Acides nucléiques
ARN : traduction
Vue d'ensemble

Principes généraux de la traduction

Le code génétique correspond à l'ensemble des règles qui permettent d'associer les codons d'un ARN messager (ARNm) aux acides aminés incorporés lors de la synthèse des protéines.

1. La traduction met en œuvre cette information grâce à l'action coordonnée :

• des ribosomes et de leurs ARN ribosomiques (ARNr),
• des ARN de transfert (ARNt),
• de nombreux facteurs protéiques spécialisés.

2. Bien que la traduction implique plusieurs centaines de protéines, d'ARN et de complexes macromoléculaires dont les interactions sont extrêmement complexes, seuls les mécanismes fondamentaux nécessaires à la compréhension du processus seront présentés.

a. La traduction comprend quatre grandes étapes :

• l'initiation, qui assure le positionnement du ribosome sur l'ARN messager,
• l'élongation, au cours de laquelle les acides aminés sont incorporés successivement dans la chaîne polypeptidique,
• la terminaison, déclenchée lors de la reconnaissance d'un codon stop,
• le recyclage ribosomique, qui permet la réutilisation des sous-unités ribosomiques.

b. La fidélité et l'efficacité de la synthèse protéique sont également assurées par différents mécanismes permettant d'adapter la traduction aux conditions physiologiques, aux signaux extracellulaires et aux situations de stress :

• mécanismes de surveillance et de contrôle qualité,
• mécanismes de régulation.

Codons, anticodons et lecture de l'ARNm

Les codons de l'ARN messager et les anticodons des ARN de transfert constituent les éléments fondamentaux de la traduction.

Leur reconnaissance spécifique permet au ribosome de convertir l'information génétique en une séquence d'acides aminés.

Codons, anticodons et code génétique

1. La reconnaissance des codons par les anticodons repose sur les principes suivants.

• Chaque codon de l'ARN messager (ARNm) correspond à une séquence de trois nucléotides lue par le ribosome dans le sens 5' → 3'.
• L'anticodon porté par l'ARN de transfert (ARNt) aminoacylés s'apparie de manière antiparallèle au codon correspondant afin de permettre l'incorporation de l'acide aminé approprié dans la chaîne polypeptidique en croissance.

2. Les protéines utilisent 20 acides aminés standards et si chaque acide aminé était spécifié par un seul codon, 20 ARNt suffiraient théoriquement.

a. Or, on trouve 64 codons possibles du code génétique, donc 61 codons spécifient l'incorporation d'un des 20 acides aminés standards utilisés pour la synthèse des protéines et et 3 correspondent à des signaux de terminaison de la traduction.

b. Le code génétique est donc dit dégénéré, ce qui signifie que plusieurs codons différents peuvent spécifier un même acide aminé.

• Par exemple, la leucine est codée par six codons distincts (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA et CUG) alors que le tryptophane n'est spécifié que par un seul codon (UGG).
• Cette dégénérescence contribue à expliquer pourquoi les cellules ne possèdent pas un ARNt différent pour chacun des 61 codons codant des acides aminés.

		2ème base
		U		C		A		G		3ème base
1ère base	U	UUU	Phénylalanine (Phe, F)	UCU	Sérine (Ser, S)	UAU	Tyrosine (Tyr, Y)	UGU	Cystéine (Cys, C)	U
		UUC		UCC		UAC		UGC		C
		UUA	Leucine (Leu, L)	UCA		UAA	STOP	UGA	STOP	A
		UUG		UCG		UAG	STOP	UGG	Tryptophane (Trp, W)	G
	C	CUU		CCU	Proline (Pro, P)	CAU	Histidine (His, H)	CGU	Arginine (Arg, R)	U
		CUC		CCC		CAC		CGC		C
		CUA		CCA		CAA	Glutamine (Gln, Q)	CGA		A
		CUG		CCG		CAG		CGG		G
	A	AUU	Isoleucine (Ile, I)	ACU	Thréonine (tdr, T)	AAU	Asparagine (Asn, N)	AGU	Sérine (Ser, S)	U
		AUC		ACC		AAC		AGC		C
		AUA		ACA		AAA	Lysine (Lys, K)	AGA	Arginine (Arg, R)	A
		AUG	Méthionine (Met, M)	ACG		AAG		AGG		G
	G	GUU	Valine (Val, V)	GCU	Alanine (Ala, A)	GAU	Aspartate (Asp, D)	GGU	Glycine (Gly, G)	U
		GUC		GCC		GAC		GGC		C
		GUA		GCA		GAA	Glutamate (Glu, E)	GGA		A
		GUG		GCG		GAG		GGG		G

Différentes catégories de codons

Les codons peuvent être classés en trois grandes catégories selon leur rôle dans la traduction.

1. Le codon AUG, qui code la méthionine, sert le plus souvent de codon d’initiation de la traduction lorsqu’il marque le début de l’ORF.

Le cadre ouvert de lecture ou ORF (Open Reading Frame) est la région comprise entre le codon d'initiation et le codon stop.

a. Chez les eucaryotes, il existe deux ARN de transfert (ARNt) capables de transporter la méthionine, codés par des gènes différents et possèdant des séquences ainsi que des éléments structuraux spécifiques.

