no 12,‎ , p. 834–839 (PMID 24141192, PMCID PMC3830699, DOI 10.1038/nchembio.1363, lire en ligne)
  36. Gal Nechooshtan, Maya Elgrably-Weiss, Abigail Sheaffer et Eric Westhof, « A pH-responsive riboregulator », Genes & Development, vol. 23, no 22,‎ , p. 2650–2662 (ISSN 1549-5477, PMID 19933154, PMCID PMC2779765, DOI 10.1101/gad.552209, lire en ligne)
  37. C. Ster, M. Allard, S. Boulanger et M. Lamontagne Boulet, « Experimental treatment of Staphylococcus aureus bovine intramammary infection using a guanine riboswitch ligand analog », Journal of Dairy Science, vol. 96,‎ , p. 1000–1008 (ISSN 1525-3198, PMID 23245959, DOI 10.3168/jds.2012-5890, lire en ligne)
  38. Kenneth F. Blount, Cynthia Megyola, Mark Plummer et David Osterman, « Novel riboswitch-binding flavin analog that protects mice against Clostridium difficile infection without inhibiting cecal flora », Antimicrobial Agents and Chemotherapy, vol. 59,‎ , p. 5736–5746 (ISSN 1098-6596, PMID 26169403, PMCID 4538501, DOI 10.1128/AAC.01282-15, lire en ligne)

Voir aussi[modifier | modifier le code]