• Le Met-ARNt_i^Met, utilisé exclusivement lors de l'initiation de la traduction et qui qui apporte la première méthionine de la chaîne polypeptidique, est reconnu par le facteur d'initiation eIF2, qui l'achemine directement vers le site P du ribosome.
• L'ARNt de méthionine d'élongation, qui incorpore les méthionines correspondant aux codons AUG situés à l'intérieur de la séquence codante, est recruté par elF1A et rejoint le site A au cours de l'élongation.

b. La reconnaissance du codon d'initiation AUG par le Met-ARNt_i^Met dépend également du contexte nucléotidique qui entoure ce codon, notamment de la séquence de Kozak (séquence de Kozak et reconnaissance du codon d'initiation).

Remarque : les mitochondries, les chloroplastes et les bactéries utilisent un fMet-ARNt^fMetᵗ, dans lequel la méthionine initiatrice est préalablement formylée ( formylation).

2. Les codons sens spécifient l'incorporation des différents acides aminés au cours de la synthèse protéique ( cf. tableau ci-dessus).

Ils constituent les codons les plus nombreux du code génétique et assurent l'élongation de la chaîne polypeptidique.

3. Les codons de terminaison ou codons stop UAA (ochre), UAG (amber) et UGA (opal) déclenchent l'arrêt de la traduction et, contrairement aux codons sens, ils ne sont reconnus par aucun ARNt ( voie de surveillance des ARN).

• La présence de plusieurs codons stop résulte probablement de l'évolution du code génétique primitif et contribue à la robustesse du système en limitant les conséquences de certaines mutations pouvant affecter les signaux de terminaison.
• Chez les eucaryotes, ces codons sont reconnus par les facteurs de terminaison eRF1 et eRF3 qui se fixent au site A du ribosome et déclenchent la libération de la chaîne polypeptidique.

Remarque : dans certains contextes particuliers, le codon UGA peut toutefois être réinterprété comme un codon spécifiant la sélénocystéine grâce à la présence d'un élément SECIS, de la protéine SBP2 et d'un ARNt^Sec spécialisé (Selenocysteine insertion sequence binding protein 2 (Sbp2) in the sex-specific regulation of selenoprotein gene expression in mouse pancreatic islets 2020).

4. Un codon stop prématuré (PTC, premature termination codon) est un codon de terminaison qui apparaît au sein d'un ARN messager (ARNm) avant la fin normale de la séquence codante.

• Il provoque l'arrêt prématuré de la traduction et conduit à la production d'une protéine tronquée.
• Les cellules possèdent des mécanismes de surveillance capables de détecter de nombreux ARNm contenant un PTC afin de limiter la synthèse de protéines potentiellement délétères ( surveillance des ARN et voie NMD).

Appariement codon-anticodon et règle du wobble

Le nombre d’ARN de transfert (ARNt) présents dans une cellule, généralement compris entre trente et cinquante espèces différentes selon les organismes, est inférieur aux 61 codons codant des acides aminés.

1. Cette réduction s'explique par la règle du wobble, qui permet à un même ARNt de reconnaître plusieurs codons différents grâce à une certaine flexibilité de l'appariement codon-anticodon (The surprisingly complex tRNA subsystem: part 2—biochemical modifications 2020).

a. Le " wobble pairing ", littéralement " appariement bancal ", correspond sur un mode d'appariement non canonique entre bases nucléiques observé principalement entre la 3^ème base du codon de l' ARN messager (ARNm) et la 1^ère base de l’anticodon de l'ARNt.

b. Alors que les deux premières positions du codon sont généralement reconnues selon les règles classiques d'appariement Watson-Crick, la troisième position peut tolérer certains appariements non canoniques comme :

• G-U,
• I-U,
• I-A,
• I-C.

2. L'inosine (I) joue un rôle particulièrement important dans ce mécanisme et cette base modifiée est produite par désamination enzymatique de l'adénosine.

Remarque : des appariements wobble peuvent également être observés dans certaines régions hélicoïdales des snoARN (small nucleolar RNA), des scaARN (small Cajal body-specific RNA) et de nombreux autres ARN structurés.

Les paires de bases G-U y sont particulièrement fréquentes et contribuent à la stabilité, à la flexibilité et aux propriétés structurales locales des hélices d'ARN.

Facteurs de traduction

Les facteurs de traduction regroupent un ensemble de protéines auxiliaires qui assurent le déroulement et la régulation de la synthèse protéique.

Ils sont classés en :

• facteurs d'initiation (eIF), impliqués dans le recrutement du ribosome et la reconnaissance du codon initiateur,
• facteurs d'élongation (eEF), qui contrôlent l'incorporation des aminoacyl-ARNt et la progression du ribosome le long de l'ARNm,
• facteurs de terminaison (eRF), responsables de la reconnaissance des codons stop et de la libération de la protéine nouvellement synthétisée.

Initiation de la traduction

L'initiation constitue la première étape de la traduction et assure le positionnement du ribosome sur l'ARN messager ainsi que la sélection du codon d'initiation.